Rola przepompowni w obniżaniu parametrów pracy pomp obiegowych w ciepłowniach
O pompowaniu w ciepłowniach (cz. 4)
W artykule przedstawiono najważniejsze przesłanki decydujące o wpływie przepompowni wody sieciowej na parametry pracy pomp obiegowych w ciepłowni. Podano zasady stosowania przepompowni oraz sposoby sterowania pompami. Określono również obniżenie mocy elektrycznej napędu pomp obiegowych uzyskiwane dzięki wprowadzeniu przepompowni w systemach ciepłowniczych. W zależności od konkretnego systemu ciepłowniczego zmniejszenie mocy może wynosić od 10 do 20%.
Zobacz także
FLOWAIR Sprawdź, jak prześcigniesz konkurencję dzięki SYSTEMOWI FLOWAIR
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami...
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami – musisz o nie zadbać, aby podczas składowania nie straciły swoich właściwości.
ADEY Innovation SAS ADEY – optymalna ochrona systemu grzewczego
ADEY jest wiodącym producentem filtrów magnetycznych oraz środków chemicznych stosowanych w systemach grzewczych do ich ochrony i poprawy efektywności pracy. Produkty ADEY przyczyniają się jednocześnie...
ADEY jest wiodącym producentem filtrów magnetycznych oraz środków chemicznych stosowanych w systemach grzewczych do ich ochrony i poprawy efektywności pracy. Produkty ADEY przyczyniają się jednocześnie do ochrony środowiska naturalnego, z dużym naciskiem na poprawę jakości powietrza (umożliwiają obniżenie emisji CO2 o ok. 250 kg rocznie z pojedynczego gospodarstwa domowego).
Alfa Laval Efektywna wymiana ciepła to kwestia nowoczesnych rozwiązań w wymienniku ciepła a nie tylko powierzchni grzewczej
Światowe zapotrzebowanie na energię nie staje się coraz mniejsze – wręcz przeciwnie. W nadchodzących latach coraz trudniej będzie utrzymać konkurencyjność, ponieważ firmy na każdym rynku i w każdej branży...
Światowe zapotrzebowanie na energię nie staje się coraz mniejsze – wręcz przeciwnie. W nadchodzących latach coraz trudniej będzie utrzymać konkurencyjność, ponieważ firmy na każdym rynku i w każdej branży poszukują nowych sposobów maksymalizacji wydajności przy jednoczesnym obniżeniu kosztów energii i udoskonaleniu swojego wizerunku w zakresie ochrony środowiska. Wyzwania te będą złożone i wieloaspektowe.
Artykuł jest kontynuacją publikacji [1], [2] i [3]. Podobnie jak poprzednio, często przywoływana jest praca [4], która zasługuje na dużą uwagę. W artykule [3] skupiono się na analizie ciśnienia rozporządzalnego w źródle ciepła. Należy pamiętać, że pompy obiegowe w układzie „klasycznym” muszą pokonywać opory hydrauliczne na terenie ciepłowni, w szczególności kotłów. W propozycjach zmian schematu technologicznego ciepłowni (patrz prace [5]–[8]) mogą być wykorzystywane wnioski wysnute na podstawie rozważań zamieszczonych w niniejszym cyklu artykułów, a zmierzające do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej do napędu pomp obiegowych.
Systemy ciepłownicze są bardzo zróżnicowane ze względu na wielkość charakteryzowaną przez ich moc szczytową oraz odpowiadającą jej ilość wody sieciowej. Różna jest również struktura sieci ciepłowniczej oraz lokalizacja źródła ciepła.
Analizy przeprowadzono dla systemu ciepłowniczego równomiernie obciążonego, a źródło ciepła znajduje się w jego środku. Oczywiście w rzeczywistości takie systemy ciepłownicze występują bardzo rzadko. Skrajnym przykładem nieregularnej sieci ciepłowniczej może być zasilanie Redzikowa z systemu ciepłowniczego Słupska [9].
Rys. 1. Obciążenie modelowego systemu ciepłowniczego wzdłuż sieci
Przepompownie wody sieciowej w systemie ciepłowniczym
Przepompownie wody sieciowej stosowane są w Polsce niemal zawsze w warunkach wymuszonych przez ukształtowanie terenu. W pracy [2] przedstawiono przykłady takich rozwiązań w Gdańsku i Bydgoszczy. Obecnie, kiedy konkurencja na rynku ciepła jest bardzo duża (gaz sieciowy, olej opałowy, kogeneracja rozproszona), maksymalne obniżanie kosztów w systemach ciepłowniczych jest niezbędne. Jedną z metod obniżenia kosztów w ciepłownictwie jest stosowanie przepompowni wody sieciowej.
System ciepłowniczy równomiernie obciążony
W analizowanym modelowym systemie ciepłowniczym zapotrzebowanie mocy (w warunkach obliczeniowych) wynosi: Qobl = 72 MW, a przepływ wody sieciowej (maksymalny) G smax = 1075 m3/h. Założono również, że obciążenie wzdłuż sieci ciepłowniczej jest zmienne, pokazano to na rysunku 1. Wstępnie oszacowano średnice poszczególnych fragmentów sieci ciepłowniczej.
Rys. 2. Wykres ciśnień piezometrycznych przy maksymalnym przepływie wody sieciowej Gsmax
Na rysunku 2 przedstawiono wykres ciśnień piezometrycznych w typowym, równomiernie obciążonym systemie ciepłowniczym, którego charakterystykę przedstawiono wyżej.
Do modelowego systemu ciepłowniczego o założonym rozkładzie przepływu wody sieciowej dobrano dwie przepompownie wody sieciowej w połowie długości sieci ciepłowniczej. Wykres ciśnień piezometrycznych w systemie ciepłowniczym z dwoma przepompowniami, jednej w przewodzie zasilającym, a drugiej w powrotnym, pokazano na rysunku 3.
Wysokość podnoszenia przepompowni wynosi ΔHpomp = 15,0 m H2O w przewodzie zasilającym i powrotnym. Pozwala to na obniżenie ciśnienia rozporządzalnego w ciepłowni z ΔHC = 80,0 m H2O do ΔHCp = 50,0 m H2O.
Rys. 3. Wykres ciśnień piezometrycznych w systemie ciepłowniczym z przepompowniami
Wydajność pomp obiegowych w ciepłowni wynosi: Gsmax = 1075,0 m3/h. Wydajność pomp w przepompowniach wynosi Gsp max = 538,5 m3/h.
Na podstawie parametrów pomp obiegowych i w przepompowni można wyliczyć moc silników elektrycznych do ich napędu. Obliczenia przeprowadzono z ogólnie znanej zależności służącej do wyznaczenia mocy silnika elektrycznego NPO do napędu pompy:
NPO = c × ΔHC ×Gs
Oznaczenia w powyższej zależności:
c – współczynnik proporcjonalności zależny odjednostek,
ΔHC – wysokość podnoszenia pomp obiegowych [m H2O],
Gs – przepływ wody sieciowej [m3/h].
Moc silników elektrycznych NPO do napędu pomp obiegowych:
NPo = c x ΔHc x Gs = 0,004077 x 80,0 x 1075,0 = 350,62kW
Moc silników elektrycznych NPO+pomp do napędu pomp obiegowych i w przepompowni:
NPOpomp = c x ( ΔHCp x Gs + ΔHpomp x Gspmax) NPOpomp = 0,004077 x (50,0 x 1075,0 + 30,0 x 538,5) = 0,004077 x (53750 + 16155) = 285,00kW
Zastosowanie przepompowni zmniejsza moc silników do napędu pomp o:
W celu zilustrowania wpływu przepompowni wody sieciowej założono, że system ciepłowniczy jest zlokalizowany w terenie płaskim o równomiernym obciążeniu cieplnym, jest w pełni zautomatyzowany, a źródło ciepła znajduje się w centrum struktury sieci ciepłowniczej.
Rzeczywisty system ciepłowniczy
Opisany wyżej modelowy system ciepłowniczy w praktyce nie istnieje. Najczęściej mamy do czynienia z mniej lub bardziej asymetrycznymi obciążeniami sieci ciepłowniczych. Posłużono się danymi systemu ciepłowniczego Słupska [9].
Analizując możliwość przyłączenia nowych odbiorców, wykonano odpowiednie obliczenia hydrauliczne za pomocą programu komputerowego [10].
W warunkach nominalnych konieczna wysokość ciśnienia rozporządzalnego powinna wynosić ΔHC = 165 m H2O. Takie ciśnienie rozporządzalne wymaga wysokości ciśnienia w przewodzie zasilającym: HCZ = 180 m H2O, czyli wyższego od ciśnienia dopuszczalnego, które jest równe Hdop ≤ 160 m H2O (Pdop ≤1,6 MPa)! W źródle ciepła przepływ wody sieciowej wynosi GsC = 1300 m3/h.
Taki sposób postępowania umożliwia wykorzystywanie nawet niewłaściwych wyników obliczeń hydraulicznych do kształtowania wykresów ciśnień piezometrycznych.
Stateczność hydrauliczna sieci ciepłowniczej (przy minimalnym ciśnieniu dyspozycyjnym w źródle ciepła ΔHwmin = 15,0 m H2O) wynosi:
Rys. 4. Wykres ciśnień piezometrycznych bez przepompowni wody sieciowej i z przepompownią (Słupsk)
Należy podkreślić, że otrzymana wartość stateczności hydraulicznej jest stanowczo za niska do poprawnej eksploatacji systemu ciepłowniczego.
Wprowadzenie przepompowni wody sieciowej o ΔHpomp = 20 m H2O pozwala na obniżenie o taką wartość wysokości ciśnienia rozporządzalnego. Wydajność pomp w przepompowni wynosi Gspomp = 100 m3/h.
Przepompownię umieszczono w przewodzie powrotnym (obniżenie ciśnienia), w miejscu gdzie jest fragment promieniowy sieci ciepłowniczej, a ciśnienie dyspozycyjne jest większe od minimalnego (ΔHwmin = 15,0 m H2O). Należy podkreślić, że nie wolno umieszczać przepompowni wody sieciowej w pierścieniu, gdyż powoduje to dodatkowe krążenie wody w pierścieniu oraz większe zużycie energii elektrycznej do napędu pomp. Wykres ciśnień piezometrycznych w przypadku parametrów nominalnych oraz wpływ przepompowni na układ ciśnień pokazano na rysunku 4. Na podstawie wcześniej podanych zależności można wyznaczyć zmniejszenie mocy elektrycznej silników do napędu pomp.
Moc silników elektrycznych NPO do napędu pomp obiegowych:
NPO = c x Δ Hc x Gs = 0,004077 x 165 x 1300,0 x 874,52 kW
Moc silników elektrycznych NPO+pomp do napędu pomp obiegowych i w przepompowni:
Zastosowanie przepompowni zmniejsza moc do napędu silników pomp o:
Poza uzyskaniem koniecznego obniżenia ciśnienia w przewodzie zasilającym w ciepłowni (ponirynekinstalacyjnyżej Hdop≤160 m H2O [Pdop ≤ 1,6 MPa]) zmniejszono moc silników do pompowania o ponad 11%.
Parametry pracy przepompowni
Wprowadzenie do systemu ciepłowniczego przepompowni wody sieciowej wymaga opracowania sposobu sterowania parametrami pracy pomp w przepompowniach. Należy również pamiętać o konieczności zabezpieczenia sieci ciepłowniczej przed skutkami ewentualnego uderzenia hydraulicznego spowodowanego przez zanik napięcia zasilania silników pomp w przepompowni. Opis metod zabezpieczania przepompowni wykracza poza zakres niniejszego artykułu.
Sposób sterowania pompami w przepompowni
W zależności od dostępnych środków technicznych można zastosować dwa algorytmy sterowania.
Stabilizacja ciśnienia dyspozycyjnego na końcu sieci ciepłowniczej
Jeżeli w systemie ciepłowniczym są możliwości zdalnego pomiaru ciśnienia dyspozycyjnego na końcu sieci ciepłowniczej, to jest to najlepsza metoda sterowania pompami w przepompowni. W celu minimalizacji zużycia energii elektrycznej do napędu pomp należy stabilizować ciśnienie dyspozycyjne na końcu sieci ciepłowniczej za przepompownią.
Ponieważ zakres zmian przepływu wody sieciowej w czasie sezonu ogrzewczego, a także latem jest bardzo duży, to taka metoda sterowania jest najmniej energochłonna.
Sterowanie pompami w zależności od przepływu wody sieciowej
W przypadku braku możliwości zdalnego pomiaru ciśnienia dyspozycyjnego na końcu sieci ciepłowniczej można wykorzystać pomiar przepływu wody sieciowej w przepompowni.
Metoda ta wymaga wyznaczenia zależności pomiędzy ciśnieniem dyspozycyjnym na końcu sieci ciepłowniczej (za przepompownią) a przepływem wody sieciowej. Ogólnie znaną i często stosowaną zależnością, którą można wykorzystać, jest funkcja:
ΔHpomp = S x G2spomp - ΔHw
ΔHpomp – wysokość podnoszenia ciśnienia w przepompowni [m H2O (MPa)],
S – oporność (rezystancja) hydrauliczna sieci ciepłowniczej za przepompownią [m H2O/[(m3/s)2]],
Gspomp – przepływ wody sieciowej w przepompowni [m3/s],
ΔHw – minimalne ciśnienie dyspozycyjne przed przepompownią [m H2O].
Przepływ wody sieciowej powinien być mierzony w przewodzie między przepompownią a końcem sieci ciepłowniczej. Do tych pomiarów można wykorzystać licznik ciepła. Sposób wykorzystywania liczników ciepła do sterowania opisano w [11].
Ta metoda sterowania jest przybliżona i może powodować dość duże różnice w zużyciu energii elektrycznej w porównaniu z pierwszą metodą. Wynika to ze zróżnicowania charakteru poszczególnych odbiorców ciepła i niejednoczesności poboru energii.
Stabilizacja ciśnienia w przewodzie powrotnym za przepompownią
Ciekawym rozwiązaniem związanym z pracą przepompowni w systemie ciepłowniczym jest sterowanie pracą pomp w przepompowni wody sieciowej w Kwidzynie [12]. W systemie tym zastosowano węzły ciepłownicze zmieszania pompowego, które są predestynowane do stosowania w systemach ciepłowniczych średniej wielkości.
W związku ze wzrostem zapotrzebowania ciepła w końcowej części sieci ciepłowniczej, a przede wszystkim z powodu wprowadzenia ogrzewania dyżurnego w katedrze [13], spadek ciśnienia w sieci ciepłowniczej znacznie wzrósł. Szczególnie konieczne zwiększenie przepływu wody sieciowej w czasie szybkiego nagrzewania katedry powodowało niekorzystne zmiany warunków hydraulicznych.
Aby nie dopuszczać do przekroczenia ciśnienia w przewodzie powrotnym w najbardziej odległym węźle ciepłowniczym (zmieszania pompowego) i zapobiegać otwieraniu się zaworów bezpieczeństwa, konieczne jest włączanie pompy w przepompowni.
Zastosowano algorytm sterowania stałowartościowego, tj. ciśnienie w przewodzie powrotnym między przepompownią a końcem sieci ciepłowniczej powinno wynosić Hp ≤ 58,0 m H2O.
Zastosowanie powyższego rozwiązania pozwala na zachowanie niemal bez zmian parametrów pracy pomp obiegowych w źródle ciepła.
Podsumowanie
W artykule określono parametry pracy pomp obiegowych w ciepłowniach w przypadku zastosowania przepompowni wody sieciowej w systemach ciepłowniczych. Przyczyną zastosowania przepompowni jest możliwość obniżenia mocy elektrycznej napędu pomp obiegowych. W zależności od konkretnego systemu ciepłowniczego zmniejszenie mocy może wynosić od 10 do 20%.
Należy zwracać uwagę na uwarunkowania, które muszą być spełnione, aby bezpiecznie eksploatować system ciepłowniczy z przepompowniami wody sieciowej. Konieczne jest wprowadzenie monitoringu pracy systemu ciepłowniczego, który jest nieodzownym warunkiem uzyskiwania maksymalnych korzyści ekonomicznych takich przedsięwzięć. Istotne znaczenie ma zastosowanie odpowiedniego algorytmu sterowania pracą pomp w przepompowni.
Literatura
- Śnieżyk R., O pompowaniu w ciepłowniach, „Rynek Instalacyjny” nr 1-2/2009.
- Śnieżyk R., Parametry pracy pomp obiegowych w ciepłowniach, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2009.
- Śnieżyk R. Sterowanie pracą pomp obiegowych w ciepłowniach, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2009.
- Misiewicz A., Misiewicz W., Napędy regulowane w układach pompowych źródeł ciepła, Krajowa Agencja Poszanowania Energii SA, 2008.
- Nowak J., Modernizacja pompowni sieciowych, IX Fo rum Ciepłowników Polskich, Izba Gospodarcza CIEPŁOWNICTWO POLSKIE, Międzyzdroje 2005.
- Goździkowski A., Piętka T., Mathea W., Analiza pracy układów pompowych w źródłach i węzłach cieplnych na podstawie sieci ciepłowniczych ECO SA, X Forum Użytkowników Pomp, Słok k. Bełchatowa 2003.
- Chorążak B., Plutecki Z., Loch M., Ocena stanu rozwiązań technicznych kotłowni wodnych w komunalnych systemów ciepłowniczych, „Ciepłownictwo w Polsce i na świecie”, nr 5/6 z 2004 r.
- Kiszko J., Układ hydrauliczny do wymiany ciepła i regulacji przepływu wody grzewczej w obiegu ciepłowniczym kotłowni z kotłami wodnymi, Urząd Patentowy RP, opis patentowy nr 173811, Warszawa 1994.
- Śnieżyk R., Optymalizacja sieci ciepłowniczej m. Słupska, Wrocław 2004, opracowanie niepublikowane.
- Śnieżyk R., Symulacja numeryczna zjawisk hydraulicznych sieci cieplnych przy stopniowej automatyzacji i w stanach awaryjnych, rozprawa doktorska, promotor: prof. S. Mańkowski, Politechnika Warszawska, Warszawa 1984.
- Śnieżyk R., Sposób wykorzystania liczników energii cieplnej do sterowania węzłów ciepłowniczych, w: XI Konferencja Naukowo-Technicznej Air Conditioning, Air Protection & District Heating 2005, Wrocław – Szklarska Poręba, 23–26.06.2005 r., Oficyna Wydawnicza PWroc. 2005.
- Śnieżyk R., Opracowanie koncepcji włączenia do miejskiego systemu ciepłowniczego Teatru, MOK i ZSZ nr 2 (około 2.0 MW) w Kwidzynie, Wrocław 1998, opracowanie niepublikowane.
- Śnieżyk R., Rewitalizacja ogrzewania powietrznego zabytkowej katedry, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 2/2007.
