O pompowaniu w ciepłowniach

Ciepłownictwo jest bardzo trudną branżą z powodu interdyscyplinarności. Konieczna jest znajomość (przy najmniej podstaw) wymiany ciepła, hydrauliki, teorii spalania, fizyki budowli, teorii sterowania i wielu, wielu innych. Jest to przyczyna bardzo częstych błędów, gdyż rozwiązanie jakiegoś problemu cząstkowego może powodować znaczne szkody w innym miejscu. Dużą część podstawowego podręcznika z zakresu ciepłownictwa, Kamler [1] poświęcił ciepłowniom. Dotychczas ukazało się kilka książek na temat ciepłowni (np. [2], [3] i [4]). Natomiast specjalną pozycją dotyczącą układów hydraulicznych w ciepłowniach jest książka Żarskiego [5]. Jednak w środowisku zajmującym się pompami nie znalazła ona uznania [6]. 

Wiele artykułów dotyczyło poszczególnych rozwiązań modernizacji układów pompowania w ciepłowniach. Do analizy przedstawianych rozważań konieczne jest, przynajmniej pobieżne, zapoznanie się z tymi publikacjami. Nie należy się kierować rokiem wydania poszczególnych książek i artykułów, gdyż niestety niektóre podstawowe wiadomości są zapominane. Dość często mamy obecnie do czynienia z autorami, który więcej piszą, niż przeczytali.

Dobór pomp odbywa się na podstawie zakresu potrzebnej wydajności i wymaganej wysokości podnoszenia (niezbędnego do pokonania oporów przepływu wody sieciowej w obiegu). Te parametry ustala się na postawie rozwiązań technologicznych zastosowanych w ciepłowniach.

Schemat technologiczny ciepłowni

Podstawowym elementem ciepłowni jest kocioł. Zwykle stosuje się zespoły kotłów złożone z 2 do 4 lub nawet 6 kotłów. Wbrew pozorom dobór wielkości kotła jest bardzo istotnym problemem ze względu na sprawność wytwarzania energii cieplnej w ciepłowni. Liczba pracujących kotłów decyduje o średniej sprawności wytwarzania energii cieplnej.

W ciepłowniach mamy do czynienia z trzema rodzajami potrzeb zastosowania pomp. W klasycznym rozwiązaniu układu hydraulicznego są to pompy:
a) obiegowe,
b) mieszające (podmieszania gorącego),
c) stabilizujące i uzupełniające (czasami pracujące jako stabilizująco-uzupełniające).

Podstawowe parametry pracy ciepłowni

Konstrukcja oraz wymagania technologiczne narzucają temperaturę wody sieciowej przed kotłem T_pk ^min ≥ 70°C. Wynika to z minimalnej dopuszczalnej temperatury spalin. Przy zbyt niskiej temperaturze spalin następuje kondensacja pary wodnej, co w połączeniu z dwutlenkiem siarki powstającym z siarki zawartej w węglu powoduje powstawanie kwasu siarkowego.

Kotły WR (WLM) stanową zdecydowaną większość kotłów pracujących obecnie w ciepłowniach. Kotły płomienicowo-płomieniówkowe występują bardzo rzadko ze względu na dość przestarzałą konstrukcję i znacznie niższą wydajność.

Temperatura wody sieciowej za kotłem może wynosić maksymalnie T_zk ^max = 150°C. Dodatkowo istnieje dolne ograniczenie temperatury wody za kotłem: T_zk ^min = 110°C ze względu na możliwość odgazowania wody (usunięcie gazów agresywnych zawartych w powietrzu znajdującym się w wodzie). Ostatecznie temperatura wody sieciowej za kotłem powinna wynosić: T_zk = 110–150°C, a przed kotłem nie powinna spadać poniżej T_pk = 70°C. Temperatura T_zk = 150°C jest temperaturą, przy której kocioł osiąga swoją maksymalną moc, czyli parametry kotła T_zk/T_pk = 150/70°C gwarantują maksymalną moc kotła. Jedną z metod uzdatniania wody sieciowej jest jej odgazowanie. Proces ten zwykle przeprowadzany jest metodą termiczną. Temperatura procesu, przy którym następuje odgazowanie, wynosi T_og ^min = 105°C, ale aby proces odgazowania odbywał się stabilnie, wymagana jest pewna nadwyżka temperatury (w celu pokrycia strat na trasie od kotła do odgazowywacza).

Zgodnie z wykresem regulacyjnym na zasilaniu sieci ciepłowniczej temperatury są inne. Dlatego w układzie ciepłowni muszą być dodatkowe urządzenia, które zapewniają z jednej strony stały przepływ przez kocioł, a z drugiej strony właściwe temperatury przed i za kotłem oraz właściwe temperatury i przepływy do sieci. Sieć ciepłownicza i obieg ciepłowni są zupełnie różnymi obiektami i dlatego ważne jest określenie miejsca instalacji takich urządzeń, aby uzyskać pożądany efekt.

Podmieszanie gorące

Pierwszym układem jest podmieszanie gorące, czyli pompa mieszająca, a dokładnie pompa podmieszania gorącego. W chwilach kiedy temperatura wody sieciowej wracającej z sieci jest niższa niż 70°C, trzeba część wody zza kotła domieszać od wody powracającej z sieci, aby uzyskać jej temperaturę równą lub wyższą od wymaganych 70°C.

Jeżeli system ciepłowniczy wymaga temperatury zasilania rzędu 80°C, to do zasilania sieci upuszcza się pewne ilości chłodnej wody z powrotu sieci, mieszając ją z wodą zasilającą o temperaturze 110°C w takich proporcjach, aby otrzymać wymagane 80°C.

Podmieszanie zimne

Drugim układem jest podmieszanie zimne, którego zadaniem jest otrzymanie temperatury, jaka jest aktualnie wymagana w sieci ciepłowniczej, niższej od temperatury wody za kotłem (przez cały czas temperatura wody za kotłem powinna wynosić co najmniej 110°C, również latem). Aby wszystko mogło właściwie pracować, umieszcza się pompy obiegowe oraz pompy uzupełniająco- stabilizujące tak jak na rysunku 1. Temperatura wody płynącej do sieci ciepłowniczej zmienia się w zakresie T_sz = 130–70°C, natomiast temperatura powrotu wynosi teoretycznie Ts_p = 70–40°C.

W powyższym schemacie uwzględniono już ograniczenie maksymalnej temperatury zasilania na sieci do T_zs ^max = 130°C – przez pewien czas przepływ powinien być większy od nominalnego.

Podstawowe obwody regulacji

Prowadzenie ciepłowni polega na rozwiązaniu kilku problemów:

• sterowania wydajnością pomp podmieszania gorącego,
• sterownia podmieszaniem zimnym,
• sterowania pomp obiegowych,
• sterowania pomp stabilizujących,
• sterowania pomp uzupełniających,
• uruchomienia kolejnego kotła.

Do właściwego wyznaczenia parametrów pracy ciepłowni konieczna jest znajomość wykresu regulacyjnego dla sieci oraz zmienności przepływu wody w sieci. Sterowanie mocą kotła po stronie spalania