Rola przepompowni w obniżaniu parametrów pracy pomp obiegowych w ciepłowniach

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].

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: Q_obl = 72 MW, a przepływ wody sieciowej (maksymalny) G _s^max = 1075 m³/h. Założono również, że obciążenie wzdłuż sieci ciepłowniczej jest zmienne, pokazano to na rysunku 1. Wstępnie oszacowano średnice poszczególnych fragmentów sieci ciepłowniczej.

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 ΔH_pomp = 15,0 m H₂O w przewodzie zasilającym i powrotnym. Pozwala to na obniżenie ciśnienia rozporządzalnego w ciepłowni z ΔH_C = 80,0 m H₂O do ΔH_Cp = 50,0 m H₂O.

Wydajność pomp obiegowych w ciepłowni wynosi: G_s^max = 1075,0 m³/h. Wydajność pomp w przepompowniach wynosi G_sp ^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 N_PO do napędu pompy:

N_PO = c × ΔH_C ×G_s

Oznaczenia w powyższej zależności:

c – współczynnik proporcjonalności zależny odjednostek,
ΔH_C – wysokość podnoszenia pomp obiegowych [m H₂O],
G_s – przepływ wody sieciowej [m³/h].

Moc silników elektrycznych N_PO do napędu pomp obiegowych:

N_Po = c x  ΔH_c x G_s = 0,004077 x 80,0 x 1075,0 = 350,62kW

Moc silników elektrycznych N_PO+pomp do napędu pomp obiegowych i w przepompowni:

N_POpomp = c x ( ΔH_Cp x G_s + ΔH_pomp x G_sp^max) N_POpomp = 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 ΔH_C = 165 m H₂O. Takie ciśnienie rozporządzalne wymaga wysokości ciśnienia w przewodzie zasilającym: H_CZ = 180 m H₂O, czyli wyższego od ciśnienia dopuszczalnego, które jest równe H_dop ≤ 160 m H₂O (P_dop ≤1,6 MPa)! W źródle ciepła przepływ wody sieciowej wynosi G_sC = 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 ΔH_wmin = 15,0 m H₂O) wynosi:

Należy podkreślić, że otrzymana wartość stateczności  hydraulicznej jest stanowczo za niska do poprawnej eksploatacji systemu ciepłowniczego.

Wprowadzenie przepompowni wody sieciowej o ΔH_pomp = 20 m H₂O pozwala na obniżenie o taką wartość wysokości ciśnienia rozporządzalnego. Wydajność pomp w przepompowni wynosi G_spomp = 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 (ΔH_wmin = 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:

N_PO = c x Δ H_c x G_s = 0,004077 x 165 x 1300,0 x 874,52 kW

Moc silników elektrycznych N_PO+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 H_dop≤160 m H₂O [P_dop ≤ 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:

 ΔH_pomp  = S x G²_spomp - ΔH_w

ΔH_pomp – wysokość podnoszenia ciśnienia w przepompowni [m H₂O (MPa)],

S – oporność (rezystancja) hydrauliczna sieci ciepłowniczej za przepompownią [m H₂O/[(m³/s)²]],

G_spomp – przepływ wody sieciowej w przepompowni [m³/s],

ΔH_w – 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 H_p ≤ 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

1. Śnieżyk R., O pompowaniu w ciepłowniach, „Rynek Instalacyjny” nr 1-2/2009.
2. Śnieżyk R., Parametry pracy pomp obiegowych w ciepłowniach, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2009.
3. Śnieżyk R. Sterowanie pracą pomp obiegowych w ciepłowniach, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2009.
4. Misiewicz A., Misiewicz W., Napędy regulowane w układach pompowych źródeł ciepła, Krajowa Agencja Poszanowania Energii SA, 2008.
5. Nowak J., Modernizacja pompowni sieciowych, IX Fo rum Ciepłowników Polskich, Izba Gospodarcza CIEPŁOWNICTWO POLSKIE, Międzyzdroje 2005.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Śnieżyk R., Optymalizacja sieci ciepłowniczej m. Słupska, Wrocław 2004, opracowanie niepublikowane.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Śnieżyk R., Rewitalizacja ogrzewania powietrznego zabytkowej katedry, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 2/2007.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!