Sterowanie pracą pomp obiegowych w ciepłowniach

Artykuł jest kontynuacją publikacji [1] i [2]. Podobnie jak poprzednio, często przywoływana jest w nim praca [3], która zasługuje na dużą uwagę, gdyż stanowi cenne źródło wiedzy z zakresu ciepłownictwa. Na podkreślenie zasługuje podanie wielu istotnych informacji, których nie można znaleźć w innych publikacjach.

W artykule [2] opisano sposób wyznaczania parametrów pracy pomp obiegowych w ciepłowniach, tzw. układ klasyczny z kotłami wodnorurkowymi (La Monta, WR) wymagającymi niemal stałego (Δgk = ±5%) przepływu wody kotłowej.

W istniejących sieciach ciepłowniczych zasilanych z ciepłowni (i elektrociepłowni) kształtowanie wykresów ciśnień piezometrycznych znacznie odbiega od przedstawionych w poprzednim artykule założeń. Wysokość podnoszenia pomp obiegowych powinna być, w przybliżeniu, równa sumie spadku ciśnienia w kotłach, powinna pokrywać spadek ciśnienia w układzie hydraulicznym ciepłowni oraz zapewniać wysokość ciśnienia dyspozycyjnego niezbędnego do odpowiedniej dostawy ciepła do wszystkich odbiorców.

Analizy przeprowadzono dla równomiernie obciążonego systemu ciepłowniczego, ze źródłem ciepła znajdującym się w środku systemu. Oczywiście w rzeczywistości takie systemy ciepłownicze występują bardzo rzadko. Skrajnym przykładem nieregularnej sieci ciepłowniczej może być zasilanie Redzikowa z systemu ciepłowniczego Słupska [4].

Parametry pracy pomp obiegowych w rzeczywistym systemie ciepłowniczym

Systemy ciepłownicze są bardzo zróżnicowane ze względu na wielkość charakteryzowaną przez ich moc szczytową oraz odpowiadającą jej ilość wody sieciowej. Różna jest również struktura odbiorców energii cieplnej, geometria sieci ciepłowniczej, przyjęty wykres centralnej regulacji i stopień zautomatyzowania.

Analizowany system ciepłowniczy zasilany jest z ciepłowni wyposażonej w trzy kotły WR-25 o całkowitej mocy cieplnej Q_C1 = 87,2 MW. Moc cieplna odbiorców ciepła całego systemu ciepłowniczego wynosi około Q_zam = 132 MW. Ciepłownia ta pracuje jako źródło podstawowe, a przy większym zapotrzebowaniu mocy włączana jest druga ciepłownia. Obliczeniowa temperatura zewnętrzna wynosi t_{z obl} = –16°C (I strefa klimatyczna).

Na rysunkach oznaczenie z indeksem „12” odnosi się do czasu, w którym pracują dwie ciepłownie, a indeks „1” do sytuacji, kiedy ciepłownia nr 1 zasila cały system ciepłowniczy.

Moc cieplna

Praca na dwa obszary jest widoczna na wykresach mocy produkowanej przez ciepłownię podstawową w zależności od temperatury zewnętrznej (rys. 1). W warunkach obliczeniowych (tzobl = –16°C) zapotrzebowanie mocy Qs dla całego systemu wynosi:

Natomiast dla fragmentu systemu ciepłowniczego zasilanego przez ciepłownię wynosi:

Przepływ wody sieciowej

Przepływ wody sieciowej w sezonie ogrzewczym 2003/2004 zmieniał się w zakresie Gs = 180–1235 t/h. Na rysunku 2 pokazano przepływ wody sieciowej w zależności od temperatury zewnętrznej.

Ciśnienie dyspozycyjne

System ciepłowniczy jest całkowicie zautomatyzowany (sterowanie cyfrowe wszystkich węzłów ciepłowniczych). Praca urządzeń automatycznej regulacji jest dobrze widoczna na wykresie wahań ciśnienia dyspozycyjnego (rys. 3).

W tym czasie ciśnienie dyspozycyjne wahało się w zakresie dH = 32–103 m H2O. O jakości sterowania dostawą ciepła świadczy ciśnienie dyspozycyjne w zależności od przepływu wody sieciowej. Przedstawiono to na rysunku 4.

Oporność sieci ciepłowniczej

Istotnym wskaźnikiem pracy sieci ciepłowniczej jest oporność (rezystancja) hydrauliczna S [m H₂O/(m³/s)²], która jest współczynnikiem proporcjonalności między ciśnieniem dyspozycyjnym H [m H₂O] a kwadratem przepływu wody sieciowej Gs [(m³/s)²]:

W zależności przyjęto następujące oznaczenia:

ΔH – ciśnienie dyspozycyjne w źródle ciepła [m H₂O (MPa)],

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

G_s – przepływ wody sieciowej [m³/s] ,ΔH_w – minimalne ciśnienie dyspozycyjne przed węzłem ciepłowniczym [m H₂O].

Analizę numeryczną zmiany oporności sieci ciepłowniczej przy stopniowym automatyzowaniu węzłów ciepłowniczych przedstawiono w pracy [5].

W przykładowej sieci ciepłowniczej założono następujące wartości do wyliczenia oporności sieci ciepłowniczej:

ΔH = 103,0 m H2O

G_s = 1235,0 m3/h = 0,343 m3/s

ΔH_w = 17,0 m H2O

Na podstawie tych danych wyliczono oporność sieci ciepłowniczej:

Na rysunku 5 pokazano oporność sieci cieplowniczej systemu ciepłowniczego.

Wykres ciśnień piezometrycznych

Na podstawie wyników z analizy pracy systemu ciepłowniczego wyznaczono zakres zmian ciśnień piezometrycznych w sezonie ogrzewczym.

Kształtowanie ciśnień w systemach ciepłowniczych

Najważniejszy warunek, który musi być spełniony, to zachowanie odpowiedniej stateczności hydraulicznej (Ah). Ten wskaźnik powinien być większy niż Ah > 0,5 i jest definiowany jako:

Warunek ten zwraca uwagę na odporność sieci ciepłowniczej na rozregulowanie powodowane przez wahania ilości wody potrzebnej w poszczególnych węzłach ciepłowniczych. Ważne jest, aby spadek ciśnienia w sieci ciepłowniczej był odpowiednio mały, czyli najniższe ciśnienie dyspozycyjne w węźle ciepłowniczym nie może być mniejsze niż:

Znacznie wygodniej jest posługiwać się wysokością ciśnienia (H, m H₂O) niż ciśnieniami (P, Pa). Ułatwia to kontrolę warunków pracy całego systemu ciepłowniczego, a zwłaszcza wpływu rzędnych geodezyjnych i wysokości budynków na kształtowanie ciśnień w różnych jego punktach. Z tego powodu najmniejsza wysokość ciśnienia dyspozycyjnego w węźle ciepłowniczym nie powinna być mniejsza niż ΔHw = 15–20 m H₂O (ΔPw = 0,15–0,20 MPa).

Przy maksymalnym przepływie wody sieciowej w systemie ciepłowniczym ciśnienie dyspozycyjne w źródle ciepła powinno być cztery razy większe. Na rysunku 6 pokazano przykładowy rozkład ciśnień piezometrycznych w hipotetycznym systemie ciepłowniczym o odpowiedniej stateczności hydraulicznej.

Stateczność hydrauliczna sieci ciepłowniczej

Ważnym wskaźnikiem jakości pracy systemu ciepłowniczego, a przede wszystkim odporności na rozregulowanie, jest stateczność hydrauliczna. Można przyjąć, że ciśnienie dyspozycyjne u najniekorzystniejszego odbiorcy wynosi ΔHw = 17,0 m H₂O. Maksymalna stateczność hydrauliczna sieci ciepłowniczej (przy minimalnym ciśnieniu dyspozycyjnym w źródle ciepła ΔH = 30,0 m H₂O) wynosi:

Natomiast minimalna stateczność hydrauliczna sieci ciepłowniczej (przy maksymalnym ciśnieniu dyspozycyjnym w źródle ciepła ΔH = 103,0 m H₂O) wynosi:

Należy podkreślić, że otrzymana wartość stateczności hydraulicznej jest stanowczo za niska do poprawnej eksploatacji systemu ciepłowniczego. Zmiany przepływu wody sieciowej powodowane automatyczną regulacją mogą skutkować zakłóceniami w regulacji dostawy ciepła.

Stabilizacja ciśnienia dyspozycyjnego w źródle ciepła

Zgodnie z normą [6] przewód modelowy powinien być włączony w przewód zasilający i powrotny sieci ciepłowniczej. Wydaje się naturalne stabilizowanie ciśnienia dyspozycyjnego, które stanowi pomiar do utrzymywania wysokości podnoszenia pomp obiegowych w ciepłowni.

Na rysunku 7 pokazano wykres ciśnień piezometrycznych w przypadku skrajnych przepływów wody sieciowej. Uwzględniono zmianę oporności sieci ciepłowniczej wywołanej pracą zaworów regulacyjnych w węzłach ciepłowniczych.

Należy zwrócić uwagę na to, że w najbardziej odległym węźle ciepłowniczym zakres zmian ciśnienia dyspozycyjnego wynosi ΔHw = 17,0 –88,0 m H2O! Taka sytuacja wymusza stosowanie dwóch zaworów różnicy ciśnień na wejściu do węzła ciepłowniczego, aby nie dopuścić do wystąpienia kawitacji.

Stabilizacja ciśnienia dyspozycyjnego na końcu sieci ciepłowniczej

Inną metodą sterowania wysokością podnoszenia pomp obiegowych jest umieszczenie pomiaru ciśnienia dyspozycyjnego na końcu sieci ciepłowniczej. W przypadku omawianego systemu ciepłowniczego wykresy ciśnień piezometrycznych przy maksymalnym i minimalnym przepływie wody sieciowej pokazano na rysunku 8.

Zakres zmian ciśnienia dyspozycyjnego na wyjściu do sieci ciepłowniczej jest bardzo duży. Wynosi on ΔH = 32–103 m H₂O! Ma to duży wpływ na pracę węzłów ciepłowniczych znajdujących się najbliżej źródła ciepła. Zawory różnicy ciśnień w tych węzłach ciepłowniczych muszą dławić nadwyżkę ciśnienia wynoszącą ΔH_ZRR = ΔH – ΔH_w = 103,0 – 17,0 = 84,0 m H₂O. Maksymalny spadek ciśnienia [7] na zaworze nie może być większy niż:

p1 – ciśnienie przed zaworem [MPa],

ps – ciśnienie nasycenia przy temperaturze wody sieciowej [MPa],

Z – współczynnik Z = 0,5–0,8.

Dla temperatur występujących w sieciach ciepłowniczych tj. T_sc = 60–135°C, na rysunku 9 pokazano maksymalny spadek wysokości ciśnienia na zaworze.

W węźle ciepłowniczym stosuje się zwykle jeden zawór różnicy ciśnień na zasilaniu. W takich warunkach wystąpi zjawisko kawitacji niszczące grzybek zaworu regulacyjnego. W węzłach ciepłowniczych znajdujących się blisko ciepłowni należy zastosować dwa zawory w szeregu lub zmienić sposób kształtowania wykresu ciśnień piezometrycznych w sieci ciepłowniczej. Zbyt wysokie ciśnienie dyspozycyjne może być również przyczyną niszczenia napędów zaworów regulacyjnych, jeżeli ich moc jest za mała [8].

Stabilizacja ciśnienia dyspozycyjnego w sieci ciepłowniczej

Jeżeli pomiar ciśnienia dyspozycyjnego umieści się w środku sieci ciepłowniczej, to wahania ciśnienia dyspozycyjnego będą mniejsze. W przeprowadzonej analizie założono, że system ciepłowniczy jest równomiernie obciążony, a źródło ciepła znajduje się w jego środku. Rezultaty takich założeń pokazano na rysunku 10.

Konieczne jest sprawdzenie, czy w zaworach różnicy ciśnień nie występuje kawitacja. W każdym systemie ciepłowniczym należy przeprowadzić analizę, której celem powinno być wyznaczenie lokalizacji miejsca pomiaru ciśnienia dyspozycyjnego zgodnie z przedstawionymi założeniami.

Jak widać z rysunku 10, ciśnienie dyspozycyjne u najodleglejszego odbiorcy zmienia się w zakresie ΔHw = 17,0–52,5 mH2O. Natomiast w źródle ciepła ciśnienie dyspozycyjne zmienia się w zakresie ΔHw = 67,5–103,0 mH2O. Z powodu skokowego rozwoju systemów ciepłowniczych charakterystyka hydrauliczna sieci ciepłowniczych w poszczególnych kierunkach ma różną oporność (rezystancję).

Oddanie w przeszłości do użytku magistrali ciepłowniczej, która z początku była obciążona w niewielkim stopniu, powodowało pojawienie się fragmentów systemu ciepłowniczego o znacznym udziale strat ciepła na przesyle. Nie zawsze dochodziło do właściwego dociążenia takich sieci, gdyż często rejony inwestycji, np. mieszkaniowych, ulegały zmianie. Skutkowało to nierównomiernym wykorzystaniem możliwości przesyłania ciepła.

Podsumowanie

W artykule określono parametry pracy pomp obiegowych w ciepłowniach zależące od warunków dostawy ciepła do poszczególnych odbiorców. Omówiono zakres zmian przepływu wody sieciowej w sieci ciepłowniczej w zależności od potrzeb cieplnych odbiorców ciepła w sezonie ogrzewczym. Szczegółowo przeanalizowano warunki hydrauliczne w przykładowym, rzeczywistym systemie ciepłowniczym.

Na podstawie rozważań wskazano sposób umiejscowienia w systemie ciepłowniczym pomiaru ciśnienia dyspozycyjnego do sterowania wysokością podnoszenia pomp obiegowych w ciepłowni. W sieci ciepłowniczej o równomiernym obciążeniu najlepiej umieścić pomiar ciśnienia dyspozycyjnego w połowie, między źródłem ciepła a najbardziej odległym węzłem ciepłowniczym.

Literatura

1. Śnieżyk R., O pompowaniu w ciepłowniach, „Rynek Instalacyjny” nr 1-2/2009.
2. Śnieżyk R., O pompowaniu w ciepłowniach (cz. 2). Parametry pracy pomp obiegowych w ciepłowniach, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2009.
3. Misiewicz A., Misiewicz W., Napędy regulowane w układach pompowych źródeł ciepła, Krajowa Agencja Poszanowania Energii SA, 2008.
4. Śnieżyk R., Koncepcja przyłączenia Redzikowa do systemu ciepłowniczego m. Słupska, Wrocław 2004, opracowanieniepublikowane.
5. Śnieżyk R., Symulacja numeryczna zjawisk hydraulicznych sieci cieplnych przy stopniowej automatyzacji i w stanachawaryjnych, rozprawa doktorska, promotor: prof. S. Mańkowski, Politechnika Warszawska, Warszawa 1984.
6. PN-91/B-02415 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Zabezpieczenie wodnych zamkniętych systemów ciepłowniczych. Wymagania.
7. Bagieński E., Kawitacja w urządzeniach wodociągowych i ciepłowniczych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999.
8. Śnieżyk R., Koncepcja sterowania układem pompowym w źródle ciepła International Paper SA w Kwidzynie, Wrocław 2001, opracowanie niepublikowane.