Metody zwiększenia efektywności energetycznej pompowania wody sieciowej

Niewłaściwe oraz racjonalne rozwiązania

Dobór optymalnego zespołu pompowego nie polega na wybraniu najtańszej oferty. Zakup nowych zespołów pompowych (lub ich elementów) do nowych albo modernizowanych obiektów pompowych wymaga uprzedniego przeprowadzenia starannej analizy technicznej, a następnie wykonania rachunku kosztów. Zwykle zakłada się, że równocześnie będą pracowały 2–3 pompy, połączone równolegle, z których tylko jedna będzie miała regulowaną prędkość obrotową. Głównym powodem jest przyjmowane „od zawsze” założenie, że charakterystykę m.s.c. przedstawia linia prosta H_m.s.c. = const., niezależnie od wartości strumienia Q_s. Wynika to z żądania dystrybutora ciepła, aby utrzymane było stałe ciśnienie dyspozycyjne Δp_s = p_z – p_p = ρgH_m.s.c. = const, gdzie p_z i p_p to ciśnienia zasilania i powrotu.

Wymaganie takie jest wygodne dla producenta ciepła, gdyż – jak się twierdzi – pompy nieregulowane mogą cały czas pracować ze stałą wydajnością Q ≈ Q_opt, natomiast zmiany strumienia Q_s można dokonywać, włączając lub wyłączając pompy nieregulowane i doregulowując Q_s przez zmiany prędkości obrotowej jednej pompy, zaopatrzonej najczęściej w przetwornicę częstotliwości. Jest to słuszne jedynie dla pewnych przedziałów wydajności, odpowiadających dopuszczalnemu zakresowi Q_min–Q_max ciągłej pracy pompy regulowanej. Wypełnienie luk wynikających z powyższego ograniczenia jest możliwe tylko poprzez zastosowanie wspomagającej regulacji dławieniowej pozostałych pomp pracujących ze stałą prędkością obrotową, co powoduje nieuwzględniane w analizach straty dławienia. Należy więc śmielej odchodzić od wymagania Δp_s = const, przyjmując charakterystykę m.s.c. parabolicznie zmienną w funkcji strumienia Q_s.

Dobrą metodą (co wynika m.in. ze wspomnianego przykładu obliczeniowego) jest zaopatrzenie wszystkich pomp w przetwornice częstotliwości. Jednak najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie  jednej dużej pompy, nie tylko bardziej energooszczędnej, lecz także wygodniejszej eksploatacyjnie niż kilka mniejszych pomp, które wymagają starannego nadzoru nad ich równomiernym obciążeniem.

Racjonalny sposób postępowania powinien obejmować trzy etapy, omówione w artykule [1]: dobór optymalnych parametrów znamionowych Q_znam, H_znam z równoczesnym wyborem liczby m ≥ 1 i wielkości pomp, rozesłanie zapytań ofertowych lub ogłoszenie przetargu i na końcu wybór najlepszego pod względem „kosztu życia” LCC konkretnego zespołu pompowego (lub grupy zespołów) spośród wszystkich zaoferowanych przez dostawców. W LCC należy uwzględnić koszt zakupu również m_r ≥ 1 pomp rezerwowych.

Wybór najlepszego zespołu pompowego spośród oferowanych

W zapytaniu ofertowym podaje się zwykle tylko parametry znamionowe Q_znam, H_znam pompy, ustalone w wyniku pierwszego etapu postępowania. Równocześnie jednak powinno się podać minimalną wymaganą (gwarantowaną) sprawność pompy w gwarantowanym punkcie pracy oraz wymagany zakres Q_min–Q_max ciągłej pracy pompy. W ogromnej większości przypadków o wyborze oferty decyduje jej najniższa cena. Często nie bierze się pod uwagę faktu, że sprawność wybranego zespołu bywa o 5, a nawet 10 punktów procentowych niższa od sprawności lepszego zespołu, droższego nieraz tylko o 20–30%. Jak pokazuje przedstawiony w artykule [1] przykład, zakup bardzo dobrej pompy, nawet o połowę droższej, byłby jednak przemyślaną decyzją, zapewniającą uzyskanie najmniejszych kosztów LCC przy największej efektywności energetycznej.

Rozstrzygając przetarg, należy wybierać najlepsze, a nie najtańsze zespoły pompowe. Na wartość LCC decydująco wpływa zużycie energii, ważna jest też trwałość i niezawodność zespołów. Zużycie energii zależy zaś od:

• sprawności zespołów pompowych,
• zakresu zmian Q_s(t) wydajności pompowni,
• rzeczywistej charakterystyki oporów hydraulicznych Δh_zc(Q_s) źródła ciepła lub Δh_pc(Q_s) przepompowni ciepłowniczej,
• przyjętej charakterystyki H_m.s.c.(Q_s) miejskiej sieci ciepłowniczej,
• przyjęcia optymalnej liczby i wielkości pomp (np. dwie pompy, duża i mała, zamiast trzech jednakowych) i ich parametrów znamionowych, to jest doboru optymalnych pomp wirtualnych, z uwzględnieniem dopuszczalnego zakresu Q_min–Q_max ciągłej pracy poszczególnych pomp (I etap procesu postępowania),
• wyboru sposobu regulacji wydajności i praktycznej realizacji tego sposobu,
• właściwego wyboru jednego z oferowanych zespołów pompowych (III etap procesu postępowania).

Wartość LCC zależy też w znacznym stopniu od charakterystyki instalacji wody sieciowej w źródle ciepła lub przepompowni ciepłowniczej, a więc od jej sprawności hydraulicznej.

Efektywność energetyczna części hydraulicznej systemu ciepłowniczego

Efektywność energetyczną systemu ciepłowniczego wyznaczają wszystkie jego elementy, a więc także kotły wodne lub parowe, turbiny parowe i inne elementy w źródle ciepła (ZC) jak również miejska sieć ciepłownicza (m.s.c.). W niniejszym artykule nie są analizowane zjawiska cieplne, jedynie hydrauliczne, w których jednak także kryją się znaczne rezerwy pozwalające zwiększyć efektywność energetyczną systemu. Znaczenie efektywności energetycznej w ogóle, a pompowania cieczy w szczególności, omówiono w publikacji [2]. Bezpośrednim powodem jej zwiększania, ważnym dla każdego, są rosnące ceny energii elektrycznej – ocenia się, że do 2015 r. może ona wzrosnąć ponaddwukrotnie.

Przyczyną jeszcze bardziej podstawową jest konieczność ograniczenia spalania paliw kopalnych, i to nie przede wszystkim ze względu na obniżenie emisji CO₂, lecz z powodu wyczerpywania się zasobów i rosnących kosztów wydobycia. Paliwa to ponadto znakomity surowiec dla przemysłu chemicznego, wreszcie zaś należy pozostawić choć trochę paliw dla przyszłych pokoleń. Do napędu pomp zużywa się ok. 20% całej produkcji energii elektrycznej, tj. co najmniej 30 TWh rocznie, a efektywność energetyczna instalacji pompowych pozostawia wiele do życzenia. Możliwości zmniejszenia zużycia energii do pompowania cieczy ocenia się na co najmniej 7,5 TWh rocznie.

Znaczne możliwości w tym zakresie ma szeroko rozumiane ciepłownictwo, należy więc podejmować bardziej zdecydowane kroki w celu zmniejszenia zużycia energii na poszczególnych etapach produkcji i dystrybucji ciepła, w tym także w zachodzących tam procesach hydraulicznych.

W artykule [1] omówiono zagadnienia optymalnego energetycznie i kosztowo doboru pomp do instalacji wody sieciowej w źródłach ciepła (ZC) oraz przepompowniach ciepłowniczych, zarówno nowo projektowanych, jak i modernizowanych. Inne możliwości zwiększenia efektywności energetycznej pompowania to:

• poprawa dopasowania istniejących pomp do wymagań instalacji,
• zmiana sposobu regulacji wydajności, przede wszystkim eliminowanie regulacji dławieniowej oraz bieżąca optymalizacja procesu regulacji,
• modernizacja samych pomp, zwłaszcza ich uszczelnień wewnętrznych i zewnętrznych, oraz
• poprawa jakości wewnętrznych powierzchni przepływowych.
• Wszystkie te zabiegi zostały szczegółowo omówione w literaturze, m.in. w monografii [3].

Istnieje jednak kilka dodatkowych możliwości zmniejszenia energochłonności pompowania, specyficznych dla systemów i instalacji ciepłowniczych. Są to w szczególności:

• zmiana „filozofii” instalacji wody sieciowej w ciepłowniach komunalnych (CK) i elektrociepłowniach (EC),
• zmiana koncepcji regulacji ilościowej strumienia wody wysyłanej z ZC do m.s.c.,
• eliminacja dławienia w różnych miejscach m.s.c.,
• obniżenie ciśnienia dyspozycyjnego na wyjściu ZC przez instalowanie pomp wspomagających na krańcach sieci ciepłowniczej.

Zmiana koncepcji instalacji wody sieciowej w ciepłowniach i elektrociepłowniach

Zmiana „filozofii” instalacji wody sieciowej w CK dotyczy głównie obiegu tzw. zimnego zmieszania (zz), w którym część wody powrotnej o niskiej temperaturze t_p miesza się z gorącą wodą z kotłów, aby uzyskać odpowiednią temperaturę t_z na wyjściu CK. W standardowych rozwiązaniach, rozpowszechnionych przed kilkudziesięciu laty, do obiegu zz kierowana była woda o wysokim ciśnieniu wytworzonym przez pompy obiegowe H_znam = 150–200 m. Należało je zredukować do wartości p_z = 3–5 barów w zaworze dławiącym. Było to źródłem znacznych strat energii, obniżających sprawność przetłaczania wody sieciowej w CK do bardzo niskich wartości η_c = 0,13–0,15.

W ostatnich latach w wielu CK wykonano prace modernizacyjne m.in. obejmujące obiegi zz, stosując różne rozwiązania [3]. Zwiększyły one sprawności ηc co najmniej dwukrotnie, a czas zwrotu nakładów nie przekraczał zwykle długości jednego sezonu grzewczego. Należałoby więc dokonać jak najszybciej takich modernizacji we wszystkich pozostałych CK. Wynikłe stąd oszczędności energii można ocenić na co najmniej 100 mln kWh rocznie w skali całego kraju.

Zmiana „filozofii” instalacji w EC polegałaby na przejściu z systemu kolektorowego połączeń pomp i wymienników podturbinowych na układ blokowy. W skład każdego bloku wchodziłaby pompa wstępna, wymiennik podturbinowy i pompa główna. Bloki byłyby podłączone równolegle  do kolektorów doprowadzających i odprowadzających [3]. W ten sposób wyeliminować można znaczne straty dławienia w klapach sterujących rozpływem cieczy, np. z 3 pomp wstępnych do 5 wymienników podturbinowych. Uzyskane w rezultacie takich modernizacji oszczędności energii byłyby prawdopodobnie znacznie większe od oszacowanych wyżej oszczędności dla CK.

Do zmiany koncepcji instalacji w przypadku obu ZC można by zaliczyć także sugestię instalowania odrębnych pomp „letnich”, o mniejszych wydajnościach i znacznie mniejszych wysokościach podnoszenia niż w przypadku pomp „zimowych”.

Zmiana koncepcji regulacji strumienia Qs wysyłanego do m.s.c.

W różnych okresach sezonu grzewczego różne są temperatury tz wody sieciowej, zgodnie z wykresem regulacyjnym t_z = f(t_o), gdzie t_o jest średnią dobową temperaturą otoczenia. W okresach przejściowych (jesień, wiosna) występują znaczne zmiany t_o w ciągu doby (rys. 1), w związku z czym znacznie zmienia się zapotrzebowanie na ciepło sieciowe.

Najlepszą na to odpowiedzią są zmiany strumienia Q_s(t), następujące możliwie szybko po zmianie to. Zmiany Q_s są wymuszone przez regulatory pogodowe zainstalowane praktycznie we wszystkich węzłach cieplnych. Jest to sposób skuteczny, jednak obarczony dwiema wadami:

1. w regulatorach pogodowych występują znaczne straty ciśnienia (dławienie), za które finalnie płacą konsumenci,
2. proces dostosowania się Q_s do zmian wymuszonych przez regulatory pogodowe, poprzez zmiany wydajności pomp, odbywa się z pewnym opóźnieniem, po czasie t = t₁ + t₂, gdzie: t₁ = 2L/a, L – długość magistrali, a – prędkość rozchodzenia się zaburzeń w wodzie, t₂ – czas wzajemnego dostosowania się otwarć regulatorów pogodowych i wydajności pomp na zasadzie sprzężenia zwrotnego.

W publikacji [4] przedstawiono nową koncepcję regulacji pogodowej w systemie ZC + m.s.c., polegającą na przeniesieniu głównego elementu tej regulacji z węzłów cieplnych do ZC i sprowadzenia tym samym roli regulatorów pogodowych do funkcji pomocniczej. Miejsce reagowania na stosunkowo szybkie chwilowe zmiany temperatury otoczenia można by usytuować w pobliżu ZC, zamiast w kilkuset lub więcej węzłach cieplnych. Mierzone temperatury to byłyby analizowane przez komputer głównego układu regulacji, a sygnały – związane z chwilowymi wzrostami lub spadkami temperatur – bezpośrednio sterowałyby prędkościami obrotowymi poszczególnych pomp oraz ich ewentualnym włączaniem i wyłączaniem.

Końcowym efektem działania układu regulacji umiejscowionego w ZC byłaby prawie natychmiastowa zmiana strumienia Q_s wraz ze zmianą to. W najdalszych punktach m.s.c. zmiana ta wystąpiłaby najdalej po kilkudziesięciu sekundach: Δt = L/a, ponieważ odpadłby tego samego rzędu czas Δt potrzebny na wędrowanie sygnałów ciśnieniowych z regulatorów pogodowych do ZC, jak również dłuższy czas wzajemnego dostosowania się otwarć zaworów regulatorów oraz zmian prędkości obrotowej pomp [5].

Eliminacja dławienia w różnych miejscach m.s.c.

Różnica ciśnień Δp = p_z – p_p wody sieciowej na zasilaniu i powrocie EC w dużych aglomeracjach powinna być na tyle duża, by pokonać opory przepływu na całej długości magistral zasilających i powrotnych i zapewnić dostateczne ciśnienie na krańcach m.s.c. W początkowych odcinkach sieci ciśnienie jest wskutek tego zbyt wysokie, a zmniejsza się je przez dławienie, co powoduje znaczne straty energii, przekraczające w Warszawie 10 mln kWh rocznie. Znaczną część tej energii można by odzyskać, instalując w początkowych odcinkach sieci turbiny wodne lub pompy pracujące jako turbiny (rys. 2).

W przypadku EC dostarczających ciepło dzielnicom miasta położonym na różnych wysokościach zachodzi konieczność budowy przepompowni, które umożliwiają transport wody np. na wysoką skarpę czy wzgórze. Ciśnienie wody powrotnej pod skarpą jest wówczas za wysokie i obniża się je przez dławienie, tracąc pokaźną ilość energii. Także w tym przypadku zawory dławiące można zastąpić turbinami wodnymi lub pompami pracującymi jako turbiny.

Charakterystyka m.s.c. powinna być paraboliczna [3]. Zmiana przyjmowanej zwykle charakterystyki H_m.s.c. (Q_s) = const na paraboliczną także może spowodować zmniejszenie znacznej części strat dławienia.

Zastosowanie pomp wspomagających na krańcach m.s.c.

W przypadku zwiększonego zapotrzebowania na ciepło i wskutek tego wymuszonego wzrostu strumienia Q_s u odbiorców położonych najdalej od ZC, a więc na krańcach m.s.c., ciśnienie dopływającej wody może spaść do wartości zbyt małej, by umożliwić przepływ odpowiedniego strumienia w tym odgałęzieniu. Aby tego uniknąć, buduje się pośrednie przepompownie sieciowe, które są jednak drogie i kosztowne w eksploatacji. Możliwe jest także inne rozwiązanie – zastosowanie odrębnych pomp wspomagających, umieszczonych w komorach cieplnych najbardziej oddalonych odgałęzień m.s.c. Pompy włączałyby się przy spadku ciśnienia poniżej ustalonej wartości progowej i wyłączały po wzroście ciśnienia. Po wyłączeniu zasilania zespół wirujący takiej pompy obracałby się swobodnie, a pompa stanowiłaby opór hydrauliczny o nieznacznej wartości. W Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej rozpoczną się niebawem pomiary, które pozwolą dokładniej ocenić sens techniczno-ekonomiczny takiego przedsięwzięcia.

Podsumowanie i wnioski

Spośród wielu możliwych działań zwiększających efektywność energetyczną systemów ciepłowniczych w zakresie hydraulicznym najważniejszy jest optymalny energetycznie i kosztowo wybór pomp. Zakup zespołu pompowego do nowego lub modernizowanego obiektu ciepłowniczego powinien być poprzedzony doborem optymalnych parametrów znamionowych pomp wirtualnych. Nie należy oszczędzać na analizach i obliczeniach wstępnych, przeciwnie – trzeba optymalizować proces doboru tych parametrów, poprzedzający rozesłanie zapytań ofertowych.

Koszt zakupu zespołów pompowych do nowych i modernizowanych instalacji wody sieciowej i/lub przepompowni ciepłowniczych ma niewielki wpływ na wartość LCC – decydują koszty energii elektrycznej. W największym stopniu dotyczy to bardzo dużych instalacji, na przykład elektrociepłowni w aglomeracjach takich jak Warszawa, Łódź itp., ponieważ koszt zakupu dużych zespołów pomp głównych i rezerwowych stanowi tylko 5–8% całego kosztu LCC. Zespół pompowy powinien być najlepszy, a nie najtańszy. Należy wybierać pompy o najwyższych sprawnościach i dużej niezawodności pracy oraz trwałości, mimo ich wyższych cen, niż mają tańsze zespoły pompowe o przeciętnej jakości. Proces rozstrzygania przetargów powinien być tak zaplanowany, aby o wyborze decydowała nie cena, lecz łączne koszty LCC.

Znacznie mniejsze zużycie energii elektrycznej oznacza ponadto niższą emisję CO₂ i mniejsze koszty związane z limitami emisji narzuconymi przez Komisję Europejską. Nie powinno się oszczędzać na wyborze sposobu regulacji wydajności. Opłaca się zaopatrzyć wszystkie pompy (poza rezerwowymi) w przetwornice częstotliwości. Zwiększa to koszty inwestycyjne, ale wydatnie zmniejsza koszty energii dominujące w całkowitym „koszcie życia” LCC zespołu pompowego. Należy wysyłać możliwie dużo zapytań ofertowych (co najmniej pięć). Jednym z powodów jest fakt, że producenci oferują pompy o różnych obszarach stosowalności i różnych położeniach punktu znamionowego (Q_znam, H_znam) względem punktu optymalnego (Q_opt, H_opt). Pompy o wysokich sprawnościach ?max mogą wskutek tego mieć znacznie niższe sprawności ?znam, jak również niesatysfakcjonujący dopuszczalny zakres ciągłej pracy. W zapytaniu ofertowym powinno się wymagać sprecyzowania tego zakresu.

Obliczenia, zarówno w fazie wstępnej (wybór parametrów znamionowych), jak i końcowej (wybór najlepszych zespołów spośród oferowanych), są dość żmudne i wymagają sporego doświadczenia. Celowe jest więc skorzystanie z pomocy specjalistów z wyższych uczelni technicznych oraz sprawdzonych firm konsultingowych i projektowych.

Istnieje wiele możliwości zwiększenia efektywności energetycznej transportu wody sieciowej związanych z samymi pompami przez ich przemyślaną modernizację, omówioną w dostępnej literaturze. Dodatkowe ilości energii można by zaoszczędzić, wprowadzając bieżącą (w czasie rzeczywistym) optymalizację procesu regulacji wydajności grupy dużych zespołów pompowych [3]. Jest to sposób jeszcze w kraju niestosowany. Istnieją także wciąż niewykorzystane możliwości zwiększenia efektywności energetycznej pompowania poprzez różnorodne zabiegi w obszarze m.s.c., w szczególności przez likwidację dławienia w różnych miejscach sieci.

Literatura

1. Jędral W., Optymalizacja parametrów i wybór najlepszych pomp odśrodkowych dla potrzeb ciepłownictwa, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2010.
2. Jędral W., Metody zwiększenia efektywności energetycznej pompowania cieczy, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2007.
3. Jędral W., Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych, Krajowa Agencja Poszanowania Energii, Warszawa 2007.
4. Jędral W., Zmiennoobrotowe pompy sieciowe zamiast regulatorów pogodowych – nowa propozycja, Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, „Elektryka” z. 49/2000.
5. Jędral W., Wybór rodzaju zmiennoobrotowej regulacji pomp sieciowych i jej współdziałanie z regulatorami węzłów ciepłowniczych, Biuletyn Instytutu Techniki Cieplnej PW nr 87/2000.