Ryszard Bartnik

Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej
Kazimierz GATNAR
Jastrzębska Spółka Węglowa S.A.
44-330 Jastrzębie Zdrój, ul. Armii Krajowej 56
tel.: 32 476 26 72
e-mail: [email protected]
DOŚWIADCZENIA Z EKSPLOATACJI
KOGENERACYJNYCH I TRÓJKOGENERACYJNYCH UKŁADÓW
Z SILNIKAMI ZASILANYMI GAZEM KOPALNIANYM
EXPERIENCES GAINED FROM EXPLOITATION OF COGENERATION AND
TRIGENERATION PLANTS FUELLED WITH COAL BED METHANE
Streszczenie. W referacie przedstawiono ogólne informacje dotyczące Jastrzębskiej Spółki
Węglowej S.A. i Spółki Energetycznej „Jastrzębie”S.A., zasobów metanu pokładów węgla i
sposobów jego gospodarczego wykorzystania w ramach realizowanych programów
energetycznych. Przedstawiono wykorzystanie gazu kopalnianego w istniejących instalacjach
Elektrociepłowni a także zrealizowanych inwestycjach na bazie silników gazowych do
skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła/chłodu. Omówiono układ
kogeneracyjny zrealizowany przez SEJ S.A. na terenie kop. „Krupiński”
z wykorzystaniem gazu z odmetanowania tej kopalni, jego budowę, efekty ekonomiczne
dotychczasowej pracy a także doświadczenia eksploatacyjne. Referat przedstawia również
sposób wkomponowania jednostki produkcyjnej w układ elektroenergetyczny i cieplny
kopalni „Krupiński”. Trójgeneracyjny układ z silnikiem gazowym TBG 632 V16 został
przedstawiony na przykładzie realizacji inwestycji „Centralna klimatyzacja kopalni
„Pniówek”, w której kogeneracyjny układ silnika gazowego stanowi jednostkę napędową dla
członu chłodniczego o mocy gwarantowanej 5,0 MWch składającego się z chłodziarek
absorpcyjnych i sprężarkowych. Także w tym przypadku przedstawiono budowę,
wkomponowane w układ elektroenergetyczny kop. „Pniówek”, efekty ekonomiczne
i doświadczenia z dotychczasowej eksploatacji układu. Wnioski końcowe są próbą
uogólnienia i podsumowania doświadczeń z dotychczasowej eksploatacji kogeneracyjnych i
trójgeneracyjnych układów energetycznych z silnikami TBG 632 V16 wykorzystujących gaz
z odmetanowania kopalń Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Układy te są pierwszymi - i jak
dotychczas jedynymi - kogeneracyjnymi i trójgeneracyjnymi układami o tak wysokiej mocy
na bazie silników gazowych wykorzystującymi gaz kopalniany.
Summary. The paper presents experiences gained from running gas engine based
cogeneration and trigeneration plants fuelled with coal bed methane. General information
about Jastrzębie Coal Company and Jastrzębie Energy Company is given together with the
description of coal bed methane deposits and ways of its utilization. Two gas engine based
plants are presented. The first one is a cogeneration plant put up at “Krupiński” Coal Mine.
The second one is a trigeneration plant built at “Pniówek” Coal Mine under the project titled
“coal mine central air conditioning”. In both cases the integration of the gas fired plant with
an existing energy system of the coal mines is presented. Finally the article presents an
operational experiences gained during the exploitation of the plants. The main problems are
pointed out and discussed as well as the figures of availability and reliability are shown.
Economic effectiveness of the projects is also analysed.
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
191
Gatnar K.: Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych układów z silnikami ...
1. Wprowadzenie
1.1. Ogólne informacje o JSW S.A. i SEJ S.A.
Jastrzębska Spółka Węglowa S.A. grupuje 5 czynnych kopalń (zał. nr 1) o obszarze
nadania górniczego wynoszącym 122 km2 i produkcji węgla koksowego typu 35.1 i 35.2 na
poziomie ok. 14 mln Mg rocznie. Warunki geologiczne zalegania złoża powodują, że w
trakcie prowadzonych robót górniczych uwalniane są znaczne ilości metanu, którego część w
ilości ok. 87 mln CH4 rocznie jest ujmowana odmetanowaniem i wykorzystywana
gospodarczo w skojarzonych układach energetycznych i energetyczno-chłodniczych.
Spółka Energetyczna „Jastrzębie” S.A. została utworzona dnia 01.11.1995 r. w ramach
realizacji programu restrukturyzacji górnictwa przez połączenie obu dotychczasowych
zakładów JSW S.A. Elektrociepłowni „Moszczenica” i „Zofiówka” a w powołanym
podmiocie gospodarczym 100 % akcji objęła JSW S.A. W chwili obecnej w skład SEJ S.A.
wchodzi również EEG Zakład nr 3, który eksploatuje silniki gazowe na terenie kop.
„Krupiński” i „Pniówek” oraz ciepłownię węglowo-gazową „Pniówek”. Działalność SEJ S.A.
obejmuje wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła (również w skojarzeniu) na potrzeby tak
zakładów JSW S.A. jak odbiorców zewnętrznych (PEC Jastrzębie, GZE S.A.) oraz
sprężonego powietrza i „chłodu” na potrzeby JSW S.A. Moc zainstalowana ogółem wynosi
602,8 MWt, 109,1 MWel i 5,8 MWch a wielkość produkcji sprzedanej w roku 2002 wynosiła:
-
energia elektryczna
ciepło
sprężone powietrze
energia „chłodu”
– 557.483 MWh
– 1.890.900 GJ
– 384.892 x 103 m3
–
29.280 MWh.
1.2. Program wykorzystania metanu z obszaru górniczego JSW S.A.
W roku 1993 z chwilą powstania Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. został opracowany
długofalowy program wykorzystania mieszanek metanowo-powietrznych o koncentracji CH4
na poziomie 50–60 % - ujmowanych odmetanowaniem – do celów gospodarczych w
skojarzonych układach energetycznych tak istniejących jak nowobudowanych. W załączniku
nr 2 przedstawiono ujęcie i wykorzystanie metanu za rok 2002.
Realizacja programu zakłada docelowe pełne wykorzystanie ujmowanego metanu w
wyniku realizacji następujących przedsięwzięć:
♦ rozbudowa układów kotłowych o nowe jednostki, modernizacja istniejących kotłów
w kierunku jednostek dwupaliwowych,
♦ przebudowa układów przesyłowych dla zwiększenia możliwości przesyłu metanu,
♦ rozbudowa układów energetycznych o jednostki produkcyjne na bazie silników
gazowych do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła,
♦ wykorzystanie skojarzonego układu energetycznego jako jednostki napędowej w
instalacji centralnej klimatyzacji kop. „Pniówek” oraz planowanych instalacjach w
kolejnych kopalniach,
♦ budowa instalacji wzbogacania mieszanek metanowych do parametrów gazu
rurociągowego (GZ-50) i sprzedaż gazu do sieci komunalnej (instalacja o wydajności
2.500 m3/h).
W ramach tego programu zostały zrealizowane układy:
- kogeneracyjny na terenie kop. „Krupiński”,
- trójkogeneracyjny na terenie kop. „Pniówek”.
192
Centrum Doskonałości OPTI_Energy
www.ise.polsl.gliwice.pl/centrum
Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej
2. Skojarzony układ energetyczny EC „Krupiński”
2.1. Historia budowy
Inwestycja została zrealizowana przez EEG Suszec Sp. z o.o. (aktualnie w strukturze SEJ
S.A.) w roku 1997 w rekordowo krótkim terminie bo od podpisania kontraktu z Saarberg
Fernwärme GmbHw lutym 1997 r. do uruchomienia w grudniu 1997 r. w ciągu 10 miesięcy.
Agregat prądotwórczy na bazie silnika gazowego TBG 632 V16 produkuje energię
elektryczną i ciepło na potrzeby kop. „Krupiński” wykorzystując gaz z odmetanowania tej
kopalni.
2.2. Opis instalacji
Kompletny zestaw prądotwórczy obejmuje silnik TBG 632 V16 firmy MWM Deutz i
generator firmy Van Kaick umieszczone na wspólnej ramie stalowej. Układy odbioru ciepła z
chłodzenia silnika i spalin wraz z chłodnicami awaryjnymi do zrzutu ciepła na zewnątrz,
tłumik wraz z katalizatorem oraz układy regulacji i sterowania automatyki stanowią
podstawowe elementy instalacji.
Moc znamionowa agregatu początkowo wynosiła 2,7 MWel + 3,1 MWt jednak w roku
2003 po uzgodnieniach z producentem została podniesiona do 3,0 MWel + 3,4 MWt. Silnik
TBG 632 V16 jest silnikiem czterosuwowym pracującym w układzie Otto na mieszance
zubożonej, 16-to cylindrowym wyposażonym w turboładowanie z dwustopniowym
chłodzeniem mieszanki, z zapłonem iskrowym o pojemności skokowej silnika 271,7 dm3.
Generator jest generatorem trójfazowym o mocy znamionowej 3405 KVA i czynnej 2713 kW
obrotach 1000 min-1 i sprawności przy maksymalnym obciążeniu na poziomie 96,4 do 97 %.
Sterowanie i kontrola pracy agregatu prądotwórczego odbywa się za pomocą w pełni
zautomatyzowanego i zintegrowanego systemu zarządzania TEM firmy MWM Deutz. W
przypadku zakłóceń i przekroczenia dopuszczalnych parametrów pracy system ten powoduje
automatyczne wyłączenie silnika. W przypadku:
♦ ograniczenia dostawy gazu,
♦ spadku koncentracji metanu,
♦ wzrostu temperatur wody w obiegu chłodzenia,
♦ wzrostu temperatury zasysanego powietrza
następuje automatyczna redukcja mocy proporcjonalna do poziomu zmian powyższych
czynników do wysokości 75 % mocy znamionowej, po przekroczeniu której następuje
wyłączenie agregatu.
2.3. Wyniki uzyskane na kogeneracyjnym układzie z silnikami gazowymi TBG 632 V16
W tabeli nr 1 przedstawiono raport z pracy silnika TBG 632 V16 pracującego w układzie
energetycznym kop. „Krupiński”, natomiast w tabeli nr 2 stopień pokrycia potrzeb kopalni
produkcją z układu kogeneracyjnego.
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
193
Gatnar K.: Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych układów z silnikami ...
Tabela 1
Raport z pracy silnika TBG 632 V16 w Kopalni „Krupiński”
na dzień 31.05.2003 r.
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Jedn.
Od uruchomienia
Maj 2003
miary
w XII 1997 r.
h
734
43.054
tys. m3
562
30.693
%
61
58
kW
2.719
2.641
MWh
1.995
113.698
GJ
4.033
257.747
zł
527.670
22.538.860
zł
291.488
15.684.875
zł
236.182
6.853.985
zł
190.494
8.939.079
Wyszczególnienie
Godziny pracy
Zużycie paliwa (CH4)
Średnia koncentracja (CH4)
Średnie obciążenie
Produkcja energii elektrycznej
Produkcja ciepła ogółem
Wartość produkcji (ogółem)
- energia elektryczna
- ciepło
Koszty eksploatacji
Tabela 2
Pokrycie potrzeb kopalni produkcją z układu skojarzonego.
1999
Lp.
Wyszczególnienie
Ilość
Stopień
pokrycia
potrzeb
(%)
Energia elektryczna [MWh]
- zużycie kopalni 133.53
1.
14,7
- w tym z układu
19.64
skojarzonego
Ciepło [GJ]
- zużycie kopalni 173.84
2.
14,2
- w tym z układu
24.64
skojarzonego
2000
Ilość
134.01
20.14
Ilość
Stopień
pokrycia
potrzeb
(%)
138.25
15,0
153.31
47.87
2001
Stopień
pokrycia
potrzeb
(%)
18.056
31.88
Stopień
pokrycia
potrzeb
(%)
Ilość
129.66
13,1
148.90
31,2
2002
17,4
22.57
113.78
21,4
36,5
41.51
2.4. Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnego układu w kop. „Krupiński”
2.4.1. Strona mechaniczna agregatu.
W trakcie dotychczasowej eksploatacji wystąpiły następujące zdarzenia ruchowe.
♦ Uszkodzenie pierścienia zgarniającego w cylindrze A-7
Co objawiło się ciągłym, trwającym dobę wzrostem temperatury i awaryjnym
wyłączeniem agregatu po przekroczeniu temperatury granicznej 400 °C.
♦ Uszkodzenie mostka zaworowego głowicy A-5
Nastąpiło po 6 miesiącach eksploatacji agregatu
zabezpieczenia od wzrostu temperatury w przelotni.
i spowodowało
zadziałanie
♦ Nadmierne i nierównomierne zużycie gniazd zaworowych
Pierwszym sygnałem o nierównomiernym zużyciu gniazd zaworowych było powstanie
nieszczelności pomiędzy pierścieniem gniazda zaworu a korpusem głowicy. Postępujący
194
Centrum Doskonałości OPTI_Energy
www.ise.polsl.gliwice.pl/centrum
Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej
proces nierównomiernego zużycia spowodował wymianę – w ramach gwarancji –
wszystkich 16 głowic po przepracowaniu 4300 rbg. A następnie po przepracowaniu 8761
rbg. i 13.265 rbg. od uruchomienia. Po zmianach konstrukcyjnych oraz zastosowaniu
innych materiałów i świec zapłonowych problem nadmiernego i nierównomiernego
zużycia gniazd zaworowych został przez producenta opanowany o czym świadczy fakt, że
obecnie głowice pracują 15.000 do 17.000 rbg.
♦ Niewłaściwa praca regulatorów mieszanki gazowej
Niewłaściwą pracę objawiającą się nierównomiernymi temperaturami w komorach
spalania przy rozruchu silnika stwierdzono po przepracowaniu 8000 rbg. Doszło również
do zablokowania regulatora mieszanki w skrajnym położeniu a przyczyną było
odkształcenie wałków napędowych i niedomykanie elementów regulacyjnych. Po zmianie
technologii wykonania wałków napędowych problem został rozwiązany.
♦ Wzrost temperatury w komorze silnika
W sezonie letnim przy temperaturach otoczenia przekraczających +25°C następował
wzrost temperatury na ssaniu powyżej + 27°C powodując automatyczną redukcję mocy
agregatu. W czasie kontroli i pomiarów stwierdzono powstawanie poduszki gorącego
powietrza w rejonie napływu powietrza na ssanie silnika a przyczyną było:
- niewłaściwe usytuowanie czerpni powietrza ,
- umieszczenie wylotu powietrza z przewietrzania komory silnika w ścianie bocznej
zamiast w stropie.
Dodatkowo stwierdzono niewłaściwą cyrkulację powietrza w rejonie chłodnic
zewnętrznych (awaryjnych) a także najprawdopodobniej zbyt małą projektową wydajność
układu chłodzenia zewnętrznego.
♦ Wzrost temperatur w układzie chłodzenia silnika.
Przy temperaturach zewnętrznych dochodzących do +30°C występowały awaryjne
wyłączenia spowodowane przekroczeniem granicznej temperatury wody chłodzącej
(94°C). Dotychczasowe doświadczenia ruchowe wskazują, że najprawdopodobniej
zaprojektowano zbyt niską wydajność wymiennika ciepła na obiegach wewnętrznym lub
zewnętrznym.
♦ Katalizator i wymiennik spaliny-woda (AWT).
Po 10 miesiącach pracy stwierdzono, że katalizator ulega stopniowym uszkodzeniom a
uszkodzone elementy przemieszczając się, zamykają światło przelotu w wymienniku
spaliny-woda (spaliny płyną wewnątrz rurek) powodując wzrost obciążenia cieplnego
fragmentów wymiennika i utratę szczelności. Pierwotnie dokonywano napraw
wymiennika a obecnie agregat prądotwórczy pracuje bez katalizatora dotrzymując wartość
dopuszczalnej emisji:
- dwutlenek azotu poniżej 3,5 kg/h
- tlenek węgla poniżej 5,5 kg/h.
2.4.2. Strona elektryczna agregatu.
W trakcie eksploatacji wystąpiły drobne usterki:
- trudność z synchronizacją agregatu na skutek przekazywania błędnych informacji z
czujnika obrotów,
- rozregulowanie regulatora napięcia generatora,
- uszkodzenie karty analogowej w głównym komputerze.
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
195
Gatnar K.: Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych układów z silnikami ...
3. Trójgeneracyjny układ energetyczny EC „Pniówek”
3.1. Historia budowy
Decyzja o realizacji inwestycji „Centralna klimatyzacja kop. „Pniówek” na bazie
skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego” została podjęta przez JSW S.A. w roku
1998 przy następującym podziale rzeczowym i finansowym:
- Spółka Energetyczna „Jastrzębie” S.A. – część powierzchniowa tj. silniki gazowe,
instalacje energetyczne, chłodziarki, rurociągi powierzchniowe,
-
JSW S.A. kop. „Pniówek” – część dołowa tj. rurociągi w szybie, podajnik trójkomorowy
SIEMAG na poz. 858 m, sieć dołowych rurociągów rozprowadzających chłodnice.
Całość instalacji była realizowana przez szereg wykonawców przy czym instalację
silników gazowych i chłodziarek - po wygranym przetargu - wykonywała (podobnie jak w
kop. „Krupiński”) niemiecka firma Saarberg Fernwärme GmbH. Harmonogram terminowy
przewidywał realizację w dwu etapach:
- I etap z terminem realizacji czerwiec 2000 r.
Pierwszy silnik gazowy TBG 632 V16 o mocy 3,2 MWel i 3,7 MWt oraz układ
chłodniczy o mocy znamionowej 5,0 WMch,
-
II etap z terminem realizacji październik 2000 r.
Drugi silnik gazowy TBG 632 V16 o mocy analogicznej jak pierwszy.
3.2. Opis instalacji
Skojarzony układ energetyczno-chłodniczy (trójkogeneracyjny) w kop. „Pniówek” składa
się z dwu identycznych członów: silnik gazowy, chłodziarka absorpcyjna i chłodziarka
sprężarkowa o mocy chłodniczej znamionowej 2,5 MWch każdy. Załącznik nr 3 przedstawia
schemat układu energetyczno-chłodniczego a załącznik nr 4 wykres Sankey’a tego układu.
3.2.1. Silniki
Paliwem dla silników gazowych - analogicznych jak w kogeneracyjnym układzie w kop.
Krupiński", tylko wyższej mocy znamionowej -jest mieszanka powietrzno-metanowa z
odmetanowania kop. „Pniówek" o zawartości CH4 50 - 60 %.
W celu zapewnienia niskiej emisji tlenków azotu i tlenków węgla, spalanie w cylindrach
silnika odbywa się przy znacznym nadmiarze powietrza sięgającym wartości λ l ,8 - 2,0 przy
czym regulacja nadmiaru odbywa się osobno dla każdego cylindra przez utrzymywanie
temperatury spalania w stosunkowo wąskim przedziale.
3.2.2. Chłodziarki
-
Silnik ma dwa poziomy odzysku ciepła.
obieg ciepłowodny o nominalnym gradiencie 86°C/72°C dla odzysku ciepła z chłodzenia
korpusu silnika, oleju i powietrza po turbodoładowaniu,
obieg gorącowodny o nominalnym gradiencie 125°C/100°C dla odzysku ciepła ze spalin.
Taki układ odzysku ciepła daje wskaźnik przetwarzania na energię cieplną na poziomie ok.
41% i sprawność ogólną na poziomie 80 %. Ciepło odzyskane z silnika w pierwszej
kolejności służy do napędu chłodziarek absorpcyjnych a przy zmniejszonym zapotrzebowaniu
(praca ze zmniejszoną mocą chłodniczą) jest kierowane do sieci ciepłowniczej kopalni.
196
Centrum Doskonałości OPTI_Energy
www.ise.polsl.gliwice.pl/centrum
Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej
Chłodziarki pracują połączone w szereg po stronie wody zimnej stanowiącej medium
chłodnicze (300 m3/h). Z każdym silnikiem współpracuje układ chłodniczy:
♦ chłodziarka absorpcyjna na obiegu ciepłowodnym
o mocy chłodniczej 600 kW wykorzystująca ciepło z chłodzenia silnika (800 kW)
schładzająca wodę z 18°C do 14,5°C,
♦ chłodziarka absorpcyjna na obiegu gorącowodnym
o mocy chłodniczej 1730 kW wykorzystująca ciepło ze spalin (2449 kW) schładzająca
wodę z 14,5°C do 4,5°C,
♦ chłodziarka sprężarkowa amoniakalna
wykorzystująca część mocy generatora (570 kW) schładzająca wodę z 4,5°C do 1,5°C
(2,0°C).
Zainstalowane moce chłodnicze dla jednego ciągu wynoszą 2,92 MWch zapewniając
odpowiednią nadwyżkę nad moc gwarantowaną 2,5 MWch.
Chłodziarki absorpcyjne to chłodziarki bromolitowe (LiBr + H2O) gdzie absorbenem jest
roztwór bromku litu a czynnikiem chłodniczym woda, która będąc pod niskim ciśnieniem
osiąga w chłodziarce gorącowodnej temperaturę wrzenia na poziomie + 3,5°C. Producentem
chłodziarek typu YIA HW 3B3 i YIA HW 6c4 jest firma YORK.
Chłodziarki sprężarkowe to chłodziarki amoniakalne w rozwiązaniu śrubowym, gdzie
czynnikiem roboczym jest amoniak NH3 dlatego pracują w układzie zamkniętym w
oddzielnych komorach z systemem wykrywania obecności amoniaku i wentylacji awaryjnej.
Takie rozwiązanie zapewnia bezpieczeństwo obsłudze i pozwala wcześnie wykrywać i
usuwać ewentualne nieszczelności.
3.2.3. Dołowa instalacja chłonicza.
Woda chłodnicza o temperaturze 1,5°C – 2°C i przepływie 300 m3/h rurociągami o
średnicy φ 300 jest kierowana szybem na poziom 853 m do podajnika trójkomorowego
SIEMAG DRK 200 gdzie następuje redukcja ciśnienia z 9,5 MPa do ciśnienia 2,0 MPa na
obiegu dołowym a woda zimna wypycha wodę ogrzaną o temperaturze ok. 18°C na
powierzchnię w kierunku chłodziarek.
Dla zapewnienia ciągłości przepływu wody chłodniczej w obiegu pierwotnym i wtórnym
podajnik tworzą trzy komory rurowe, których cykle pracy są przesunięte w fazie o 120°.
Strata ciepła na podajniku wynosi ok. 0,5°C a jego praca jest nadzorowana przez system
kontrolny, który alarmuje w przypadku wystąpienia nieprawidłowości. Z podajnika SIEMAG
woda chłodząca płynie rurami preizolowanymi do chłodnic woda-powietrze w wyrobiskach
eksploatacyjnych. Chłodnice te są na bieżąco przebudowywane w miarę postępu robót
górniczych.
3.3. Wyniki uzyskane na trójkogeneracyjnym układzie z silnikami gazowymi
W tabeli nr 3 przedstawiono raport z pracy silników TBG 632 V16 nr 1 i 2 pracujących w
układzie energetycznym kop. „Pniówek”, natomiast w tabeli nr 4 stopień pokrycia potrzeb
kopalni produkcją z układu trójkogeneracyjnego.
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
197
Gatnar K.: Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych układów z silnikami ...
Tabela 3
Raport z pracy silników TBG 632 V16 w kop. „Pniówek”
na dzień 31.05.2003 r.
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Wyszczególnienie
Godziny pracy
Zużycie paliwa (CH4)
Średnia koncentracja
Średnie obciążenie
Produkcja energii elektrycznej
Produkcja ciepła
Wartość produkcji ogółem
- energia elektryczna
- ciepło
Koszty eksploatacji
h
tys.m3
%
kW
MWh
GJ
zł
zł
zł
zł
Od uruchomienia w
roku 2000
Nr 1
Nr 2
Maj 2003
Jednostka
miary
Nr 1
Nr 2
720
725
880
50
2.914
2.032
2.097.312 1.472.688
9.433
761.334
512.933
248.401
581.862
23.509
21.011
37.352
56
2.919
2.936
68.633.997 61.699.721
405.435
22.989.465
15.624.459
7.365.006
21.689.943
Tabela 4
Pokrycie potrzeb kopalni produkcją
z układu skojarzonego
2000
Lp.
1.
2.
3.
Wyszczególnienie
Ilość
Energia elektryczna [MWh]
- zużycie kopalni
195.485
- w tym z układu
11.865
skojarzonego
Ciepło [GJ]
- zużycie kopalni
148.154
- w tym z układu
3.644
skojarzonego
Energia chłodu [MWh]
36.580
2001
Stopień
pokrycia
potrzeb %
2002
Stopień
pokrycia
potrzeb %
Ilość
196.397
6,1
40.374
100
42.957
38.418
Stopień
pokrycia
potrzeb %
199.120
20,6
178,475
2,5
Ilość
35.160
17,7
166.441
24,1
100
23.434
29.280
14,1
100
3.4. Doświadczenia z eksploatacji trójkogeneracyjnego układu w kop. „Pniówek”
3.4.1. Strona mechaniczna agregatu
W trakcie dotychczasowej eksploatacji silnika gazowego TBG 632 V16 wystąpiły
następujące zdarzenia ruchowe:
♦ Występowały przypadki pękania sprężyn zaworowych jednak nie powodowało to
postojów agregatu ponieważ stwierdzano je i usuwano (wymieniano uszkodzone na nowe)
w trakcie rutynowych przeglądów.
♦ Wykorzystanie przez producenta doświadczeń z pracy pierwszego silnika w kop.
„Krupiński” pozwoliło na tryle poprawić konstrukcję głowic i gniazd zaworowych, że
występujące poprzednio problemy z nadmiernym i nierównomiernym zużyciem, zostały
wyeliminowane. Wymiany głowic w silnikach nr 1 i 2 przedstawia tabela nr 5.
198
Centrum Doskonałości OPTI_Energy
www.ise.polsl.gliwice.pl/centrum
Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej
Tabela 5
Wymiany głowic w silnikach TBG 632 V16
Silnik nr
2200761 nr 1
2200849 nr 2
Ilość przepracowanych godzin od
uruchomienia [rbg]
19.12.2000 r. 18.08.2002 r. 04.12.2002 r.
3868
17.147
17.085
Zalecany przez
producenta
czasokres pracy
głowic
Ilość
przepracowanych
godzin na dzień
25.02.2003 r.
10.000
10.000
24.871
22.367
♦ W silniku nr 1 duże zbicie siedzeń gniazd zaworowych spowodowało konieczność
wymiany po 3.868 rbg. jednak należy zaznaczyć, że były to głowice starego typu.
Wymiana na nowy typ spowodowała, że obecne czasy pracy znacznie przekraczają
żywotność określoną przez producenta na 10 tys. godzin. Czasokres wymiany innych
elementów ruchowych silników gazowych oraz oleju przedstawia tabela nr 6.
Tabela 6
Wymiana elementów ruchowych i oleju [rbg]
Lp.
Nazwa
Silnik 2200761 nr 1
Silnik 2200849 nr 2
13.000
13.000
* producent zaleca po 8000
*producent zaleca po 8000
Rozrusznik (powietrzny)
Turboładowanie
14.520
14.000
4.
Katalizatory
6.320
21.440
14.000
2000
5.
6.
Filtry olejowe
Olej (Mobil Pegasus syntetyczny)
8.000
12.388
1.
Świece zapłonowe
2.
3.
* wymiana z powodu uszkodzenia
8.000
11.151
♦ Turboładowanie zostało wymienione po 14 tys. godzin w ramach gwarancji ze względu na
stwierdzone w trakcie przeglądu popękanie korpusów turboładowarek. Producent
nieprawidłowo dobrał również wydajność turboładowania co było powodem ograniczenia
mocy agregatu przez układ sterowania. Po wymianie silniki osiągają moc znamionową
3,2 MWel.
♦ W dniu 29.11.2002 r. doszło do awaryjnego zatrzymania silnika nr 2 na skutek
rozszczelnienia układu chłodzącego w głowicy cylindra A7 przy zaworze wydechowym.
Wzrost temperatury i ciśnienia w układzie chłodzenia spowodował zadziałanie zaworów
bezpieczeństwa w obiegu chłodzenia i wypływ ok. 1200 l glikolu na posadzkę poziomu +
6m (nad silnikiem) Glikol grawitacyjnie spłynął pomiędzy izolację termiczną a kanały
spalin gdzie doszło do jego zapłonu. Po tej awarii przebudowano układy przelewowe z
zaworów bezpieczeństwa w układzie chłodzenia silników i wykonano progi ochronne
wokół przelotni kanałów spalin przez stop na poziomie + 6m.
♦ Katalizator na wylocie spalin z silnika. Stosowana metoda odmetanowania pod depresją
centralnej powierzchniowej stacji, długość dołowej sieci rurociągów metanowych oraz
specyfika drenażu w wyrobiskach korytarzowych i eksploatacyjnych stwarzają znaczne
problemy techniczne z utrzymaniem koncentracji CH 4. Jakość mieszanki gazowej z
odmetanowania kopalni (duże i niejednokrotnie bardzo dynamiczne wahania koncentracji
CH4) a także inne przyczyny zewnętrzne powodują znaczną ilość odstawień co ma duży
wpływ na żywotność katalizatora. Ilość i przyczyny odstawień od uruchomienia do dnia
30.06.2003 r. przedstawia tabela nr 7.
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
199
Gatnar K.: Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych układów z silnikami ...
Tabela nr 7
Ilość i przyczyny odstawień silników nr 1 i 2
Rok/przyczyna
2000
2001
2002
2003
Jakość gazu
25
38
191
99
Ilość odstawień
Inne zewnętrzne
Brak odbioru ciepła
26
44
35
12
33
34
25
12
Razem
74
116
251
123
Jak widać z powyższego zestawienia główną przyczyną odstawień agregatów jest jakość
gazu, a na drugim miejscu perturbacje pracy członu chłodniczego.
♦ Powietrze wlotowe do silnika. Podobnie jak w silniku pracującym w kop. „Krupiński”,
przy temperaturach zewnętrznych przekraczających + 25°C (a obecnie przekraczających
nawet +30°C) występują problemy ze schłodzeniem powietrza poniżej + 27°C i
utrzymaniem znamionowej mocy silnika.
3.4.2. Strona elektryczna agregatu
W trakcie dotychczasowej eksploatacji nie odnotowano żadnych zdarzeń ruchowych
związanych ze stroną elektryczną agregatów co świadczy o właściwym doborze i wysokiej
klasie układów, zabezpieczeń i automatyki sterowania.
3.4.3. Chłodziarki
♦ Chłodziarki absorpcyjne bromkowo-litowe.
Praca bez problemów technicznych, roboty serwisowo-regulacyjne po 2600 rbg.,
przeglądy
co 4000 rbg., czyszczenie chemiczne po stronie wody zimnej co 4000-6000 rbg..
♦ Chłodziarki śrubowe amoniakalne.
- awarie sterowania elektrycznego – wypalenie paneli sterujących (po 13.360 rbg.),
zwarcie styków (po 13.180 rbg.), awarie modułów sterowania i wejściowego (po
11.538 rbg. i 13.784 rbg.),
- rozszczelnienie obiegu amoniaku (po 13.360 rbg.),
- zużycie łożysk i awaria rotorów sprężarki (po 16.985 rbg.),
- przepalenie grzałek oleju (po 16.768 rbg.).
♦ Zrzut ciepła z chłodziarek.
W okresie bardzo wysokich temperatur zewnętrznych wydajność chłodni wentylatorowej
ma wpływ na osiąganą moc chłodniczą chłodziarek ze względu na możliwość
odprowadzenia ciepła ze skraplaczy.
3.4.4. Dołowy układ klimatyzacji.
♦ Trójkomorowy podajnik cieczy typu DRK 200 SIEMAG.
Cyklicznie co ok. 5000 rbg. pracy urządzenia pojawia się zjawisko niedomykania
głównych zaworów zwrotnych po stronie wody ciepłej i uderzeń hydraulicznych.
Przyczyną jest zmęczenie (skrócenie nawet o 25 mm) sprężyn w zaworach a nawet ich
200
Centrum Doskonałości OPTI_Energy
www.ise.polsl.gliwice.pl/centrum
Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej
pękanie. Sprężyny są więc z odpowiednim wyprzedzeniem wymieniane w trakcie
okresowych przeglądów.
♦ Sieć rurociągów wody zimnej.
Znaczne oddalenie chłodnic (rurociągi 100 zasilania i powrotu o długości ok. 3,5 – 4,5
km) powoduje, że występują problemy z dostarczeniem odpowiedniej ilości wody
chłodniczej a tym samym mocy chłodniczej na wlocie do chłodnicy znajdującej się w
wyrobisku eksploatacyjnym.
♦ Chłodnice powietrza.
Chłodnice powietrza budowane są w wyrobiskach przyścianowych możliwie najbliżej
frontu eksploatacyjnego dla uzyskania maksymalnego schłodzenia powietrza w rejonie
ściany. Takie usytuowanie, a także ilość przepływającego przez chłodnicę powietrza
zanieczyszczonego pyłem węglowym i kamiennym (wynosząca ok. 500 m3/min)
powodują, że w ciągu jednej zmiany roboczej (8h) znaczne ilości pyłu osadzają się na
zewnętrznej powierzchni rurek, tworząc warstwę izolacyjną i obniżają wydajność
chłodniczą nawet o 40%. Usuwanie zanieczyszczeń realizowane dwa razy na zmianę nie
przynosi
długotrwałych
efektów,
stąd
największe
straty
energetyczne
w całym układzie centralnej klimatyzacji występują właśnie w jej końcowym fragmencie.
4. Wnioski końcowe
1. Zabudowa silników gazowych TBG 632 V16 dla wykorzystania metanu pokładów węgla
w kogeneracyjnym układzie (realizacja w kop. „Krupiński”) i trójkogeneracyjnym
(realizacja
w kop. „Pniówek”) wykazują wysoką sprawność techniczną (sprawność całkowita
układu)
i ekonomiczną przedsięwzięcia (jednostkowy koszt wytwarzania) a wkomponowanie w
układy elektroenergetyczne i cieplne kopalń pozwala uzyskać wysoką rentowność i szybki
zwrot poniesionych nakładów.
2. Trójkogeneracja czyli „podwójne” skojarzenie energia elektryczna – ciepło – zimno oraz
możliwość pracy członu chłodniczego przy postoju silnika (zasilanie chłodziarek
absporpcyjnych
z kotłowni gazowej) w układzie centralnej klimatyzacji kop. „Pniówek”, pozwala uzyskać
bardzo wysoką efektywność w ciągu całego roku ponieważ ciepło z odzysku w okresie
zimy częściowo wykorzystywane jest w układzie ciepłowniczym kopalni a latem w
całości do celów chłodniczych.
3. Warunkiem pełnego wykorzystania atutu kogeneracji i trójkogeneracji jest takie dobranie
wielkości oraz wkomponowanie w układ elektroenergetyczny i cieplny macierzystych
kopalń, aby możliwe było wykorzystanie całej produkcji na miejscu a sprzedaż produkcji
odbywała się na zasadzie kosztów unikniętych przy dostawach z dotychczasowych źródeł.
4. Dotychczasowe doświadczenia z eksploatacji układów wykazują ich wysoką sprawność i
pewność ruchu a występujące w początkowym okresie problemy z nadmiernym i
nierównomiernym zużyciem gniazd zaworowych zostały przez producenta rozwiązane i
obecnie czasokres wymiany głowic prawie dwukrotnie przekracza zalecane przez
producenta 10000 godzin.
5. Specyfika pracy układu odmetanowania kopalń stawia wysokie wymagania układom
sterowania
i regulacji agregatów jednak dotychczasowa eksploatacja wykazała, że rozwiązania
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
201
Gatnar K.: Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych układów z silnikami ...
stosowane
w silnikach TBG 632 V16 w pełni spełniają te wymagania.
6. Trójgeneracyjny układ energetyczny pracujący w centralnej klimatyzacji kop. „Pniówek”
wykazuje zdecydowanie wyższą sprawność tak techniczną jak ekonomiczną układu
powierzchniowego, natomiast sprawność układu dołowego jest niższa i powoduje
obniżenie efektywności całości instalacji.
Załącznik nr 1
202
Centrum Doskonałości OPTI_Energy
www.ise.polsl.gliwice.pl/centrum
Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej
Załącznik nr 2
UJĘCIE I WYKORZYSTANIE METANU
ROK 2002
(100 % CH4)
Kopalnia
Całkowita
ilość ujętego
metanu
(tys.m3/rok)
Zagospodarowanie ujętego metanu
Łączna ilość i udział
%
zagospodarowanego
metanu
(tys.m3/rok)
[%]
Wyszczególnienie
Ilość metanu
(tys.m3/rok)
Sposób wykorzystania
„Borynia”
1.431,8
566,5
40
„Jas-Mos”
10.156,1
9.845,3
97
9.845,3 EC „Moszczenica”
61
7.454,4 Silnik gazowy TBG 632V16
1.200,2 Kotły WR
2.972,7 Suszarnia flotokoncentratu kop.
„Krupiński”
„Krupiński”
18.951,2
11.627,3
566,5 Kotły gazowe 2x1,2 MW
„Pniówek”
39.839,2
29.409,2
74
7.152,8
3.609,3
12.906,0
5.741,1
EC „Moszczenica”
EC „Zofiówka”
Silniki gazowe TBG 632V16
Kotły ciepłowni „Pniówek”
„Zofiówka”
16.219,4
16.191,9
100
15.549,1 EC „Zofiówka”
642,8 EC „Moszczenica”
3.539,2 1.1 Zakłady JSW S.A.
w tym:
566,5 Kotły gazowe kop. „Borynia”
2.972,7 Suszarnia flotokoncentratu kop.
„Krupiński”
JSW S.A.
86.597,7
67.640,2
78
64.101,0 SEJ S.A.
w tym:
17.640,9 EC „Moszczenica”
19.158,4 EC „Zofiówka”
20.360,4 Silniki gazowe TBG 632V16
6.941,3 Kotły gazowe i WR
67.640,2
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
Ogółem
203
Gatnar K.: Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych układów z silnikami ...
Załącznik nr 3
204
Centrum Doskonałości OPTI_Energy
www.ise.polsl.gliwice.pl/centrum
Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej
Załącznik nr 4
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
205
Gatnar K.: Doświadczenia z eksploatacji kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych układów z silnikami ...
206
Centrum Doskonałości OPTI_Energy
www.ise.polsl.gliwice.pl/centrum