ENERGETYKA I EKOLOGIA Podsystem cieplnoenergetyczny

ENERGETYKA I EKOLOGIA
Podsystem cieplnoenergetyczny
Podstawowe pojęcia i definicje
System ciepłowniczy obejmuje zespół urządzeń powiązanych funkcjonalnie, służących do wytwarzania (źródła
ciepła), przesyłania (rurociągi przesyłowe) i rozdzielania
ciepła pomiędzy użytkowników (sieć rozdzielcza, węzły
ciepłownicze.
Główne zadania systemów ciepłowniczych:
• przygotowanie ciepłej wody użytkowej,
• przygotowanie gorącej wody lub pary i ich dostawa na
potrzeby technologiczne z centralnych źródeł ciepła,
• dostawa odbiorcom mediów energetycznych (ciepła) –
odpowiedniej jakości i w odpowiedniej ilości, zarówno
do ogrzewania pomieszczeń jak i do celów higieniczno-sanitarnych.
Źródła ciepła w systemie ciepłowniczym:
• CIEPŁOWNIE, czyli zakłady w których są urządzenia
do zamiany energii zawartej w paliwie na ciepło w parze lub wodzie gorącej,
• ELEKTROCIEPŁOWNIE, czyli zakłady w których są
urządzenia wytwarzające jednocześnie ciepło i energię
elektryczną, (tzw. układy skojarzone lub inaczej kogeneracyjne).
53
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Tabela 15. Potencjał ciepłowniczy według województw w 2005 r.
Wyszczególnienie
Dolnośląskie
Kujawsko-pomorskie
Lubelskie
Lubuskie
Łódzkie
Małopolskie
Mazowieckie
Opolskie
Podkarpackie
Podlaskie
Pomorskie
Śląskie
Świętokrzyskie
Warmińsko-mazurskie
Wielkopolskie
Zachodniopomorskie
Polska
Moc zainstalowana
[MW]
3 751,2
6 275,3
2 994,9
1 294,0
4 263,4
4 714,3
9 781,4
1 899,8
2 511,8
1 512,7
3 960,9
12 533,9
1 435,3
1 522,8
3 769,5
2 968,2
65 189,4
Długość sieci
ciepłowniczej
[km]
1 370,9
1 138,7
944,3
313,4
1 356,8
1 447,9
2 839,5
538,4
811,0
515,1
1 281,2
3 185,9
400,5
550,4
1 106,9
776,2
18 577,1
Źródło: Biuletyn URE Nr 3, maj 2007 r. - Sprawozdanie z działalności Prezesa URE - 2006
100-500 MW
13.7%
pow yżej 500 MW
4.4%
brak mocy
9.3%
5 MW i poniżej
13.1%
brak mocy
5 MW i poniżej
5-20 MW
20-100 MW
20-100 MW
35.6%
5-20 MW
23.9%
100-500 MW
powyżej 500 MW
Źródło: Biuletyn URE Nr 3, maj 2007 r. - Sprawozdanie z działalności Prezesa URE - 2006
Rysunek 30. Struktura przedsiębiorstw ciepłowniczych
według mocy osiągalnej w 2005 r.
54
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
90
80
79.1 78.3
70
60
2002
2005
50
40
30
20
8.5 7.8
10
4.1 5.0
2.5 3.9
5.3 4.7
gaz ziemny
biomasa
pozostałe
0.5 0.3
0
węgiel
kamienny
olej opałowy
lekki
olej opałowy
ciężki
Wg: Biuletyn URE Nr 3, maj 2007 r. - Sprawozdanie z działalności Prezesa URE - 2006
Rys. 31. Procentowa struktura zużycia paliw w ciepłownictwie
w 2002 i 2005 r.
Kilka liczb dotyczących ciepłownictwa w Polsce
Moc zainstalowana koncesjonowanych przedsiębiorstw
ciepłowniczych ok.: 65 tys. MW,
Moc osiągalna − ponad 62 tys. MW.
Długość sieci ciepłowniczych - ponad 18 tys. km.
Ciepło dostarczone do odbiorców przyłączonych do sieci –
ok. 300 000 TJ
największa elektrociepłownia zawodowa:
Warszawa – Siekierki:
ü moc cieplna kotłów - 2014 MW,
ü moc elektryczna zainstalowana - 622 MW
największa ciepłownia: Warszawa – Kawęczyn
ü moc cieplna kotłów - 605 MW
55
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Tabela 16. Produkcja i rozdysponowanie wytworzonego ciepła
w latach 2002-2005
Lata
2002
2003
2004
2005
Wytwarzanie ciepła
Zużycie
w tym
Liczba
w nie- Odzysk ciepła na
potrzeby
przedogółem w pełnym pełnym
własne
siębiorstw
skojarzeniu skojarzeniu
[TJ]
849
467 527,8
.
.
24 939,7 156 424,6
813
460 722,7
.
.
29 558,6 140 845,4
782
442 549,5 220 834,8 54 267,5 27 619,8 139 474,0
665
430 217,9 212 592,2 61 906,9 28 435,9 128 897,8
Ciepło
oddane
do sieci
Straty
ciepła
Ciepło dostarczone
do odbiorców przyłączonych
do sieci
336 043,0
349 435,8
330 695,2
329 756,1
37 104,9
36 862,8
37 126,3
36 971,3
298 938,1
312 573,1
293 568,9
292 784,8
Źródło: Biuletyn URE Nr 3, maj 2007 r. - Sprawozdanie z działalności Prezesa URE - 2006
53
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Typowe układy ciepłownicze
a)
b)
Rys. 32. Układy ciepłownicze: a) – zasilanie sieci cieplnej
parowej z ciepłowni, b) – zasilanie sieci wody gorącej z elektrociepłowni.
1 – kocioł, 2 – rurociąg parowy, 3 – wymiennik ciepła, 4 – pompa skroplin, 5 – rurociąg skroplin, 6 – zbiornik wody zasilającej, 7 – pompa wody zasilającej, 8 – instalacja ciepłej wody użytkowej, 9 – instalacja grzewcza, 10 - pompa wody obiegowej, 11
– przegrzewacz pary, 12 – zawór redukcyjny, 13 – turbina przeciwprężna, 14 – turbina upustowo-kondensacyjna, 15 – skraplacz, 16 – pompa obiegowa sieci cieplnej,
17 – rurociąg wody zasilającej, 18 – rurociąg powrotny, 19 – kocioł wodny szczytowy.
53
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Podstawowe definicje:
Ciepłem wytworzonym Ww – energią cieplną wytworzoną w źródle ciepła nazywa się różnicę energii zawartej w
nośniku ciepła oddawanym do sieci i powracającym do
źródła.
Mocą cieplną Q – nazywa się ilość ciepła wytwarzanego,
przesyłanego lub przetwarzanego w jednostce czasu.
Pracą (ciepłem oddanym) Wo – nazywa się różnicę
energii cieplnej zawartej w nośniku ciepła (parze, wodzie
gorącej) przed i za odbiornikiem.
Qw=f(τ) - zapotrzebowanie na ciepło
do wentylacji
Qcwu=f(τ) - zapotrzebowanie na ciepło
do przygotowania ciepłej wody użytkowej
Qo=f(τ) - zapotrzebowanie na ciepło
do ogrzewania pomieszczeń,
Qc=f(τ) - łączne zapotrzebowanie na
ciepło
Tz – temperatura zewnętrzna
τ - czas [doby]
Rys. 33. Przykład wykorzystania wykresu uporządkowanego sumarycznego zapotrzebowania ciepła do
celów ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej.
54
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Rys 34. Wykres zapotrzebowania ciepła do ogrzewania
i przygotowania ciepłej wody użytkowej
Czas trwania okresu ogrzewniczego w Polsce wynosi ok.
4 800 h/a i zmienia się w pewnych granicach w zależności
od strefy klimatycznej.
W okresie letnim zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej wynosi ok. 10-20% szczytowego obciążenia cieplnego.
Podsumowanie:
Uporządkowany wykres obciążeń cieplnych dobrze charakteryzuje sposób pracy systemu ciepłowniczego i jest niezbędny przy projektowaniu jego elementów, a przede
wszystkim źródeł ciepła.
Maksymalne obciążenie szczytowe Qs występuje przy najniższej temperaturze (tzw. obliczeniowej) w danej strefie
klimatycznej.
55
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Rys. 35. Podział Polski na strefy klimatyczne
56
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
a) Ogrzewanie osiedla bez przygotowania ciepłej wody użytkowej
b) Ogrzewanie osiedla z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej
c) Ogrzewanie zakładu przemysłowego o całorocznych potrzebach
technologicznych
Rys. 36. Uporządkowane wykresy zapotrzebowania
na ciepło
Rys. 37. Schemat obiegu ciepłowniczego z turbiną przeciwprężną
1 – kocioł, 2 – turbina, 3 – odbiornik ciepła, 4 – pompa wody zasilającej, 5 – stacja redukcyjno-schładzająca, 6 – przekładnia, 7 - prądnica
57
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Rys. 38. Schemat obiegu ciepłowniczego z turbiną
upustowo-kondensacyjną
1 – kocioł, 2 – turbina, 3 – upust, 4 – zawór między częścią wysoko- i niskoprężną
turbiny, 5 – odbiornik ciepła, 6 – skraplacz, 7 – zbiornik skroplin, 8 – pompa wody
zasilającej kocioł, 9 – pompa skroplin, 10 – stacja redukcyjno-schładzająca
Źródła ciepła w systemach ciepłowniczych
1. elektrociepłownie na paliwa organiczne,
2. elektrociepłownie jądrowe,
3. ciepłownie na paliwa organiczne,
4. ciepłownie jądrowe,
5. specjalne centrale ciepła (np. zespoły siłownianociepłownicze z silnikami spalinowymi, instalacje dużych pomp ciepła).
Elektrociepłownie (ciepłownie) przemysłowe – elektrociepłownie lub ciepłownie zainstalowane w zakładach
przemysłowych, dostarczające ciepło na potrzeby technologii i ogrzewania jednego lub grupy zakładów przemysłowych.
58
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Elektrociepłownie (ciepłownie) zawodowe lub komunalne - elektrociepłownie lub ciepłownie dostarczające
głównie ciepło do ogrzewania budynków i przygotowania
ciepłej wody użytkowej, należące do resortu energetyki.
Rys. 39. Poglądowy bilans energii
a) elektrownia kondensacyjna;
b) ciepłownia;
c) elektrociepłownia.
59
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Sieci cieplne
1. Sieci wodne
a) parametry wody gorącej:
• ciśnienie: 1,0÷1,5 MPa,
• maks. temperatura: ~ 150oC,
• prędkość przepływu wody 1÷3 m/s,
• średnica rurociągów budowanych w Polsce:
do 1100 mm,
• odległość przesyłu czynnika roboczego do 25 km.
b) Najczęściej stosowany układ: dwuprzewodowy
(przewód zasilający i powrotny).
c) Zalety:
• niższa niż przy parze temperatura umożliwiająca
pełniejsze wyzyskanie ciepła w turbinach,
• łatwość regulacji temperatury i ciśnienia w sieci
(regulacja w źródle ciepła),
• pojemność cieplna sieci wodnej umożliwia w pewnych przypadkach krótkotrwałe przerwy w dostawie
ciepła,
• stałe wypełnienie rurociągów gorącą wodą zmniejsza korozję.
2. Sieci parowe
Parametry pary:
• ciśnienie: 0,1÷1,6 MPa,
• temperatura: trochę wyższa od temperatury nasycenia,
• ekonomiczny zasięg poniżej 4 km.
Sposoby budowania sieci cieplnych
a) nadziemne,
b) podziemne
• bezkanałowe
• kanałowe (obecnie przestarzałe – stosowane w
szczególnych przypadkach)
60
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Sieć ciepłownicza nadziemna układana na niskich podporach
Sieć ciepłownicza nadziemna układana
na wysokich stalowych słupach
Sieć ciepłownicza układana na maszcie
Sieć ciepłownicza układana na estakadzie
Podwieszone przejście sieci ciepłowniczej przez rzekę
Rys. 40. Rozwiązania konstrukcyjne szczególnych przypadków prowadzenia sieci ciepłowniczych
61
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Rurociągi ciepłownicze wykonane w technologii preizolowanej
Rys. 41. Preizolowana rura typu Spiropan
(dla sieci napowietrznych)
Rys. 42. Rury preizolowane dla sieci parowych
(PUR - twarda pianka poliuretanowa)
Rury i kształtki preizolowane w płaszczu HDPE (ang. high
density polyethylene)
Rury preizolowane z rurą stalową czarną pojedynczą lub
podwójną w płaszczu HDPE przeznaczone są do budowy
sieci ciepłowniczych układanych bezpośredniego w gruncie
do przesyłu medium grzewczego pod ciśnieniem do
2,5MPa i temperaturze do 160°C.
62
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
ZALETY STOSOWANIA ELEMENTÓW PREIZOLOWANYCH:
• obniżenie kosztów budowy od 15% do 40%
w zależności od średnicy rurociągów,
• zmniejszenie strat ciepła na przesyle,
• skrócenie czasu budowy o 40%,
• trwałość rurociągu min. 30 lat.
Sposoby kompensacji wydłużania i skracania się rurociągów:
a) kompensacja naturalna (układanie przewodów
w linii łamanej),
b) stosowanie kompensatorów (U-kształtowe,
dławicowe, faliste).
c) osiowe kompensatory mieszkowe, stalowe dla sieci
kanałowych lub preizolowane, mieszki kompensacyjne
wykonane są ze stali nierdzewnej i projektowane na
minimum 1000 pełnych cykli.
Węzły cieplne
Zadania węzłów cieplnych:
- przekazywanie ciepła z sieci do instalacji wewnętrznej,
- zmiana wysokich parametrów wody sieciowej na niższe wymagane w instalacji,
- wymuszanie krążenia czynnika grzejnego w instalacji
wewnętrznej,
- zabezpieczenie instalacji wewnętrznej przed wzrostem
ciśnienia powyżej dopuszczalnego.
Typy węzłów stosowanych w Polsce:
- wymiennikowe,
- hydroelewatorowe,
- zmieszania pompowego.
63
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Węzły wymiennikowe łączą dwa niezależne obiegi wody
(w sieci cieplnej i w instalacji). Przez wymienniki zasila
się zawsze instalację ciepłej wody użytkowej, gdyż ze
względów higienicznych woda ta musi pochodzić z sieci
wodociągowej.
Węzły hydroelewatorowe (z pompami strumieniowymi)
mieszają wodę zasilającą z sieci cieplnej z wodą powracającą z instalacji centralnego ogrzewania obniżając ciśnienie i temperaturę wody sieciowej do poziomu wymaganego w instalacjach wewnętrznych (wymagają stałego przepływu wody sieciowej).
Węzły zmieszania pompowego w których woda zasilająca jest mieszana z wodą powrotną i po obniżeniu temperatury jest dostarczana do instalacji wewnętrznej.
Rys. 43. Rozkład temperatur wody w hydroelewatorze
t1 – temperatura wody zasilającej z sieci cieplnej,
t2 – temperatura wody powrotnej z sieci cieplnej,
t3 – temperatura wody zasilającej instalację CO
α =
t1 − t 3
t 3−t2
64
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Regulacja dostawy ciepła
Q& = GN c w (t d − t p )
gdzie:
GN – natężenie przepływu wody sieciowej [kg/s],
cw – ciepło właściwe wody [MJ/(kg oC)],
td, tp – temperatury wody w rurociągu zasilającym
i powrotnym [oC]
Typy regulacji:
- jakościowa, polegająca na zmianie temperatur td i tp
przy stałym natężeniu przepływu wody GN,
- ilościowa, polegająca na zmianie natężenia przepływu
wody GN przy stałych temperaturach wody td i tp ,
- mieszana (jakościowo-ilościowa), polegająca na
zmianie natężenia przepływu wody GN i zmianie temperatur td i tp .
65
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
td, tp
[oC]
160
td
140
120
100
tp
80
60
40
20
0
20 10
0
-10 –20 –30 -40 -50
tz [oC]
Rys. 44. Wykres regulacji jakościowej
td , tp
[oC]
td
tp
tz [oC]
Rys. 45. Wykres regulacji ilościowej
66
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
td, tp
[oC]
160
td
140
120
100
tp
80
60
40
20
20
15
10
5
0
–5
–10
-15
-20
tz [oC]
Rys. 46. Wykres regulacji mieszanej
Koszty wytwarzania ciepła
Całkowite koszty roczne (dla ciepłowni w [zł/rok]):
K c = Kn(o) ⋅ r + Kes + K ez
gdzie:
Kn(o) – zdyskontowane nakłady inwestycyjne na budowę
ciepłowni;
Kes - roczne koszty eksploatacyjne stałe
(koszty remontów, obsługi);
Kez - roczne koszty eksploatacyjne zmienne (koszty paliwa, wody oraz materiałów zużytych do produkcji)
r
- rata rozszerzonej reprodukcji
67
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Jednostkowy koszt wytwarzania energii cieplnej (w zł/GJ):
kc =
gdzie:
K c K n(o ) + K es + K ez
=
Wr
Wr
Wr – roczna produkcja ciepła w [GJ]
W przypadku elektrociepłowni powinny być spełnione warunki:
KeEC 〈 KEK
KcEC 〈 KcZ
przy czym:
KeEC – roczny koszt wytwarzania energii elektrycznej
w elektrociepłowni w [zł/a];
KcEC – roczny koszt wytwarzania energii cieplnej w elektrociepłowni w [zł/a];
KEK – roczny koszt wytwarzania energii elektrycznej w zastępczej elektrowni kondensacyjnej w [zł/a];
KcZ – roczny koszt wytwarzania energii cieplnej w zastępczej ciepłowni [zł/a];
Koszty przesyłania ciepła
Całkowite koszty roczne (dla ciepłowni w [zł/a]):
K t = Kn(o) ⋅ r + Kr + Kp + K ep + K sc
14442444
3
Ke
K t = Kn(o) ⋅ r + K e
gdzie:
Kr – roczne koszty stałe rurociągów;
Kp - roczne koszty stałe przepompowni;
Kep - roczne koszty energii elektrycznej na
pompowanie wody;
Ksc - roczne koszty strat ciepła;
68
Instytut Maszyn Cieplnych
ENERGETYKA I EKOLOGIA
Korzyści z rozwoju podsystemu cieplnoenergetycznego (w tym zadania na przyszłość):
- zmniejszenie zużycia paliwa na skutek poprawy
sprawności palenisk;
- możliwość spalania gorszych gatunków węgla w dużych
ciepłowniach i elektrociepłowniach;
- wprowadzenie gospodarki skojarzonej cieplnoenergetycznej, która przynosi oszczędności paliwa
w skali kraju;
- mniejsza materiałochłonność inwestycyjna z powodu
zmniejszonej liczby urządzeń;
- zmniejszenie kosztów transportu;
- zmniejszenie kosztów obsługi;
- użytkowanie gazu w małych ciepłowniach komunalnych;
-
użytkowanie gazu w małych ciepłowniach i elektrociepłowniach przemysłowych;
Zalety dla mieszkańcow
- zmniejszenie wysiłku indywidualnego ludzi;
- poprawa komfortu cieplnego;
- zmniejszenie niebezpieczeństwa pożarowego;
- zmniejszenie niebezpieczeństwa zatrucia spalinami.
69
Instytut Maszyn Cieplnych