To TYLKO informatyka - Rynek energii elektrycznej

O PROJEKTOWANIU TRIGENERACJI
Autorzy: Janusz Lichota, Maciej Chorowski
("Rynek Energii" - luty 2014)
Słowa kluczowe: trigeneracja, optymalizacja założeń
Streszczenie. W artykule opisano podstawowe zasady, jakim powinno podlegać projektowanie trigeneracji. Pokazano skutki
niestosowania się do zasad.
1. WSTĘP
Układ trigeneracyjny rozumiany jako połączenie generacji energii elektrycznej, ciepła i chłodu w jednej
połączonej ze sobą hydraulicznie instalacji stanowi atrakcyjny kierunek rozwoju systemów ciepłowniczych na tle innych technologii generowania energii. Generacja chłodu wnosi dodatkowe obciążenie
cieplne, a tym samym zwiększa średnioroczne wykorzystanie źródła ciepła i przeciwdziała malejącemu
zapotrzebowaniu na ciepło w okresie zimowym przez odbiorców. Zmniejszenie zapotrzebowania na
ciepło jest konsekwencją kilkunastoletniego trendu wzrostu cen nośników energii [1]. Przykładowo
skalę spadku zapotrzebowania na ciepło we Wrocławiu można oszacować na około 0,5%-1,5% rocznie.
Podstawowy problem związany z projektowaniem dotyczy optymalizacji założeń do projektu. Z założeń wynika konsekwentnie projekt instalacji, jej budowa, a potem eksploatacja [2]. Pomyłka w założeniach generalnie prowadzi do niedopasowania całej instalacji do potrzeb odbiorców, a przez to do pogorszenia wskaźników ekonomicznych. Tylko dopasowana instalacja, w stałych warunkach prawa i cen
energii, zapewnia najkrótszy czas zwrotu nakładów SPBT, wartość bieżącą netto NPV oraz największą
stopę zwrotu IRR w czasie życia technicznego instalacji. Instalacja o zbyt dużej mocy (elektrycznej,
cieplnej, chłodniczej) nie zwróci poniesionych nakładów inwestycyjnych, a instalacja o zbyt małej mocy nie zaspokoi potrzeb odbiorcy. Projektowanie już wybranego układu trigeneracyjnego nie różni się w
sposób istotny od projektowania układów ciepłowniczych w swoim podstawowym aspekcie, tj. należy
określić zapotrzebowanie na ciepło i chłód oraz dobrać urządzenia : generatory, absorbery lub adsorbery, zawory, wymienniki ciepła, sprzęgła hydrauliczne, pompy itp.
2. ZASADY PROJEKTOWANIA
Zdaniem autorów projektowanie układu trigeneracyjnego powinno być oparte o następujące zasady
ekonomiczne i techniczne:
 nadrzędna zasada ekonomiczna: spełnienie kryteriów ekonomicznych opłacalności przedsięwzięcia
np. NPV, IRR, SPBT
 ograniczone zaufanie do istniejących projektów określających zapotrzebowanie na ciepło lub chłód,
 wybór mocy szczytowej źródła w powiązaniu z dobowym obciążeniem odbiorcy,
 podział mocy źródła na kilka źródeł,
 maksymalizacja sprawności źródła,
 stosowanie akumulatorów ciepła przy częściowym dobowym obciążeniu,
 stosowanie kompleksowego systemu automatyki,
 wybór źródła o maksymalnej sprawności w układzie hydraulicznym z wieloma źródłami.
2.1. Kryterium ekonomiczne
Należy sprawdzić kilka scenariuszy rozwoju rynku wybrać najbardziej prawdopodobny scenariusz. Autorzy raportu zdają sobie sprawę z tego, że jest to trudne zadanie ze względu na oddziaływanie dużej
liczby czynników, w tym często nieprzewidywalnych czynników polegających np. na wycofaniu się
potencjalnego odbiorcy lub gwałtownej zmianie ceny nośnika energii. Jednak prawdopodobieństwo
może zostać określone w oparciu o główny trend rynkowy w energetyce, zwracając przy tym uwagę na
potencjał technologiczny szybko rosnących rynkowo nowych rozwiązań. Przykładem pozytywnym dla
całego rynku światowego jest rozwój wydobycia gazu łupkowego w USA i malejące w związku z tym
ceny gazu do około 120 $/1000 m3. Istnieje duże prawdopodobieństwo przeniesienia tych ruchów cen
na Europę w związku z budowanymi terminalami LNG (cena gazu z Rosji dla Polski 320 $/1000 m3 w
roku 2011 oraz około 500$/1000 m3 w 2013). Rynek dokona arbitrażu pomiędzy oferowanymi cenami
gazu z różnych kierunków. Innym czynnikiem, tym razem lokalnym, branym pod uwagę przez firmy
były żółte certyfikaty wspierające energetykę gazową i umożliwiające jej funkcjonowanie. Część firm
wstrzymała się z budową elektrociepłowni gazowych około roku 2009-10 (np. we Wrocławiu) m.in. ze
względu na niepewność utrzymania systemu wsparcia. Z obecnego punktu widzenia, ze względu na
brak dalszego wsparcia, był to dobry ruch dla tego rynku – dzisiaj albo cena ciepła wzrosłaby drastycznie ze względu na cenę energii elektrycznej na rynku wynoszącą około 160 zł/MWh przy kosztach wytworzenia około 320 zł/MWh, albo elektrociepłownia nie byłaby uruchomiona powodując perturbacje
na rynku ciepła.
Te firmy, które jednak wybudowały takie źródła w oparciu o gaz rosyjski nie eksploatują ich albo
z każdym dniem ponoszą coraz większe straty. Innym przykładem negatywnym z punktu widzenia odbiorców są ruchy części deweloperów instalujących masowo kilka lat temu kotły na olej opałowy - było
oczywiste, że cena ropy dosyć szybko musi wzrosnąć ze względu na trendy światowe i wzrost zapotrzebowania w Azji.
Spełnienie kryteriów opłacalności ekonomicznej oznacza wybór technologii trigeneracji. W sposób naturalny pojawia się kolejna zasada - maksymalnej sprawności źródła. Wystarczy porównać dwa przypadki: pracę ciągłą źródła ciepła ze sprawnością 42% i pracę okresową ze sprawnością powyżej 80%,
aby określić koszty eksploatacyjne oraz przychody.
Należy również sprawdzić wrażliwość ceny 1 GJ ciepła lub chłodu na zmiany cen poszczególnych
składników ekonomicznych wchodzących skład inwestycji i eksploatacji. Jak dotąd najbardziej
wrażliwym składnikiem ceny jest cena paliwa.
2.3. Ograniczone zaufanie do projektów określających zapotrzebowanie na ciepło lub chłód przez
budynki
Wbrew pozorom i rozwinięciu inżyniersko dokładnych metod obliczeniowych pomyłki w obliczeniach
zapotrzebowania się zdarzają. W badanym przez autorów przypadku niezastosowanie tej zasady i przyjęcie wartości projektowych zapotrzebowania na ciepło doprowadziło do 2-krotnego przewymiarowania
źródła. W przypadku istniejących budynków należy przeprowadzić pomiar zapotrzebowania na ciepło
oraz sprawdzić sposób użytkowania tego ciepła, czy jest ciągły, czy okresowy. Jeśli okresowy, to jaki
jest przebieg zapotrzebowania w czasie, np. w hotelu lub biurze.
2.4. Wybór mocy szczytowej źródła w powiązaniu z dobowym obciążeniem odbiorcy
W przypadku częściowego dobowego obciążenia układu trigeneracyjnego w rozwiązaniu technologicznym powinien zostać uwzględniony fakt okresowości pracy instalacji. Nie uwzględnienie tego prowadzi
do zawyżenia mocy zainstalowanej w źródle, co oznacza niepotrzebnie zamrożone pieniądze w instalacji, nie przynoszące żadnego zysku. W instalacjach działających okresowo moc źródła jest równa średniej mocy dobowej w warunkach obliczeniowych. Reszta brakującej szczytowej mocy jest pokrywana z
układu akumulacji ciepła. Koszt takiej instalacji jest niższy niż w przypadku instalacji zaprojektowanej
na pełną moc obliczeniową ze względu na znacznie niższy koszt zasobników ciepła w porównaniu do
kosztów układu kogeneracyjnego. Dla przykładu zmniejszenie mocy instalacji ze 100% do 50% oraz
uzupełnienie jej o akumulator daje obniżenie nakładów inwestycyjnych ze 100% do około 70%. Reszta
tj. 30% przy inwestycji o wartości kilkudziesięciu mln zł daje kilka - kilkanaście mln zł, które nie są
zamrożone.
Szczególną uwagę należy zwrócić na moc chłodniczą, ponieważ prawdopodobieństwo popełnienia błędu w tym przypadku jest większe dlatego, że dla układów cieplnych moc jest dobierana np. na różnicę
temperatur 20-(-18)=38 ºC, a dla chłodniczych np. na 5 ºC dla chłodzenia nadążającego za temperaturą
powietrza zewnętrznego. Stąd łatwiej przeszacować zapotrzebowanie na moc chłodniczą niż cieplną.
2.5. Podział mocy źródła
Częściowe uniknięcie powyższych błędów było możliwe poprzez właściwy podział mocy szczytowej.
W wielu rozwiązaniach kogeneracji dla dużych miast stosowana jest dobra zasada podziału mocy
szczytowej na uporządkowanym wykresie obciążeń, na co najmniej 3 lub 4 części z dostosowaniem
wielkości tych części do podstawowego obciążenia w postaci zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. W układzie trigeneracyjnym mamy dodatkową zmienną - moc cieplną potrzebną absorpcyjnym
agregatom chłodniczym. Stąd część podstawowa mocy cieplnej źródła powinna być równa większej z
dwóch wielkości: zapotrzebowania na ciepło dla c.w.u. oraz zapotrzebowania na ciepło dla chłodzenia.
Inny przykładowy podział mocy to 2x25%+50% mocy szczytowej. Zamiast kilku jednakowych jednostek można zastosować jedną dużą i kilka małych. Odpowiedź na pytanie, który wariant zastosować,
jest wynikiem analizy techniczno-ekonomicznej przedsięwzięcia.
Ponadto proponowane podziały mocy zapewniają znacznie większe bezpieczeństwo cieplne i energetyczne niż podział np. na dwie takie same jednostki. Uszkodzenie pojedynczej jednostki oznacza utratę
połowy mocy.
2.6. Maksymalizacja sprawności źródła
Zasady 2, 3, 4 mają na celu maksymalne wykorzystanie energii chemicznej paliwa. Podział mocy źródła
oraz uwzględnienie okresowości pracy instalacji poprzez zainstalowanie akumulatorów ciepła dają
w rezultacie maksymalne wykorzystanie energii chemicznej paliwa.
2.7. Stosowanie akumulatorów ciepła przy częściowym dobowym obciążeniu
Akumulatory ciepła powinny być stosowane przy częściowym wykorzystaniu źródła ciepła w ciągu
doby. Ponadto w układzie trigeneracyjnym umożliwiają one priorytetowe wytwarzanie energii elektrycznej w czasie szczytowych porannych i wieczorowych cen energii elektrycznej. Stąd zmniejszają
koszty inwestycyjne i zwiększają przychody. Oba te składniki ekonomiczne sprawiają, że układ trigeneracyjny jest w stanie utrzymywać niższą cenę energii w porównaniu do układu nie mającego akumulatora. To jest podstawowa przewaga na rynku konkurencyjnym. Polski rynek bardzo silnie reaguje na
cenę.
2.8. Stosowanie kompleksowego systemu automatyki
Kompleksowy system automatyki obejmujący wszystkie dostępne urządzenia energetyczne w sposób
jednoznaczny pokazuje m.in. ile rzeczywiście odbiorca potrzebuje energii, ile dostarczono energii, czy
źródło jest sterowane tak, by dawać maksimum przychodów. Ponadto uwalnia ona obsługę źródła od
ich wielu uciążliwych czynności takich jak m.in. spisywanie liczników, ręczne ustalanie mocy poszczególnych urządzeń, sporządzanie bieżących raportów i skupia uwagę na nadzorze urządzeń oraz reagowaniu na wykryte problemy techniczne prowadzące do zmniejszenia dyspozycyjności źródła. Ponadto
kompleksowy system automatyki umożliwia precyzyjną i wcześniejszą diagnozę problemu. Obserwacja
wszystkich pomiarów na jednym ekranie nie jest tym samym, co ich obserwacja w różnych miejscach
instalacji zajmującej kilka tysięcy metrów kwadratowych powierzchni. Ponadto w części miejsc nawet
nie jest łatwo dostępny pomiar. Czasem pomiar ciśnienia w różnych miejscach instalacji wymaga każdorazowo zainstalowania manometru. Nawet ręczne zebranie pomiarów, które powinno trwać 10 minut
przy zainstalowanych manometrach trwało 3 godziny.
Pokusa niezintegrowania regulatorów poszczególnych układów technologicznych w jeden system sterowania spowodowana niższym nakładem inwestycyjnym na instalację powoduje problemy eksploatacyjne.
Załóżmy, że w sposób niezależny od siebie działają następujące regulatory:
 generowanej mocy elektrycznej,
 mocy cieplnej z silników,
 mocy chłodniczej absorberów,
 mocy chłodniczej wież chłodzących,
 mocy cieplnej wysyłanej do odbiorców poprzez falowniki pomp,
 mocy cieplnej w węzłach,
 zmieszania pompowego u odbiorców,
a ponadto, że generowana moc elektryczna jest ustalana w sposób ręczny. Ten stan rzeczy powoduje
zawyżanie dostarczonego ciepła do odbiorcy. Ponadto dodatkowo sytuację może skomplikować odbiorca stosując niezależne od źródła trigeneracyjnego centrale wentylacyjne – z jednej strony źródło dostarcza ciepło, a z drugiej centrala je usuwa... . Stąd na zawyżenie dostawy ciepła składają się dwa czynniki
- sposób regulacji źródła i sposób regulacji swoich potrzeb cieplnych przez odbiorcę.
2.9. Wybór źródła o maksymalnej sprawności w układzie hydraulicznym z wieloma źródłami
Połączenie układu trigeneracyjnego z siecią ciepłowniczą zwiększa bezpieczeństwo dostawy ciepła do
klienta trigeneracji. Umożliwia jednocześnie przesyłanie ciepła do sieci ciepłowniczej. Jeżeli źródła
należą do tego samego właściciela, to wybór źródła zasilającego sieć ciepłowniczą zależy od opłacalności źródeł, a ta jest funkcją m.in. sprawności.
2.10. Wybór schematu hydraulicznego
Każdy wariant układu trigeneracyjnego powinien zostać najpierw zanalizowany poprzez swój schemat
hydrauliczny. Zwykle da się przedstawić każdy układ hydrauliczny w prostej postaci zawierającej tylko
podstawowe urządzenia, ich oporności hydrauliczne i moce. Sporządzając charakterystyki hydrauliczne
wybranego układu można stwierdzić, czy zapewni on założoną moc cieplną i chłodniczą. Niektóre pozornie poprawne schematy zawierają hydrauliczną blokadę mocy, np. chłodniczej.
3. SCHEMAT UKŁADU TRIGENERACYJNEGO
Schemat układu trigeneracyjnego przyjęty do dalszej analizy optymalizacji założeń pokazano na rysunku 1. Źródło trigeneracyjne posiada dwa takie same silniki gazowe AK1, AK2 wytwarzające ciepło na
potrzeby odbiorcy i energię elektryczną, dwa takie same główne absorbery CS1, CS2 oraz dwa pomocnicze chillery elektryczne AS1, AS2 działające niezależnie od absorberów. Układ wody chłodzącej o
parametrach temperatury 28 ºC /35 ºC odprowadza ciepło z układu chłodniczego na zewnątrz źródła
poprzez dwie wieże chłodnicze 2W i 1W, przy czym mogą być używane obie wieże lub wybrana tylko
jedna. Przy dostawie ciepła i chłodu do odbiorcy przyjęto zasadę odsprzężenia hydraulicznego źródła
ciepła
i
chłodu
od
odbiorcy
poprzez
sprzęgła
hydrauliczne
występujące
w źródle i w każdym odbiorze (nie pokazane na schemacie), dlatego do odbiorcy dociera zimą woda
o temperaturze 90 ºC /70 ºC i stałym strumieniu masy, a latem woda lodowa o temperaturze 8 ºC /13 ºC.
Woda grzewcza
Woda chłodząca i lodowa
Rys. 1. Schemat układu trigeneracyjnego
Źródło wyposażono w mały akumulator ciepła, którego głównym zadaniem jest chwilowa poprawa regulacyjności absorbera. Każdy z budynków odbiorcy jest zasilany osobnym obiegiem cieplnym, więc
występuje odpowiednia liczba pomp. Dla układu wody chłodzącej pompy są oznaczone jako POWCH,
pompy wody lodowej oznaczono przez POWL, pompy wody grzewczej oznaczono skrótem POWG.
Źródło jest wyposażone w 6 trójdrogowych zaworów regulacyjnych. Dwa z nich ZAK1WG, ZAK2WG znajdują się w agregatach kogeneracyjnych i służą do utrzymywania stałych parametrów wody 90 ºC /70
ºC za względu na stabilne warunki pracy agregatu. Kolejne dwa zawory Z1WCH, Z2WCH umieszczono
przy wieżach chłodzących. Latem utrzymują one temperaturę 28 ºC wody chłodzącej powracającej do
absorberów. Temperatura jest mierzona przed i za zaworem. Ostatnie dwa zawory regulacyjne ZCS1WG,
ZCS2SP mają za zadanie dostarczenie mocy cieplnej do absorberów w takiej wielkości, aby latem była
utrzymana temperatura wody lodowej wynosząca 8 ºC. Jest to realizowane na dwa różne sposoby: poprzez wykorzystanie wody grzewczej i pochodzącej z obu agregatów kogeneracyjnych oraz poprzez
wykorzystanie ciepła spalin ze spalanego gazu ziemnego w osobnym kotle gazowym. Pozostałe pokazane zawory na wodzie lodowej ZCS1WL, ZCS2WL, ZAS1WL, ZAS2WL służą tylko do odcinania odpowiednich
obiegów i są otwarte na 100%. Ponadto są okresowe badania wody (1 w miesiącu) pod kątem występowania Legionelli.
Zimą ustalana jest moc elektryczna P ustalana ręcznie w źródle, natomiast moc cieplna źródła Q jest
wynikowa - założeniem jest utrzymywanie stałego strumienia masy m w obiegu agregatu kogeneracyjnego. Regulacja dostawy ciepła u odbiorców odbywa się według krzywych ustalonych w sterownikach.
Źródło nie ma krzywej - regulacja odbywa się wyłącznie po stronie węzłów.
4. OPTYMALIZACJA ZAŁOŻEŃ PROJEKTOWYCH – KONTRPRZYKŁAD
Obserwując kontrprzykład można określić skutki niestosowania zasad projektowania źródła sprowadzające się do odejścia od optymalnego technicznie i ekonomicznie punktu zwrotu nakładów inwestycyjnych w ciągu kilku lat. Lista potencjalnych błędów przy projektowaniu układu trigeneracyjnego jest
oczywiście długa. Poniższe możliwe problemy z układem trigeneracyjnym zostały wybrane arbitralnie.
4.1. Zbyt duża moc chłodnicza źródła trigeneracyjnego latem i moc cieplna zimą
Dwukrotne zawyżenie mocy cieplnej odbiorcy w porównaniu do jego zapotrzebowania sprawia, że
pracuje tylko jeden agregat kogeneracyjny. Agregat ten ma największą sprawność tylko przy temperaturze zewnętrznej obliczeniowej i wynosi ona około 86%. Przy temperaturze na zewnątrz wynoszącej +12
ºC następuje spadek sprawności do około 46%. Konsekwencją jest zwiększenie znaczne kosztów eksploatacyjnych oraz zamrożenie kapitału na zbędny drugi agregat i absorber.
4.2. Niedopasowanie pomp agregatu kogeneracyjnego i pomp ciepłowniczych
Przy właściwym doborze pomp strumień objętości wody na sprzęgle hydraulicznym po stronie agregatu
kogeneracyjnego Vp i po stronie odbiorcy Vv są sobie równe
Vp = Vv
Wówczas do odbiorcy dociera woda o temperaturze z krzywych centralnej regulacji 90 C /70 C i nie
ma podmieszania wody powracającej od odbiorcy o temperaturze Tpi. Jeżeli zajdzie sytuacja większego
poboru wody przez odbiorcę
Vp < Vv,
to wówczas do odbiorcy będzie dopływała woda o niższej temperaturze zasilania niż to wynika
z krzywej centralnej regulacji. Albo odbiorca nie dostanie potrzebnej mocy cieplnej albo zwiększy się
strumień masy wody w sieci i nastąpi wzrost kosztów pompowania.
4.3. Problem z doborem pompy POWL1, POCH1, POCH2, POWCH3, POWCH4 i hydrauliczna
blokada mocy chłodniczej absorberów
Jeżeli pompa nie może być dobrana dokładnie na punkt pracy, to wówczas projektant zwykle dobiera
pompę o nieco wyższej charakterystyce przepływowej. Załóżmy, że dotyczy to pompy POWL1, natomiast pompa POWL2 jest dobrana prawidłowo. Jeżeli strumień wody lodowej płynącej przez pozbawioną falownika pompę POWL1 będzie większy tylko o 20%, to wówczas nastąpi destabilizacja pracy
absorbera CS1, tj. obu obiegów wody lodowej 8°C/13°C i wody chłodzącej 28°C/35°C ze względu na
nierówne strumienie wody w obiegach wody chłodzącej CS1 i CS2. Polega ona na tym, że przesuwają
się punkty pracy w lewobieżnych obiegach absorpcyjnej pompy ciepła odchodząc od warunków pracy,
na które absorber został zbudowany.
Charakterystyka pompy POWL1 nie może być zdławiona ze względu na brak regulacji zaworów
ZCS1WL, ZCS2WL. Jeżeli zawór ZCS1WL obiegu absorbera CS1 nie będzie zdławiony, to absorber CS2 nie
może dostarczać zimna do obiegu, ze względu na kilka metrów słupa wody niższą charakterystykę
pompy POWL2 w porównaniu do pompy POWL1. Z kolei zdławienie oznacza mniejszy strumień wody
chłodzącej oraz mocy chłodniczej, a więc hydrauliczną blokadę mocy chłodniczej.
Podobny problem doboru i wynikającą z tego hydrauliczną blokadę mocy chłodniczej można sformułować dla pomp wody chłodzącej POWCH1, POWCH2 oraz POWCH3 i POWCH4.
Jeżeli projektant założył, że elektryczne chillery AS1 i AS2 pełnią rolę pomocniczą w stosunku do absorberów i mają działać od nich niezależnie, to konsekwencją mogą być niższe wysokości podnoszenia
pomp POWL3 i POWL4 ze względu na mniejsze spadki ciśnień na drodze do sprzęgła hydraulicznego.
Stąd w opisanej sytuacji blokady hydraulicznej mocy chłodniczej absorberów CS1 i CS2 chillery AS1
i AS2 nie wspomogą układu chłodniczego.
4.4. Niedopasowanie wież chłodniczych
Problem braku mocy chłodniczej nasila się jeśli wieże chłodnicze nie są dopasowane i nie są w stanie
odprowadzić ciepła.
Podczas eksploatacji źródła trigeneracyjnego może okazać się, że przy wysokich temperaturach powietrza zewnętrznego (~35 ºC) moc chłodnicza wież chłodzących wystarcza jedynie do uruchomienia pojedynczego absorbera np. CS2, który utrzymuje wówczas projektowe parametry wody lodowej 8/13 ºC.
Natomiast powinny zapewnić dla obu absorberów CS1, CS2 (agregaty sprężarkowe AS1, AS2 nie są
uruchamiane jednocześnie z absorberami). Mogą być tego dwie przyczyny. Pierwszą jest sposób pracy
chłodnic - jeżeli temperatura powietrza zewnętrznego wynosi 35 ºC, a wieże są chłodzone w obiegu
zewnętrznym poprzez zraszanie wodą i przepływ powietrza wymuszony przez wentylator, to wówczas
w nasłoneczniony dzień temperatura obudowy chłodnicy wzrośnie do 40-50 ºC. To z kolei powoduje
podgrzanie wody zraszającej wymienniki zawierające glikol oraz powietrza chłodzącego te wymienniki.
A to jest wbrew założeniu projektowemu o temperaturze termometru mokrego 21 °C na wykresie Molliera, co by umożliwiało dotrzymanie parametrów. Dodatkową przyczyną może być destabilizacja pracy
obiegów wody chłodzącej absorberów przez pompy POCH1, 2 opisana w poprzednim punkcie.
Inną przyczyną, dla której wieże chłodnicze nie uzyskują swojej mocy, jest wykorzystanie zaworów
trójdrogowych Z1WWCH, Z2WWCH. Jeżeli jest wykorzystywana tylko wieża 1W, to zawór Z2WWCH zamyka
dopływ wody chłodniczej do wieży 2W, ale jednocześnie musi otworzyć obejście wieży 2W. Więc
strumień wody chłodniczej zamiast w całości płynąć do wieży 1W będzie częściowo płynął przez obejście wieży 2W. Pozornie prostsze i tańsze rozwiązanie – zastosowanie zaworu trójdrogowego w miejsce
2 zaworów dwudrogowych w kierunku na wieżę i na obejście – wywołało problem zmniejszenia mocy
chłodniczej wieży.
4.5. Brak pomp cwu latem do jednego z budynków
Załóżmy, że w źródle trigeneracyjnym do dostawy ciepła dla ciepłej wody użytkowej latem do jednego
z budynków używane są obie główne pompy grzewcze POWG4, POWG5 celem zmniejszenia nakładu
inwestycyjnego. Na falowniku jest ustawiona eksperymentalnie charakterystyka na krzywą 20% przy
algorytmie utrzymywania stałego ciśnienia przez pompę. Wtedy sprawność pomp znacznie spada
i zamiast 70% sprawności jest 3,7%, a to przekłada się na zwiększone zużycie energii elektrycznej, tj.
potrzeb własnych w porównaniu do optymalnej pompy, natomiast oczywiście spada moc elektryczna
pobierana przez pompę grzewczą.
4.6. Brak kompleksowego systemu automatyki w trigeneracji
Załóżmy, że istniejący system automatyki zapewnia jedynie bieżącą regulację mocy elektrycznej generatora (ręczne zadawanie mocy) i części zaworów regulacyjnych po stronie hydraulicznej; pompy i
część zaworów regulacyjnych jest regulowana ręcznie. Stąd do sprzęgła hydraulicznego wody grzewczej odbiorcy zimą zawsze dopływa woda o parametrach 90 ºC /70 ºC zamiast wody o parametrach z
krzywej centralnej regulacji. Na pewno powoduje to zwiększenie strat ciepła na przesyle, a może również spowodować zwiększenie zużycia ciepła przez budynek przy nie prawidłowo działającym węźle
odbiorczym.
Z kolei latem może występować problem oscylacyjnej pracy zaworów trójdrogowych Z1WWCH, Z2WWCH
sterujących układem hydraulicznym wody chłodzącej. Układy regulacji wież wyłączają zraszanie oraz
drugi bieg wentylatora po osiągnięciu temperatury zadanej 28ºC, natomiast oddalone o kilkadziesiąt
metrów regulatory zaworów trójdrogowych Z1WWCH, Z2WWCH mogą w tym czasie w pełni otworzyć te
zawory „wysyłając” w stronę wież wodę o temperaturze 35ºC.
To opóźnienie powoduje, że po chwili układ regulacji wieży załącza ponownie zraszanie i drugi bieg
wentylatora, a zawory Z1WWCH, Z2WWCH pracują dwustanowo. Jest to klasyczny opis sytuacji, w której w
układzie regulacji wież brakuje tzw. predyktora Smith’a, którego zadaniem jest likwidacja opóźnienia z
punktu widzenia układu regulacji, co w układzie hydraulicznym objawia się „równomierną” (nieoscylacyjną) pracą zaworów.
Kompleksowy system automatyki umożliwia łatwą analizę tej sytuacji.
4.7. Niedopasowanie liczników do zapotrzebowania
Naturalnym skutkiem doboru np. zbyt dużej mocy chłodniczej jest dobór niewłaściwych liczników
chłodu. Przy kilkukrotnym zawyżeniu mocy chłodniczej dużą rolę zaczynają odgrywać błędy pomiarowe liczników. Przy małych strumieniach mają one błąd rzędu 5% lub 3%, w zależności od charakterystyki licznika i wielkości strumienia. Jeśli pomiar w tej samej skali dotyczy tylko 10% zakresu, to licznik będzie popełniać błąd wynoszący 30%...50%.
4.8. Kawitacja pomp POWCH1, POWCH2, POWG4, POWG5
Załóżmy, że w głównych pompach wody chłodzącej POWCH1, POWCH2 i głównych pompach wody
grzewczej POWG4, POWG5 występuje kawitacja. Aby zapobiec temu zjawisku obsługa może uruchamiać jednocześnie dwie pompy POWG4 oraz POWG5 w układzie grzewczym. A to powoduje jednocześnie dalsze niedopasowanie pomp POWG1,2 w agregatach kogeneracyjnych do pomp POWG4,5.
Rozwiązanie problemu przepływowego doprowadza do powstania problemu termicznego.
4.9. Okresowość pracy trigeneracji
W przypadku odbiorcy pracującego okresowo zaprojektowanie źródła pozbawionego akumulatora ciepła lub chłodu powoduje niedopasowanie ekonomiczne instalacji do odbiorcy. Takie źródło pracuje w
sposób okresowy. Latem chłód jest dostarczany jedynie w ciągu dnia, nocą instalacja jest wyłączona.
Podobnie jest w okresie zimowym, podczas którego odbiorcy stosują zaniżenia nocne, więc wytwarzanie ciepła w tym czasie nie jest potrzebne. Z tego wynika podstawowy problem dotyczący czasu zwrotu
nakładów inwestycyjnych. Jeżeli zapotrzebowanie na moc cieplną przez odbiorców wynosi np. 1 MW,
to w przypadku okresowej pracy instalacji przez pół doby, źródło trigeneracyjne powinno być zaprojektowane na moc 0,5 MW (ewentualnie + 10% rezerwy mocy) wraz układem akumulacji ciepła w zasobniku wodnym lub innym pokrywającym zapotrzebowanie. Źródło pracowałoby w sposób ciągły,
przez całą dobę, przy warunkach obliczeniowych zasilając nocą akumulator ciepła (ładując go ciepłem),
a w ciągu dnia akumulator łącznie z agregatami kogeneracyjnymi osiągałby moc 1 MW. Przy wyższych
temperaturach powietrza zewnętrznego stopień wykorzystania źródła tj. czas jego pracy, byłby znacznie
wyższy i przy większej sprawności wykorzystania energii chemicznej gazu, co z kolei obniżyłoby
koszty eksploatacyjne źródła.
Ponadto należy zwrócić uwagę na fakt obniżenia kosztów inwestycyjnych przy zastosowaniu rozwiązania z akumulatorem ciepła. Dwukrotne zmniejszenie mocy cieplnej z 1 MW na 0,5 MW sprawiłoby, że
wszystkie kluczowe urządzenia wytwórcze (agregaty kogeneracyjne, zawory regulacyjne, pompy obiegowe, zawory zwrotne, liczniki ciepła itd.) o łącznej mocy 0,5 MW byłyby więcej niż dwukrotnie tańsze oraz byłyby mniejsze koszty robocizny podczas montażu. Natomiast cena akumulatora ciepła odpowiadającego za pozostałe 0,5 MW zapotrzebowania na ciepło jest wielokrotnie mniejsza niż analogicznego układu kogeneracyjnego. Zakładając, że fragment mocy dla akumulatora będzie 5-krotnie tańszy, a fragment mocy dla wytwarzania 2-krotnie tańszy osiągane jest oszacowanie nakładów na 70% w
porównaniu do nakładów na 100% mocy. 30% oszczędności przy wielomilionowej inwestycji warte jest
rozważenia.
4.10. Nieprawidłowe współczynniki autorytetu zaworów regulacyjnych wody lodowej WL
Prawidłowo dobrane zawory mają tzw. autorytet zwykle w przedziale a=(0,3, 0,7). Jeżeli autorytet np.
zaworów wody lodowej WL jest mniejszy niż 0,3, to nastąpi znaczne pogorszenie regulacji strumienia
wody lodowej V(h) w funkcji stopnia otwarcia zaworu h. Dla autorytetu a=0,06...0,12 przy kilku pro-
centach otwarcia zaworu strumień wody lodowej będzie wzrastał niemal skokowo i wynosił np. 30%
zamiast kilku procent, co wręcz uniemożliwia regulację w tym zakresie.
4.11. Drobne błędy wykonawcze
Mogą się również pojawić drobne błędy wykonawcze:
 źle rozmieszczone kompensatory kanału spalin, co powoduje rozszczelnienie instalacji,
 za wysoko umieszczone liczniki, co będzie zmuszało obsługę do wspinania się po drabinie na wysokość kilku metrów,
 zawory regulacyjne nie są potrzebne pompie wyposażonej w falownik,
 przewody przy sprzęgle wody lodowej nie mogą być połączone tak samo, jak przy sprzęgle wody
grzewczej (powroty na dole, zasilania górą) tylko muszą być zamienione (zasilania dołem, powroty
górą); jeśli będą zamienione, to będzie tracona energia chłodzenia,
 obieg wody chłodzącej może posiadać zbyt mały zład; jeśli w obiegu jest dodatkowo nieszczelność,
to objawi się to tym, że układ stabilizująco – uzupełniający będzie uruchamiany co np. 3-5 minut regulując ciśnienie powrotu, ciśnienia w powrocie szybko spadają np. z 21 mH2O do 16 mH2O
w ciągu kilku minut.
 może brakować manometrów przy urządzeniach CS1, CS1, AS1, AS2 przy wszystkich trzech obiegach : grzewczym, wody chłodzącej i lodowej. Przy obserwacji rozkładów ciśnień w instalacji
sprawdzenie wszystkich ciśnień przy urządzeniach niepotrzebnie zajmuje kilka godzin zamiast 10-15
minut. Jest to najtańszy pomiar umożliwiający określenie wszystkich parametrów pracy trigeneracji i
zweryfikowanie projektu oraz modelu hydraulicznego – rozkłady ciśnień umożliwiają precyzyjne
ustalenie oporności w modelu w połączeniu ze znanymi charakterystykami pomp i zaworów.
5. PODSUMOWANIE
W pracy pokazano i przeanalizowano schemat układu hydraulicznego źródła trigeneracyjnego. Wskazano na jego niedoskonałości i zaproponowano rozwiązania poprawiające działanie. Sformułowano
podstawowe zasady projektowania źródeł trigeneracyjnych, które prowadzą do zbudowania źródła dopasowanego ekonomicznie do potrzeb odbiorcy.
LITERATURA
[1] Budzianowski W.: Indicators for the monitoring of low-carbon energy policy of Poland. Rynek
Energii 2012, nr 3(100), s. 121-126,
[2] Plutecki Z.: Wieloparametryczna ocena warunków komfortu cieplnego. Pomiary Automatyka Kontrola nr 2, 2011, s. 153-156.
Udział w konferencji i badania sfinansowane ze zlecenia statutowego Politechniki Wrocławskiej S–
30035/I-2201
DESIGN OF TRI-GENERATION
Key words: Tri-generation, assumptions optimization
Summary. A paper describes the principles, which should be utilized to design tri-generation. A consequences
of non-compliance with the rules were shown.
Janusz Lichota, dr inż., jest adiunktem naukowo-dydaktycznym w Instytucie Inżynierii Lotniczej, Procesowej i Maszyn Energetycznych Politechniki Wrocławskiej. Specjalizuje się w systemach energetycznych i automatyce.
Maciej Chorowski, prof. dr hab. inż., jest dyrektorem Instytutu Inżynierii Lotniczej, Procesowej i Maszyn Energetycznych Politechniki Wrocławskiej. Specjalizuje się w systemach energetycznych i kriogenice.