Kogeneracja

Artykuł w miesięczniku Energetyka - „Woda uzupełniająca a kogeneracja"

Szczegóły

Opublikowano: środa, 04, maj 2011 14:28

Istotnym problemem, któremu zwykle nie poświęca się większej uwagi, jest uwzględnianie ciepła zużytego na podgrzanie wody uzupełniającej w wodnych sieciach ciepłowniczych w cieple użytkowym i cieple użytkowym w kogeneracji. W artykule przedstawiono prawidłowe zasady uwzględniania tego ciepła oraz metodykę jego wyznaczania.

Zazwyczaj do ciepła użytkowego wyznaczanego za pomocą głównych układów pomiarowych, np. liczników ciepła zabudowanych na magistralach ciepłowniczych, doliczana jest niewielka ilość ciepła na pokrycie strat czynnika. Nieprawidłowe rozliczenie tego ciepła, a czasem wręcz pominięcie, może mieć znaczący wpływ na kluczowe wielkości wyznaczane podczas rozliczania kogeneracji wysokosprawnej, tj. współczynnika zmiany mocy β, sprawności ogólnej η, ilości wytworzonej energii elektrycznej w kogeneracji A_bq i wskaźnika oszczędności energii pierwotnej PES.

Nieprecyzyjne przepisy

Zapisy dotyczące ciepła użytkowego znajdujące się w ustawie [1], rozporządzeniu [2] i Decyzji Komisji [3], a także w Dyrektywie 2004/8/WE oraz związanych z nią przewodnikach, nie precyzują zasad uwzględniania w cieple użytkowym ciepła zużytego na uzupełnianie ubytków wody w sieci ciepłowniczej. W związku z tym zaleca się, by tę kwestię rozwiązać zgodnie z zasadami fizyki (termodynamiki) oraz zapisami odpowiednich norm.

Kilka opcji do wyboru
Na poniżej zamieszczonych przykładach przeanalizowano różne konfiguracje uzupełnienia strat czynnika w wodnych sieciach ciepłowniczych i przedstawiono prawidłowe zasady wyznaczenia ciepła użytkowego oraz ciepła użytkowego w kogeneracji.

Opis układu

Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat jednostki kogeneracji z turbiną przeciwprężną. W układzie tym celowo nie zamieszczono odgazowywaczy wody sieciowej oraz pominięto straty ciepła w jednostce kogeneracji. Przyjęto, że w tej jednostce kogeneracji przeprowadza się pomiar strumienia wody na zasilaniu odbiorcy ciepła, temperatury wody na zasilaniu oraz na powrocie od odbiorcy ciepła, a także pomiar strumienia i temperatury wody uzupełniającej w miejscu wprowadzenia jej do wody powrotnej. Pomiary te są jednocześnie pomiarami, przez które przeprowadzono granicę bilansową jednostki kogeneracji.

Zgodnie z normą [4] ilość ciepła w wodzie przekazanego do odbiorcy ciepła OC określona jest następującym równaniem:

Q_uOC = [M_z * (i_z – i_p) + M_wd * (i_p – i_wd)] *10^-3 GJ (1)

gdzie:
M_z[Mg] - ilość wody zasilającej odbiorcę ciepła, i_z[kJ/kg] - entalpia wody zasilającej odbiorcę ciepła, i_p[kJ/kg] - entalpia wody powrotnej od odbiorcy ciepła, M_wd[Mg] - ilość wody u upełniającej, i_wd[kJ/kg] - entalpia wody uzupełniającej.

Zależność (1) wynika z bilansu energii oraz bilansu masy dla przedstawionego układu. Bilans energii ma postać:

Q_uOC =[M_z *i_z – M_p * i_p – M_wd *i_wd] * 10^-3 GJ (2)

gdzie:
M_p[Mg] - ilość wody powrotnej od odbiorców ciepła, wyznaczona z bilansu masy węzła zmieszania wody powrotnej i wody uzupełniającej:

M_p = M_z – M_wd Mg (3)

Po wprowadzeniu równania (3) do równania (2) i odpowiednim uporządkowaniu wielkości otrzymuje się równanie (1).
Zależność (1) jest uniwersalna — pozwala na obliczenie ilości ciepła użytkowego przy dowolnym udziale strat czynnika w sieci, które zwykle stanowią od kilku do kilkunastu procent ilości czynnika wysyłanego do odbiorców ciepła M_z, a także w skrajnych przypadkach:
• gdy straty czynnika u odbiorców ciepła nie występują, tj. przy M_wd = 0:

Q_uOC = M_z * ( i_z - i_wd ) * 10^-3 GJ (4)

• gdy utrata czynnika u odbiorców ciepła wynosi 100%, tj. przy M_p = 0 i M_wd = M_z:

Q_uOC = M_z * ( i_z - i_wd ) * 10^-3 GJ (5)

Równanie (1) obowiązuje także w przypadku, gdy i_p < i_wd , czyli gdy drugi człon równania (1)( M_wd * (i_p — i_wd) ma wartość ujemną i powoduje zmniejszenie wartości Q_uOC.
Na rysunku 2 przedstawiono ten sam układ technologiczny z granicą bilansową jednostki kogeneracji przeprowadzoną w taki sposób, że uzupełnienie sieci znajduje się na zewnątrz jednostki kogeneracji. Ilość ciepła przekazanego odbiorcy określona jest zależnością:

Q_uOC = M_z * ( i_z - i_zm ) *10^-3 GJ (6)

gdzie:
i_zm [kJ/kg] - entalpia wody powrotnej po zmieszaniu z wodą uzupełniającą, wyznaczona z bilansu masy i energii węzła zmieszania wynosi:

i_zm = i_p + ( M_wd / M_z ) * ( i_wd - i_p ) kJ/kg (7)

Po wprowadzeniu równania (7) do (6) i odpowiednim uporządkowaniu wielkości także otrzymuje się równanie (1).
W układzie przedstawionym na rysunkach 1 i 2, w którym woda uzupełniająca przed wprowadzeniem do sieci nie jest podgrzewana ciepłem z jednostki kogeneracji, wyłączenie instalacji uzupełniającej ubytki czynnika w sieci poza jednostkę kogeneracji nie ma wpływu na wyniki obliczeń ilości ciepła użytkowego. Pominięcie drugiego członu równania (1) doprowadziłoby jednak do nieprawidłowych wyników obliczeń ilości ciepła użytkowego - tj. zaniżenia wartości Q_uOC w przypadku gdy i_p > i_wd lub zawyżenia wartości Q_uOC w przypadku gdy i_p < i_wd
W praktyce, ze względów technologicznych, woda uzupełniająca straty czynnika w sieci ciepłowniczej jest podgrzewana i odgazowywana. Ciepło przekazywane wodzie uzupełniającej, przed wprowadzeniem jej do sieci ciepłowniczej, dostarczane jest zazwyczaj z jednostki kogeneracji. Ciepło to lub jego część zwykle pobierane jest z upustów lub wylotów turbin, czyli jest ciepłem wytworzonym w kogeneracji. Przykładowy, uproszczony schemat takiej jednostki kogeneracji przedstawiono na rysunku 3.
W jednostce tej, podobnie jak w poprzednio przedstawionym układzie, pominięcie drugiego członu równania (1) także prowadziłoby do braku poprawności obliczeń. Dodatkowo jednak powodowałoby komplikacje przy podziale ciepła użytkowego na miejsca jego przekazywania wodzie sieciowej w jednostce kogeneracji. Jednoznaczne wskazanie tych miejsc i właściwy podział ciepła użytkowego na urządzenia jest niezbędny do prawidłowego wyznaczenia średniego współczynnika zmiany mocy β Odgazowywacz OS jest jednym z wymienników, w którym ciepło przekazywane jest wodzie sieciowej. Ciepło przekazane wodzie uzupełniającej w odgazowywaczu OS najczęściej jest wyższe od drugiego członu równania (1), gdyż z reguły i_os>i_p- Przykładowe porównanie ilości ciepła określonego pierwszym i drugim członem zależności (1) z ilością ciepła dostarczonego w wymienniku podstawowym (zasilanym z wylotu turbiny) oraz w odgazowywaczu wody sieciowej OS przedstawiono na rysunku 4.
W dalszej części artykułu przyjęto, że przepływ wody do odbiorców ciepła mierzony jest na zasilaniu odbiorców, analogicznie jak na zamieszczonych schematach.

Kiedy zaliczyć do ciepła użytkowego?
Podstawową zasadą, która o tym decyduje, jest miejsce wprowadzenia wody uzupełniającej do wody sieciowej. Jeżeli miejsce to znajduje się wewnątrz jednostki kogeneracji, ciepło to powinno być zaliczane do ciepła użytkowego.
W przypadku jednostki kogeneracji, w której woda uzupełniająca nie jest podgrzewana ciepłem wytworzonym w procesie kogeneracji pobranym z tej jednostki, nie ma znaczenia umiejscowienie instalacji uzupełniania strat wody w sieci ciepłowniczej oraz miejsca wprowadzania wody uzupełniającej do sieci. Umiejscowienie tych elementów wewnątrz jednostek kogeneracji wynika zazwyczaj z miejsc instalacji układów pomiarowych.
Jeżeli do wody uzupełniającej, przed zmieszaniem z wodą sieciową, dostarczane jest ciepło z jednostki kogeneracji wytworzone w procesie kogeneracji, granica bilansowa powinna obejmować wówczas układ technologiczny podgrzewania wody uzupełniającej (np. odgazowywacze wody sieciowej, wymienniki) oraz miejsce wprowadzania wody uzupełniającej do sieci. Umieszczenie tych elementów poza granicami jednostki kogeneracji jest oczywiście możliwe, ale wymaga wprowadzenia odpowiednich zmian także w innych częściach algorytmu obliczeń ilości energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji, co dodatkowo komplikuje obliczenia.
Niespójny z algorytmem obliczeń sposób przeprowadzenia granicy bilansowej skutkuje brakiem poprawności obliczeń. Prawidłowe, świadome pominięcie ciepła na uzupełnianie strat (gdy faktycznie jest niekorzystne dla jednostki kogeneracji) bardzo często może wymagać zmiany przebiegu granicy bilansowej jednostki kogeneracji i może wiązać się z koniecznością zabudowy dodatkowych układów pomiarowych.

Jak prawidłowo uwzględniać to ciepło?
Ciepło użytkowe w wodzie, w tym ciepło na uzupełnianie strat czynnika w wodnych sieciach ciepłowniczych, powinno być wyznaczone zgodnie z zależnością (1). Jeżeli całość lub część ciepła dostarczonego wodzie uzupełniającej jest ciepłem wytworzonym w kogeneracji, musi to zostać uwzględnione w wewnętrznym rozdziale ciepła dostarczonego wodzie sieciowej w jednostce kogeneracji, a w szczególności podczas wyznaczania średniego współczynnika zmiany mocy β . Wynika to z zasady zachowania masy i energii w procesach fizycznych i chemicznych.

Inne problemy związane z rozliczeniem ciepła

Oprócz kwestii podziału ciepła użytkowego w wodzie (w tym wodzie uzupełniającej) na urządzenia, w których ciepło jest jej przekazywane (czyli na wymienniki, odgazowywacze), podczas opracowywania metodyki obliczeń na ogół występuje szereg dodatkowych problemów, przykładowo związanych z:
• podziałem ciepła dostarczonego wodzie uzupełniającej na ciepło wytworzone w kogeneracji i poza procesem kogeneracji (para pobierana z upustów turbin lub para świeża po odpowiedniej redukcji parametrów),
• jednoznacznym wskazaniem źródła ciepła dostarczonego wodzie uzupełniającej,
• określeniem ubytków wody z podziałem na poszczególnych odbiorców ciepła, w tym także ciepła zużywanego na wewnętrzne potrzeby jednostki wytwórczej, jeżeli temperatura wody powrotnej mierzona jest oddzielnie dla każdego z tych odbiorców, określeniem strat czynnika w sieci ciepłowniczej wewnątrz jednostki wytwórczej i wewnątrz jednostki kogeneracji,
• określeniem miejsca przeprowadzenia osłony bilansowej jednostki kogeneracji w przypadku wody uzupełniającej (woda surowa — wodociągowa, woda zastacją uzdatniania wody, woda za zespołem podgrzewania i odgazowywania wody),
• wprowadzaniem (domieszaniem) do wody uzupełniającej wody doprowadzanej z innych wewnętrznych układów znajdujących się w jednostce kogeneracji (odwodnienia, przelewy, instalacja odsolin itp.).

Literatura dostępna na www.
energetyka.e-bmp.pl