[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Zwiększenie efektywności energetycznej i ekonomicznej skojarzonego
wytwarzania ciepła i energii elektrycznej przez zastosowanie zasobnika ciepła
Wojciech KOSTOWSKI , Jacek KALINA, Janusz SKOREK
Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej, Instytut Techniki Cieplnej
44-101 Gliwice, ul. Konarskiego 22
e-mail:wkost@itc.polsl.pl, kalina@itc.polsl.pl, skorek@itc.polsl.pl
W pracy przedstawiono zagadnienia związane z zastosowaniem zasobników ciepła w układach z gazowymi
modułami kogeneracyjnymi. Przedstawiono bilans energii oraz uwarunkowania energetyczne pracy układu z
zasobnikiem ciepła. Zaproponowano metodykę oceny efektywności energetycznej systemu. Przedstawiono
zasady optymalizacji termodynamicznej i ekonomicznej doboru zasobnika. Przeprowadzono przykładową
analizę doboru zasobnika w ramach projektu demonstracyjnego małej elektrociepłowni z silnikiem gazowym.
1. Wprowadzenie
Nowoczesne układy skojarzone małej mocy, budowane na bazie silników tłokowych,
turbin gazowych czy też mikroturbin i ogniw paliwowych dają możliwość instalacji układu
wytwórczego wszędzie tam, gdzie występuje zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną.
Układy takie mogą w szczególności znaleźć zastosowanie do zasilania budynków
(pojedynczych czy też grup) o różnej charakterystyce zmienności poboru nośników energii.
Zwykle o wyborze rozwiązania technicznego układu zasilania obiektu decydują wyniki
analizy ekonomicznej.
Jedną ze specyficznych cech gazowych układów kogeneracyjnych jest jednoczesność
produkcji energii elektrycznej i ciepła. Wytwarzania ciepła nie można tu uniknąć ze względu
na zasady pracy silnika cieplnego czy ogniwa paliwowego, będącego głównym elementem
układu. Ciepło to może być wykorzystane w zasilanym obiekcie jedynie w chwilach, gdy
występuje na nie zapotrzebowanie. W przeciwnym wypadku musi ono zostać rozproszone w
otoczeniu.
W niektórych przypadkach poprawę efektywności energetycznej instalacji można uzyskać
przez zastosowanie akumulacji ciepła w zasobniku. Wymaga to jednak poniesienia
dodatkowych nakładów inwestycyjnych. Stąd też dobór zasobnika ciepła do układu powinien
być przeprowadzony na drodze optymalizacji ze względu na maksymalizację efektu
ekonomicznego. Ograniczeniami będą tu parametry techniczne oraz warunki eksploatacji
zasobnika ciepła. Sposób rozwiązania problemu oraz czynniki wpływające na efektywność
energetyczną i ekonomiczną układów z zasobnikami ciepła przedstawiono w niniejszej pracy.
1. Układy kogeneracyjne z zasobnikami ciepła
W skład typowego układu wytwórczego energii elektrycznej i ciepła, pracującego na
potrzeby określonych odbiorców, wchodzi moduł kogeneracyjny z układem wymienników
ciepła i kotłem odzyskowym, kotły rezerwowo-szczytowe (zwykle gazowe), chłodnica
wentylatorowa, komin i inne, mniej znaczące elementy. Opcjonalnie w układzie może zostać
zainstalowany również zasobnik ciepła. Przykład takiego rozwiązania technologicznego
przedstawiono na rys. 1. Schemat przedstawia obiekt, który poddano szczegółowej analizie w
dalszej części pracy
Rys. 1. Uproszczony schemat układu z gazowym silnikiem tłokowym, kotłami gazowymi i
zasobnikiem ciepła (CHP – moduł kogeneracyjny z silnikiem tłokowym, K1, K2, K3 – kotły,
Z – zasobnik ciepła, CHW – chłodnica wentylatorowa, ECO – ekonomizer (opcjonalny)
Cechą odróżniającą małe i średnie lokalne układy kogeneracyjne od tradycyjnych
elektrociepłowni jest elastyczność przejmowania obciążeń, umożliwiająca regulację mocy
według jednego z poniższych trybów pracy
A. Praca zorientowana na produkcję ciepła
(tzw. Heat Tracking HT)
– moc modułu
regulowana jest według krzywej zapotrzebowania na ciepło, a energia elektryczna jest
produktem ubocznym. Bilans energii elektrycznej zamykany jest poprzez odpowiednio jej
zakup bądź sprzedaż do sieci.
B. Praca zorientowana na produkcję energii elektrycznej
(tzw. Electricity Tracking ET)
–
moc modułu regulowana jest według krzywej zapotrzebowania na energię elektryczną, a
ciepło jest produktem ubocznym. Niedobory ciepła wytwarzane są w kotle, natomiast
nadwyżki ciepła są rozpraszane w otoczeniu przez chłodnice wentylatorowe (chłodzenie
silnika) lub w postaci gorących spalin.
C. Praca modułu bez skojarzenia – moduł wytwarza jedynie energię elektryczną, a ciepło jest
rozpraszane w otoczeniu.
D. Praca modułu pełną mocą bez względu na zapotrzebowanie ciepła i energii elektrycznej
(
tzw. Full Load FL
) – tryb ten jest kombinacją trybów A, B i C. Może tu wystąpić
zarówno zakup jak i sprzedaż energii elektrycznej jak również wytwarzanie ciepła w
kotłach czy też jego rozpraszanie.
E. Układ nie pracuje – zapotrzebowanie na ciepło jest pokrywane przez kotły, a energia
elektryczna jest kupowana z sieci.
F. Tryb ekonomiczny – kombinacja trybów od A do E zapewniająca najlepszą efektywność
ekonomiczną. Wymaga specjalistycznego oprogramowania, pozwalającego na
optymalizację parametrów pracy w czasie rzeczywistym;
G. Praca uwarunkowana podażą paliwa, stosowana w przypadku zasilania gazami
specjalnymi.
W trybach pracy w których okresowo występuje nadmiar ciepła (B, D a także F i G)
celowe jest przeprowadzenie analizy efektów, jakie może dać zastosowanie akumulacji ciepła
w zasobniku. Zastosowanie zasobnika ciepła w pewnym zakresie eliminuje konieczność
rozpraszania nadwyżek ciepła do otoczenia (w zależności od wielkości zasobnika oraz czasu
występowania nadwyżek i niedoborów ciepła). W pewnych wypadkach zasobnik pozwala
również zwiększyć elastyczność układu w przejmowaniu zmiennego obciążenia cieplnego.
Pozwala na pracę kotłów szczytowych w obszarze charakterystyki, zapewniającym
największą sprawność, wpływa na zmniejszenie częstości włączeń i wyłączeń kotłów
szczytowych.
W praktyce istnieje szereg rozwiązań konfiguracji układów kogeneracyjnych z kotłami
szczytowymi i zasobnikami ciepła. Każde z nich charakteryzuje się innym sposobem
połączenia urządzeń i wynikającym z niego sposobem regulacji pracą układu. Do najczęściej
stosowanych systemów należą:
a) równoległe połączenie modułu CHP, kotłów i zasobnika (rys. 1), regulacja ilościowa;
b) równoległe połączenie modułu CHP w zespół z zasobnikiem ciepła oraz szeregowe
połączenie zespołu z kotłami szczytowymi, regulacja ilościowa
c) równoległe połączenie modułu CHP w zespół z zasobnikiem ciepła oraz szeregowe
połączenie zespołu z kotłami szczytowymi, regulacja jakościowa
W przypadkach b) oraz c) zasobnik ciepła włącza się równolegle do modułu
kogeneracyjnego, zaś rozwiązanie technologiczne całego systemu zależy od doboru i
umiejscowienia zaworu trójdrogowego, sprzęgła hydraulicznego lub układu mieszającego.
Przykłady takich rozwiązań przedstawiono na rys. 2 a,b,c.
a)
b)
c)
Rys. 2. Sposoby połączenia równoległego modułu
CHP z kotłami szczytowymi przy regulacji ilościowej
a) przed układem mieszającym i za zaworem
trójdrogowym;
b) przed sprzęgłem hydraulicznym i za zaworem
trójdrogowym;
c) przed sprzęgłem i przed zaworem trójdrogowym.
(CHP – moduł kogeneracyjny, Z – zasobnik, K1, K2 –
kotły)
Do współpracy z małymi układami kogeneracyjnymi stosuje się zasobniki wyporowe
gorącej wody. W zasobniku takim wskutek różnicy gęstości woda zasilająca utrzymuje się
ponad wodą powrotną bez wymieszania, rozdzielona warstwą przejściową, co w znacznym
uproszczeniu przedstawiono na rys. 3. Długotrwały kontakt tych wód powoduje stopniowe
wyrównywanie temperatury toteż zasobniki wyporowe nadają się do wyrównywania obciążeń
dobowych.
Rys. 3. Schemat ideowy zasobnika wyporowego, sposób podłączenia szeregowego
zbiorników.
Ładowanie zasobnika odbywa się przez doprowadzanie wody zasilającej od góry, przy
czym ta sama ilość wody powrotnej opuszcza zbiornik od dołu. Rozładowywanie przebiega w
przeciwnym kierunku. W celu uniknięcia wymieszania wody zasilającej z powrotną podczas
procesów ładowania i rozładowywania wloty do zbiornika są wyposażone w końcówki
zmniejszające prędkość ruchu cieczy do około 0,02 m/s
Ze względu na minimalizację powierzchni kontaktu wody gorącej z powrotną oraz ze
względu na dostępność miejsca zasobniki wyporowe można szeregowo łączyć w baterie (rys.
3).
3. Uwarunkowania energetyczne pracy układu z zasobnikiem
Chwilowy bilans mocy cieplnej układu wytwórczego bez zasobnika ciepła można zapisać
w sposób następujący:
&
∑
CHP
&
∑
n
&
&
&
Q
=
Q
+
Q
−
Q
+
Q
(1)
Z
CHPi
Kj
str
N
=
1
=
1
gdzie: – chwilowe zapotrzebowanie ciepła, – moc cieplna i-tego modułu CHP,
– moc cieplna j-tego kotła, – sumaryczny strumień strat ciepła, – dopuszczalny
niedobór ciepła (w dalszych rozważaniach przyjęto ),
Q
&
Q
&
CHPi
Q
&
Kj
Q
&
str
Q
&
N
=
Oznaczając całkowitą produkcję ciepła w układzie wytwórczym przez oraz
przyjmując, że nie występuje strata ciepła do otoczenia
Q
&
N
0
Q
&
Q
&
str
=
0
, możemy przeanalizować
Q
&
, który jest podstawowym źródłem informacji o
możliwości akumulacji ciepła w układzie. Stanowi on różnicę chwilowej mocy cieplnej
wytwarzanej i chwilowego zapotrzebowania u odbiorców
BIL
Q
&
:
QQQ
& &
BIL P Z
= −
&
.
(2)
Chwilowy bilans mocy cieplnej może być dodatni lub ujemny, co oznacza występowanie
odpowiednio nadwyżki mocy cieplnej
Q
+
&
bądź niedoboru mocy cieplnej
Q
:
&
−
Należy podkreślić, że oprócz zasobnika ciepła pewną zdolność akumulacyjną posiadają
również kotły szczytowe jak również sieć cieplna. Jest to korzystne z punktu widzenia pracy
układu, gdyż dzięki temu zmniejsza się częstotliwość włączeń i wyłączeń urządzeń.
K
n
i
j
Z
chwilowy bilans mocy cieplnej
&
Q
&
dla
Q
&
>
0
&
Q
&
dla
Q
&
<
0
Q
+
=
BIL
BIL
oraz
Q
−
=
BIL
BIL
(3 a,b)
&
0
dla
Q
≤
0
&
0
dla
Q
≥
0
BIL
BIL
Chwilowy bilans (nadmiar bądź niedobór) mocy cieplnej określa status pracy zasobnika.
W czasie występowania nadmiaru ( ) zasobnik jest ładowany, a w czasie niedoboru
( 0 ) – rozładowywany, przy czym procesy te są ograniczone pojemnością zasobnika.
Q
&
+
≠
0
Q
&
−
≠
Analiza pracy zasobnika wymaga znajomości nie tylko chwilowych mocy cieplnych, lecz
także okresowych nadwyżek oraz okresowych niedoborów ciepła. W okresie czasu pomiędzy
chwilami τ
1
i τ
2
nadwyżka i niedobór ciepła wynoszą odpowiednio:
τ
τ
τ
2
τ
2
=
∫
&
τ
τ
=
∫
&
Q Q
+
2
+
d
τ
oraz
Q Q
τ
−
2
−
d
.
(4 a,b)
1
1
τ
τ
1
1
W praktyce, na etapie projektowania, rzadko dostępne są dane dotyczące rzeczywistej
zmienności w czasie chwilowej mocy cieplnej ,. W niektórych przypadkach dostępne są
natomiast dane operacyjne bądź założenia projektowe dotyczące okresowego
zapotrzebowania ciepła w odstępach czasu równych najczęściej
Q
&
Z
∆ = 60 minut (czasem
również 30 lub 15). Dane te można wprowadzić do obliczeń również w postaci modeli
zmienności obciążenia cieplnego
We wzorach (2, 3 a,b) moce cieplne
Q
należy zamienić
na analogiczne ilości ciepła ∆
Q
&
zmierzone w okresie
∆
, lub prowadzić analizę w oparciu o
moce średnie
Q
&
=
Q
∆
(5)
∆
Całki (4 a,b) należy zamienić na odpowiednie sumy. Przykładowo, roczny nadmiar i
niedobór ciepła dla ∆τ = 60 min = 1 h oblicza się następująco:
τ
=
∑
τ
8760 h
∑
Q
+
= ∆
Q
+
oraz
Q
−
= ∆
Q
−
(6 a,b)
R
τ
=
1 h
τ
=
1 h
Przykładowy bilans mocy cieplnej oraz okresowego nadmiaru i niedoboru ciepła
przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Bilans mocy cieplnej
()
BIL
Q
τ
&
, bilans ciepła w jednostkowym czasie ∆Q
BIL
, okresowy
nadmiar ciepła
Q
τ
τ
2
oraz okresowy niedobór
Q
τ
τ
2
1
1
=
8760 h
+
−
[ Pobierz całość w formacie PDF ]