male elektrociepłownie gazowe z zasobnikami ciepła i gazu
advertisement
MALE ELEKTROCIEPŁOWNIE GAZOWE Z ZASOBNIKAMI CIEPŁA I GAZU Część I Układy technologiczne Autor: Dr inŜ. Henryk Wojciechowski, Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej, Wrocław („Instal” – nr 9/2009) 1. Wprowadzenie Zasobniki ciepła technologicznych w ostatnich skojarzonego latach są intensywnie wprowadzane do wytwarzania energii elektrycznej, ciepła i układów chłodu zaopatrujących w ciepło i chłód systemy grzewcze i klimatyzacyjne. Zasobniki ciepła w tych układach umoŜliwiają dostosowanie produkcji energii elektrycznej do potrzeb systemu elektroenergetycznego zapewniając ilościową i jakościową dostawę ciepła czy chłodu dla potrzeb odbiorców. Liberalizacja rynku energii elektrycznej zwiększyła potrzebę elastyczności jednostek pracujących w skojarzeniu dla uzyskania większej ekonomiki zarówno przy zaspokajaniu potrzeb odbiorców ciepła jak i udziału w rynku energii elektrycznej. Wprowadzenie do układu ciepłowniczego bufora (wodnego zasobnika ciepła) pomiędzy źródłem a odbiorem ciepła umoŜliwia dostosowanie pracy układu skojarzonego do potrzeb rynku energii elektrycznej. Krajem, w którym powszechne wykorzystuje się zasobniki ciepła jest Dania. Są to zbiorniki stalowe o pojemności od 50 m3 do 75 000 m3. Największe zasobniki pracują w elektrociepłowniach : w Hjorrning – 35 900 m3, w Esbjerg – 52 400 m3, w Skaerbaek – 27 200 m3, w Studstrup – 32 000 m3, w Fynsvaerket – 75 000 m3 [1,2]. RównieŜ w Polsce wykorzystuje się zasobniki ciepła, zwłaszcza gdy układ skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła współpracuje z zautomatyzowaną siecią cieplną oraz by poprawić efektywność ekonomiczną stosowania turbin i silników gazowych. 2. Techniki magazynowania ciepła i chłodu Stosowane sposoby magazynowania ciepła i chłodu klasyfikowane są następująco [3,4 ] : • magazynowanie aktywne z wykorzystaniem ciepła właściwego ciał (ciepło jawne), • magazynowanie aktywne z wykorzystaniem ciepła przemian fazowych (ciepło utajone), • magazynowanie aktywne wykorzystujące ciepło przemian chemicznych i fotochemicznych • magazynowanie pasywne w elementach konstrukcyjnych budowli Zasobniki na ciepło jawne są nadal najbardziej powszechne. Substancjami akumulującymi ciepło są woda oraz ciała stałe (skały, kamienie , Ŝwir). Woda jest łatwo dostępna (cenowo i ilościowo) i charakteryzuje się duŜą właściwą objętościową pojemnością cieplną wynoszącą 1,16 kWh/(m3 K), właściwa pojemność cieplna skał, kamieni, Ŝwiru, cegły, betonu jest o 50 % niŜsza niŜ wody, zatem wymagana objętość złoŜa tych zasobników musi być znacznie większa od zasobnika wodnego dla tej samej ilości ciepła. Stosowanie wody dla celów chłodniczych w stanie ciekłym ma ograniczenia w jej wykorzystaniu wynikające z niewielkiego moŜliwego przyrostu temperatur czynnika chłodzącego nie przekraczającego w praktyce kilku stopni. Przy przyroście temperatury o 5 oC zdolność akumulacyjna 1m 3 wody wynosi 6 kWh. Praktycznie eliminuje to wodę w tej postaci z zastosowań w chłodnictwie. W chłodnictwie znajduje zastosowanie energia gromadzona lub uwalniana podczas przemian fazowych substancji zachodzących w stałej temperaturze (przy niezmiennym ciśnieniu). Energia absorbowana lub uwalniana podczas tego procesu jest z reguły wielokrotnie większa niŜ energia niezbędna do zmiany temperatury substancji. Ciepło potrzebne do stopienia 1m3 lodu w temperaturze 0 oC wynosi 93 kWh. W magazynach chemicznych wykorzystuje się moŜliwość przechowywania i odzyskiwania ciepła na drodze odwracalnych reakcji endo- i egzotermicznych. Na przykład z 1 m3 NH4Br(s) moŜna uzyskać 1290 kWh ciepła. Zasobniki chemiczne mają moŜliwość gromadzenia ciepła w małych urządzeniach i znajdują zastosowanie w mobilnych zasobnikach ciepła, które moŜna transportować na duŜe odległości [5]. 3. Dobór wielkości zbiornika Cyklem pracy zasobników ciepła znajdujących zastosowanie w systemach ciepłowniczych w sezonie grzewczym jest doba. Oznacza to, iŜ na końcu rozpatrywanej doby w zasobniku ciepła znajdują się takie same ilości ciepła czynnika gorącego i „zimnego” jak na początku doby. Wzrastająca cena gazu ziemnego powoduje, ze elektrociepłownie z turbinami gazowymi i gazowo-parowymi pracują w okresach wysokich stawek taryfowych sprzedaŜy energii elektrycznej w okresie doby. Ciepło wyprodukowane w elektrociepłowni w szczytowych okresach zapotrzebowania na energie elektryczną w systemie elektroenergetycznym magazynuje się w zasobniku w celu zapewnienia wymaganej dostawy ciepła w okresach obniŜenia mocy cieplnej układu ko generacyjnego poza szczytem lub jego odstawień (okresy dolin i weekendy). Dobór wielkości zasobnika w układzie cieplnym przeprowadza się na podstawie analizy programowanej pracy układu cieplnego elektrociepłowni z zasobnikiem ciepła (np. maksymalna moc elektryczna w szczytach obciąŜeń) a potrzebami cieplnymi odbiorców ciepła. Prawidłowo dobrana wielkość zasobnika stanowi bufor umoŜliwiający programowaną produkcje energii elektrycznej i dostarczanie ciepła odbiorcom w wymaganej ilości i jakości [6,7,8,9,10]. Wymiarowanie energetyczne akumulatora jest elementem analizy koszt / efekt, wykorzystującej zarówno wielkości deterministyczne jak i niedeterministyczne. Do pierwszej grupy naleŜy przykładowo wartość inwestycji, a do drugiej – ceny energii elektrycznej i usług na rynku. NaleŜy równieŜ uwzględnić grubość nieuŜytecznej warstwy separacyjnej (strefy przejściowej), która w zbiornikach o stosunku wysokości do średnicy do 1,5 wynosi ok. 1 m [6]. W zbiornikach o stosunku wysokości do średnicy 22/3,5 (zasobniki w Chemnitz, Dresden - Niemcy) grubość warstwy przejściowej wynosi (5 – 10 ) cm [7]. WaŜną rolę odgrywa dobór przyrostu temperatury w zasobniku, gdyŜ bezpośrednio wpływa ona na rozmiary zbiornika. RóŜnice temperatur w zbiornikach atmosferycznych zawierają naogół w przedziale (30 – 40)oC, dla zbiorników ciśnieniowych wartość ta wzrasta do (50-55)oC. Optymalną pojemność cieplną zasobnika współpracującego z układem kogeneracyjnym moŜna określić na podstawie następujących kryteriów : 1. zasobnik ciepła stabilizuje pracę źródła, praca źródła prowadzona jest ze średnią wartością mocy cieplnej w okresie doby. Efektem są mniejsze koszty inwestycyjne (moŜna o (10 – 12) % zainstalować niŜszą moc cieplną w urządzeniach wytwórczych) oraz koszty eksploatacyjne wynikające z moŜliwości pracy źródła ze stałą wysoką sprawnością [9,10], 2. maksymalizacji produkcji energii elektrycznej w okresach szczytowego zapotrzebowania , uwzględnia wpływ struktury taryf dla energii elektrycznej w okresie doby [9,10,11], produkuje się maksymalną moc elektryczną, kiedy cena sprzedaŜy energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym jest wysoka. W okresach, gdy cena energii elektrycznej jest niska (weekendy i pora nocna) układy kogeneracyjne pracują ze zmniejszoną mocą elektryczną lub są zatrzymane. W weekendowym trybie pracy zasobnika ciepła w elektrociepłowni komunalnej wyróŜnia się dobowy cykl pracy w poniedziałki, wtorki i środy, natomiast w czwartki i piątki produkuje się taka ilość ciepła (gorącej wody) wystarczająca do pokrycia potrzeb cieplnych w okresie weekendu (piątek 24.00 – poniedziałek 6.00) [12]. Jeśli średnie zapotrzebowanie mocy cieplnej w okresie weekendu w sezonie grzewczym wynosi np. 70 MW i magazynowanie ciepła następuje przy róŜnicy temperatur 45 K to wymagana pojemność netto zbiornika powinna wynosić 74 430 m3. Jest to ogromna pojemność i z tego względu „weekendową” eksploatację zasobników ciepła realizuje się poza sezonem grzewczym (w okresie letnim). Przy średnim zapotrzebowaniu mocy cieplnej do przygotowywania ciepłej wody uŜytkowej 20 MW, wymagana objętość zasobnika wynosi 21 000 m3 (przyrost temperatury w zasobniku 45 K). 4. Funkcja wodnego akumulatora ciepła Akumulator ciepła (zasobnik ciepła) jest wykorzystywany dla krótkoterminowego magazynowania energii z wykorzystaniem wody jako nośnika ciepła. Wagowa zawartość wody w zbiorniku pozostaje stała, niezaleŜnie od wartości zgromadzonej w niej energii. Ładowanie akumulatora (rys.1) następuje przez doprowadzenie ciepłej wody do górnej części zbiornika przy jednoczesnym odprowadzaniu takich samych ilości wody zimnej z dolnej części zbiornika. Rozładowanie akumulatora (rys.2) polega na odprowadzaniu wody gorącej z górnej części zbiornika wodnego i jednoczesnym doprowadzeniu wody zimnej do dolnej części zbiornika. Aby w pełni wykorzystać objętość zbiornika utrzymuje się w nim grawitacyjną separację ciepłej i zimnej wody tzw. stratyfikację termiczną z termokliną. W zbiorniku o objętości wewnętrznej VB moŜna zmagazynować ciepło, którego wartość moŜna obliczyć z zaleŜności [9,10] : strefa przejściowa wysokość zbiornika woda z rurociągu zasilającego sieć cieplną t1 t2 do rurociągu wody powrotnej sieci cieplnej t2 t1 temperatura t2 t1 temperatura t1 strefa przejściowa wysokość zbiornika woda do rurociągu zasilającego sieć cieplną Rys.1. Ładowanie zasobnika ciepła t2 woda z rurociągu powrotnego sieci cieplnej Rys.2. Rozładowanie zasobnika ciepła Q max = V B ( ρ 1 c1t1 − ρ 2 c 2 t 2 ), (1) gdzie: VB - objętość wewnętrzna zbiornika, t1 - temperatura wody w górnej części zbiornika, t2 - temperatura wody w dolnej części zbiornika, c1 - ciepło właściwe wody o temperaturze t1, c2 - ciepło właściwe wody o temperaturze t2, ρ1 - gęstość wody o temperaturze t1, ρ2 - gęstość wody o temperaturze t2. Jednostkowa zdolność magazynowania ciepła w 1 m3 gorącej wodzie moŜna obliczyć z zaleŜności q = ρ1 c1 t1 – ρ2 c2 t2 (2) Jednostkową zdolność magazynowania ciepła w 1 m3 wody w funkcji róŜnicy temperatur w górnej i dolnej części zbiornika przedstawiono na rys.3. jednostkowa zdolność magazynowania w MJ/m3 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 przyrost temperatury wody w zasobniku w K Rys.3. Jednostkowa zdolność magazynowania ciepła w zasobniku wodnym Przy ładowaniu zbiornika z idealną stratyfikacją termiczną w postaci termokliny o temperaturze górnej strefy t1, dolnej- t2 (rys.1, rys.2) magazynowane w czasie ciepło moŜna obliczyć z zaleŜności Q str = m ∗ (c1t1 − c 2 t 2 ) τ , (3) w której : m∗ - masowe natęŜenie przepływu wody w rurociągu zasilającym zbiornik, τ - okres ładowania. Okres ładowania zbiornika τ zawiera się w zakresie: 0≤ τ ≤ (4) M m∗ w którym : M = VB ρ1 . (5) gdzie : M – masa wody w zbiorniku o objętości VB. Zbiornik z pełnym zmieszaniem warstw wody (bez stratyfikacji termicznej) moŜe zmagazynować w Qmix tym samym okresie ciepło m∗ , = m (c1t1 − c2t2 ) 1 − exp − τ M ∗ [8] (6) a stopień wykorzystania objętości zasobnika ciepła (stopień naładowania zasobnika) Qmix m∗ . = 1 − exp − τ Qmax M (7) Porównanie stopnia wykorzystania objętości zbiornika zasobnika ciepła z pełną stratyfikacją i z pełnym mieszaniem w funkcji bezwymiarowego czasu przedstawiono na rys.4. Stratyfikacja termiczna w zbiorniku zaleŜy głównie od objętości i kształtu zbiornika, lokalizacji króćców wlotowych (dyfuzorów) i wylotowych (konfuzorów) oraz sposobu rozprowadzania wchodzącej do zbiornika wody, a takŜe od właściwego rozmieszczenia wewnątrz zbiornika elementów potencjalnie zaburzających stratyfikację. W prawidłowo zaprojektowanej i eksploatowanej instalacji stratyfikacja w zbiorniku wytwarza się samorzutnie i jej brak świadczy o niewłaściwej konstrukcji zbiornika lub źle dobranych parametrach eksploatacyjnych. Wykorzystanie objętości zbiornika do magazynowania ciepła zmniejsza się prawie o 40 % przy pełnym zmieszaniu zawartości wody w zbiorniku. stopień naładowania 1,2 z termokliną 1 pełne mieszanie 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 względny okres ładowania Rys.4. Stopień wykorzystania objętości zasobnika ciepła z stratyfikacją termiczną w odniesieniu do zbiornika z pełnym zmieszaniem zawartości [9]. Uproszczone układy cieplne z zasobnikiem atmosferycznym przedstawiono na rys.5, a z zasobnikiem ciśnieniowym wyporowym na rys.6 [3,4]. 5. Elektrownie i elektrociepłownie gazowe Na rys. 7 przedstawiono turbozespół gazowy do produkcji energii elektrycznej, jego sprawność wytwarzania energii elektrycznej wynosi (26 – 28) %. Dla poprawienia sprawności wytwarzania energii elektrycznej do układu wprowadza się odzysk ciepła ze spalin do podgrzewania powietrza wlotowego do komory spalania (rys.8) i sprawność układu wzrasta do (32 – 34) %. Ze względu na wysoką cenę gazu ( powoduje niekorzystną relację kosztu wytwarzania jednostki energii elektrycznej do kosztu tej jednostki energii zawartej w gazie) gazowe układy stosuje się do wytwarzania mocy regulacyjnej w systemie elektroenergetycznym. Otrzymuje się wówczas dodatkowe środki finansowe za gotowość do produkcji mocy elektrycznej, co poprawia efektywność ekonomiczną tych układów. Szczytowa (czy regulacyjna) praca układu wymaga zamówienia odpowiedniej „mocy w gazie” i wykorzystywana jest tylko w części doby. Praca szczytowa turbozespołu gazowego zasobnik ciepła turbina gazowa odbiory ciepła G kocioł odzyskowy pompa sieciowa pompa obiegowa Rys.5. Atmosferyczny zbiornik wody zasobnikiem ciepła (akumulatorem ciepła) w systemie ciepłowniczym zasobnik ciepła turbina gazowa odbiory ciepła sieć cieplna G kocioł odzyskowy stabilizator ciśnienia pompy wody sieciowej Rys.6. Ciśnieniowy zbiornik wody zasobnikiem ciepła (akumulatorem ciepła) w systemie ciepłowniczym. Włączony równolegle do źródła ciepła K S TG G KG Rys.7. Uproszczony schemat turbozespołu gazowego szczytowego S- sprężarka, K - komora spalania turbiny gazowej , TG – turbina gazowa, KG – komin ”gorący”, G– generator elektryczny gaz ziemny KG R S KS TG G Rys.8. Uproszczony schemat turbozespołu gazowego szczytowego z regeneracją ciepła S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej , TG – turbina gazowa, R – wymiennik regeneracyjny ciepła, KG – komin ”gorący”, G– generator elektryczny SR KS Zasobnik gazu ziemnego S TG G KG Rys.9. Uproszczony schemat bloku gazowego szczytowego z zasobnikiem gazu S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej , TG – turbina gazowa , KG – komin ”gorący”, G– generator elektryczny w części gazowej, SR – stacja redukcyjna ciśnienia gazu, Moc w gazie w m3/h 15 190 8.00 11.00 21.00 szczyt poranny 16.00 szczyt Rys.10. Przykład przebiegu zapotrzebowania mocy w gazie w okresie doby powoduje zamawianie duŜej wartości mocy w gazie (m3/h) w okresach szczytowych produkcji energii elektrycznej, wprowadzenie do układu zasobnika gazu współpracującego z szczytowym turbozespołem gazowym (rys.9) umoŜliwia zamawianie znacznej mniejszej mocy w gazie, a tym samym mniejszej opłaty za zamawianą moc w gazie. Dobór wielkości zasobnika gazu dokonuje się na podstawie poboru „ mocy gazu” przez turbozespół gazowy w okresie doby. PoniŜej przedstawiono w uproszczonej formie obliczenie jego wielkość dla turbozespołu gazowego o mocy elektrycznej 52,7 MW. Przebieg zapotrzebowania mocy cieplnej w gazie przedstawiono na rys. 10. Wykorzystując zasobnik gazu moŜna zamiast 15000 m3/h zamawiać 5000 m3/h Jaka powinna być objętość zasobnika gazu ? Masa magazynowanego gazu ziemnego GZ 50 w tym przykładzie wynosi 15 000 5000 = 80 000 m3, co przy gęstość metanu 8 –8 16/22,4 = 0,655 kg/m3, masa metanu do zmagazynowania - 52 400 kg. Do dalszych obliczeń objętości zasobnika gazu GZ50 przyjęto 12 % rezerwę i masa zmagazynowanego gazu G = 60 000 kg. Z równania Clapeyrona V = R T1 G/(p2 - p1) (8) gdzie : stała gazowa metanu R = 519, 7 J/(kg K), temperatura gazu w rurociągu 20 oC , T1 = 293 K róŜnica ciśnień w rurociągu zasilającym i na wlocie do turbiny ( p2 - p1) w Pa. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 1, a ich graficzny obraz na rys.11. Tabela 1. Objętość zasobnika gazu do wyrównywania zapotrzebowania na moc w gazie w zaleŜności od róŜnicy ciśnień w rurociągu zasilającym i komorze spalania turbiny gazowej RóŜnica ciśnień w MPa 1 2 3 4 5 6 Objętość zbiornika w m3 9 136 4 568 3 045 2284 1872 1522 10000 pojemność zasobnika w m 3 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 2 3 4 5 6 róznica ciśnień w MPa Rys.11. Wymagana objętość zbiornika gazu w funkcji róŜnicy ciśnień rurociąg zasilający – komora spalania turbiny gazowej Przy róŜnicy ciśnienia w rurociągu zasilającym i w komorze spalania 6 MPa wymagana objętość zbiornika wynosi ok. 1500 m3 co przy jednostkowym koszcie zbiornika 1000 zł/m3 całkowity koszt zbiornika wyniesie 1 500 000 zł. Roczne korzyści z tytułu obniŜenia wartości zamawianej mocy w gazie wyniosą (opłatę za moc w gazie zaczerpnięto z taryfy PSG) (15 000 – 5 000 ) m3/h 0,0158 zł/(m3/h )/h) 4000 h/a = 632 000 zł/a, co stanowi, Ŝe prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych na budowę zbiornika wynosi 2,5 lat. JeŜeli w lokalizacji elektrowni gazowej istnieje zapotrzebowanie na ciepło, to moŜna wykorzystać ciepło zawarte w spalinach wylotowych z turbiny gazowej w kotle odzyskowym (rys. 12). Wprowadzenie do układy turbozespołu gazowego pracującego szczytowo zasobnika ciepła powoduje, Ŝe wytwarzana energia elektryczna produkowana będzie w skojarzeniu, co dodatkowo promuje wytwarzaną energie elektryczną „Ŝółtymi świadectwami pochodzenia”, których wartość na Towarowej Giełdzie Energii osiąga wartość 128 zł/MWh. By równieŜ KS S TG G KG Zasobnik ciepła KO OC KZ Rys.12. Uproszczony schemat turbozespołu gazowego szczytowego z zasobnikiem ciepła S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej , TG – turbina gazowa , KG – komin ”gorący”, KZ – komin „zimny”, KO – kocioł odzyskowy, G– generator elektryczny w części gazowej, OC – odbiór ciepła SR KS S Zasobnik gazu ziemnego TG G KG KO Zasobnik ciepła OC KZ Rys.13. Uproszczony schemat turbozespołu gazowego szczytowego z zasobnikami : gazu i ciepła S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej , TG – turbina gazowa , KG – komin ”gorący”, KZ – komin „zimny”, KO – kocioł odzyskowy, G– generator elektryczny w części gazowej, SR – stacja redukcyjna ciśnienia gazu, OC – odbiór ciepła obniŜyć wartość zamawianej mocy w gazie do układu moŜna wprowadzić zasobnik gazu (rys.13). Energia elektryczna w elektrociepłowni gazowo-parowej (rys.14) wytwarzana jest w tak zwanej „kogeneracji o wysokiej sprawności” (> 80 %) i cała jej wartość jest promowana „Ŝółtymi certyfikatami”. MoŜliwa jest równieŜ dalsza modyfikacja układów gazowoparowych w tzw. układach kombinowanych (rys.15, rys.16). Budowa układów wynika z warunków na rynkach energii elektrycznej i ciepła, oferujących za dostawę usług określone świadczenia, co przy duŜych czasach wykorzystania mocy zainstalowanej czyni, Ŝe układy technologiczne wykorzystujące gaz stają się efektywne ekonomicznie. Sprawność wytwarzania szczytowej energii elektrycznej w elektrociepłowniach współpracujących z zasobnikami ciepła jest taka sama jak sprawność jak układów technologicznych bez akumulacji ciepła [3,4]. W elektrociepłowniach gazowych współpracujących z zasobnikami ciepła dobowe zuŜycie energii chemicznej paliwa w okresie doby jest praktycznie takie same jak bez zasobnika. Zasobnik ciepła umoŜliwia produkcję elektrycznej mocy szczytowej. 6. Podstawowe tryby pracy układów technologicznych wytwarzających energię elektryczną i ciepło W praktyce moŜna wyróŜnić dwa podstawowe tryby pracy układów technologicznych wytwarzających energię elektryczną i ciepło: • praca układu zorientowana na pokrycie zapotrzebowania na ciepło, układ technologiczny pracuje według krzywej zapotrzebowania na ciepło, niedobory ciepła pokrywane są przez urządzenia szczytowe. Produkcja ciepła w źródle jest mniejsza lub równa zapotrzebowaniu a energia elektryczna jest generowana do sieci bądź z niej kupowana. • praca układu zorientowana na pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną, układ technologiczny pracuje według krzywej zapotrzebowania na energię elektryczną a niedobory ciepła generowane są z kotłów szczytowych a w przypadku wyposaŜenia układu w zasobnik ciepła z zasobnika. Występujące nadwyŜki ciepła nie są rozpraszane do otoczenia a mogą być magazynowane w zasobniku gaz ziemny GZ 50 KS TP S WP TG G1 NP G2 KG KO KZ WPC WPS OC Rys.14. Uproszczony schemat bloku gazowo-parowego S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej , TG – turbina gazowa , KG – komin ”gorący”, KZ – komin „zimny”, KO – kocioł odzyskowy dwuciśnieniowy, TP –turbina parowa, WP – cześć wysokoprężna turbiny parowej , NP. – część niskoprężna turbiny parowej , G1– generator elektryczny w części gazowej, G2 – generator elektryczny w części parowej, WPC – wymiennik podstawowy ciepłowniczy, WPS – wymiennik ciepłowniczy szczytowy, OC – odbiór ciepła gaz ziemny GZ 50 SR KS KS S TP S WP TG G1 Zasobnik gazu ziemnego TG G NP G2 KG KG KO WPC WPS KZ OC Rys.15. Uproszczony schemat bloku kombinowanego : blok gazowo-parowy, turbozespół gazowy szczytowy z zasobnikiem gazu S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej , SR – stacja redukcyjna ciśnienia gazu, TG – turbina gazowa , KG – komin ”gorący”, KO – kocioł odzyskowy dwuciśnieniowy, TP –turbina parowa, WP – cześć wysokoprężna turbiny parowej , NP. – część niskoprężna turbiny parowej , G1– generator elektryczny w części gazowej, G2 – generator elektryczny w części parowej, G – generator w części szczytowej, WPC – wymiennik podstawowy ciepłowniczy, WPS – wymiennik ciepłowniczy szczytowy, OC – odbiór ciepła SR gaz ziemny GZ 50 KS KS S TP S WP TG G1 Zasobnik gazu ziemnego TG G NP G2 KG KG KO KO WPC WPS Zasobnik ciepła KZ KZ OC Rys.16. Uproszczony schemat bloku kombinowanego : blok gazowo-parowy, turbozespół gazowy szczytowy z zasobnikami gazu i ciepła S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej , SR – stacja redukcyjna ciśnienia gazu, TG – turbina gazowa , KG – komin ”gorący”, KZ – komin „zimny”, KO – kocioł odzyskowy dwuciśnieniowy, TP –turbina parowa, WP – cześć wysokoprężna turbiny parowej , NP. – część niskoprężna turbiny parowej , G1– generator elektryczny w części gazowej, G2 – generator elektryczny w części parowej, G – generator w części szczytowej, WPC – wymiennik podstawowy ciepłowniczy, WPS – wymiennik ciepłowniczy szczytowy, OC – odbiór ciepła 7. Opcje eksploatacyjne akumulatora ciepła W układach zorientowanych na pokrycie zapotrzebowania na ciepło odpowiednio dobrana wielkość zasobnika ciepła umoŜliwia pracę układu w okresie doby ze stałą wartością mocy cieplnej (średnią dobową mocą cieplną) (rys.17). Praca układu przy średniej dobowej mocy cieplnej charakteryzuje się stałą wartością sprawności. ZuŜycie paliwa pierwotnego w układach z zasobnikiem ciepła i bez zasobnika róŜni się nieznacznie i czyni, ze nie opłacalne względna moc cieplna jest stosowanie w nich zasobników ciepła. moc cieplna wytwarzana w układzie technologicznym z zasobnikiem ciepła 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 zapotrzebowanie mocy cieplnej 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 godzina Rys.17. Zasobnik ciepła w układzie wytwórczym zorientowanym na pokrycie zapotrzebowania na ciepło Na rys.18 przedstawiono pracę układu z turbiną gazową zorientowaną na pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną w szczytach obciąŜenia elektrycznego. W tych układach wytwarzana moc elektryczna jest skorelowana z mocą cieplną i w odpowiedniej skali mają podobne przebiegi. względna moc maksymalna produkcja energii elektrycznej w szczytach obciąŜeń elektrycznych 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 moc elektryczna zapotrzebowanie mocy cieplnej moc cieplna w źródle z turbiną gazową 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 godzina Rys.18. Praca elektrociepłowni z turbiną gazową, kotłem odzyskowym i zasobnikiem ciepła W elektrociepłowniach z turbinami gazowym wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej moŜe być realizowane jedynie przy stałej wartości współczynnika skojarzenia, co jest niekorzystne z punktu widzenia wykorzystania moŜliwości udziału w rynku energii elektrycznej. Podstawowymi funkcjami akumulatora są wówczas: - dostarczanie ciepła odbiorcom o zmiennym zapotrzebowaniu dla umoŜliwienia jednostce kogeneracyjnej maksymalnej produkcji energii elektrycznej w okresach maksymalnych cen; jest to szczególnie waŜne w sieciach o taryfach zróŜnicowanych w strefach czasowych; - umoŜliwienie jednostce kogeneracyjnej produkcji energii elektrycznej aŜ do pełnego naładowania akumulatora ciepła w okresach deficytu mocy elektrycznej w systemie elektroenergetycznym - akumulator ciepła moŜe ograniczyć (częściowo lub całkowicie) straty w przychodach gdy wytwarzanie energii elektrycznej następuje po kosztach wyŜszych niŜ cena sprzedaŜy dla źródeł skojarzonych utrzymywanych w pracy wyłącznie dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło; - akumulatory o duŜej pojemności cieplnej mogą umoŜliwić całkowite wyłączenie jednostek wytwórczych w okresach weekendowych, gdy ceny energii elektrycznej są najniŜsze; - akumulacja moŜe kompensować dzienne wahania obciąŜenia cieplnego, redukując przez to częstotliwość uruchomień i zatrzymań jednostek oraz ograniczając wykorzystanie droŜszych źródeł ciepła w okresach szczytowego zapotrzebowania; - w szczególności ograniczyć moŜna wartość cieplnej mocy zainstalowanej (wyznaczanej dla „najzimniejszego dnia”) przy zastosowaniu odpowiednio dobranego akumulatora (akumulator ciepła moŜe być wykorzystany jako urządzenie do pokrywania szczytowego zapotrzebowania ciepła (rys.19) [10]) - moŜliwość wyeliminowania pracy kotłów szczytowych w okresach przejściowych, - zbiornik atmosferycznego akumulatora ciepła moŜe zapewniać ciśnienie statyczne w lokalnej sieci cieplnej i słuŜyć jako zbiornik wyrównawczy. - moŜliwość wyeliminowania pracy turbozespołu gazowego na tzw. „goracy komin” w okresie letnim. Analiza celowości zastosowania akumulatorów – zasobników ciepła wymaga rozwaŜenia aspektów funkcjonowania kogeneracji zarówno na rynku ciepła jak i energii elektrycznej. Przy właścicielskim rozdzieleniu źródeł i sieci cieplnej istotna jest jakość współpracy spółek wytwórczych i dystrybucyjnych w ustalaniu struktury kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych oraz podziału korzyści, wynikających z akumulacji ciepła. Ciepło z urządzeń szczytowych (kotłów wodnych) Ciepło z zasobnika ciepła moc cieplna z kotła odzyskowego(turbin gazowych) Ciepło wytwarzane w skojarzeniu Rys.19. Przykład rocznego uporządkowanego wykres zapotrzebowania mocy cieplnej z podaną realizacją jego pokrycia 8. Tendencje rozwojowe W ostatnim dwudziestoleciu podjęto liczne prace badawcze i rozwojowe, ukierunkowane na efektywność kosztową zasobników ciepła. Prace te objęły równieŜ rozwiązania alternatywne: magazynowanie ciepła w otwartych zbiornikach wody, skałach czy gruncie. Problemem okazało się utrzymywanie parametrów jakościowych wody, akceptowalnych w sieci grzewczej. Wykonano równieŜ badania studialne moŜliwości sezonowej akumulacji ciepła. Ogólny wniosek jest negatywny: uzyskiwane oszczędności nie uzasadniają podjęcia inwestycji. Czynnikiem pobudzającym rozwój układów akumulacji ciepła jest rozwój mechanizmów rynku i znaczne wahania cen energii elektrycznej. Przyrost dochodów ze sprzedaŜy energii elektrycznej w elektrociepłowni przy zastosowaniu akumulacji ciepła w odniesieniu do układu bez jej stosowania wynosi (4,5 – 7,0) % [13]. Wykorzystanie akumulacji ciepła w elektrociepłowni zmniejsza o (10 – 12) % projektowaną moc cieplną istniejącego źródła lub o tyle samo zwiększyć moc cieplną źródła istniejącego [9,10,13]. Istotny jest równieŜ postęp w konstrukcji tańszych rozwiązań technicznych oraz moŜliwości adaptacji wycofywanych z uŜytku zbiorników ropy i produktów ropopochodnych. 9. Wnioski • Czynnikiem pobudzającym rozwój układów akumulacji ciepła w elektrociepłowniach jest rozwój mechanizmów rynku i znaczne wahania cen energii elektrycznej w okresie doby, • Akumulacja ciepła w elektrociepłowniach daje moŜliwość zwiększenia efektywności wytwarzania poprzez : - zmniejszenie nierównomierności obciąŜeń bloków ciepłowniczych i kotłów wodnych, - zwiększenie elastyczności pracy elektrociepłowni, - wzrost produkcji energii elektrycznej w szczytowych okresach zapotrzebowania energii elektrycznej, - moŜliwość wyeliminowania pracy kotłów szczytowych w okresach rzejściowych, - zbiornik akumulatora ciepła moŜe zapewniać ciśnienie statyczne w lokalnej sieci cieplnej i słuŜyć jako zbiornik wyrównawczy, • akumulacja ciepła w elektrociepłowniach zmniejsza projektowaną moc cieplną planowanego źródła w stosunku do zapotrzebowania lub o tyle samo zwiększa moc cieplną źródła istniejącego, • w doborze wielkości zasobnika w danym układzie technologicznym naleŜy kierować się kryteriami ekonomicznym, a optymalizacja termodynamiczna ma jedynie charakter informacyjny. Literatura [1] www.elsamprojekt.com.pl [2] Danish Board of District Heating. News from DBDH. Energy & Environment. Journal number 1/2004 [3] Wojciechowski H.: Zasobniki ciepła w skojarzonych układach wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Instal (Warszawa). 2007 nr 5, s. 34-40 [4] Wojciechowski H.: Zasobniki ciepła jako środek poprawy efektywności układów technologicznych. W: Ciepłownictwo 2007. Prawo - zarządzanie - ekonomia. IV Międzynarodowa Konferencja. [Izba Gospodarcza Ciepłownictwo Polskie], Wrocław, 28 lutego-2 marca 2007. s. 109-118 [5] Wołoszyn M., A., Wykorzystanie energii słonecznej w budownictwie jednorodzinnym.COIB, Warszawa,1991 [6] Malko J., Wojciechowski H., Zasobniki ciepła jako narzędzie do efektywnego wykorzystania układów kogeneracyjnych na rynku energii elektrycznej i ciepła. Informacja INSTAL nr 3, 2005, s.44 [7] Munser H., Wojciechowski H., Wodne wyporowe zasobniki ciepła w systemie energetycznym. Gospodarka Paliwami i Energią nr 9/1991, s. [8] Wojciechowski H., Wärmespeicher in Anlagen mit regenerativer Energiequellenausnutzung. VII Internationales Symposium : Wärmeaustausch und erneubare Energiequellen. Szczecin – Świnoujście 7 – 9 września 1998 [9] Wojciechowski H., Zasobniki ciepła w systemach grzewczych : marzenie czy konieczność ?. Informacja INSTAL nr 10 , 1996, s.4 [10] Wojciechowski H., Magazynowanie ciepła. Ogólnopolskie Forum „Mała Energetyka 97”. Zakopane – Kościelisko, 18 – 20 września 1997 [11] Skorek J., Kalina J., Gazowe układy ko generacyjne. WNT, Warszawa 2005 [12] Zuwała J., Tryb weekendowy pracy zasobnika ciepła w elektrociepłowni komunalnej – analiza energetyczna. Archiwum Energetyki. Tom XXXIV (2005), nr 1, 105 – 119 [13] Lichota J., M., Czy akumulacja ciepła w sieci ciepłowniczej jest opłacalna. Rynek Energii, nr 5(42), 2002, s.36 SMALL – SCALE GAS FUELLED CHP WITH THERMAL AND GAS STORAGE DEVICES Part I In the first part of the paper proposals of some technological solutions of hybrid thermodynamical processes are presented from points of view technical possibilities and existing and proposed regulations of energy services markets. This approch will enable to identify the best available technologies for energy storage in form of two energy carriers : heat and gas. Second part of presentation will be focused on the economical efficiency of the solutions Combining ideas of CHP, CCGT and energy storage arrangements. Streszczenie W pierwszej części artykułu przedstawione są rozwiązania technologiczne hybrydowych procesów termodynamicznych z punktu widzenia moŜliwości technicznych oraz istniejących i przewidywanych regulacji na rynkach usług energetycznych. Takie podejście umoŜliwi zidentyfikowanie najlepszych dostępnych technologii uwzględniających magazynowanie energii w postaci dwóch jej nośników : ciepła i gazu. W drugiej części artykułu będzie zwrócona uwaga na efektywność ekonomiczną układów łączących cechy kogeneracji, rozwiązań gazowo-parowych oraz układów magazynowania energii.
