środa, marzec 20, 2019

    Najnowsze wydanie


 PI 9_10/2018
Okładka 9 10

 

Nowe regulatory wzorowane na turbinach wodnych – odzysk energii mechanicznej z wody sieciowej

Turbiny rys. 3aPrezentujemy nowy sposób regulacji hydraulicznej sieci ciepłowniczych przy użyciu turbinowych regulatorów ciśnienia (TRC). Pozwalają one na odzysk energii mechanicznej wody sieciowej i wytworzenie energii elektrycznej, którą można wykorzystać, np. do zasilania pomp obiegowych w wymiennikowni ciepła, lub odprowadzić do sieci. To polski wynalazek, opatentowany w 2016 roku pod numerem 223602.

 

 

 

Prace badawcze nad zastosowaniem nowego sposobu regulacji sieci ciepłowniczej, opisanego w patencie jako „System Dystrybucji Cieczy lub Gazu”, prowadzi MPEC Kraków. Metoda ta polega na zastąpieniu tradycyjnych zaworów i klap regulacyjnych – turbinowymi regulatorami ciśnienia (TRC), regulującymi spadek ciśnienia i przepływ czynnika grzewczego węzła ciepłowniczego. Tym samym zmianę ciśnienia zasilania węzła osiąga się nie za pomocą dławienia zaworem, tylko za pośrednictwem turbiny (TRC).
Turbinowy regulator ciśnienia wzorowany jest na turbinach wodnych stosowanych w energetyce, ale – co istotne – ma znacznie mniejsze gabaryty. Wytworzona z jego udziałem energia elektryczna może zasilać pompy obiegowe w wymiennikowni ciepła lub być odprowadzona do sieci energetycznej (rys. 1, 2). Być może będzie mógł przejąć także funkcję zaworu pogodowego, co pozwoli zastąpić wszystkie wymienione zawory jednym urządzeniem. Być może wynalazek uda się także wykorzystać w innych zastosowaniach, ale po kolei…

Turbiny rys. 1
1. Schemat sieci ciepłowniczej z zastosowaniem TRC

W prototypowym układzie badanym przez MPEC Kraków zastosowano jeszcze jedno nietypowe rozwiązanie. Regulacja przepływu czynnika grzewczego odbywa się przez zmianę momentu siły na wale generatora. Moment siły regulowany jest natężeniem prądu stałego, który uzyskuje się z prostownika. Tym samym turbina zwiększa lub zmniejsza swoją prędkość obrotową, wpływając na zmianę oporu hydraulicznego czynnika grzewczego przepływającego przez turbinę.

Turbiny rys. 2
2. Schemat zamiany energii mechanicznej wody sieciowej w systemie ciepłowniczym na prąd elektryczny oddawany do sieci elektroenergetycznej

 

Prototypowe stanowisko do badań

Turbiny rys. 3
3. Turbinowy reduktor ciśnienia współpracujący z regulatorem pogodowym – prototypowy układ wykonany przez MPEC Kraków w 2015 r., o przepływie 20 T/h i sprawności 53%
Jak powstało prototypowe stanowisko do badań działania TRC w systemie ciepłowniczym MPEC Kraków? – Otóż w 2015 r. zmodernizowano węzeł ciepłowniczy o mocy 1,8 MW, wyposażając go w TRC na przewodzie zasilającym (rys. 3). Węzeł wyposażono dodatkowo w elektroniczny układ do modyfikacji pozyskanego prądu z generatora na prąd o parametrach umożliwiających przesłanie go do sieci energetycznej. Zainstalowano również układy sterowania pracą generatora pozwalające na regulację hydrauliczną węzła ciepłowniczego przy współpracy z istniejącym zaworem pogodowym. Ponadto, we współpracy z Politechniką Krakowską oraz Fabryką Pomp Hydro-Vacuum z Grudziądza, MPEC Kraków zbudował stanowisko, na którym można testować w ruchu ciągłym proces pozyskiwania energii mechanicznej z wody sieciowej i zamianę jej na prąd elektryczny. Umożliwiło to wykonanie badań w sezonie grzewczym 2015/2016 polegających na redukcji ciśnienia we wspomnianym węźle ciepłowniczym przez TRC. Badania miały potwierdzić i sprawdzić praktyczne zastosowanie metody regulacji sieci ciepłowniczej przez odzysk energii mechanicznej i zamianę jej na energię elektryczną.

Na rys. 4 przedstawiony jest schemat technologiczny układu z zaznaczonymi punktami pomiarowymi (zrzut z ekranu pomiarów telemetrycznych dokonywanych w czasie rzeczywistym).

Turbiny rys. 4

4. Zrzut z ekranu pomiarów telemetrycznych dokonywanych w czasie rzeczywistym na stanowisku badawczym; widoczny jest schemat technologiczny układu z TRC z zaznaczonymi punktami pomiarowymi

Eksperyment z TRC: obliczenia i pomiary pracy

Założeniem eksperymentu było wykorzystanie turbiny wodnej (TRC) pracującej na sieci ciepłowniczej jako regulatora ciśnienia. Dostawa ciepła z sieci była realizowana zgodnie ze standardami zawartymi w umowie sprzedaży. Wyjściowe dane projektowe dotyczące wy- miennikowni ciepła przy ul. Chałupnika 49 w Krakowie:

  • moc Q = 1,8 MW;
  • przepływ nominalny G = 22 Mg/h;
  • ciśnienie dyspozycyjne Δp = 7 bar.

Przy uwzględnieniu powyższych parametrów dobrano turbinę:

  • przepływ nominalny Q = 22 Mg/h;
  • spadek nom. ciśnienia na turbinie Δp = 5 bar.

Parametry pracy i sprawność. Dla ilościowo-jakościowej regulacji sieci ciepłowniczej przepływ wody sieciowej przez wymiennikownię ciepła jest zmienny. W tabeli 1 przedstawiono charakterystyczne parametry zmierzone w trakcie trwania eksperymentu, w tym ilość energii elektrycznej oddanej do sieci oraz sprawność turbiny i wymiennikowni.
W wyniku badań wykazano, że dla przepływu nominalnego Gn = 22 Mg/h rzeczywiste parametry pracy turbiny były bliskie obliczeniom teoretycznym, tj:

  • spadek ciśnienia na turbinie Δpturbina = 5,28 bar do doboru turbiny przyjęto 5,0 bar);
  • sprawność turbiny ηtur = 51%;
  • sprawność całej wymiennikowni wraz z zaworem pogodowym ηwym = 47%.

Oznacza to, że w punkcie pracy osiągnięto projektowane założenia w zakresie sprawności około 50%. Maksymalną sprawność turbiny, wynoszącą 61%, uzyskano dla przepływu 25 Mg/h).

Tabela 1. Charakterystyczne parametry pracy turbiny w okresie od 21.12.2015 r. do 20.05.2016 r.
Turbiny tab. 1

Tabela 2. Wybrane wyniki pomiarów
Turbiny tab. 2
Natężenie przepływu czynnika i praca turbiny. Wykres na rys. 5 pokazuje zmienność w czasie natężenia przepływu wody sieciowej przez wymiennikownię ciepła. Podczas sezonu grzewczego można wyróżnić trzy charakterystyczne okresy pracy wymiennikowni zależne od warunków pogodowych:

  • okres 1, kiedy występuje maksymalna ujemna temperatura zewnętrzna – takie warunki trwają najczęściej kilka, kilkanaście dni w sezonie i w tym czasie przepływ osiąga wartości nominalne;
  • okres 2, kiedy temperatura zewnętrzna zbliżona jest do średniej temperatury zewnętrznej w sezonie grzewczym – w tym czasie natężenie przepływu to 70-80% wartości nominalnych;
  • okres 3, to czas początku i końca sezonu, kiedy wymiennikownia pracuje tylko w nocy, a w dzień, ze względu na wysoką temperaturę zewnętrzną, jest wyłączona. 

Analizując parametry pracy wymiennikowni w opisanych okresach, wyciągnięto następujące wnioski:

  • okres 1 wystąpił w pierwszej dekadzie stycznia 2016 r., kiedy temperatura zewnętrzna spadała do -10°C, maksymalnie -15°C; przepływ osiągał wartość przepływu nominalnego 22 Mg/h, moc turbiny wynosiła w tym czasie 2 kW, przy sprawności turbiny 55%;
  • okres 2 trwał od połowy stycznia do kwietnia 2016 r., gdy temperatura zewnętrzna oscylowała wokół 5°C; przepływ wynosił wtedy około 18 Mg/h (80% przepływu nominalnego), moc turbiny 1 kW, a jej sprawność osiągnęła 50%;
  • okres 3 wystąpił pod koniec kwietnia i w maju 2016 r., gdy temperatura zewnętrzna wynosiła średnio 13°C i wykazywała duże wahania: od 2°C w nocy do 22°C w dzień; natężenie przepływu wynosiło odpowiednio 5 Mg/h w dzień i 20 Mg/h w nocy. Można przyjąć, że w tym okresie średnie natężenie przepływu to 10 Mg/h, moc turbiny to 0,5 kW, przy jej średniej sprawności 20% W tym okresie turbina pracowała okresowo, gdy przepływy rosły powyżej przepływu minimalnego (dla turbiny).

Jakość regulacji ciśnienia. Współczynnik jakości regulacji ciśnienia przy wykorzystaniu turbiny została określona jako iloczyn spadku ciśnienia na turbinie do spadku ciśnienia w całym węźle. Wahania tego współczynnika w okresie pomiarowym zostały przedstawione na rys. 6. Kolorem czarnym zaznaczono linię trendu.
Współczynnik jakości regulacji osiągał największe wartości w styczniu podczas występowania największych przepływów. Jak widać na wykresie, współczynnik jakości regulacji jest proporcjonalny do natężenia przepływu.

Produkcja energii elektrycznej. Na rys. 7 przedstawiono przyrost ilości energii elektrycznej (w kWh) wyprodukowanej przez prototypowy układ w czasie trwania pomiarów od 21 grudnia 2015 r. do 20 maja 2016 r. Całkowita ilość energii wyprodukowanej przez pięć miesięcy pracy turbiny to 2418 kWh. W tym czasie średnia sprawność całkowita wymiennikowni wyniosła 18%, a sprawność turbiny w warunkach nominalnych to 50%.
Wyniki prac potwierdziły, że prototypowe urządzenie odzysku energii mechanicznej z sieci ciepłowniczej zostało zaprojektowane i wykonane w sposób poprawny. Założone cele zostały osiągnięte, a zebrane doświadczenia i materiał z pomiarów stanowi podstawę do dalszych analiz tego zagadnienia

Turbiny rys. 5

5. Wykres przepływów wody sieciowej przez wymiennikownię ciepła od grudnia 2015 r. do maja 2016 r.

Turbiny rys. 6
6. Jakość regulacji ciśnienia przy wykorzystaniu turbiny w poszczególnych miesiącach pomiarowych wraz z zaznaczoną linią trendu

 

Turbiny rys. 7
7. Przyrost ilości energii elektrycznej wyprodukowanej przez badany układ

 

Efekty dziś i plany na przyszłość

Wśród potwierdzonych badaniami zalet układu z TRC warto wymienić:

  • obniżenie ciśnienia na wejściu do wymiennikowni do wartości wymaganej;
  • odzysk niezagospodarowanej traconej energii mechanicznej i zamianę jej na energię elektryczną; ⚫odprowadzenie i sprzedaż uzyskanej energii do sieci energetycznej;
  • bezawaryjna praca;
  • niski poziom hałasu i drgań, brak kawitacji.

Niestety, TRC w obecnej formie nie ma zmiennej geometrii turbiny i mały jest zakres regulacji hydraulicznej. W związku z tym w dalszych pracach będziemy dążyć do:

  • udoskonalenia konstrukcji turbiny w celu rozszerzenia zakresu jej efektywnej pracy;
  • dostosowania urządzenia do mniejszych przepływów z utrzymaniem sprawności w rozszerzonym zakresie;
  • wprowadzenia algorytmów sterowania pracą turbiny i węzła jako jednego urządzenia sieciowego;
  • zastosowania urządzenia do innych układów, np. jako pompy wodnej do wypompowywania wody opadowej z komór bez zasilania energetycznego.

Prace rozpoczęte w 2015 r. w MPEC Kraków są kontynuowane w sezonie grzewczym 2016/2017. Turbina, po przeprowadzeniu prac modernizacyjnych i napisaniu nowego oprogramowania sterującego, została zamontowana na stanowisku badawczym, dostarczając nowych danych pomiarowych.

Autorzy: Marek Mazurek, Mariusz Piękoś

homeWyszukiwarka

homeTagi

homeWydarzenia

UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem