Automatyka pogodowa w węzłach cieplnych

Spis treści

POMIARY PRZEPŁYWU

Monitorować należy przepływ pary wodnej bez skroplin. Nie niosą one bowiem ze sobą żadnej użytecznej energii (nie mają ciepła utajonego), dlatego ich wliczenie zawyżałoby rzeczywistą wartość przepływu energii. Ponieważ wynik pomiaru masowego natężenia przepływu uwzględniałby skropliny, nie jest zalecany. W zamian należy wyznaczyć objętościowe natężenie przepływu. Skropliny stanowią bowiem ułamek objętości pary. Na przykład przy ciśnieniu 1000 kPa kilogram pary ma objętość 177 litrów, a po kondensacji zaledwie 1 litr. Kondensat zatem nieznacznie wpływa na wynik pomiaru.

Aby był on użyteczny w dalszej analizie, trzeba go jednak przedstawić w jednostkach masowego natężenia przepływu (na przykład kg/h). Zawartość ciepła w parze jest bowiem bezpośrednio zależna od jej masy. Dane o objętościowym natężeniu przepływu są też nieprzydatne w instalacjach z zaworami zmniejszającymi ciśnienie. Ta wielkość przy danym masowym natężeniu przepływu miałaby bowiem inne wartości w różnych sekcjach instalacji rurowej.

System do ultradźwiękowej kontroli odwadniaczy TRAPtest VKP 30

Składa się on z rejestratora danych VKPN 30, sondy VKPS 30 i oprogramowania do przetwarzania zarejestrowanych danych na komputerze. Wybrane cechy: możliwość inspekcji odwadniaczy różnych typów, automatyczna ocena stanu oddzielacza skroplin według wcześniej określonych wytycznych, mierzona wielkość (poziom ciśnienia akustycznego) przedstawiana w postaci krzywej, wyświetlanie informacji o stratach pary, możliwość wydrukowania zarejestrowanych przebiegów.

źródło: PGNiG Termika

Ponieważ powietrze jest dobrym izolatorem cieplnym, jego obecność w parze wodnej może hamować przepływ ciepła. Powoduje ono też obniżenie temperatury tego medium. Jeżeli ciśnienie pary wodnej, której 5% stanowi powietrze, wynosi przykładowo 1000 kPa to całkowite ciśnienie składa się z 950 kPa ciśnienia pary wodnej oraz 50 kPa ciśnienia powietrza. Para wodna przy ciśnieniu 950 kPa ma temperaturę 182°C, natomiast przy 1000 kPa 184°C. Nieskraplające się gazy z pary wodnej usuwa się na kilka sposobów.

Na przykład w procesie uzdatniania wody można użyć środków chemicznych, które obniżają zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie. Taki efekt zapewnia też podgrzanie zbiornika z wodą zasilającą kocioł do co najmniej 90°C. Pomagają też odpowietrzniki montowane w kotle, w instalacji przesyłu pary oraz w oddzielaczach skroplin.

Para wodna jest medium ściśliwym i zmniejszenie jej ciśnienia spowoduje zmniejszenie gęstości i odwrotnie. Dlatego, aby przeliczyć zmierzoną wartość objętościowego natężenia przepływu na masowe natężenie przepływu, należy znać ciśnienie pary. Zmiana tego ostatniego w wypadku pary nasyconej może z kolei powodować czasowe formowanie się pary przegrzanej. Przykładowo jeżeli ciśnienie pary o temperaturze 184°C zostanie zmniejszone z 1000 kPa, do 400 kPa stanie się ona parą przegrzaną. Temperatura nasycenia pary wodnej o tym ciśnieniu wynosi bowiem tylko 152°C.

Inspekcja rurociągów ujawniła przyczyny strat pary

źródło: Pure Technologies

W pewnym zakładzie z branży papierniczej od początku działalności datowanej na lata 80. ubiegłego wieku korzystano z własnego, niezależnego systemu kogeneracji. Jego głównym elementem był kocioł parowy, który zasilał generator stanowiący awaryjne źródło zasilania fabryki oraz wytwarzał parę wodną. Ta ostatnia siecią rurociągów rozprowadzoną po całym zakładzie dostarczana była do różnych jego części, w których jako nośnik ciepła zasilała wiele etapów procesu produkcyjnego.

Niedawno w celu zmniejszenia kosztów produkcji zmodernizowano kocioł parowy oraz zainstalowano dodatkowe wymienniki ciepła. Te ostatnie wstępnie podgrzewają wodę zasilającą ciepłem ze spalin wylotowych kotła oraz ciepłem wody upuszczanej przez system odsalania i odmulania. Mimo to wydajność cieplna instalacji nie poprawiła się w takim stopniu, w jakim tego oczekiwano. Zaczęto w związku z tym podejrzewać, że przyczyn niskiej efektywności nie należy szukać na etapie produkcji, ale dystrybucji pary wodnej.

Wykorzystując kamerę termowizyjną przeprowadzono inspekcję rurociągów w nadziei na znalezienie nieszczelności powodującej straty ciepła. Ze względu na rozległość zakładu dokładna inspekcja trwała kilka dni, ale niestety nie ujawniła żadnych znaczących przerw w izolacji rurociągu. W trakcie realizacji tego zadania inżynierowie natknęli się jednak na fragment instalacji przesyłowej, której dwie odnogi o stosunkowo dużej długości prowadziły w ten sam rejon zakładu. Zakończenie jednej z nich było jednak zamknięte. Para nią przesyłana pozostawała zatem niewykorzystana.

Po sięgnięciu do planów budynku zauważono, że w trakcie przebudowy zakładu przeprowadzanej w latach 90. ubiegłego wieku najwyraźniej zapomniano o usunięciu nadmiarowego rurociągu. Aby naprawić to niedopatrzenie wejście do tego odgałęzienia uszczelniono możliwie najbliżej jego wyprowadzenia z kotła. Dzięki temu natychmiast uzyskano znaczące zwiększenie wydajności cieplnej całej instalacji.

AUTOMATYKA POGODOWA W WĘZŁACH CIEPLNYCH

Rys. 3. Przykład systemu sterowania instalacją c.o. z regulatorem pogodowym

Zakończeniem sieci ciepłowniczej jest węzeł cieplny w ogrzewanym budynku. Gorąca woda z elektrociepłowni przepływa w nim przez wymienniki ciepła wody użytkowej oraz grzewczej. Ta ostatnia jest dalej rozprowadzana systemem rur do kaloryferów w mieszkaniach. Ważnym elementem węzłów cieplnych są sterowniki ciepłownicze. Regulują one temperaturę wody w instalacji centralnego ogrzewania w zależności od temperatury zewnętrznej. Dzięki temu uzyskuje się oszczędności energii, zmniejsza koszty ogrzewania oraz chroni budynek i instalację c.o. przed przegrzaniem i zamarznięciem.

Przykład zastosowania takiego sterownika przedstawiono na rysunku 3. Do jego wejść podłączone są czujniki temperatury: zewnętrznej, wody c.o. za wymiennikiem ciepła oraz wody powrotnej, zwracanej do sieci ciepłowniczej. Mierzona może być też temperatura powietrza w pomieszczeniu kontrolnym. Na dokładność sterowania ma wpływ sposób i miejsce montażu czujników.

Przykładowo zaleca się, aby sensor temperatury zewnętrznej umieszczać na północnej ścianie budynku. Nie powinien się on znajdować w bezpośrednim sąsiedztwie źródeł ciepła oraz otworów wentylacyjnych. Dodatkowo należy go osłonić przed wiatrem i wilgocią. Zwykle w tym zastosowaniu używane są sensory PT100. Regulator przeważnie automatycznie rozpoznaje podłączony typ czujnika. Do wyjść sterownika podłączony jest natomiast napęd zaworu oraz pompa obiegowa.

Sygnały z czujników temperatury zewnętrznej są odnoszone do wartości z tzw. krzywej grzewczej. Przedstawia ona zależność między temperaturą wody zasilającej a temperaturą zewnętrzną. W regulatorach zwykle zaprogramowanych jest kilka takich charakterystyk. Instalator wybiera jedną z nich, uwzględniając m.in. parametry termoizolacyjne budynku, modele pomieszczeń i warunki klimatyczne lub definiuje własną krzywą. Po ustaleniu uchybu regulacji i uwzględnieniu dodatkowych parametrów (charakteryzujących na przykład bezwładność zaworu) wyznaczany jest sygnał sterujący elementami wykonawczymi instalacji c.o.

Oprócz regulacji pogodowej sterowniki grzewcze pełnią też dodatkowe funkcje. Przykładowo mogą automatycznie wyłączać/włączać ogrzewanie w zależności od pory roku lub dnia oraz utrzymują minimalną lub nie dopuszczają do przekroczenia maksymalnej temperatury wody c.o.

Monika Jaworowska

Spis treści