Projektowanie_EC.pdf

1 PROJEKTOWANIE URZADZEŃ WYTWARZANIA ENERGII

ELEKTRYCZNEJ, CIEPŁA I ZIMNA

Opracowanie koncepcji źródła wytwórczego realizującego skojarzoną produkcję ciepła i

energii elektrycznej wymaga przeanalizowania wszystkich uwarunkowań techniczno-

ekonomicznych związanych z założonymi celami i lokalizacją obiektu. Wymagające

uwzględnienia przesłanki związane są przede wszystkim z wielkością i zmiennością

obciążenia cieplnego oraz z wymogami eksploatacyjnymi wynikającymi z warunków

współpracy z odbiorcami ciepła. Ponadto pod uwagę muszą być brane możliwości odbioru

wyprodukowanej mocy i energii elektrycznej oraz oddziaływanie źródła na środowisko

naturalne i związane z tym problemem przepisy i ograniczenia.

Projektowane źródło powinno, obok wysokiej sprawności przetworzenia paliwa,

zapewniać konkurencyjny koszt wytworzenia ciepła i energii elektrycznej uwzględniający

zarówno nakłady inwestycyjne jak i koszty eksploatacyjne.

Wysoka efektywność energetyczna i ekonomiczna są bardzo ważnymi kryteriami

pozwalającymi na ostateczne ukształtowanie koncepcji źródła wytwórczego. Istnieje cały

szereg przesłanek technicznych i ekonomicznych, które w konkretnych warunkach mogą w

mniejszym lub większym stopniu mieć wpływ na zastosowane rozwiązania w projektowanym

układzie.

Uwarunkowania techniczne wpływające na stosowane rozwiązania

układu technologicznego elektrociepłowni

Przesłanki techniczne, mające wpływ na kształtowanie pracujących w skojarzeniu źródeł

ciepła i energii elektrycznej, można podzielić na cztery zasadnicze grupy określające

uwarunkowania związane z:

 charakterystyką obciążenia cieplnego,

 produkcją mocy i energii elektrycznej,

 wymaganiami eksploatacyjnymi,

 ochroną środowiska naturalnego.

Analiza techniczna, prowadzona z uwzględnieniem tych wymagań i ograniczeń, pozwala

na określenie uzasadnionej mocy zainstalowanej źródła, jego układu cieplnego i

technologicznego oraz dobór jednostek wytwórczych.

Podstawowym zadaniem źródeł pracujących w skojarzeniu i zasilających odbiorców bytowo-

komunalnych jest produkcja ciepła, której wielkość określa aktualne zapotrzebowanie energii

cieplnej na ogrzewanie pomieszczeń i przygotowanie ciepłej wody użytkowej. W tej sytuacji

produkcja energii elektrycznej, której wytwarzanie jest związane z obciążeniem cieplnym

pracujących w skojarzeniu jednostek wytwórczych, jest wielkością zmienną (wtórną). Jednak

w uzasadnionych przypadkach konieczne może być uzyskiwanie pewnej niezależności źródła

w pokrywaniu obciążeń cieplnych i elektrycznych (stosowanie tzw. pseudokondensacji,

wykorzystanie turbin ciepłowniczych upustowo-kondensacyjnych lub turbozespołów

gazowych pracujących z wykorzystaniem baypasu itp.), lecz prowadzi to do obniżenia

całkowitej sprawności wytwarzania.

Podstawowymi przesłankami pozwalającymi na prawidłowy dobór mocy zainstalowanej

oraz określenie struktury źródła są:

 planowana lub rzeczywista wielkość mocy cieplnej zapotrzebowanej przez

odbiorców,

 przewidywana zmienność obciążenia.

Obliczeniowe zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania pomieszczeń wyznaczane jest w

oparciu o przyjęte dla danego regionu minimalne temperatury zewnętrzne. Zmienność

obciążenia cieplnego zależy od rodzaju odbiorców ciepła (np. bytowo-komunalni,

przemysłowi). Zapotrzebowanie ciepła na przygotowanie ciepłej wody użytkowej dla

odbiorców bytowo-komunalnych stanowi około 10 % maksymalnego (obliczeniowego)

obciążenia cieplnego. Obciążenie wyższe niż 80 % występuje w czasie około 8 - 10 dni w

roku. Średnie obciążenie stanowi, odpowiednio do temperatury zewnętrznej sezonu

grzewczego, tylko około 45 % obciążenia maksymalnego. Taki charakter przebiegu obciążeń

cieplnych w sezonie grzewczym decydować będzie o doborze jednostek wytwórczych, gdyż

od wielkości mocy jednostkowych poszczególnych urządzeń zależeć będzie stopień ich

wykorzystania, a co za tym idzie, opłacalność konkretnego rozwiązania. Łączna moc

urządzeń wytwórczych pracujących w gospodarce skojarzonej powinna pokrywać około 40 -

50 % maksymalnego zapotrzebowania, co wystarcza na zaspokojenie około 80 % rocznego

zapotrzebowania na energię.

Podstawa obciążenia cieplnego odbiorców bytowo-komunalnych może być zwiększona,

jeżeli w okresie letnim (obok zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową) pojawi się

dodatkowe zapotrzebowanie na ciepło dla systemów klimatyzacyjnych. Powstają w ten

sposób systemu trójgeneracji (dostarczanie energii elektrycznej, ciepła i „zimna”).

Zastosowanie w klimatyzacji absorpcyjnych wytwornic wody lodowej wymaga określonych

strumieni ciepła, jednak takie rozwiązanie związane jest ze zmianą parametrów

temperaturowych wody sieciowej w systemie ciepłowniczym. O ile na przygotowanie ciepłej

wody użytkowej wymagana jest temperatura nośnika ciepła na poziomie około 60 o C, to w

przypadku trójgeneracji trzeba podnieść tą temperaturę do około 100 o C, a w związku z tym

zmienić warunki pracy systemu ciepłowniczego.

Występująca w sezonie grzewczym duża zmienność zapotrzebowania na moc cieplną

oraz dążenie do pełnego wykorzystania zdolności wytwórczych pracujących

w skojarzeniu urządzeń podstawowych sprawiają, że elektrociepłownie muszą być

wyposażone w urządzenia szczytowe, które jednocześnie mogą pełnić rolę jednostek

awaryjnych. W analizowanych źródłach przeznaczonych dla odbiorców bytowo-komunalnych

są nimi kotły wodne. Od jednostek tych wymagana jest duża elastyczność ruchowa, a w

związku z tym istotny staje się dla nich dobór rodzaju paliwa.

W trakcie opracowywania koncepcji technicznej planowanego źródła, należy także

uwzględnić występującą na przewidywanym do zasilania obszarze koncentrację odbiorców

ciepła, jak również warunki wyprowadzenia i przesyłu energii cieplnej do odbiorców.

Ekonomiczna praca elektrociepłowni wymaga pewnej niezbędnej gęstości zapotrzebowania

ciepła. Z punktu widzenia opłacalności ekonomicznej ciepłownictwo powinno koncentrować

się na obszarach miejskich o gęstej zabudowie. Gęstość cieplna różni się dość znacznie, od 20

do 30 MW/km 2 dla nowych osiedli, do około 40 do 100 MW/km 2 dla centralnych dzielnic

miast. Największą gęstość zapotrzebowania ciepła (> 200 MW/km 2 ) wykazują śródmieścia,

najmniejszą natomiast (< 20 MW/km 2 ) osiedla domów jednorodzinnych. Możliwości przesyłu

ciepła to zarówno stopień zaawansowania budowy istniejącego systemu ciepłowniczego (w

tym również przepustowość rurociągów), jak i możliwości techniczne wykonania kolejnych

magistral przesyłowych. Uwarunkowania te mogą mieć decydujący wpływ na wybór

koncepcji przewidującej instalację kilku źródeł lokalnych nie wymagających budowy drogich

inwestycyjnie rurociągów magistralnych.

Instalacja skojarzonego wytwarzania jest uzasadniona jedynie w sytuacji, gdy obok

zapotrzebowania na energię cieplną istnieje również możliwość zbytu wytworzonej energii

elektrycznej. Przesłanki techniczne, mające decydujący wpływ na układ technologiczny

planowanej elektrociepłowni, związane z produkcją energii elektrycznej, wynikają przede

wszystkim z warunków wyprowadzenia wytworzonej w skojarzeniu energii do krajowego

systemu elektroenergetycznego. W tym przypadku chodzi o odległość do najbliższej stacji

transformatorowo-rozdzielczej, konieczność budowy linii napowietrznej lub kablowej oraz

wymagania w zakresie niezbędnej rozbudowy i uzupełnień wyposażenia rozdzielni.

Dodatkowymi aspektami uzasadniającymi podjęcie decyzji o lokalizacji elektrociepłowni

mogą być:

 spełnianie roli awaryjnego źródła energii elektrycznej,

 przystosowanie urządzeń wytwórczych do pracy szczytowej,

 wyposażenie jednostek wytwórczych w urządzenia umożliwiające

samorozruch przy braku zasilania zewnętrznego.

Rolę źródeł awaryjnych (agregatów prądotwórczych) mogą spełniać bloki siłowniano-

ciepłownicze o mocy od kilkudziesięciu do kilkuset kilowatów, przystosowane do pracy

wydzielonej, instalowane np. w budynkach szpitalnych. Zdolność jednostek wytwórczych do

przejmowania zwiększonych obciążeń elektrycznych w okresach szczytu porannego lub

wieczornego może być osiągnięta w przypadku bloków siłowniano-ciepłowniczych i

turbozespołów gazowych przez przystosowanie ich do pracy z okresowym, częściowym

wydmuchem spalin do otoczenia (z ominięciem wymienników ciepłowniczych) lub

stosowanie chłodnic zewnętrznych pozwalających na oddawanie ciepła do otoczenia. Jest

sprawą oczywistą, że podczas takiego trybu pracy wskaźniki techniczno-ekonomiczne

określające efektywność pracy źródła ulegną pogorszeniu. Uzyskanie przez przewidziane do

instalacji źródło skojarzone zdolności do samouruchomienia w warunkach awarii systemowej

może być dla planowanej elektrociepłowni bardzo ważnym atutem podnoszącym jej

znaczenie dla krajowego systemu elektroenergetycznego. Dotyczy to szczególnie

turbozespołów gazowych o mocy 20 - 50 MW, które w przypadku korzystnej lokalizacji

mogą być traktowane jako źródła awaryjnego rozruchu dla bloków energetycznych dużych

elektrowni systemowych.

Opracowywana koncepcja układu cieplnego i technologicznego skojarzonego źródła musi

również uwzględniać pewne wymagania eksploatacyjne wynikające z warunków współpracy

z odbiorcami ciepła i energii elektrycznej. Uwarunkowania te dotyczą przede wszystkim

wymaganej dyspozycyjności oraz zdolności regulacyjnych. Ich spełnienie może być

osiągnięte poprzez dobór odpowiedniej ilości i mocy jednostek wytwórczych oraz

dostosowanie układów regulacji i sterowania do wymagań odbiorców. W przypadku

odbiorców energii cieplnej może występować konieczność prowadzenia regulacji

jakościowej, jakościowo-ilościowej lub ilościowej. Regulacja jakościowo-ilościowa i

ilościowa wymagają zastosowania dla wody sieciowej układów pompowych o odpowiednich

możliwościach regulacyjnych.

Ze względu na zwiększające się zainteresowanie proekologicznymi rozwiązaniami

technicznymi w zakresie energetyki oraz ze względu na systematyczny wzrost kosztów

związanych z użytkowaniem środowiska naturalnego, zbiór przesłanek technicznych

związanych z ochroną środowiska odgrywa istotną rolę w trakcie prac nad przygotowaniem

koncepcji źródła wytwórczego. Zakres zagadnień związanych z tą problematyką można

podzielić na trzy grupy tematyczne:

 uwarunkowania lokalizacyjne,

 ograniczenia związane z dopuszczalnymi normami emisji i imisji zanieczyszczeń.

Rozpatrując warianty lokalizacji planowanego źródła wytwórczego należy przede

wszystkim brać pod uwagę dostępność paliwa gazowego o odpowiednim ciśnieniu oraz

wymogi dotyczące zaopatrzenia w wodę. Maksymalna odległość przesyłu ciepła dla dużych

elektrociepłowni nie powinna przekraczać 15 - 20 km. Źródła lokalne powinny być

instalowane w bezpośrednim sąsiedztwie zasilanych odbiorców. Przy ustalaniu lokalizacji

źródła wytwórczego należy także brać pod uwagę jego wpływ na otoczenie związany

z emitowanym natężeniem hałasu.

Omówione uwarunkowania techniczne mające wpływ na kształtowanie układu

technologicznego źródła skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej

przedstawiono na rysunku 1.1.

Rys. 1.1. Uwarunkowania techniczne wpływające na rozwiązania technologiczne

elektrociepłowni

Przesłanki ekonomiczne uwzględniane w analizie opłacalności

inwestycji

Opracowanie koncepcji źródeł skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej dla

rozpatrywanego obszaru wymaga podjęcia szeregu działań tworzących logiczną sekwencję.

Punktem wyjścia do tych prac jest precyzyjne sformułowanie warunków pracy

projektowanego obiektu, wynikających przede wszystkim z przesłanek technicznych

omówionych w poprzednim punkcie. Te dane pozwalają na tworzenie wariantowych

koncepcji technicznych planowanego źródła. Równolegle z pracami koncepcyjnymi nad

wariantami technicznych rozwiązań planowanego obiektu, powinny być, prowadzone

zakrojone na możliwie szeroką skalę, działania mające na celu szczegółowe rozpoznanie

dostępności i warunków zakupu strategicznych dla opracowywanych rozwiązań urządzeń

energetycznych. Etap prac nad koncepcjami technicznymi powinien zakończyć się

opracowaniem kilku wariantów, zróżnicowanych:

 założeniem pokrywania obciążeń cieplnych przez jedną centralną elektrociepłownię lub

kilka rozproszonych źródeł lokalnych,

 proponowanym składem i rodzajem urządzeń energetycznych (turbozespoły parowe,

gazowe, bloki siłowniano-ciepłownicze itd.),

 mocami zainstalowanymi oraz udziałem źródeł podstawowych w mocy całkowitej.

Dla każdego z opracowanych wariantów należy przeprowadzić obliczenia energetyczne

pozwalające na wyznaczenie przewidywanej produkcji energii cieplnej i elektrycznej w

zastosowanych urządzeniach wytwórczych oraz zużycia paliwa. Dysponując wielkością

zużycia paliwa można wyznaczyć jakościowy i ilościowy wpływ analizowanego wariantu

elektrociepłowni na środowisko. Tym samym staje się możliwe sformułowanie wymagań

technicznych dla urządzeń oczyszczających. Podsumowaniem tego etapu prac powinno być

określenie dla każdego z analizowanych wariantów źródeł wytwórczych następujących

danych:

 nakładów inwestycyjnych wyznaczonych możliwie dokładnie dla urządzeń

podstawowych i w sposób przybliżony dla urządzeń pomocniczych i wyposażenia,

 kosztów zakupu paliw,

 szacunkowych kosztów eksploatacyjnych obejmujących eksploatację bezpośrednią,

remonty oraz opłaty za użytkowanie środowiska.

Ostateczny wybór koncepcji układu technologicznego planowanej elektrociepłowni (lub

kilku mniejszych źródeł lokalnych) powinien nastąpić w wyniku analizy ekonomicznej

określającej opłacalność każdego z opracowywanych i wcześniej przeliczonych energetycznie

wariantów rozwiązań technicznych. Analiza ta, przeprowadzona w oparciu o wymagane przez

każdy z wariantów nakłady inwestycyjne, koszty pozyskania paliwa i pozostałe koszty

eksploatacyjne oraz uzyskane przychody wynikające z realizowanej produkcji ciepła i energii

elektrycznej, jak również z obowiązujących lub przewidywanych cen tych rodzajów energii,

wyznaczą efektywność inwestycji dla każdego z rozważanych rozwiązań technicznych. W

ocenie opłacalności szczególnie istotne jest uwzględnienie możliwie wszystkich kosztów

inwestycyjnych i eksploatacyjnych, zwłaszcza kosztów paliwa i ochrony środowiska.

Inwestycje kapitałochłonne eksploatowane przez szereg lat, co ma miejsce w przypadku

elektrociepłowni, powinny być poddane ocenom ekonomicznym przy wykorzystaniu metod

dynamicznych czyli dyskontowych (metoda wartości bieżącej netto NPV i metoda granicznej

stopy procentowej IRR). W metodach tych najważniejszymi elementami rachunku są tzw.

strumienie gotówkowe oraz dyskontowanie. Strumień gotówkowy to rezultat zestawienia

wszystkich nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych przedsięwzięcia oraz

wszystkich przychodów będących efektem zrealizowanej inwestycji. Podlega on

dyskontowaniu czyli sprowadzaniu wartości pieniężnych do ich wartości w ustalonym roku

bazowym.

Zastosowanie metod dynamicznych pozwala na uwzględnienie w analizie ekonomicznej

przedsięwzięcia pewnych dodatkowych aspektów ekonomicznych decydujących o

opłacalności inwestycji. Chodzi tu szczególnie o zespół uwarunkowań związanych ze

sposobem finansowania przedsięwzięcia. Na uzyskanie wysokiej opłacalności inwestycji

wpływać będą: udział środków własnych, warunki uzyskania kredytów a szczególnie

założona w analizie stopa dyskontowa.

Decydujący wpływ na efekt ekonomiczny planowanego przedsięwzięcia inwestycyjnego

mają jednak relacje między jednostkowymi nakładami inwestycyjnymi a cenami paliw i

cenami energii finalnej (ciepła i energii elektrycznej). Aktualne koszty inwestycyjne

nowoczesnych rozwiązań technologicznych elektrociepłowni (stosowanie turbin gazowych,

bloków siłowniano-ciepłowniczych, itp.) są zróżnicowane i relatywnie wysokie. Powoduje to,

że elektrociepłownia pracująca z dużym stopniem skojarzenia ma, obok wysokiej sprawności,

duże koszty stałe. Koszty te oraz koszty zmienne zależne przede wszystkim od ceny

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: