Zsebik Albin–Balikó Sándor–Sitku György–Tokés László

Hőtermelés gazdaságosságának növelése hőtárolással¹

A ho tárolása sok esetben jelentos mértékben hozzájárulhat a termelési és szolgáltatási költségek csökkentéséhez. A dolgozat a hotárolás lehetoségeinek ismertetését követoen egy konkrét példa kapcsán mutatjuk be mit eredményezne egy hotároló rendszer létesítése a Székesfehérvári Futoeromuben.

Heat storage contributes considerably to decreasing of the producting and distributing cost in many cases. The paper describes the possibilities of heat storage and shows a real example about the possible result of implementing a heat storage system in the heating power station of Székesfehérvár.

Néhány évvel ezelott, a magyarországi távhorendszerek és üzemvitelük elemzése során készített jelentéseinkbe még azt írtuk, hogy eljön az az ido, amikor az üzemeltetés szempontjából egyszerubb (pl. közvetlen hotermelésu, állandó tömegáramú, egy esetleg kétszinten szabályozott), de pazarló távhorendszereket az üzemvitel szempontjából összetettebb, de gazdaságosabb rendszerekké kell átalakítani.

Napjainkban már arról számolhatunk be, hogy nagy ütemben folynak távho- és futési rendszer korszerusítések, a költségek csökkentése érdekében elokerülnek a korábban mellozött megoldások. Biztató, hogy sok esetben a hoszolgáltatásban részt vevo felek – termelo, szolgáltató és fogyasztó – kölcsönös elonyök figyelembevételével közösen keresik energiahatékonysági technikák alkalmazásának lehetoségét.

A ho tárolása sok esetben jelentos mértékben hozzájárulhat a termelési és szolgáltatási költségek csökkentéséhez. Az alábbiakban a hotárolás lehetoségeinek ismertetését követoen egy konkrét példa kapcsán mutatjuk be mit eredményezne egy hotároló rendszer létesítése a Székesfehérvári Futoeromuben.


1. A hotárolás lehetosége a távhorendszerben

A távhorendszer alaptulajdonsága a nagy kapacitás, amely lehetové teszi a ho tárolását. A ho tárolása így jó lehetoséget teremt arra, hogy a hofelhasználók napszakonként változó igényét közel állandó teljesítményen üzemelo hoforrással elégítsék ki. Körültekinto üzemviteli tervezéssel a ho- és villamosenergiát kapcsoltan termelo blokkok villamos teljesítménye a csúcsigények esetén növelheto.

A távhorendszer alrendszereinek szokásos csoportosítását figyelembe véve a ho tárolása a hoforrásban, az elosztó hálózatban vagy fogyasztói rendszerekben történhet. Külön tároló nélkül elsosorban az elosztó hálózatban és a fogyasztói rendszerekben (futött épületek falaiban) valósítható meg a ho tárolása. A napszakonként jelentos mértékben változó használati melegvíz (HMV) igény kielégítését legtöbb esetben tárolók segítségével oldják meg. A tárolók a fogyasztói hoközpontokban kerültek elhelyezésre. A hotárolók létesítése a hoforrásban nem volt jellemzo (a hatvanas években épült Kobányai Eromuben a lágyvíz elomelegítésére építettek hotárolót). A jövoben a költségek csökkentése érdekében feltételezhetoen több helyen sort kerítenek hotárolók létesítésére.

2. A vizsgált rendszer

A székesfehérvári futoeromu a lakossági és kommunális hoigényeket kielégíto hoszolgáltató elsodleges hoforrása. Az energiatermelés hatékonyságának növelése érdekében célszeru lenne az eromuben levo 1,6 MW névleges villamos teljesítményu ellennyomásos gozturbinát a nyári hoigények kielégítésére is folyamatosan üzemeltetni. Erre a hofelhasználás jellege miatt csak hotárolás alkalmazása mellett lenne lehetoség. A hotárolás céljára felhasználhatónak mutatkozik a kihasználatlanná vált 2 db, egyenként 500 m³ névleges tárolókapacitású pakura tartály. A tartályok legfeljebb 100 mbar túlnyomású, 95°C homérsékletu víz tárolására tehetok alkalmassá.

A három alrendszerre bontott városi távhorendszer 150/80°C névleges homérséklettel üzemel. A közös osztóról induló eloremeno víz homérsékletét a külso homérséklet függvényében az eromuben a hoszolgáltató által megadott szabályozási görbe szerint állítják be. A három alrendszer gyujtoje is közös. A keringeto szivattyúk szívócsonkja e gyujtohöz csatlakoztatott, s az itt kialakuló nyomást ~12 bar értékre növelik. Az osztó és gyujto közé, a kazánokkal és a gozturbina száraz, csoköteges kondenzátorával párhuzamosan egy ~2 bar értékre beállított nyomáskülönbség tartót iktattak. A kazánok üzemvitelének szabályozását e nyomáskülönbség tartóval kívánták egyenletessé tenni.

A fogyasztói rendszer hoközpontjaiban a szabályozás a visszatéro futoközeg homérsékletének tartásával történik. Emiatt a futoeromube visszatéro futoközeg homérséklete a futési idoszakon kívüli idoben ~ 52°C. E homérsékletet vettük figyelembe a hotárolás és üzemviteli lehetoségének vizsgálatánál.

3. Az üzemviteli adatok elemzése

A hotárolás lehetoségeit és korlátjait a 2000. év hotermelési adatai alapján vizsgáltuk meg. Az 1. ábra mutatja a 2000. év napi hokiadásainak az adott hónapban elért legnagyobb és legkisebb értékeit. Az ábrán jól látható, hogy a téli nagy szórásokkal ellentétben a nyári fogyasztás viszonylag egyenletes, gyakorlatilag 360 GJ/nap és 600 GJ/nap között változik és az ingadozások is kicsik.

A napi hokiadások várható értéke a fentiekbol nem olvasható ki, ezért elkészítettük a gyakorisági görbét (2. ábra), ami megmutatja, hogy egy-egy nap hokiadása milyen valószínuséggel esik a vízszintes tengelyen megjelölt terhelési sávba:



ahol n_i az E_i és E_i+DE közötti tartományba eso napi hokiadások száma, N pedig a felvett tartományok száma. A DE értékét 10 GJ/nap-ra vettük fel.

A gyakorisági görbe alapján a nyári hokiadások legvalószínubb értéke 460 és 470 GJ/nap tartományba esik, de várhatók a 430–440 GJ/nap, a 510–520 GJ/nap, a 540–550 GJ/nap és az 550–560 GJ/nap tartományba eso értékek is.

Jelenleg a nyári idoszakban az éjszakai órákban (23³⁰–3³⁰ óra között) szünetel a hoszolgáltatás, hokiadás nincs. A reggeli indulás ezért egy eroteljesebb ráfutéssel kezdodik majd a napi hokiadás kb. 20% ingadozással közel egyenletes. A napi összes hokiadás 24 órára elosztott és 100%-nak tekintett átlagához képest a fogyasztások várható értéke 120%, a maximális fogyasztás 170% körüli értéknél van. Ennek megfeleloen:

A 3. ábra példaként a 2000. június 19–25. közötti hét hokiadását mutatja.

Az elemzések figyelembe vételével a rendszer módosításához az alábbi fogyasztási adatokkal, mint tervezési paraméterekkel számolunk:

A hotárolóval akkor biztosítható a turbina nyári folyamatos üzeme, ha az annyira leszabályozható, hogy a kondenzátor (HCS2) teljesítménye lecsökkentheto 4 MW körüli értékre. Ha a leszabályozás csak 8 MW kondenzátor teljesítményig oldható meg, a turbina a nyári idoszakban továbbra sem üzemeltetheto (4. ábra).

Ha a turbina annyira szabályozható le, hogy a kondenzátor legkisebb teljesítménye a két szélso érték közé esik, a turbina a nyári idoszak egy részében üzemeltetheto.

A tároló rendszerbe illesztése

A tárolót a hoforrással párhuzamosan illesztjük a rendszerhez. Töltéskor a kondenzátorból kilépo víz egy részét vezetjük a tároló hocserélojére, majd a visszahult vizet újra a kondenzátorra visszük. Kisütéskor az áramlási irányok megfordulnak a hálózatból visszatéro víz egy részét vezetjük a tároló hocserélojére, majd a felmelegedett vizet a kondenzátor kilépo ágával közös meleg sínre adjuk.



A tároló a rendszer szempontjából azt a lényeges változást okozza, hogy a forrás oldali rendszer paraméterei a töltés – kisütés fázisai szerint változnak: Töltéskor a kondenzátoron átáramló víz mennyisége változik, kisütéskor pedig ugyanennek az ágnak a homérséklete változik meg. Emiatt mindenképpen szükség van további szabályozási körök beiktatására. A városi távfutési forróvíz (primer) kör nyomása 12 bar, ezért az atmoszférikus hotároló tartály körét (szekunder kör) hocserélovel kell elválasztani. A kedvezo hotechnikai tulajdonságok és a kisebb méret miatt, a lemezes hocserélo alkalmazása tunik célszerunek. A hotároló tartály töltése és kisütése a szelepek és szivattyúk megfelelo vezérlésével történik. A 5. ábra alapján példaként a töltést ismertetjük:

A hotároló tartály töltése, a primer oldali forró vízzel (95°C) történik, amely a szekunder oldali vizet 85°C-ra melegíti fel, a maximális térfogatáram (250 m³/h) keringetése esetén. Kisebb teljesítményu töltés esetén ez a homérséklet érték magasabb lesz (akár 92°C).

A tartály töltéséhez primer oldali tölto szivattyú alkalmazása szükséges, mert a 10 bar nyomásszintrol kell 12 barra keringetni. (A tároló rendszer megvalósítása elott a tölto szivattyú kiváltása érdekében célszeru ismét megvizsgálni a töltés primer oldali visszatéro ágának a fo keringeto szivattyú szívó csonkjára történo kapcsolási lehetoségét.)

A hokiadás szüneteltetése esetén (éjszaka), a hoforrások után elhelyezett homérsékletérzékelo figyelésével szabályozható a tölto szivattyú fordulatszáma.

Napközbeni alacsony hokiadás esetén, lehetoség van a hotároló tartály töltésére. A nyomáskülönbség szelep után elhelyezett homérséklet érzékelo figyelésével, annyi vizet veszünk el a hoforrások utáni gyujtosínrol a hotároló ágába, hogy az eloremeno víz homérséklete változatlan értéken maradjon. Ha ez a homérséklet kezd csökkenni, azaz no a hokiadás, akkor a tároló kisütéses üzemmódjára kell visszaállni.

A tároló szekunder oldali víz keringetését, töltési üzemmódban, a hocserélobol kilépo víz homérsékletnek állandó értéken (85°C) tartása határozza meg.

Ha megvizsgáljuk a teljes rendszer hoáramainak sémáját, megállapíthatjuk, hogy az egyensúlyi állapotot, amikor a fogyasztás és a hokiadás mértéke megegyezik, hat egymástól független paraméter határozza meg. Ezek közül legfontosabb a Q₀ fogyasztás, ami tolünk független, ennek értékét nem tudjuk befolyásolni.

A hálózatról visszatéro t_v homérsékletet a hoközpontok állítják be, ennek értéke gyakorlatilag állandó.

A frekvenciaváltós keringeto szivattyúk egy állandó nyomáskülönbséget tartanak, ezért a kiadott víz mennyiségét a hoközpontok hidraulikai ellenállásainak eredoje szabja meg, ami viszont a hofogyasztásoktól függ. A vízmennyiség és a visszatéro homérséklet adott hofogyasztás mellett meghatározza az eloremeno víz homérsékletét és kialakítja az adott hofogyasztáshoz tartozó munkapontot (6. ábra). Jelenlegi rendszerben tehát az eloremeno homérséklet a szabályozás egy eredo értéke, azt önkényesen beállítani nem lehet.

A tároló hoteljesítményét – akár töltéskor, akár kisütéskor – csak egy olyan komplex jellel tudjuk szabályozni, amelyik a hofogyasztás és a hotermelés különbségével arányos. A kondenzátor teljesítménye mindaddig állandó marad, amíg a goz nyomása állandó, és a turbinán átáramló goz tömegáramát nem változtatjuk. Mivel a célunk a turbina – és ezzel együtt a kondenzátor – állandó üzeme, a szabályozáshoz elegendo a p_s goznyomás állandó értékének biztosítása.


Összefoglalás

A környezetvédelmi és gazdasági szempontok a földgáz bevezetésére s a pakura tüzelés mérséklésére ösztönözték a Székesfehérvári eromu vezetoit. A felszabaduló 2 db 500 m³ térfogatú tüzeloanyag tárolók lehetoséget kínáltak a melegvíz tárolására és az eromuben a hotermelés egyenletesebbé tételére. Az egyenletes hotermelés a futoturbina nyári üzemeltetésének lehetoségét is felvetette, s ezáltal kedvezonek mutatkozott a kapcsolt ho- és villamosenergia termelésben rejlo energetikai elonyök kihasználása.

A HMV felhasználásban az utóbbi években jelentos mértéku változás volt tapasztalható. Ezért a hotárolás lehetoségeit az 2000. év hofelhasználási és üzemeltetési adatainak figyelembe vételével végeztük, a vizsgálathoz 500 GJ/nap hofelhasználást feltételeztünk.

A muszaki lehetoségek figyelembe vételével kidolgoztuk a hotárolás koncepcióját, javaslatot készítettünk a rendszerbe illesztésre, számítógépi programmal különbözo üzemviteli állapotokat elemeztünk. A muszaki gazdasági elemzés alapján legkedvezobbnek mutatkozó változatnak meghatároztuk a beruházási és üzemeltetési költségeit és egyszerusített számítással meghatároztuk a várható megtérülési idejét. A gazdasági elemzés a hotárolás mielobbi megvalósítására ösztönöz.

Az elemzés alapján megállapítható, hogy a közel 46 MFt beruházási költséggel megvalósítható hotároló rendszer megtérülési ideje 1,2 ill. 1,27 év. A viszonylag gyorsan megtérülo beruházási költség azonban csak a homogén tüzeloanyag (pakura, vagy földgáz) felhasználás esetében adódik. Ha a nagyteljesítményu gozkazán üzemeltetése pakurával, a forróvíz kazán üzemeltetését földgázzal feltételezzük ( második változat ) a kapcsolt energiatermelés 20 MFt többletkiadást eredményez a közvetlen hotermeléssel szemben. Ez utóbbi megállapítás természetesen a mai pakura és földgáz árak mellett igaz.


1 Az „Energiahatékonyság, energiapiac és környezetvédelem…” konferencia dolgozata.

2 Összes hotermelés, a hokiadás és a belso hofogyasztás összege.