Koncepcja odzysku ciepła odpadowego powstałego w wyniku … · 2019. 11. 26. · KONCEPCJA ODZYSKU CIEPŁA ODPADOWEGO POWSTAŁEGO W WYNIKU PROCESU ZESTUDZENIA WODY TECHNOLOGICZNEJ

KONCEPCJA ODZYSKU CIEPŁA ODPADOWEGO POWSTAŁEGO W

WYNIKU PROCESU ZESTUDZENIA WODY TECHNOLOGICZNEJ W

KOPALNI „BOGDANKA”

Autorzy: Sebastian Waniczek, Piotr Kołodziej, Łukasz Bartela

(„Rynek Energii” – październik 2019)

Słowa kluczowe: chłodzenie, odzysk ciepła, koncepcja technologiczna, górnictwo

Streszczenie. W artykule zaprezentowano rezultaty analiz, jakimi objęto dwa warianty systemu odzysku ciepła

odpadowego, powstałego w wyniku procesu zestudzenia wody technologicznej w kopalni Lubelski Węgiel

„Bogdanka”. W przypadku obu wariantów za nadrzędny cel stawia się chłodzenie wody technologicznej wyko-

rzystywanej przez kopalnię do chłodzenia maszyn górniczych (silniki, kombajny, strugi i inne urządzenia infra-

struktury podziemnej). W trakcie opracowywania pierwszej koncepcji przeanalizowano istniejący układ wody

technologicznej, dokonano przeglądu dostępnych komercyjnie urządzeń, które mogły zostać użyte do budowy

instalacji schładzania wody technologicznej. Drugi wariant instalacji zakładał modyfikację wariantu bazowego

w celu umożliwienia odzyskiwania części ciepła odpadowego z procesu chłodzenia.

Na podstawie przekazanych przez Użytkownika danych historycznych obejmujących temperatury otoczenia,

temperatury wody technologicznej i jej przepływy dobrano urządzenia i oszacowano orientacyjny koszt schła-

dzania 1 m3 wody oraz w przypadku wariantu drugiego dodatkowo koszt wytworzenia 1 GJ ciepła użytkowego.

1. WSTĘP

Kopalnia „Bogdanka” jest zlokalizowana w Centralnym Rejonie Węglowym (CRW), położo-

nym w północno-wschodniej, najlepiej rozpoznanej części Lubelskiego Zagłębia Węglowego.

Pod względem geograficznym Centralny Okręg Węglowy leży w granicach Polesia Lubel-

skiego, a tylko niewielkie jego fragmenty przechodzą na Wyżynę Lubelską. Pod względem

administracyjnym kopalnia „Bogdanka” położona jest w województwie lubelskim, na obsza-

rze gminy Puchaczów.

Średnia roczna temperatura powietrza w okresie wielolecia wynosi 7,3°C ÷ 7,4 °C, średnia

temperatura najzimniejszego miesiąca, stycznia wynosi -4,1 °C, a średnia temperatura najcie-

plejszego miesiąca, lipca wynosi 17,9 °C, roczna amplituda temperatur wynosi 22,6 °C. Na

obszarach leśnych i w ich sąsiedztwie dobowe wahania temperatur ulegają znacznemu złago-

dzeniu.

W stanie obecnym Zakład zmaga się z problemem temperatury wody technologicznej (zwanej

też wodą ppoż.), która wykorzystywana jest w Kopalni do chłodzenia urządzeń górniczych.

Jej temperatura w okresie od kwietnia do października przekracza 30 °C. Z punktu widzenia

pracy urządzeń górniczych optymalna temperatura wody technologicznej to 19 °C. Surowiec

do produkcji wody technologicznej to wody dołowe (wody kopalniane wypompowywane na

powierzchnię), które trafiają do dużych zbiorników powierzchniowych w formie osadników,

o pojemności 70000 m3 każdy, gdzie woda ogrzewa się od otoczenia i promieniowania sło-

necznego.

Rys. 1. Kopalnia Bogdanka z zaznaczonym rejonem

poboru wody technologicznej (źródło: Google Maps)

Na rysunku 2 pokazano roczny wykres temperatur otoczenia (linia A), wody ppoż. (linia B)

oraz temperatury doboru mocy chłodniczej, górną (linia C) i dolną (linia D).

Rys. 2. Wykres temperatur wody oraz otoczenia za 2017 r.

Rys. 3 przedstawia te same temperatury w przedziale od kwietnia do pażdziernika 2017 r.

Rys. 3. Wykres temperatur wody oraz otoczenia w okresie kwiecień - październik 2017 r.

Schłodzenie określonych przez Użytkownika strumieni wody z temperatury 30 °C do 19 °C

wymaga odpowiednio mocy chłodniczej:

~1920 kW dla 150 m3/h,

~3840 kW dla 300 m3/h,

~5760 kW dla 450 m3/h.

Na terenie kopalni „LW Bogdanka” nie występuje żadna instalacja ani medium, które stano-

wiłyby wystraczające źródło chłodu na potrzeby schładzania wody technologicznej.

2. WARIANT I – WYŁĄCZNIE CHŁODZENIE WODY

Jako podstawę do opracowania koncepcji przyjęto następujące założenia:

- temperatura wody ppoż. po schłodzeniu: 18,5 °C,

- temperatura górna doboru mocy chłodniczej: 30 °C,

- okres pracy instalacji: 01 kwiecień ÷ 01 październik,

- strumienie wody ppoż. do schłodzenia: 150 m3/h (2,5 m3/min), 300 m3/h (5,0 m3/min), 450

m3/h (7,5 m3/min),

- ceny jednostkowe: energia elektryczna: 0,30 zł/kWh, woda ppoż.: 3,65 zł/m3, woda po

RO: 4,00 zł/m3,

- temperatury wody ppoż. i otoczenia według rys.3,

- żywotność instalacji 25 lat.

Po przeanalizowaniu stanu istniejącego, dostępnych danych wejściowych oraz przyjętych i

uzgodnionych założeń opracowano schemat technologiczny instalacji schładzania, który

przedstawiono na rysunku 4.

W instalacji można wyróżnić kilka podstawowych obiegów:

- obieg cieczy chłodzonej,

- wewnętrzny obieg chłodzenia,

- zewnętrzny obieg chłodzenia.

Rys. 4. Schemat technologiczny instalacji schładzania

Rys. 5. Instalacja chłodzenia wody technologicznej: 1- obieg cieczy chłodzonej, 2 - wewnętrzny obieg

chłodzenia, 3 - zewnętrzny obieg chłodzenia

Rys. 6. Główne elementy obiegu cieczy chłodzonej

W obiegu cieczy chłodzonej (rysunek 6) woda technologiczna doprowadzona będzie do no-

woprojektowanej hali agregatów dwoma rurociągami dn355. Po wejściu do budynku (1) na

rurociągach zostaną zabudowane zawory odcinające (2) umożliwiające pobór wody z dowol-

nego rurociągu lub obu na raz, oraz zawory odcinające bypassowe (3), które będą otwierane,

gdy instalacja chłodnicza nie będzie pracowała. Za zaworami odcinającymi (2) rurociągi zo-

staną połączone we wspólny kolektor, do którego zostaną wpięte 4 zestawy wymienników

ciepła. W składa każdego zestawu wchodzi pompa przewałowa (4) oraz płytowy wymiennik

ciepła (5) o mocy 2000 kW. Woda zasysana będzie z kolektora przez pracującą pompę prze-

wałową i kierowana będzie na wymiennik ciepła, gdzie będzie ochładzana przez wodę krążą-

cą w wewnętrznym obiegu chłodzącym. Ochłodzona woda będzie kierowana na zbiorczy

kolektor wylotowy, gdzie poprzez armaturę odcinającą (6) będzie kierowana do jednego lub

dwóch rurociągów dn355 (7) w stronę zbiorników wody ppoż.

Zakłada się następujące parametry pracy jednego pracującego zestawu pompa-wymiennik:

- przepływ wody ppoż. 150 m3/h,

- wymieniana moc chłodnicza 2000 kW,

- nominalna wlotowa temperatura po stronie wody technologicznej 30 °C,

- nominalna wylotowa temperatura po stronie wody technologicznej 18,5 °C,

- nominalna wlotowa temperatura po stronie wody chłodzącej 15 °C,

- nominalna wylotowa temperatura po stronie wody chłodzącej 25 °C.

Zastosowanie 4 identycznych zestawów pompa-wymiennik pozwala na pracę układu dla

trzech wielkości strumieni:

- jeden pracujący zestaw do 150m3/h,

- dwa pracujące zestawy do 300m3/h,

- trzy pracujące zestawy do 450m3/h.

Czwarty zestaw, stanowiący rezerwę ruchowo remontową, będzie uruchamiany w sytuacji

braku dyspozycyjności jednego z pozostałych zestawów lub w przypadku wystąpienia eks-

tremalnych temperatur wody schładzanej.

Rys. 7. Główne elementy wewnętrznego obiegu chłodzenia

Na rysunku 7 przedstawiono wewnętrzny obieg chłodzenia. Podstawowymi urządzeniami

układu są odśrodkowe agregaty chłodnicze (1), które będą schładzać krążącą w obiegu wodę

do temperatury 15 °C. Obieg wody wymuszony będzie za pomocą jednej pracującej pompy

obiegowej (2), druga pompa stanowi 100%-ową rezerwę.

Pompy wyposażone będą w falowniki, za pomocą których będzie dopasowywany przepływ

do ilości aktualnie pracujących agregatów chłodniczych. Woda po schłodzeniu przepływać

będzie przez aktualnie pracujący wymiennik ciepła (3). Ilość pracujących wymienników cie-

pła uzależniona jest od strumienia wody technologicznej. Pojedynczy agregat chłodniczy jest

w stanie pracować w zakresie mocy chłodniczej od 200 kW do 2000 kW, a ze względu na

osiągane sprawności zalecane jest utrzymywanie odpowiedniej ilości agregatów w stosunku

do wymaganej mocy chłodniczej, która wynika wprost z przepływu wody ppoż i jej tempera-

tury.

W koncepcji przeanalizowano 5 różnych agregatów chłodniczych firmy York, dla których

parametry zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Porównanie parametrów agregatów chłodniczych pracujących z obciążeniem 75% znamionowej mocy

chłodniczej

L

P Model

Moc

chłodni-

cza, kW

Pobór

mocy,

kW

Chło-

dziwo

Wymaga-

na tempe-

ratura

chłodziwa

Ilość

pracują-

cych

agregatów

Całkowita

moc chłod-

nicza, kW

Całkowity

pobór mocy,

kW

COP.R,

kW/kW

1

YZ-

MA041AN045P042

A

1500 138,2 woda 28 4 6000 552,8 10,85

2 YKG3E3P85CIGS 1500 161,6 woda 28 4 6000 646,4 9,28

3 YKE3EPQ65COGS 1500 264 r-r gli-

kolu 38 4 6000 1056 5,68

4 YVAA1650 1500 520 powie-

trze 35 4 6000 2080 2,88

5 YMC2-S2000AB 1500 211,37 woda 35 4 6000 845,48 7,10

Jak widać najbardziej ekonomicznie uzasadnioną jednostką jest agregat YZ, który cechuje się

najwyższym współczynnikiem COP.R, jednak należy zwrócić uwagę, że podobnie jak agregat

YKG3 osiąga go przy temperaturze zasilania skraplacza na poziomie 28 °C, co w warunkach

najwyższych letnich temperatur otoczenia praktycznie dyskwalifikuje obie jednostki. Z pozo-

stałych trzech jednostek, które mogą pracować przy temperaturach otoczenia na poziomie

35 °C najwyższy współczynnik COP.R posiada agregat YMC2, który dodatkowo cechuje się

niskimi kosztami serwisowymi, oraz posiada napędy zasilane napięciem 0,4 kV, a więc speł-

nia wszystkie oczekiwania Użytkownika.

Rys. 8 Agregat YMC2-S2000AB

Tabela 2. Ilość pracujących agregatów dla zapotrzebowania na moc chłodniczą

Zakres wymaga-

nej mocy chłod-

nicza [kW]

Ilość pracują-

cych agregatów

Wymagany prze-

pływ wody

w układzie [m3/h]

0 0 0

200 ÷1500 1 173

1500 ÷ 3000 2 345

3000 ÷ 4500 3 518

4500 ÷ 6000 4 690

Do dalszej analizy przyjęto agregat YMC2-S2000AB.

W tabeli 2 zestawiono wymagane ilości agregatów, określone dla osiąganej ich sprawności w

zależności od mocy chłodniczej (Q) i temperatury wody chłodzącej agregat, która krąży w

zewnętrznym obiegu chłodzenia (Tzoc).

Tabela 3. Pobór mocy elektrycznej agregatu w kW dla różnych obciążeń

Q , kW

Tzoc ,

°C

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

3 15,11 12,10 14,42 21,91 34,27 47,41 67,40 91,95 121,05 154,08

6 15,11 13,02 13,46 20,41 30,43 44,36 60,87 84,12 110,36 142,25

9 14,94 13,85 12,57 19,04 27,18 42,27 58,55 80,85 107,27 138,50

12 14,73 14,57 12,78 18,20 26,67 41,37 59,55 84,17 114,36 150,72

15 11,17 12,54 16,00 23,96 35,56 51,33 70,85 95,98 127,57 161,42

18 10,27 15,12 22,00 31,52 44,33 60,33 80,88 105,47 136,47 173,31

21 16,12 22,86 30,96 42,22 56,53 74,77 97,02 122,89 155,31 192,31

24 22,91 31,40 41,07 53,73 70,22 90,23 113,82 142,60 176,30 216,24

27 32,16 40,28 52,31 67,11 85,18 106,76 132,70 163,93 200,11 243,75

30 42,54 51,59 64,91 81,59 101,60 125,17 153,51 186,81 226,73 270,97

33 52,70 62,29 78,21 96,72 119,08 145,00 175,99 212,46 253,81 304,14

35 64,89 70,09 86,83 106,99 130,96 159,53 192,25 230,48 273,76 329,65

Rezultaty zestawione w tabeli 3 pokazują, iż np. dla chłodziwa o temperaturze 35 °C, dwa

pracujące agregaty z mocą chłodniczą 1000 kW każdy, będą pobierały ~262 kW mocy elek-

trycznej, podczas gdy jeden agregat pracujący z mocą chłodniczą 2000 kW będzie pobierać

~330 kW. Dlatego też, dla zakładanej mocy chłodniczej 6000 kW, przewiduje się pracę 4

agregatów chłodniczych z obciążeniem 75% na 3 wymienniki, a w przypadku awarii agregatu

lub odstawienia maszyny do remontu/przeglądu będą pracowały 3 agregaty z obciążeniem

100% na 3 wymienniki.

Jako medium chłodnicze do odbioru ciepła z wody ppoż. przewiduje się stosować wodę po

odwróconej osmozie, która dostępna jest na stacji uzdatniania wody (SUW).

Rys. 9. Główne elementy zewnętrznego układu chłodzenia

Na rysunku 9 przedstawiono główne elementy zewnętrznego układu chłodzenia. Ze względu

na ograniczenie zużycia wody, związanego z odparowaniem w otwartych wieżach chłodni-

czych i wieżach chłodniczych z ciągłym zraszaniem, zdecydowano się na zastosowanie dry-

coolerów ze zraszaniem uruchamianym, gdy temperatura otoczenia przekracza 32 °C.

Podstawowymi elementami układu są chłodnice wentylatorowe (1), które rozpraszają ciepło,

odebrane za pomocą wody z agregatów chłodniczych (3), do otoczenia. Układ jest układem

zamkniętym, a przepływ w nim jest wymuszony za pomocą pomp obiegowych (2).

W instalacji zabudowanych będzie 7 chłodnic (w tym jedna rezerwowa) oraz 3 pompy

z falownikami (w tym jedna rezerwowa).

Podstawowe parametry pojedynczej chłodnicy:

- temperatura wejściowa czynnika 42 °C,

- temperatura wyjściowa czynnika 35 °C,

- przepływ nominalny czynnika 150 m3/h,

- moc chłodnicza 1200 kW,

- temperatura obliczeniowa powietrza 35 °C,

- wilgotność względna na wlocie 35%,

- temperatura uruchomienia zraszania 32 °C,

- zużycie wody na cele zraszania 0,891 m3/h,

- moc elektryczna wentylatorów 72,0 kW.

Rys. 10. Schemat metody szacowania kosztu schłodzenia wody technologicznej [6]

Chłodnice zostały tak dobrane, aby pracować na sucho w temperaturach otoczenia do 32 °C.

Powyżej tej temperatury zostanie uruchomiony układ zraszający, który będzie rozpylał mgłę

wodną w strumieniu powietrza napływającego na ścianki chłodnic. Odparowanie mgły nastę-

puje w samym strumieniu powietrza, a nie na ściankach chłodnicy. Do zasilania układu zra-

szającego przewidziano wykorzystanie wody po odwróconej osmozie. Jako medium chłodni-

cze przewiduje się stosować wodę po odwróconej osmozie, która dostępna jest na SUWie. W

oparciu o opisaną powyżej technologię oszacowano koszt 1 m3 schłodzonej wody technolo-

gicznej. Na rysunku 10 pokazano schematycznie sposób szacowania kosztu.

Symbolem „*” zaznaczono dane wejściowe, a symbolem „#” poszczególne koszty obliczone.

Ze względu na złożoność modelu obliczeniowego i wzajemną zależność poboru energii elek-

trycznej od temperatury powrotnej wody z chłodnic, założono, że ciepło odpadowe jest równe

120% mocy chłodniczej. Obliczenia wykonano na podstawie danych historycznych tempera-

tur wody technologicznej dla okresu od 01.04.2017 do 30.09.2017 r. oraz dla kombinacji

temperatur schłodzonej wody technologicznej w zakresie od 17,5 °C do 23 °C i przepływów

150 m3/h, 300 m3/h, 450 m3/h.

Przedstawione w tabeli 4, tabeli 5 oraz tabeli 6 oszacowane koszty zestudzenia wody zostały

określone jako koszty mediów na potrzeby pracy instalacji (energia elektryczna [1÷5], i woda

do zraszania [5]) i nie obejmują kosztów amortyzacji, podatków, remontów oraz kosztów

serwisowych maszyn i urządzeń. Na rysunku 14 przedstawiono wybrane rezultaty obliczeń.

Tabela 4. Koszt schłodzenia dla przepływu 150m3/h

Temp wo-

dy ppoż. po

schłodzeniu

[°C]

Koszt ener-

gii elek-

trycznej

związany z

pracą agre-

gatu

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą pomp

przewałowych

Koszt ener-

gii elek-

trycznej

związany z

pracą pomp

obiegu

wew.

Koszt ener-

gii elek-

trycznej

związany z

pracą pomp

obiegu zew.

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą chłod-

nic

Koszt

wody do

zraszania

Łączny koszt

związany ze

schłodzeniem

wody

Jednostkowy

koszt zwią-

zany ze

schłodzeniem

1m3 wody

17,5 75 232,68 zł 4 620,85 zł 41 615,49 zł 58 782,80 zł 122 974,20 zł 255,42 zł 303 481,45 zł 0,53 zł

18 67 867,93 zł 4 372,69 zł 39 978,75 zł 56 332,55 zł 112 953,60 zł 255,42 zł 281 760,94 zł 0,51 zł












Temp wo-

dy ppoż. po

schłodzeniu

[°C]

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą agrega-

tu

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą pomp

przewałowych

Koszt ener-

gii elek-

trycznej

związany z

pracą pomp

obiegu

wew.

Koszt ener-

gii elek-

trycznej

związany z

pracą pomp

obiegu zew.

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą chłod-

nic

Koszt

wody do

zraszania

Łączny koszt

związany ze

schłodzeniem

wody

Jednostkowy

koszt zwią-

zany ze

schłodzeniem

1m3 wody














Temp wo-

dy ppoż. po

schłodzeniu

[°C]

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą agrega-

tu

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą pomp

przewałowych

Koszt ener-

gii elek-

trycznej

związany z

pracą pomp

obiegu

wew.

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą pomp

obiegu zew.

Koszt energii

elektrycznej

związany z

pracą chłod-

nic

Koszt

wody do

zraszania

Łączny koszt

związany ze

schłodzeniem

wody

Jednostkowy

koszt zwią-

zany ze

schłodzeniem

1m3 wody













Rys. 11. Zestawienie kosztów dla kombinacji przepływów i temperatur

3. WARIANT II – DODATKOWY ODZYSK CIEPŁA ODPADOWEGO

Jak wykazała analiza wariantu I w trakcie chłodzenia powstają znaczne ilości niskotemperatu-

rowego ciepła odpadowego (max 42 °C), które, w zależności od strumienia wody ppoż., wy-

noszą odpowiednio:

~2400 kW dla 150 m3/h,

~4800 kW dla 300 m3/h,

~7200 kW dla 450 m3/h.

Niestety, temperatura na poziomie ~40°C nie pozwala na racjonalne wykorzystanie tego cie-

pła bezpośrednio na terenie zakładu.

Rys. 12. Lokalizacja obiektów (1 - magistralna sieć ciepłownicza; 2 - budynek instalacji chłodzenia wody tech-

nologicznej; 3 - budynek instalacji odzysku ciepła)

Analiza wariantu II zakłada odpowiednią nadbudową instalacji zgodnej z wariantem I, pro-

wadzącą do opracowania rozwiązania technicznego umożliwiającego obniżenie temperatury

wody technologicznej do 19 ºC przy jednoczesnym zagospodarowaniu ciepła odpadowego. W

bezpośrednim sąsiedztwie przewidywanej instalacji schładzania wody technologicznej prze-

biega magistralna sieć ciepłownicza dla miasta Łęczna, dlatego też zdecydowano się na wy-

dzielenie instalacji odzysku ciepła i zlokalizowanie jej w rejonie tej magistrali.

Odpowiednio na rysunku 16 oraz rysunku 17 pokazano wykresy temperatur zasilania (linia A)

i powrotu wody ciepłowniczej (linia B) oraz wykres mocy magistralnej sieci ciepłowniczej

dla miasta Łęczna, właściwe dla roku 2017.

Rys. 13. Temperatury w magistralnej sieci ciepłowniczej

Rys. 14. Moc magistralnej sieci ciepłowniczej

Wstępnie przeanalizowano dwie konfiguracje instalacji odzysku ciepła, jedna zabudowana

szeregowo, przed instalacją schładzania, po stronie wody ppoż., a druga za instalacją schła-

dzania po stronie zewnętrznego układu chłodzenia. Konfiguracje zilustrowano odpowiednio

na rys. 18 i 19.

Rys. 15. Konfiguracja 1 zabudowy instalacji odzysku ciepła

Rys. 16. Konfiguracja 2 zabudowy instalacji odzysku ciepła

W przypadku konfiguracji 1 nie występują żadne czynniki, które mogłyby wpływać negatyw-

nie na pracę instalacji. Zarówno temperatury wody ppoż. jak i wody ciepłowniczej mieszczą

się w granicach dopuszczalnych. Należy zauważyć, że w tej konfiguracji zostaje znacząco

obniżona temperatura wody ppoż., która kierowana jest do instalacji schładzania. Oznacza to,

że możliwe jest skrócenie czasu eksploatacji instalacji schładzania lub znaczące dalsze obni-

żenie temperatury wody technologicznej (poniżej 18 °C).

Konfiguracja 2 ze względu na temperaturę dolnego źródła, jakim jest ciepło odpadowe z

agregatów chłodniczych (42°C), wydaje się być korzystniejsza. Niestety dla wielu agregatów

grzewczych taka wartość temperatury jest zbyt wysoka dla prawidłowej pracy parownika.

Dodatkowo należy zwrócić uwagę, że układ odzysku ciepła mógłby pracować jedynie wtedy,

gdy pracuje układ schładzania wody ppoż.

W związku ze zidentyfikowanymi przesłankami dalszymi analizami objęto wyłącznie układ

zgodny z konfiguracją 1. Szczegółowy schemat instalacji przestawnio na rysunku 20.

Założenia przyjęte dla analiz wariantu I zostały utrzymane.

Jako podstawowe urządzenia do odzysku ciepła zostały wybrane pompy ciepła.

Rys. 17. Schemat technologiczny instalacji odzysku ciepła

Dla potrzeb analiz dokonano przeglądu agregatów grzewczych, których zasada działania opie-

ra się na pompie ciepła.

Na podstawie rysunku 17 przyjęto, że optymalna moc cieplna instalacji powinna wynosić

pomiędzy 3,0, a 3,5 MW przy temperaturze wylotowej na poziomie 65 °C. Przyjęta tempera-

tura podgrzewu na poziomie 65°C pozwala na zastosowanie typowych agregatów grzewczych

dostępnych na rynku oraz jest ekonomicznie uzasadniona.

Do dalszej analizy przyjęto pompę ciepła VIESSMANN – model 352.AS1190SAH. Jest to

agregat grzewczy dwustopniowy, gdzie każdy stopień wyposażony jest w sprężarkę śrubową.

Agregat charakteryzuje zdolność do podgrzewu wody w układzie ciepłowniczym do 65 °C z

modulacją skokową mocy co 12,5%. Urządzenie posiada kompaktową zabudowę z możliwo-

ścią doposażenia o dedykowany zestaw do redukcji hałasu.

Rys. 18. Agregat grzewczy VIESSMANN – model 352.AS1190SAH widok z obudową i bez

Zakłada się, że w instalacji odzysku ciepła z wody technologicznej będzie można wyodrębnić

3 obiegi:

- obieg cieczy chłodzonej (woda ppoż.),

- wewnętrzny obieg - dolne źródło ciepła agregatów grzewczych,

- obieg wody ciepłowniczej.

Woda technologiczna doprowadzona będzie do nowoprojektowanej hali agregatów dwoma

rurociągami dn355. W budynku na rurociągach zostaną zabudowane zawory odcinające

umożliwiające pobór wody z dowolnego rurociągu lub z obu na raz, oraz zawory odcinające

bypassowe, które będą otwierane, gdy instalacja chłodnicza nie będzie pracowała. Za zawo-

rami odcinającymi rurociągi zostaną połączone we wspólny kolektor, do którego zostaną

wpięte 3 zestawy wymienników ciepła. W skład każdego zestawu wchodzi pompa przewało-

wa oraz płytowy wymiennik ciepła o mocy 2000 kW. Woda zasysana będzie

z kolektora przez pracującą pompę przewałową i kierowana na wymiennik ciepła, gdzie bę-

dzie ochładzana przez wodę krążącą w wewnętrznym obiegu chłodzącym. Pompy obiegowe

zasilane i sterowane będą bezpośrednio z agregatu grzewczego.

Ochłodzona woda będzie kierowana na zbiorczy kolektor wylotowy, gdzie poprzez armaturę

odcinającą będzie kierowana do jednego lub dwóch rurociągów dn355 w stronę instalacji

schładzania wody ppoż. opisanej w punkcie 2.

Podstawowymi urządzeniami wewnętrznego obiegu są agregaty grzewcze, które będą pobie-

rać ciepło z krążącej w obiegu wody, obniżając jej temperaturę. Obieg wody wymuszony

będzie za pomocą pomp obiegowych (po dwie na agregat), które będą zasilane i sterowane

bezpośrednio z agregatu. Przewiduje się zabudowę 3 agregatów grzewczych, gdzie dwa będą

pracować (w zależności od obciążenia), a jeden będzie stanowić rezerwę remontową.

Sterownik agregatu będzie tak prowadził jego pracę aby utrzymywać temperaturę wylotową

po stronie czynnika grzewczego na zadanym poziomie. Dlatego też temperatura jaka będzie

panować w wewnętrznym obiegu chłodzenia będzie pochodną nastawy temperatury po stro-

nie grzewczej.

Aby włączyć się do istniejącej magistralnej sieci ciepłowniczej w sposób umożliwiający jej

pracę z instalacją odzysku ciepła przewiduje się wstawienie dwóch trójników z zaworem od-

cinającym i napędem pomiędzy nimi na rurociągu powrotnym w rejonie nowoprojektowane-

go budynku. W trakcie pracy instalacji zawór pomiędzy trójnikami będzie znajdował się w

pozycji zamkniętej, umożliwiając zasilenie instalacji grzewczej i powrót ogrzanej wody z

powrotem do rurociągu powrotnego magistrali. Wewnątrz budynku woda ciepłownicza kie-

rowana będzie równolegle na pracujące agregaty. Sterownik agregatu będzie tak prowadził

jego pracę, aby utrzymywać temperaturę wylotową po stronie czynnika grzewczego na zada-

nym poziomie.

Rys. 19. Porównanie mocy cieplnej w sieci ciepłowniczej miasta Łęczna i agregatów grzewczych

Rys. 20. Wartości temperatur pracy w badanym okresie

Na rysunku 22 zestawiono zapotrzebowanie na ciepło w sieci ciepłowniczej (linia A) oraz

moc cieplną agregatów grzewczych (linia B). Na rysunku 23 pokazano przebiegi temperatur:

zasilania (linia A) i powrotu (linia B) w magistralnej sieci ciepłowniczej miasta Łęczna oraz

osiąganą temperaturę podgrzewu proponowanych agregatów grzewczych (linia C). Na pod-

stawie obu wykresów widać, że praktycznie w całym analizowanym okresie agregaty są w

stanie pracować z mocą cieplną na poziomie ~3,2 MW, jednak w pierwszym okresie (do ma-

ja) nie są w stanie podgrzać pełnego przepływu do oczekiwanej temperatury. W tym okresie

maksymalna możliwa do osiągnięcia temperatura wynosi pomiędzy 50, a 55 °C. Podobna

sytuacja występuje pod koniec badanego okresu.

Oba wykresy sporządzono dla przepływu wody ppoż. na poziomie 450 m3/h.

Dla scharakteryzowanego wariantu II oszacowano koszt produkcji 1 GJ ciepła. Na rysunku 24

pokazano schematycznie sposób szacowania kosztu. Układ odzysku ciepła ma istotny wpływ

na funkcjonowanie instalacji chłodzenia.

Symbolem „*” zaznaczono dane wejściowe, a symbolem „#” poszczególne koszty obliczone.

Tabele 8-10 przedstawiają porównanie kosztów dla trzech strumieni wody technologicznej.

Dodatkowo uwzględniono wariant, w którym zmniejszono ilość agregatów chłodniczych z 4

do 3 sztuk (obniżenie CAPEX), ze względu na obecność instalacji odzysku ciepła, która

wstępnie schładza wodę technologiczną.

Rys. 21 Schemat metody szacowania kosztu podgrzewu wody w sieci ciepłowniczej [7]

Tabela 7. Zestawienie kosztów dla przepływu 150m3/h

Nastaw a

temperatura

podgrzew u

[°C]

Minimalna

uzyskiw ana

temperatura

podgrzew u

[°C]

Maksymalna

uzyskiw ana

temperatura

podgrzew u

[°C]

Ciepło

dostarczone

[GJ]

Ilość w ody

ppoż.

schładzanej

w instalacji

chłodzenia

[m3]

Koszt pracy

instalacji [PLN]

Łączny koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia (z

odzyskiem)

Łączny koszt

schłodzenia 1m3

w ody ppoż. w

instalacji

chłodzenia (bez

odzysku)

Oszczędność

roczna na

schładzaniu

Ilość w ody

ppoż.

schładzanej w

instalacji

chłodzenia m3

(bez odzysku)

Koszt

produkcji

1GJ

ciepła

Koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia

Koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia

(ETAP I)

Min temp

w ody

ppoż po

odzysku

Koszt

schładzania

zł/m3 przy

założeniu, że

produktem

ubocznym

jest ciepło

Koszt

schładzania

zł/m3 przy

założeniu,

że

produktem

ubocznym

jest ciepło -

po

obniżeniu

CAPEX

45 42,9 45,0 8297 447300 135 403,18 zł 197 309,08 zł 260 229,72 zł 62 920,64 zł 531475 16,32 zł 0,44 zł 0,49 zł 7,36 0,52 zł 0,56 zł




62,5 49,6 62,5 28189 34425 668 636,95 zł 13 295,12 zł 260 229,72 zł 246 934,60 zł 531475 23,72 zł 0,39 zł 0,49 zł 7,79 1,60 zł 1,60 zł



Nastaw a

temperatura

podgrzew u

[°C]

Minimalna

uzyskiw ana

temperatura

podgrzew u

[°C]

Maksymalna

uzyskiw ana

temperatura

podgrzew u

[°C]

Ciepło

dostarczone

[GJ]

Ilość w ody

ppoż.

schładzanej

w instalacji

chłodzenia

[m3]

Koszt pracy

instalacji [PLN]

Łączny koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia (z

odzyskiem)

Łączny koszt

schłodzenia 1m3

w ody ppoż. w

instalacji

chłodzenia (bez

odzysku)

Oszczędność

roczna na

schładzaniu

Ilość w ody

ppoż.

schładzanej w

instalacji

chłodzenia m3

(bez odzysku)

Koszt

produkcji

1GJ

ciepła

Koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia

Koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia

(ETAP I)

Koszt

schładzania

zł/m3 przy

założeniu,

że

produktem

ubocznym

jest ciepło

Koszt

schładzania

zł/m3 przy

założeniu,

że

produktem

ubocznym

jest ciepło -

po

obniżeniu

CAPEX

45 42,9 45,0 8315 947950 135 701,84 zł 360 928,21 zł 423 808,26 zł 62 880,05 zł 1062950 16,32 zł 0,38 zł 0,40 zł 0,39 zł 0,43 zł




62,5 49,6 62,5 44527 475475 1 056 184,91 zł 104 851,75 zł 423 808,26 zł 318 956,51 zł 1062950 23,72 zł 0,22 zł 0,40 zł 0,88 zł 0,89 zł

65 49,5 65,0 48352 362000 1 209 771,54 zł 78 430,34 zł 423 808,26 zł 345 377,92 zł 1062950 25,02 zł 0,22 zł 0,40 zł 0,98 zł 0,99 zł


Nastaw a

temperatura

podgrzew u

[°C]

Minimalna

uzyskiw ana

temperatura

podgrzew u

[°C]

Maksymalna

uzyskiw ana

temperatura

podgrzew u

[°C]

Ciepło

dostarczone

[GJ]

Ilość w ody

ppoż.

schładzanej

w instalacji

chłodzenia

[m3]

Koszt pracy

instalacji [PLN]

Łączny koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia (z

odzyskiem)

Łączny koszt

schłodzenia 1m3

w ody ppoż. w

instalacji

chłodzenia (bez

odzysku)

Oszczędność

roczna na

schładzaniu

Ilość w ody

ppoż.

schładzanej w

instalacji

chłodzenia m3

(bez odzysku)

Koszt

produkcji

1GJ

ciepła

Koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia

Koszt

schłodzenia

1m3 w ody

ppoż. w

instalacji

chłodzenia

(ETAP I)

Koszt

schładzania

zł/m3 przy

założeniu,

że

produktem

ubocznym

jest ciepło

Koszt

schładzania

zł/m3 przy

założeniu,

że

produktem

ubocznym

jest ciepło -

po

obniżeniu

CAPEX





62,5 49,6 62,5 44527 1131562 1 056 184,91 zł 252 982,65 zł 598 125,57 zł 345 142,92 zł 1594425 23,72 zł 0,22 zł 0,38 zł 0,66 zł 0,68 zł

65 49,5 65,0 48352 1076287 1 209 771,54 zł 224 400,06 zł 598 125,57 zł 373 725,51 zł 1594425 25,02 zł 0,21 zł 0,38 zł 0,73 zł 0,74 zł

4. PODSUMOWANIE

Jak wykazała analiza przeprowadzona dla wariantu I wraz ze wzrostem strumienia wody

technologicznej koszt jednostkowy jej schładzania maleje, a wraz

z obniżaniem temperatury schładzania koszt jednostkowy jej schłodzenia rośnie.

W trakcie chłodzenia powstają znaczne ilości niskotemperaturowego ciepła odpadowego

(max 42°C), które, w zależności od strumienia wody ppoż., wynosi odpowiednio:

~2400 kW dla 150 m3/h,

~4800 kW dla 300 m3/h,

~7200 kW dla 450 m3/h.

Niestety, temperatura na poziomie ~40°C nie pozwala na racjonalne bezpośrednie wykorzy-

stanie tego ciepła na terenie zakładu. Dlatego zasadnym wydaje się być zrealizowanie kon-

cepcji według przedstawionego w artykule wariantu II, gdzie od połowy maja do połowy

kwietnia instalacja odzysku ciepła jest w stanie pokryć zapotrzebowanie na ciepło w 85% w

magistralnej sieci ciepłowniczej dla miasta Łęczna.

Koszt wytworzenia 1 GJ ciepła o temperaturze 65 °C za pomocą instalacji odzysku to ~25 zł

(koszt jedynie energii elektrycznej), co przy cenie 29,95 zł/GJ dla odbiorców jest wartością

korzystną. Należy przy tym mieć na uwadze, że w trakcie produkcji ciepła, produktem

„ubocznym” jest chłód, na który jest zapotrzebowanie po stronie instalacji wykorzystywanych

w obrębie kopalni. Koszt schładzania wody technologicznej jest silnie uzależniony od pracy

instalacji odzysku ciepła

Obie analizowane instalacje wpisuje się doskonale w strategię rozwoju „Łeczyńskiej Energe-

tyki”.

LITERATURA

[1] Karty katalogowe agregatów chłodniczych firmy York

[2] Karty katalogowe agregatów grzewczych firmy Viessmann

[3] Karty katalogowe pomp firmy Grundfos

[4] Karty katalogowe płytowych wymienników ciepła firmy SPX

[5] Karty katalogowe drycoolerów ThermoKey

[6] Zespół projektantów Energoprojekt Katowice S.A. Koncepcja zestudzania wody techno-

logicznej w Bogdance, W-1044, 08.2019

[7] Zespół projektantów Energoprojekt Katowice S.A. Koncepcja odzysku ciepła odpado-

wego powstałego w wyniku procesu zestudzenia wody technologicznej w Bogdance,

W-1050, 11.2019

CONCEPT OF WASTE HEAT RECOVERY WHICH IS PRODUCED DURING

COOLING OF TECHNOLOGY WATER AT “BOGDANKA” MINE

Key words: method cooling, heat recovery, technological concept, mining

Summary. The article presents the results of analyses of two variants of the waste heat recovery system result-

ing from the process of water cooling in the “Lubelski Węgiel Bogdanka” coal mine. In the case of both variants,

the primary objective is to cool process water used by the coal mine to cool mining machinery (engines, harvest-

ers, ploughs and other underground infrastructure equipment). During the development of the first variant, the

existing system of process water was analysed and the commercially available equipment that could be used to

construct a process water cooling system was reviewed. The second variant is modification of the first variant to

enable the recovery of part of the waste heat from the cooling process. On the basis of historical data provided

by the User, covering ambient temperatures, process water temperature and its flows, the devices were selected

and the approximate cost of cooling 1 m3 of water and, in the case of the second variant, the additional cost of

generating 1 GJ of usable heat was estimated.

Sebastian Waniczek, mgr inż., jest ekspertem do spraw projektowania w pracowni mecha-

nicznej M1 Energoprojektu Katowice S.A oraz doktorantem Politechniki Śląskiej; ul Jesio-

nowa 15, 40-159 Katowice, E-mail: [email protected]

Piotr Kołodziej, mgr inż., pełni funkcję dyrektora do spraw Eksploatacji w Łęczyńskiej

Energetyce Sp. z o.o. w Bogdance, 21-013 Puchaczów, E-mail: [email protected]

Łukasz Bartela, dr hab. inż., prof. PŚ, jest pracownikiem Instytutu Maszyn i Urządzeń Ener-

getycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach; ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, E-mail:

[email protected]

mailto:[email protected]

Documents

Koncepcja odzysku ciepła odpadowego powstałego w wyniku … · 2019. 11. 26. · KONCEPCJA ODZYSKU CIEPŁA ODPADOWEGO POWSTAŁEGO W WYNIKU PROCESU ZESTUDZENIA WODY TECHNOLOGICZNEJ