Zmniejszenie strat hydraulicznych w rurociągach

W rurociągach eksploatowanych przez wiele lat rosną straty hydrauliczne (opory przepływu) wskutek postępującej korozji lub zarastania wewnętrznych powierzchni rur w przypadku transportu niektórych roztworów lub mieszanin, a nieraz nawet wody.

Przykład. Skorodowanym żeliwnym rurociągiem DN 500, o długości 10 km, przez ponad 100 lat była transportowana woda ze stacji uzdatniania do jednego z miast. Wymiana go na nowy rurociąg stalowy DN 800 umożliwiła zmniejszenie strat hydraulicznych o Δh = 30 m i obniżenie o 136 kW poboru mocy przez pompy; ich wirniki można wtedy stoczyć zmniejszając wysokość podnoszenia o 30 m. Oszczędności e.e. to 1,2 mln kWh/a [2].

Zmniejszenie średnicy wewnętrznej z d do d′, wskutek zarośnięcia rury, spowoduje wzrost oporów przepływu ok. (d/d′)^4,5 razy [2]; np. zmniejszenie średnicy wewnętrznej ze 100 mm do 95 mm, tj. o 5%, spowodowałoby wzrost oporów aż o 26%. Proces zarastania należy więc kontrolować oraz czyścić, a niekiedy nawet – wymieniać rury, likwidując nadmierne straty.

W jednej z dużych elektrociepłowni, z niewiadomych powodów, w rurociągach o średnicy DN 900, przez które okresowo płynie nawet 3,4 m³/s wody, znajdują się dość długie odcinki rur o średnicy DN 600. Przepływ ww. ilości cieczy przez zwężony odcinek o długości ok. 30 m powoduje okresowe straty hydrauliczne sięgające Δh ≈ 14 m i straty e.e. rzędu 0,8 mln kWh/a. Można by ich uniknąć wymieniając rury DN 600 na większe; przy bardzo wysokich cenach energii taka operacja z pewnością się opłaci.

Eliminacja dławienia przez zmianę koncepcji układu pompowego

Na rysunku 5a pokazano schemat układu wody sieciowej, jaki do niedawna można było spotkać w wielu krajowych ciepłowniach komunalnych (CK) [2]. Kilka połączonych równolegle pomp obiegowych (sieciowych) tłoczy wodę do kotłów, które ją podgrzewają.

Po podgrzaniu woda płynie do sieci miejskiej (m.s.c.). Część wody z pomp trafia w obiegu tzw. zimnego zmieszania i łączy z wodą z kotłów, w celu obniżenia jej temperatury do wartości wymaganej przez m.s.c. Zbyt wysokie ciśnienie w tym obiegu redukuje zawór dławiący. Sprawność chwilowa całego układu (chwilowa ef. en. układu pompowego) w kilku CK była rzędu 13%-15%, głównie wskutek znacznych strat dławienia w zaworach. Modernizacje polegały na usunięciu zaworu, wstawieniu dodatkowej pompy p₂ (rys. 5b) o wysokości podnoszenia rzędu 40 m, znacznie mniejszej niż dla pomp p (110-130 m) i zmniejszeniu wydajności zmodernizowanych pomp (p → p₁); oszczędności e.e. szacowano na co najmniej 1,5 mln kWh/a w każdej instalacji [2].

Inny, konkurencyjny sposób eliminacji szkodliwego energetycznie dławienia przepływu, to wstawienie w miejsce zaworu dławiącego pompy pracującej jako turbina (PAT, rys. 5c) lub turbiny wodnej (w dużych instalacjach).

Eliminacja dławienia przez zastosowanie turbin lub pomp w ruchu turbinowym

W przykładzie dotyczącym części m.s.c. Warszawy, zasilanej przez EC Siekierki, oszacowano korzyści, jakie wynikłyby z zastosowania turbin w początkowych odcinkach sieci (rys. 6). Różnica ciśnień Δp_s = p_z – p_p wody sieciowej „na zaciskach” EC musi być na tyle duża, aby pokonać opory przepływu na całej długości magistrali zasilającej i powrotnej oraz w najbardziej odległych od EC grupach ogrzewanych obiektów; w omawianym przypadku H_EC = (p_z – p_p)/ρg ≈ 115 m. W początkowych odcinkach sieci ciśnienie jest zbyt wysokie i trzeba je zmniejszać przez dławienie w zaworach, wskutek tego traci się ok. 19 mln kWh/a e.e. Instalując w początkowych odcinkach sieci turbiny i/lub pompy pracujące jako turbiny można by tylko dla tej jednej EC + m.s.c. odzyskać ok. 7,5 mln kWh/a e.e., oddając ją do sieci elektroenergetycznej [2]. Ze względu na utrzymanie minimalnego ciśnienia przed najbardziej oddalonymi odbiorcami konieczne może okazać się zainstalowanie przed nimi pomp wspomagających, co w niewielkim stopniu zmniejszyłoby ww. korzyści energetyczne.

Inny przykład odzyskania e.e. w wielu węzłach ciepłowniczych m.s.c. Krakowa zamieszczono w artykule [7]. Oszacowano, że dla węzłów, w których wykorzystywane byłyby urządzenia typu PAT o mocach P ≥ 1 kW, możliwa do uzyskania moc w okresie zimowym wynosiłaby łącznie od ok. 230 kW do 500 kW. Pozwoliłoby to na odzyskanie co najmniej 1,3 mln kWh/a. Dla większego urządzenia PAT o mocy 40 kW, umieszczonego w tej samej m.s.c., ilość możliwej do odzyskania e.e. oceniono na 165 400 kWh/a [8].

W wielu gałęziach gospodarki funkcjonują różne instalacje, w których jest tracona energia związana z rozprężaniem cieczy lub gazu, o ciśnieniu wynikającym z wymagań procesów technologicznych. W ciągach technologicznych różnych obiektów przemysłu chemicznego i petrochemicznego początkowe ciśnienia sięgają 30 MPa [9] i po zakończeniu procesu muszą być zdławione do nie więcej niż 2 MPa; przy tym w większości przypadków przepływy są stosunkowo niewielkie, najczęściej rzędu kilku, kilkudziesięciu (rzadko kilkuset) m³/h.

W publikacji [9] przedstawiono propozycję zastosowania PAT w instalacji do produkcji syntetycznego amoniaku. Ciśnienie w reaktorze chemicznym wynosiło ok. 31 MPa. Wytworzony amoniak powinien być rozprężony do ciśnienia ok. 2 MPa, wskutek czego tracona jest moc 300-2000 kW, zależnie od strumienia amoniaku. Zamiana zaworu dławiącego na wielostopniową PAT pozwoliłaby na odzyskanie znacznej ilości e.e.

W instalacjach spotykanych w energetyce i gospodarce komunalnej, np. w przelewach na kanałach wody chłodzącej w elektrowniach, przepływy sięgają 80 000 m³/h i więcej, przy spadach rzędu 0,5-5 m. W jednej z dużych elektrociepłowni na zrzucie wody chłodzącej zainstalowano turbinę wodną Kaplana o mocy 1,4 MW produkującą ponad 4 mln kWh/a e.e., zużywanej na potrzeby własne. Możliwych do stosunkowo łatwego wykorzystania podobnych przypadków jest praktycznie tyle, ile jest w Polsce elektrowni i elektrociepłowni z otwartymi obiegami chłodzenia skraplaczy.

Podobne spady, przy mniejszych przepływach sięgających kilku tysięcy m³/h, można spotkać na zrzutach do rzek lub zbiorników wodnych ścieków oczyszczonych w oczyszczalniach. W jednej z dużych oczyszczalni ścieków do wykorzystania byłaby energia takich ścieków, zrzucanych do rzeki w ilości ok. 3500 m³/h, przy różnicy poziomów ok. 3 m. Jej odzyskanie pozwoliłoby na wytworzenie ok. 200 000 kWh/a e.e. na potrzeby własne oczyszczalni, zmniejszając zapotrzebowanie na energię pobieraną z sieci.