PL207007B1 - Sposób regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury wody w ciepłowniczym obiegu grzewczym i układ do regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury wody w ciepłowniczym obiegu grzewczym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury wody w ciepłowniczym obiegu grzewczym i układ do regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury wody w ciepłowniczym obiegu grzewczym przeznaczone szczególnie do równoważenia zapotrzebowania na energię cieplną pobieraną przez odbiorców z ilością wytwarzanego ciepła przez kotły węglowe.

W znanych sposobach i układach regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury wody w ciep łowniczych obiegach grzewczych, na ogół te same pompy obiegowe tłoczą wodę zarówno w zewnętrznym, jak i w wewnętrznym obiegu ciepłowniczym pokonując szeregowo opory hydrauliczne obu tych obiegów, mimo że okresowo znaczna część wody tłoczona jest z ciepłowniczego obiegu zewnętrznego ponownie do tego obiegu przez rurociąg obiegu zewnętrznego pomijający obieg wewnętrzny. Przepływ wymaganej ilości wody przez ciepłowniczy obieg wewnętrzny na ogół jest ustalany przez zawór regulacyjny zabudowany na rurociągu obejściowym obiegu wewnętrznego wprowadzając w ten obieg opór hydrauliczny równoważny oporom obiegów wewnętrznych. Zawór regulacyjny wykorzystuje się jednocześnie do sterowania temperaturą wody zasilającej ciepłowniczy obieg zewnętrzny i do sterowania w pewnym zakresie ciśnieniem dyspozycyjnym tego obiegu. Przy względnie stałym przepływie wody przez kotły sumaryczny przepływ wody w ciepłowniczym obiegu wewnętrznym zwiększa się wraz z ilością pracujących kotłów. Temperatura wody zasilającej ciepłowniczy obieg wewnętrzny regulowana jest w punkcie gorącego mieszania, a temperatura wody zasilającej obieg zewnętrzny regulowana jest w punkcie zimnego mieszania. Przepływ, ciśnienie i temperatura wody w obu obiegach regulowane są poprzez pracę w odpowiedniej konfiguracji, a następnie dławienie za pomocą zaworów regulacyjnych. Proces spalania węgla w kotłach regulowany jest przez obsługę kotłowni przy pomocy narzędzi sterowanych ręcznie.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 173860 sposób regulacji ilości przepływu i ciśnienia wody w obiegu grzewczym kotłowni z kotłami wodnymi polegający na tym, że pompy zimnego zmieszania zespołu zimnego mieszania i pompy obiegowe zespołu zasilającego zasysają wodę z przewodu powrotnego z sieci tak, że ilość przepływu do kotłów zespołu z pomp obiegowych reguluje się zespołem zaworu głównego, sterowanym sterownikiem zespołu kontrolno - pomiarowo - regulacyjnego, regulującym sumę przepływów na stałym zadanym poziomie wydajności przy zachowaniu stałej różnicy ciśnienia wody wylotowej z kotłów i ciśnienia wody powrotnej z sieci, którą reguluje się prędkością obrotową pompy obiegowej przez falownik sterowany sterownikiem układu kaskadowego załączania napędów pomp obiegowych. Ilość przepływu wody z upustów międzystopniowych pomp obiegowych do sieci cieplnej na stałym poziomie wydajności reguluje się zaworami sterowanymi sterownikami układu pomiarowo - regulacyjnego z upustów międzystopniowych pomp obiegowych. Ilość przepływu wody tłoczonej z pomp zimnego zmieszania zależną od obciążenia cieplnego sieci cieplnej reguluje się układem kaskadowego załączania napędów pomp zespołu przy zachowaniu stałej różnicy ciśnienia wody zasilającej sieć i ciśnienia wody powrotnej z sieci, którą reguluje się w funkcji prędkości obrotowej pompy przez falownik sterowany sterownikiem. Różnicę wody wylotowej z kotła i ciśnienia powrotnej z sieci regulowaną przez falownik na stałym poziomie zadaje się w sterowniku zespołu zasilającego o wartości większej od różnicy ciśnienia zasilania sieci i ciśnienia wody powrotnej z sieci regulowanej przez falownik na stałym poziomie, której wartość zadaje się w sterowniku zespołu zimnego mieszania równą stabilizowanemu ciśnieniu dyspozycyjnemu sieci cieplnej.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 173811 układ hydrauliczny do wymiany ciepła i regulacji przepływu wody grzewczej w obiegu ciepłowniczym kotłowni z kotłami wodnymi, w którym zespół zaworu głównego usytuowany za zespołem kotłów wejściem do pomp mieszających na przewodzie zasilającym sieć cieplną połączony jest z układem pomiarowo - regulacyjnym, którego sterownik wejściem połączony jest z sumatorem przepływów kotłowych, a sygnał wyjściowy steruje napęd zaworu zespołu regulując stałą ilość przepływu wody do kotłów w sterowniku. Sterownik zespołu zasilającego z pompami obiegowymi w układzie kaskadowego załączania napędów pomp, wejściem połączony jest z przetwornikami ciśnienia wody za kotłami i ciśnienia wody powrotnej z sieci, a wyjściem z falownikiem do regulacji prę dkoś ci obrotowej pompy sterują c iloś cią załączanych pomp, w iloś ci minimum dwóch pomp przy zachowaniu stałej różnicy ciśnienia wody za kotłami i ciśnienia wody powrotnej z sieci w funkcji prędkości obrotowej pompy regulowanej falownikiem podczas regulowanej ilości przepływ wody z pomp do kotłów przez zespół zaworu głównego. Wyjścia z upustów międzystopniowych wielostopniowych pomp obiegowych zespołu zasilającego połączone są przewodami upustowymi do przewodu zasilającego sieć cieplną za zespołem zaworu głównego, w którym ilość

PL 207 007 B1 przepływu wody do sieci o maksymalnej temperaturze zasilania 135° regulowana jest na stałych poziomach wydajności, po 20% nominalnych wydajności pomp obiegowych zaworami regulacyjnymi, sterowanymi w układzie pomiarowo - regulacyjnym sterownikami połączonymi wejściami z przetwornikami przepływu z kryz pomiarowych upustów, a wyjściami z napędami sterowanych zaworów regulacyjnych, równocześnie wyjście z pomp zimnego zmieszania zespołu zimnego mieszania, pomp o wysokości podnoszenia mniejszej od wysokości podnoszenia pomp obiegowych w zespole zasilającym o wysokoś ci oporów hydraulicznych kotł ów, tł oczą cych wodę z przewodu powrotnego z sieci cieplnej, wejściem połączone z przewodem powrotnym z sieci przed wejściem do zespołu zasilającego, łączy się z przewodem zasilającym sieć cieplną za zespołem zaworu głównego. Sterownik zespołu zimnego mieszania w układzie kaskadowego załączania napędów pomp łączy się wejściem z przetwornikami ciśnienia wody zasilającej sieć i ciśnienia wody powrotnej z sieci cieplnej i wyjściem z falownikiem, w którym to układzie sterownik steruje ilością załączonych pomp w ilości minimum dwóch pomp, uzupełniając ilość przepływu wody z pomp do sieci cieplnej i reguluje zadaną w sterowniku stałą różnicę ciśnienia wody zasilającej sieć i ciśnienia wody powrotnej z sieci, równej ciśnieniu dyspozycyjnemu sieci cieplnej w funkcji prędkości obrotowej jednej z pomp regulowanej falownikiem, przy zmiennej ilości przepływu wody z pomp do sieci cieplnej.

W znanych sposobach regulacji przepł ywu, ciśnienia i temperatury wody w ciepłowniczym obiegu grzewczym, obieg wewnętrzny nie jest wydzielonym obiegiem, co generuje straty energii elektrycznej będące następstwem dławienia przepływu wody przez zawór regulacyjny o wartości odpowiadającej hydraulicznym stratom przepływu wody przez pracujące kotły, przy czym straty są największe przy najmniejszej ilości kotłów, a to zachodzi w przeważającym okresie sezonu grzewczego. Głównym elementem regulacyjnym takich układów jest zawór regulacyjny zamontowany na rurociągu zamykającym obieg zewnętrzny, który dławi tak, aby zapewnić żądany przepływ wody przez pracujące kotły nie dając przy tym możliwości indywidualnego regulowania przepływu, ciśnienia i temperatury wody zasilającej poszczególne kotły. Ponadto zawór ten nie tylko reguluje przepływ wody w obiegu wewnętrznym generując opory hydrauliczne poprzez dławienie, ale również wpływa na dyspozycyjną różnicę ciśnień ciepłowniczego obiegu zewnętrznego, a w konsekwencji pośrednio na temperaturę wody zasilającej zewnętrzny obieg ciepłowniczy, co ma niekorzystny wpływ na wyniki regulacji. Wielopunktowa regulacja jakościowa wody grzejnej realizowana jest kaskadowo, co czyni ją skomplikowaną, a przy tym wyniki często są niejednoznaczne i obarczone poważnym błędem. W znanych sposobach i układach proces produkcji energii cieplnej nie jest bezpośrednio zintegrowany z jej przesyłaniem. Ilość wytwarzanej energii cieplnej w okresie pracy kotłów regulowanych ręcznie w większości przypadków nie równoważy potrzeb grzewczych odbiorców z jej produkcją. Stąd znaczenie równoważenia produkcji z potrzebami odbiorców jest umniejszane przez położenie głównego nacisku na regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury w poszczególnych punktach układu technologicznego. Znany z polskiego opisu patentowego nr 173860 sposób regulacji ilości przepływu i ciśnienia wody w obiegu grzewczym kotłowni z kotłami wodnymi i znany z polskiego opisu patentowego nr 173811 układ hydrauliczny do wymiany ciepła i regulacji przepływu wody grzewczej w obiegu ciepłowniczym kotłowni z kotłami wodnymi częściowo likwidują straty ciśnienia wynikające z regulacji poprzez dławienie. Wprowadzenie dwóch zespołów pomp: obiegu zewnętrznego i centralnych pomp kotłowych wymusza wprowadzenie nowych elementów regulacji w postaci dodatkowego zaworu regulacyjnego, kryz pomiarowych i czujników pomiarowych temperatury i ciśnienia przy pomocy których realizuje się automatyczną regulację pracy kotłowni. Stąd regulacja nadal odbywa się przez proces dławienia i wymaga skomplikowanego algorytmu, a przy tym nie jest przejrzysta dla obsługi kotłowni. Nie ma możliwości indywidualnego regulowania ilością i temperaturą wody zasilającej poszczególne kotły. Dostosowywanie parametrów pracujących pomp do chwilowych potrzeb powoduje ciągłą zmianę punktu pracy tych pomp wywołując jednocześnie przesuwanie punktu pracy w obszar niższej sprawności.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że przepływ wody wymusza się oddzielnie w ciepłowniczym obiegu zewnę trznym i oddzielnie w ciepł owniczym obiegu wewnę trznym indywidualnie dla każdego kotła, a temperaturę wody zasilającej ciepłowniczy obieg wewnętrzny reguluje się na wejściu każdego kotła węglowego.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że każdy kocioł połączony jest na wejściu z oddzielną pompą i zaopatrzony w oddzielny regulator temperatury wody zasilającej kocioł, a rurociąg ciepłowniczego obiegu zewnętrznego pomijający ciepłowniczy obieg wewnętrzny zaopatrzony jest w zwrotny zawór przepł ywowy. Korzystnie jest, gdy jako regulator temperatury wody zasilają cej kocioł stosuje się zawór trójdrożny.

PL 207 007 B1

Sposób i układ według wynalazku pozwalają na wyraźne rozdzielenie ciepłowniczego obiegu zewnętrznego od ciepłowniczego obiegu wewnętrznego indywidualnie dla każdego kotła, co znacznie ułatwia regulację przepływu, ciśnienia i temperatury wody w obiegach, a straty energii elektrycznej i cieplnej zmniejszają się od 25% do 40%. Nadają wł a ś ciwą rangę jednostce wytwarzają cej energię cieplną w procesie bilansowania zapotrzebowania na energię cieplną z jej wytwarzaniem. Optymalizują proces wytwarzania energii cieplnej i jej przesyłanie sprowadzając regulację do czterech obiektów, jakimi są: kotły, pompy kotłowe, zawory trójdrożne i pompy obiegowe, co pozwala zoptymalizować również proces regulacji obu obiegów ciepłowniczych. Umożliwiają indywidualną regulację przepływu, ciśnienia i temperatury wody zasilającej dla każdego kotła eliminując znany energochłonny proces dławienia. Opory hydrauliczne kotła pokonywane są przez indywidualną pompę będącą na jego wyposażeniu. Zapewniają regulację temperatury wody w ciepłowniczym obiegu zewnętrznym poprzez takie sterowanie procesem wytwarzania energii cieplnej, aby zrównoważyć ilość tej energii z potrzebami jej odbiorców minimalizując straty nie tylko wytwarzania, ale i przesyłu. Zwrotny zawór przepływowy na rurociągu obejściowym nie pełni żadnej funkcji regulacyjnej, a jego obecność jest niezbędna jedynie w sytuacjach awaryjnych zapewniają c jednokierunkowy przepł yw wody.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania objaśniony jest na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu do regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury wody w ciepłowniczym obiegu grzewczym.

Przepływ wody z ciepłowniczego obiegu zewnętrznego COZ uzupełnianej wodą tłoczoną ze stacji uzdatniania wody SUW przez pompy uzupełniająco - stabilizacyjne PU-S wymuszają pompy obiegowe PO, które tłoczą wodę do rurociągu zasilającego ciepłowniczy obieg zewnętrzny COZ poprzez zwrotny zawór przepływowy ZZ w ilości zapewniającej dyspozycyjną różnicę ciśnień między ciśnieniem wody powrotnej a ciśnieniem wody zasilającej ten obieg. Przepływ wody w hydraulicznym obiegu kotła K wymusza się przez włączenie pompy kotłowej PK połączonej z wejściem kotła pierwszego K. Pompa ta PK pobiera wodę tłoczoną przez pompy obiegowe PO poprzez zawór trójdrożny RT umieszczony na wejściu kotła pierwszego K. Z kotła pierwszego K wodę doprowadza się do rurociągu zasilającego ciepłowniczy obieg zewnętrzny COZ i częściowo do rurociągu połączonego z jednym z wejść zaworu trójdrożnego RT kotła pierwszego K. Temperaturę wody zasilającej kocioł pierwszy K reguluje się położeniem grzybka zaworu trójdrożnego RT kotła pierwszego K, gdzie następuje zmieszanie wody tłoczonej przez pompy obiegowe PO z wodą doprowadzoną z wyjścia kotła pierwszego K na jedno z wejść zaworu trójdrożnego RT kotła pierwszego K aż do uzyskania zadanej temperatury wody zasilającej kocioł pierwszy K. W miarę zwiększających się potrzeb grzewczych ciepłowniczego obiegu zewnętrznego COZ włącza się drugi kocioł węglowy K i stopniowo zwiększa się jego wydajność cieplną po uprzednim obniżeniu wydajności cieplnej pracującego kotła pierwszego K zachowując przy tym poziom produkcji przez kotły na wysokości gwarantującej wymaganą sprawność. Przepływ, ciśnienie i temperaturę wody zasilającej kocioł drugi K reguluje się na jego wejściu odpowiednio za pomocą pompy PK kotła drugiego K i zaworu trójdrożnego RT kotła drugiego K, zaś z wyjścia kotła drugiego K wodę doprowadza się do rurociągu zasilającego ciepłowniczy obieg zewnętrzny COZ i częściowo do rurociągu połączonego z jednym z wejść zaworu trójdrożnego RT kotła drugiego K. Ciśnienie wody powracającej z ciepłowniczego obiegu zewnętrznego COZ i ciśnienie wody zasilającej ten obieg mierzy się w sposób ciągły i odczytuje wartość różnicy tych ciśnień, którą porównuje się z wartością zadaną, po czym generuje chwilową wydajność pomp obiegowych PO regulując w ten sposób przepływ wody grzewczej w ciepłowniczym obiegu zewnętrznym COZ. W ciepłowniczym obiegu wewnętrznym COW temperaturę wody zasilającej kocioł odpowiednio: pierwszy K i drugi K mierzy się oddzielnie dla każdego z kotłów w punkcie zmieszania wody tłoczonej przez pompy obiegowe PO z wodą dostarczoną z wyjścia kotła odpowiednio: pierwszego K i drugiego K, a następnie porównuje z temperaturą zadaną dla każdego kotła K, przy czym wartość temperatury na wejściu i wyjściu z kotła odpowiednio: pierwszego K i drugiego K oraz znając wartości przepływu i ciśnienia kontroluje się i koryguje wydajność konkretnego kotła K. Wartości: temperatury, ciśnienia i przepływu wody powrotnej z obiegu zewnętrznego COZ mierzy się za pomocą układu pomiarowego pierwszego UP1, a wartość temperatury, ciśnienia i przepływu wody zasilającej ten obieg mierzy się za pomocą układu pomiarowego drugiego UP2. W oparciu o wartości temperatury, ciśnienia i przepływu ciepłowniczego obiegu zewnętrznego COZ reguluje się wydajność pomp obiegowych PO. Znając wartość temperatury zewnętrznej mierzonej przez układ pomiarowy UP0, sporządza się wykres regulacyjny temperatury wody sieciowej i odczytuje wartość temperatury wody zasilającej ciepłowniczy obieg zewnętrzny COZ. Porównując wartość temperatury odczytanej z wykresu regulacyjnego z warPL 207 007 B1 tością temperatury zmierzonej przez układ pomiarowy drugi UP2 ustala się wydajność cieplną pracujących kotłów pierwszego K lub drugiego K. Porównując wartość temperatury zewnętrznej zmierzonej przez układ pomiarowy UP0 z wartością temperatury zmierzonej przez układ pomiarowy drugi UP2 zwiększa się lub zmniejsza ilość wytwarzanej energii cieplnej. W oparciu o wartość temperatury i przepływu zmierzonych przez układ pomiarowy pierwszy UP1 oraz wartość temperatury zmierzonej przez układ pomiarowy drugi UP2 określa się ilość energii cieplnej odbieranej przez odbiorców. Chcąc zapewnić wymaganą temperaturę wody zasilającej ciepłowniczy obieg zewnętrzny COZ określa się parametry pracy kotłów odpowiednio pierwszego K i drugiego K, a następnie kontroluje te parametry przez układy pomiarowe kotłów umieszczone odpowiednio na wejściu pierwszego UP^We i drugiego UP^We oraz wyjściu pierwszego UP^Wy i drugiego UP^Wy, po czym koryguje ich wartości stosownie do temperatury zadanej. Układ regulacji kotła pierwszego URki steruje pracą kotła pierwszego K, pracą pompy kotła pierwszego PK i regulatorem temperatury RT umieszczonym na wejściu tego kotła K na zaworze trójdrożnym, a układ regulacji kotła drugiego URk₂ steruje pracą kotła drugiego K, pracą pompy kotła drugiego PK i regulatorem temperatury RT umieszczonym na wejściu tego kotła K na zaworze trójdrożnym. Taki sam proces powtarzany jest przy uruchamianiu kolejnego kotła K. Przy większej ilości kotłów K niż dwa, kolejność ich załączania wynika z przyjętego harmonogramu pracy kotłów K opracowanego dla danej konfiguracji kotłowni ciepłowniczego obiegu grzewczego. Wszystkie wartości pomiarów przesyła się do nadrzędnego systemu regulacji NSR, który po ich przetworzeniu przesyła sygnały do pomp obiegowych PO, pomp uzupełniająco - stabilizujących PU-S oraz układu regulacji kotła pierwszego URki i układu regulacji kotła drugiego URk₂. Wydajność kotłów dobiera na bieżąco nadrzędny układ regulacji NSR we współpracy z układem regulacji pracujących kotłów: kotła pierwszego URk1 i kotła drugiego URk₂ w oparciu o odczytaną wartość temperatury zewnętrznej.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury wody w ciepłowniczym obiegu grzewczym polegający na tym, że wodę powrotną z obiegu zewnętrznego uzupełnia się i wprowadza do obiegu wewnętrznego w ilości i o temperaturze stosownie do wydajności cieplnej kotłów węglowych i potrzeb ciepłowniczego obiegu zewnętrznego, znamienny tym, że przepływ wody wymusza się oddzielnie w ciepłowniczym obiegu zewnętrznym (COZ) i oddzielnie w ciepłowniczym obiegu wewnętrznym (COW) indywidualnie dla każdego kotła (K), a temperaturę wody zasilającej ciepłowniczy obieg wewnętrzny (COW) reguluje się na wejściu każdego kotła (K), przy czym w rurociągu ciepłowniczego obiegu zewnętrznego (COZ) pomijającego ciepłowniczy obieg wewnętrzny (COW) wymusza się jednokierunkowy przepływ wody.
2. 2. Układ do regulacji przepływu, ciśnienia i temperatury wody w ciepłowniczym obiegu grzewczym wyposażony w węglowe kotły, regulatory przepływu, ciśnienia i temperatury wody oraz pompy: obiegowe i uzupełniająco - stabilizacyjne, znamienny tym, że każdy kocioł (K) połączony jest na wejściu z oddzielną pompą (PK) i zaopatrzony w oddzielny regulator temperatury (RT) wody zasilającej kocioł (K), a rurociąg ciepłowniczego obiegu zewnętrznego (COZ) pomijający ciepłowniczy obieg wewnętrzny (COW) zaopatrzony jest w zwrotny zawór przepływowy (ZZ).
3. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że jako regulator temperatury (RT) wody zasilającej kocioł (K) stosuje się zawór trójdrożny.