Optimal drift av fjernvarmesystem

Optimal utnyttelse av rimeligste energikilde. Kjelvelgersystemer og samkjøring av flere

varmesentraler

Anders MeegNorsk Energi

1

Optimal drift1. I størst mulig grad benytte ønsket energikilde, normalt den

rimeligste.

2. Lite behov for manuelle inngrep fra personell og utrykninger fra hjemmevakt

3. Gode driftsforhold for kjeler og annet utstyr, god virkningsgrad og stabil drift.

4. Minimalisere slitasje på utstyr

5. Minimalisere tap.

Samtidig sørge for at samtlige kunder har tilstrekkelig differansetrykk og temperatur.

2

Effektvariasjoner i nettet• Effektbehovet i fjernvarmenettet varierer over døgnet. Typisk over

50% høyere behov om morgenen og på dagtid, enn om natten. Eksempel 2 dager Drammen:

3

Resultat av effektvariasjoner• Ledig kapasitet på grunnlastkilder (om natten) blir ikke utnyttet. Typisk

spillvarme, avfallsenergi, varmepumper, deponigass….etc.• Må drifte dyrere spisslastkilder om dagen for å dekke behov (el, olje)• Spisslaskilder blir ofte startet kvelden før for å slippe å måtte rykke ut

om morgenen• Bio-kjeler klarer ikke regulere raskt nok eller har ikke tilstrekkelig

reguleringområde.• Effekt fra grunnlastkilder reduseres for å «gi plass for» reguleringskjeler • Effektvariasjonene er for store til å dekkes av én kjel alene• Svingninger gir dårligere virkningsgrad og uheldige driftsforhold for

kjelene (typisk bio)• Kan gi korte driftstider og stor slitasje på utstyr, mye start/stopp

4

Bruk av fjernvarmenettet som akkumulator

Ved å benytte fjernvarmenettet som «akkumulator» kan man:•Lagre rimelig energi å benytte denne i perioder med høyere behov•Dempe effekt svingningene slik at det blir lettere å håndtere disse med trege biokjeler•Utsette behov for manuell start av spisslastkjeler til etter arbeidstidens start

5

Bruk av fjernvarmenettet som akkumulator

Eksempler på vannvolum i fjernvarmenett:•Agder Energi Varme, Arendal, Ca. 100 m3. 10 °C temperaturøkning = 1 MWh lagret

•Drammen Fjernvarme, Drammen, Ca. 2000 m3. 10 °C temperaturøkning = 21 MWh lagret

•BKK, Bergen, Ca. 5000 m3. 10 °C temperaturøkning = 53 MWh lagret

•Haslund Varme, Oslo, Ca. 35000 m3. 10 °C temperaturøkning = 373 MWh lagret

6

Akkumulering i retur

7

Akkumulering i tur og retur

Akkumulering i returledning (shuntventil)+ Som regel mulig med større temperaturøkning enn i turledning

+ Enkelt å regulere (åpning på shuntventil)

+ Påvirker ikke kunder

-Økt varmetap i nett (ikke relevant om alternativet er å dumpe energien). -Ikke akkumulering i grenrør -Noe økt pumpeeffekt under akkumulering-Økt returtemperatur kan gi redusert virkningsgrad på varmepumper-Kan gi problemer for kondensasjonsturbiner

8

Akkumulering i turledning

+ Akkumulerer også i grenrør (20-40% av volum)

+Full temperaturøkning i hele rørstrekket

+Redusert pumpeeffekt (etter en stund)

+Vil samtidig gi økt lagringskapasitet i retur (dobbel effekt)

-Økt varmetap i nett. (ikke relevant om alternativet er å dumpe energien). -Påvirker kunder (redusert ventilåpning, men også litt + pga. noe kaldere retur)-Ikke alltid at grunnlastkilde kan øke turtemperatur-Høyere turtemperatur gir dårligere COP i varmepumper

9

Kostnadsbesparelse eksempel• «Lite» fjernvarmenett 10 GWh, 8% varmetap

• 250 m3 nett, 10/20 °C akkumulering i tur/retur, 1 lading pr. døgn.

gir ca. akkumuleringsevne = 4MWh • Energikostnad spisslastlast=50 øre pr kWh, grunnlast=20 øre pr

kWh. Gir besparelse kr. 1200 pr. døgn i energikostnad

• Varmetap ca. 90kW uten akkumulering øker til ca. 110kW når fullt akkumulert. Økt kostnad varmetap ca. kr 24,- pr. døgn (12 timer, 10kW i snitt, 20 øre/kWh )

• Pumpeeffekt: Akkumulering 500 kW, ca.15 m3/h økning i flow og 2 bar differansetrykk gir ca. 1 kW økt pumpeeffekt under akkumulering. Økt kostnad pumpeeffekt ca. kr 4,- pr. døgn (8 timer ladetid, 1kW i snitt, 50 øre/kWh)

10

Hva med rørnettet?

• Temperaturvariasjoner under 50 °C er normalt uproblematisk

• Temperaturøkning gir trykkspenninger som normalt ikke medfører risiko for sprekkdannelser. (Krympspenninger som gir sprekkdannelse kommer etter 1000vis av store og raske temperaturfall)

• 1-2 min gangtid på shuntventil vil gi glidende temperaturforandringer i rørnettet.

Konklusjon:

Energilagring er ikke skadelig for rørnettet 11

Hvordan regulere lagringen

• Må tilpasses hvert enkelt anlegg avhengig av behov.

• Ofte vil optimal reguleringsstrategi avhenge av levert effekt og tilgjengelige kilder.

• Effekt, temperatur, flow, damptrykk, gasstrykk, kapasitet, reguleringsevne og status på kjeler/energikilder….

12

Eksempel DrammenEnergilagring benyttes for å øke COP og redusere driftstid om sommeren:

•Gul = turtemp.•Rød = returtemperatur.•Lys blå = posisjon shuntventil • Blå = flow i sentral.

Eksempel BergenEnergilagring benyttes for optimal utnyttelse av damp fra avfallsvarme:

•Gul = returtemp i FVS.•Grønn = energi levert fra FVS.• Blå = flow gjennom akkumuleringsventilen. (0-100m3)•Rød = akkumuleringseffekt.

14

Samkjøring av kjeler Kjelvelgersystemer

• Skal sørge for å starte/stopp kjeler automatisk avhengig av effektbehov

• Skal minimalisere driftstid og energiproduksjon med de dyrere energikildene.

• Må være fleksibelt for å kunne tilpasses: - varierende energipriser, - varierende årstider og effektbehov- fremtidige utbygginger av nett og sentraler

15

Kjelvelgersystemer• Et godt system skal være fleksibelt og:

- kunne kombinere både grunnlast og regulering i samme sentral.- kunne regulere med flere sentraler, og/eller flere kjeler

samtidig (raskere regulering, større reguleringsområde)-sørge for automatisk start/stopp av kjeler og sentraler

avhengig av effektbehov -må kunne kombineres med energilagring i nett

• I store anlegg må en tenke regulerings-energikilde, ikke reguleringssentral, reguleringskjel eller reguleringspumper. 16

Tradisjonell løsningSeriekobling av kjeler og temperaturstyring:

17

Kjeler i serie+ Start av kjel medfører ikke flowforstyrrelser + Automatisk innkobling kan ivaretas av kjelens styresystem

- Stort trykkfall ved mange kjeler i serie. Ofte mer enn to spisslastkjeler i en sentral. Kjeler må dimensjoneres for stor flow/lav dT.- turtemperatur faller ved økt effekt- Møter ofte begrensninger ved senere utbygninger- Vanskelig om det er store forskjeller i kjelstørrelse

18

Kjeler i parallell

19

Kjeler i parallellKjeler kobles inn/ut avhengig av differansetrykk. Kan være separate regulatorer for hver kjel eller én felles «kjelvelger-regulator»

+ Kan enkelt tilpasses forskjellige trykkfall i hver kjel

+ Flere kjeler kan regulere samtidig+ Kjeler i andre sentraler i nettet kan enkelt implementeres i løsningen (disse er jo uansett i parallell)

•Lavtemperatur-kilder kan fortsatt ligge i serie (på retur)

20

Samkjøring og regulering, større nett

21

Alternativ regulering/kjelvelgersystemPumpene i både sentral A og B regulerer differansetrykket i sentralenDifferansetrykkregulator i nett regulerer ventilåpning på den/de kjeler som går med regulering-energikilde

Fordeler:Kan ha både fasteffekt og reguleringskjeler i samme sentralKan regulere med flere kjeler samtidig (raskere og større reguleringsområde)Reguleringskjelene kan stå i forskjellige sentraler Pådrag fra PDC-nett kan fordeles til kjeler både i serie (først el, så olje) og parallell (alle kjele regulerer samtidig)

Oppsummering

• Energilagring i nett har både driftsmessige og økonomiske fordeler og bør vurderes i de fleste fjernvarmenett, uavhengig av størrelse.

• Et godt kjelvelgersystem som er automatisk og fleksibelt vil gi både bedre driftsøkonomi og bedre hverdag for driftspersonell.

22