Miejskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej w Krakowie, Politechnika Krakowska oraz Instytut Zrównoważonej Energii „Miękinia” pracują nad systemem, który ma na bieżąco oceniać stan wymienników ciepła i wskazywać najlepszy moment na ich czyszczenie. Rozwiązanie ma ograniczyć straty energii, obniżyć koszty eksploatacji oraz zmniejszyć ryzyko awarii i przerw w dostawach ciepła.
Projekt nosi nazwę „System monitorowania węzłów cieplnych w celu określenia stopnia zanieczyszczenia oraz momentu ich czyszczenia”. Jego liderem jest krakowski MPEC, natomiast za część badawczą i informatyczną odpowiadają naukowcy oraz specjaliści z Politechniki Krakowskiej i Instytutu Zrównoważonej Energii „Miękinia”.
Całkowita wartość przedsięwzięcia wynosi blisko 4 mln zł. Ponad 2,3 mln zł stanowi dofinansowanie z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki i ścieżki SMART.
Osady obniżają sprawność wymienników
Węzły cieplne odpowiadają za przekazywanie energii z miejskiej sieci ciepłowniczej do instalacji znajdujących się w budynkach. Jednym z ich najważniejszych elementów są wymienniki, w których ciepło z wody sieciowej przekazywane jest do instalacji centralnego ogrzewania lub przygotowania ciepłej wody użytkowej.
W czasie wieloletniej eksploatacji na powierzchniach wymienników mogą gromadzić się osady, między innymi kamień oraz produkty korozji. Warstwa zanieczyszczeń utrudnia przekazywanie ciepła, zwiększa opory przepływu i powoduje spadek sprawności urządzeń. Według informacji przedstawionych przez partnerów projektu związane z tym straty energii mogą sięgać nawet kilkunastu procent w skali roku.
Obecnie prace konserwacyjne prowadzone są zazwyczaj według harmonogramów okresowych albo dopiero po pojawieniu się wyraźnych objawów nieprawidłowej pracy. Może to oznaczać, że wymiennik jest czyszczony zbyt wcześnie, gdy jego stan jeszcze tego nie wymaga, albo zbyt późno – już po pogorszeniu parametrów dostaw.
W skrajnych przypadkach problem staje się widoczny dopiero wtedy, gdy mieszkańcy odczuwają spadek temperatury ciepłej wody lub gdy znacznie rosną opory przepływu w instalacji.
System przeanalizuje temperaturę, przepływ i ciśnienie
Opracowywane rozwiązanie ma wykorzystywać parametry, które są standardowo mierzone podczas pracy węzłów cieplnych. Chodzi między innymi o temperatury wody na wejściu i wyjściu z wymiennika, wielkość przepływu oraz różnice ciśnienia.
Na podstawie tych danych specjalne algorytmy mają obliczać opór cieplny warstwy osadów i porównywać aktualny stan urządzenia z parametrami czystego wymiennika. Operator otrzyma dzięki temu informację nie tylko o tym, że urządzenie traci sprawność, ale również o przewidywanym terminie, w którym powinno zostać wyczyszczone.
System ma więc umożliwić przejście od tradycyjnego, okresowego modelu serwisowania do utrzymania predykcyjnego, czyli opartego na prognozowaniu rzeczywistego stanu technicznego urządzeń.
Decyzje dotyczące czyszczenia nie będą podejmowane wyłącznie na podstawie sztywnego harmonogramu lub oceny pracownika, lecz na podstawie danych opisujących rzeczywisty stopień zanieczyszczenia wymiennika.
Najpierw laboratorium, później krakowska sieć
Politechnika Krakowska odpowiada za opracowanie naukowych i technicznych podstaw systemu oraz przygotowanie modeli matematycznych pozwalających na ocenę stopnia zanieczyszczenia wymienników.
W ramach projektu na uczelni ma powstać specjalistyczne stanowisko laboratoryjne przeznaczone do prowadzenia badań cieplnych i przepływowych. Naukowcy będą mogli kontrolować warunki pracy urządzeń, analizować wpływ osadów na wymianę ciepła oraz sprawdzać poprawność przygotowanych algorytmów.
Jednym z celów badawczych jest również opracowanie zależności pozwalających precyzyjnie wyznaczać współczynnik wnikania ciepła po stronie gorącej i zimnej wody. Ma to umożliwić obliczanie rzeczywistego oporu cieplnego wymiennika.
Po zakończeniu badań laboratoryjnych rozwiązanie zostanie przetestowane w normalnych warunkach eksploatacyjnych. MPEC ma wybrać lokalizacje i wybudować sześć prototypowych węzłów w różnych częściach Krakowa. Po około roku testów możliwa będzie ocena, czy system nadaje się do szerszego wdrożenia w miejskiej sieci ciepłowniczej.
Każdy z partnerów odpowiada za inną część projektu
Krakowski MPEC jako lider przedsięwzięcia odpowiada przede wszystkim za część wdrożeniową. Do jego zadań należą między innymi implementacja algorytmów, budowa prototypowych węzłów, wybór lokalizacji oraz prowadzenie testów w rzeczywistych warunkach.
Politechnika Krakowska przygotowuje modele obliczeniowe, metodykę oceny zanieczyszczeń oraz naukowe podstawy działania systemu. Wartość dofinansowania prac realizowanych przez uczelnię przekracza 1,3 mln zł.
Instytut Zrównoważonej Energii „Miękinia” odpowiada natomiast za przygotowanie narzędzi informatycznych oraz aplikacji służącej do wizualizacji danych. System ma prezentować między innymi temperatury, przepływy, strumień ciepła, współczynnik przenikania ciepła, opór cieplny osadów i aktualny stopień zanieczyszczenia wymiennika.
Mniej awarii i bardziej efektywne wykorzystanie energii
Najważniejszym efektem projektu ma być zwiększenie efektywności energetycznej miejskiego systemu ciepłowniczego. Utrzymywanie wymienników w odpowiednim stanie technicznym pozwoli ograniczyć ilość energii traconej podczas przekazywania ciepła do budynków.
Mniejsze straty oznaczają niższe zapotrzebowanie na energię, a pośrednio również ograniczenie zużycia paliw i emisji zanieczyszczeń związanych z produkcją ciepła.
System powinien również ułatwić planowanie prac serwisowych. MPEC będzie mógł wcześniej przygotować harmonogram czyszczenia urządzeń, zabezpieczyć odpowiednią liczbę pracowników i uniknąć części kosztownych interwencji awaryjnych.
Dla mieszkańców najważniejszym skutkiem ma być większa niezawodność dostaw ciepła i ciepłej wody. Wczesne wykrywanie pogarszających się parametrów wymiennika może zmniejszyć ryzyko nagłych awarii oraz przerw w pracy instalacji.
Zarządzanie siecią na podstawie danych
Projekt realizowany przez MPEC i jego partnerów jest przykładem coraz szerszego wykorzystywania analizy danych w zarządzaniu infrastrukturą miejską. Zamiast reagować dopiero na skutki awarii, operator ma otrzymać możliwość wcześniejszego wykrywania niekorzystnych zmian i planowania działań technicznych z wyprzedzeniem.
Ostateczna skuteczność rozwiązania zostanie oceniona podczas testów prowadzonych w krakowskiej sieci. Jeżeli wyniki potwierdzą założenia naukowców i inżynierów, system będzie mógł zostać wdrożony w większej liczbie węzłów, a w przyszłości znaleźć zastosowanie również w innych przedsiębiorstwach ciepłowniczych.
Grzegorz Górski
