Ciepłownictwo. Projektowanie kotłowni i ciepłowni

Podręcznik Ciepłownictwo. Projektowanie kotłowni i ciepłowni jest skierowany przede wszystkim do studentów, którzy w ramach kierunku inżynieria środowiska uczestniczą w wykładach, ćwiczeniach i zajęciach projektowych z zakresu ciepłownictwa i central cieplnych, ale może być przydatny również wszystkim, którzy w swojej praktyce zawodowej zajmują się zagadnieniami ogrzewnictwa, ciepłownictwa lub energetyki cieplnej. Przedstawione treści odwołują się do podstawowej wiedzy z zakresu techniki cieplnej i mechaniki płynów. Opisowy sposób prezentacji zagadnień, liczne rysunki, przykłady i pogłębione komentarze umożliwiają poprawne przeprowadzenie obliczeń oraz lepsze zrozumienie założeń, zalet i ograniczeń stosowanej metodyki projektowania. Duży nacisk położono na wyjaśnienie funkcjonowania systemu ciepłowniczego w okresie całego roku, z uwzględnieniem zagadnień regulacji, sterowania, automatyki i współpracy poszczególnych elementów systemu. Podręcznik obejmuje, obok rozdziałów prezentujących ogólne spojrzenie na zagadnienia ciepłownictwa i systemów ciepłowniczych, bilansowanie cieplne systemu oraz projektowanie ciepłowni. Omawiając bilans cieplny systemu, przedstawiono różne metody wyznaczania zróżnicowanych potrzeb cieplnych budynków mieszkalnych i obiektów użyteczności publicznej, ze szczególnym uwzględnieniem przyjmowanych założeń i zalecanego zakresu stosowalności. Oprócz algorytmu obliczeń mocy szczytowej w tzw. warunkach normatywnych omówiono funkcjonowanie źródeł ciepła w okresie całorocznej pracy, podkreślając wpływ warunków eksploatacji na dobór źródeł z wykorzystaniem tzw. wykresu kołowego i piłowego. Jako konieczne wprowadzenie do projektowania ciepłowni przedstawiono charakterystykę wybranych typów kotłów oraz zachodzących w nich procesów, mających wpływ na warunki eksploatacji urządzeń, a także na wartości emitowanych zanieczyszczeń powietrza.Dla różnych typów ciepłowni omówiono schematy technologiczne, wykresy linii ciśnień, wykresy regulacyjne, a także układy zabezpieczeń oraz zagadnienia regulacji i sterowania poszczególnymi elementami systemu oraz współpracy między nimi. W podręczniku wykorzystano m.in. materiały z wykładów z przedmiotu ciepłownictwo prowadzonego do roku 2015 przez dra hab. inż. Zbigniewa Bagieńskiego na kierunku inżynieria środowiska Politechniki Poznańskiej.

Spis treści

Przedmowa 7
CZĘŚĆ 1. WPROWADZENIE, ALGORYTM
PROJEKTOWANIA, BILANS CIEPLNY 9
1. Wprowadzenie do ciepłownictwa 11
Kiedy i dlaczego stosuje się systemy ciepłownicze 11
Systemy zaopatrzenia w ciepło osiedli i miast 12
Podział systemów zaopatrzenia w ciepło 13
Społeczne, ekonomiczne i środowiskowe aspekty ciepłownictwa 19
Terminologia stosowana w ciepłownictwie 22
Energetyka cieplna w Polsce 24
Polecana literatura uzupełniająca 27
2. Algorytm projektowania systemu ciepłowniczego 30
System ciepłowniczy zdalaczynny 30
Potrzeby cieplne odbiorców oraz nośnik ciepła 31
Określenie podstawowych parametrów pracy źródła ciepła 32
Wybór źródła energii dla ciepłowni 34
Opracowanie wariantowej koncepcji projektowej 36
Opracowanie projektu sieci cieplnej 40
Węzły cieplne 41
3. Bilans cieplny systemu ciepłowniczego 44
Wprowadzenie do bilansowania potrzeb cieplnych odbiorców 44
Przenikanie ciepła przez przegrody 49
3.2.1. Projektowa strata ciepła na podstawie normy PN-EN 12831 49
3.2.2. Zapotrzebowanie na ciepło na potrzeby c.o. − podejście klasyczne 51
3.2.3. Zmienność zapotrzebowania na ciepło na potrzeby c.o. w ciągu roku 52
3.2.4. Współczynniki przenikania ciepła na przestrzeni lat 54
Zapotrzebowanie na ciepło na potrzeby wentylacji 55
3.3.1. Wprowadzenie 55
3.3.2. Bilans powietrza wentylacyjnego 56
3.3.3. Obliczenia na podstawie normy PN-EN 12831 . 61
3.3.4. Obliczenia w zależności od rodzaju wentylacji 62
3.3.5. Strategie wentylowania pomieszczeń 69
Spis treści
4
Zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody
użytkowej (c.w.u.) 70
3.4.1. Dobowa zmienność zapotrzebowania na c.w.u. 70
3.4.2. Obliczenia na podstawie zużycia jednostkowego (PN-B/92-01706) 75
3.4.3. Obliczenia na podstawie liczby punktów poboru (metoda Sandera) 81
3.4.4. Porównanie obu metod 84
3.4.5. Obliczenia na podstawie liczby znamionowej N. 86
3.4.6. Wpływ pojemności cieplnej systemu na wartość Qcwu 89
3.4.7. Rekomendacje dotyczące uwzględnienia potrzeb c.w.u. w bilansie
węzła cieplnego i ciepłowni 94
3.4.8. Zapewnienie c.w.u. w szkołach i urzędach 97
Wskaźniki zapotrzebowania na moc cieplną 98
Zapotrzebowanie na moc cieplną na potrzeby technologiczne 99
Straty ciepła w systemie ciepłowniczym 101
3.7.1. Źródła strat ciepła 101
3.7.2. Straty na podgrzanie ubytków wody w zładzie 102
3.7.3. Szacunkowa wartość strat ciepła 103
3.7.4. Straty w rzeczywistych stanach pracy systemu ciepłowniczego 104
Uporządkowany wykres potrzeb cieplnych − wykres kołowy 109
3.8.1. Cel sporządzania wykresu 109
3.8.2. Ćwiartka I 110
3.8.3. Ćwiartka II 113
3.8.4. Ćwiartki III i IV 115
Obliczanie rocznego zapotrzebowania na ciepło 116
3.9.1. Na podstawie wykresu kołowego 116
3.9.2. Zgodnie z metodologią sporządzania świadectw energetycznych
(c.o.) 117
3.9.3. Zgodnie z metodologią sporządzania świadectw energetycznych
(c.w.u.) 118
Załącznik 1. Wskaźniki zapotrzebowania na ciepło 121
Z.1.1. Wskaźniki zapotrzebowania na ciepło na użytek c.o. 121
i wentylacji 121
Z.1.2. Wskaźniki zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u. 23
Literatura 126
CZĘŚĆ 2. PROJEKTOWANIE KOTŁOWNI
I CIEPŁOWNI 131
4. Źródła ciepła 133
Wstęp 133
Spis treści
5
Kotły tradycyjne jako źródła energii 133
4.2.1. Podstawowy podział kotłów ciepłowniczych 134
4.2.2. Charakterystyka przykładowych typów kotłów 135
4.2.3. Agregaty ko generacyjne 142
Charakterystyka paliw stosowanych w ciepłowniach 144
Procesy spalania paliw w kotłach 147
4.4.1. Równania chemiczne procesów spalania 147
4.4.2. Wyznaczanie strumienia spalin 151
4.4.3. Warunki spalania zupełnego i całkowitego 152
4.4.4. Wskaźniki emisji CO2, H2O 154
4.4.5. Wskaźnik unosu SO2, korozja siarkowa niskotemperaturowa 156
4.4.6. Unos pyłu z procesów spalania paliw stałych 159
5. Projekt ciepłowni 160
Dobór źródła ciepła, wykres piłowy 160
Dobór palnika gazowego/olejowego 164
Schemat technologiczny ciepłowni – przykłady 172
5.3.1. Ciepłownia wodna z kotłami gazowymi pojemnościowymi 172
5.3.2. Ciepłownia wodna wysokoparametrowa z kotłami węglowymi
Przepływowymi 175
5.3.3. Ciepłownia wodna niskoparametrowa z kotłami gazowymi
Pojemnościowymi 178
5.3.4. Ciepłownia wodna wysokoparametrowa technologiczno-grzewcza
z kotłami gazowymi 180
Układy regulacji strumienia ciepła w systemie ciepłowniczym 181
5.4.1. Rodzaje regulacji 181
5.4.2. Budowa wykresu regulacyjnego dla źródła ciepła 182
5.4.3. Wykresy regulacyjne z przykładowych systemów ciepłowniczych 188
5.4.4. Realizacja regulacji strumienia ciepła wysyłanego z ciepłowni 190
5.4.5. Dobór zaworów regulacyjnych 93
Zabezpieczenia pracy systemów ciepłowniczych 198
Linia ciśnień – wykres piezometryczny 199
5.6.1. Wartości ciśnień granicznych w systemie ciepłowniczym 199
5.6.2. Konstrukcja wykresu piezometrycznego 201
5.6.3. Lokalizacja pomp obiegowych 204
5.6.4. Wykres spadków ciśnień 205
5.6.5. Odczytywanie wartości nadciśnienia z wykresu 208
5.6.6. Obliczanie ciśnienia dopuszczalnego dla elementów systemu 210
5.6.7. Przykłady wykresów piezometrycznych 212
Układy uzupełniania wody i stabilizacji ciśnienia 213
5.7.1. Potrzeba uzupełniania ubytków wody i stabilizacji ciśnienia
w zładzie 223
5.7.2. Schematy układów uzupełniania wody i stabilizacji ciśnienia 226
Spis treści
6
5.7.3. Dobór parametrów pracy pomp uzupełniających i stabilizujących 236
5.7.4. Warunki stosowania różnych konfiguracji pomp uzupełniających
i stabilizujących 243
5.7.5. Zestawy uzupełniająco-stabilizujące 246
Dobór pomp 252
5.8.1. Pompy dawniej i obecnie 252
5.8.2. Charakterystyka instalacji, pompy, punkt pracy 253
5.8.3. Regulacja dławieniowa 255
5.8.4. Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej 258
5.8.5. Tryby pracy pompy w regulacji prędkości obrotowej 258
5.8.6. Tryb stałej charakterystyki 259
5.8.7. Tryb stało ciśnieniowy 260
5.8.8. Tryb proporcjonalny 262
5.8.9. Dobór pomp obiegowych 263
5.8.10. Charakterystyki pomp uzupełniających i stabilizujących 265
Uzdatnianie wody 266
5.9.1. Wpływ jakości wody na system ciepłowniczy 266
5.9.2. Korozja 269
5.9.3. Kamień kotłowy 273
5.9.4. Wymagania stawiane wodzie kotłowej 276
.5. Koagulacja i flokulacja 277
5.9.6. Zmiękczanie wody 278
5.9.7. Odgazowywanie wody 287
5.9.8. Zbiornik wody uzupełniającej 300
Wymagania wobec pomieszczeń kotłowni 301
5.10.1. Kotłownie na paliwa stałe, niskoparametrowe 301
5.10.2. Kotłownie na paliwa gazowe lżejsze od powietrza 304
5.10.3. Kotłownie na paliwa gazowe cięższe od powietrza 305
5.10.4. Kotłownie olejowe 306
Załącznik 2. Zdjęcia wybranych elementów ciepłowni 307
Z.2.1. Kotły i osprzęt 307
Z.2.2. Palnik 309
Z.2.3. Układ utrzymania minimalnej temperaturę wody powrotnej 311
Z.2.4. Ścieżka gazowa i olejowa 312
Z.2.5. Regulacja i sterowanie 314
Z.2.6. Inne elementy kotłowni i ciepłowni 318
Literatura 332