Visokoefikasno i niskoemisiono postrojenje na biomasu kompanije Polytechnik za sigurnost snabdevanja toplotnom energijom

Kompanija Polytechnik sa sedištem u Austriji sprovela je projekat za Hillerod Forsyning, operatora daljinskog sistema grejanja iz grada Hilered u Danskoj. Radi se o komunalnom preduzeću koje upravlja velikim daljinskim sistemom grejanja koje uključuje novo kogeneraciono postrojenje na drvnu sečku. Postrojenje je izvedeno po principu „ključ u ruke“ i projektovano za toplotnu snagu od 28 MW i maksimalnu snagu na stezaljkama generatora od 5,2 MW i ujedno je najveće takvo kogeneraciono postrojenje na biomasu s Organskim Rankinovim Ciklusom (ORC) koje je Polytechnik izgradio u Evropi.

Sklapanju ugovora prethodio je složen postupak nadmetanja u nekoliko faza, u kojem je Polytechnik pobedio. Prema mišljenju naručioca, razlozi za takav odabir bili su tehnika sagorevanja koju je kompanija ponudila, velika raspoloživost i dugotrajnost postrojenja, što je dokazano na drugim projektima, i bogato iskustvo u izgradnji kogeneracionih postrojenja na biomasu po principu „ključ u ruke“. Uz to, genijalni tehnički koncept govorio je u prilog primeni u tom slučaju.

Zemljište na kojem je izgrađena nova kotlarnica bilo je u svim smerovima prostorno ograničeno s obzirom na pristup. Na jugu je smešteno neposredno uz rekreaciono područje s vikendicama i kućama za odmor. Na istoku je vrlo popularno reciklažno dvorište, a na zapadu je kameni zid koji je zaštićeni spomenik kulture i koji se nije smeo ukloniti. Na severu se nalazi postojeća kotlarnica na biomasu koja je neophodna za snabdevanje toplotnom energijom i sve vreme je morala da bude u pogonu. Uprkos svim tim ograničenjima i suženim prostornim odnosima, ne samo što su zadovoljeni svi zahtevi i želje naručioca, već je pri projektovanju i izvođenju postrojenja posebna pažnja posvećena dobroj pristupačnosti i jednostavnosti održavanja svih njegovih elemenata.

Kotlarnica je projektovana i izvedena u skladu s najnovijim evropskim propisima i Danskim građevinskim pravilnikom. Osim neophodnih društvenih prostorija, to podrazumeva i izvođenje prilagođeno osobama s posebnim potrebama i područje za odmor zaposlenih. Investitor je posebnu pažnju posvetio i privlačnom spoljnom izgledu i primeni biomase kao obnovljivog izvora energije. Zbog susednog rekreacionog područja, posebnu je pažnju trebalo posvetiti i emisiji buke. Tehnička oprema objekta, između ostalog, obuhvata i klimatizovane radne prostorije, lift, sanitarne prostorije bez barijera, centralni sistem ventilacije i protivpožarni sistem sa stanicama za gašenje požara teškom penom, što je naročito prikladno za termouljna postrojenja.

Sistem ložišta i kotla

Kotlovsko postrojenje se sastoji od dve linije ložišta i kotla koji rade istovremeno. S obzirom da pri punom opterećenju linije rade samo oko 5000 h godišnje, one se u vreme manjeg opterećenja leti mogu naizmenično održavati. Time se dobija gotovo 100%-tna raspoloživost i velika sigurnost. U zavisnosti od svojstava goriva, postrojenje može da radi u rasponu opterećenja 15 – 100%. Vršna opterećenja rešavaju se i pokrivaju pomoću objekta za privremeno skladištenje kapaciteta oko 600 MWh. Tako se podelom na dve linije ostvaruje vrlo veliko regulaciono područje.

U kogeneracionom postrojenju na biomasu kompanije Hillerod Forsyning isključivo se koristi drvna sečka od prirodnih, šumskih ostataka. Pri smeštanju zgrade u prostor i projektovanju uzeta je u obzir najefikasnija logistika goriva. Drvena sečka se isporučuje kamionima i odmah se istovaruje, a pri svakoj isporuci uzimaju se i analiziraju uzorci goriva. Nakon ispitivanja i preuzimanja isporuke, gorivo se direktno uvodi u podzemni skladišni prostor. Gorivo se iz tog istovarnog skladišta pomoću dve dizalice raspoređuje po glavnom skladištu. Inteligentno upravljanje pri tome se brine za optimalno mešanje goriva različitih svojstava, tako da se ložište uvek puni gorivom približno istog kvaliteta.

Glavno skladište goriva dimenzionirano je tako da bude veliko, a prostor za prihvat je postavljen na 5 m niži nivo. Kapacitet skladištenja celog glavnog skladišta dovoljan je za sedam dana rada pri punom opterećenju. Za dopremanje goriva koriste se oprobani, robusno izvedeni i hidraulički klizni podovi i poprečni transporteri kompanije Polytechnik. Kako proizvođač napominje, imaju velik nivo fleksibilnosti s obzirom na svojstva goriva, veliku pouzdanost i raspoloživost.

Dopremanje goriva je izvedeno sa zasunima koji se kreću u suprotnom smeru i sistemom za gašenje požara, tako da se u bilo kom pogonskom stanju, a posebno u slučaju kvara, sigurno sprečava povraćaj plamena iz ložišta prema skladištu. Ložišna postrojenja kompanije Polytechnik, opremljena adijabatskom komorom sagorevanja i hidrauličkom rešetkom, čine srce sistema. Kako proizvođač naglašava, komora za sagorevanje koja je dimenzionirana tako da bude velika garantuje potpuno sagorevanje drvne sečke sa najmanjim emisijama, čak i kod udela vlage u gorivu većeg od 50%.

Sagorevanje se odvija u više koraka, a dovod vazduha za sagorevanje i recirkulacija dimnih gasova u komoru za sagorevanje ostvaruju se pomoću nekoliko ventilatora koji su pojedinačno regulisani štedljivim konvertorima frekvencije. Time se omogućavaju tačna kontrola i regulacija temperature u komori za sagorevanje, čime se s jedne strane osigurava potpuno sagorevanje, a s druge strane se u velikoj meri izbegava stvaranje ugljen-monoksida ili termičkih azotnih oksida.

Nakon potpunog sagorevanje drvne sečke, vrući dimni gasovi prolaze kroz dva termouljna kotla. Tu se na kolo termoulja predaje veliki deo toplotne energije. Ulje se pri tom zagreva do oko 315 °C. Kotlovi imaju nazivni kapacitet od 12,5 MW. Primena termouljnih postrojenja je već godinama dokazana u drvnoj industriji, a njihova je posebna prednost u pogonu bez pritiska čak i pri visokim radnim temperaturama.

Kako je termoulje sredstvo koji je osetljivo na pregrevanje, dimni gasovi u grejaču vrelog ulja struje oko cevi, dok kroz njih struji ulje. Time se jednostavno može pratiti obim protoka ulja. Na cevima može doći do stvaranja naslaga letećeg pepela, što može uticati na prenos toplote i smanjiti efikasnost postrojenja. Povišene temperature dimnih gasova zbog smanjenog prenosa toplote takođe mogu dovesti do preranog prestanka rada postrojenja i potrebe za ručnim čišćenjem. Kako bi se to sprečilo, Polytechnik je ugradio novi sistem za čišćenje grejnih površina ‘Polyclean’. Time se omogućava potpuno automatsko uklanjanje naslaga pepela dok postrojenje radi. Pri tome se savitljiva cev za vazduh pod pritiskom, koja je otporna na toplotu i koja na kraju ima brizgalicu namotava na bubanj i s njega odmotava i automatski uvodi u kotao pomoću za to predviđenih spojnih elemenata na poklopcu grejača.

Okretanjem osnovnog okvira i aksijalnim uzdužnim pomeranjem bubnja mogu se dostignuti bilo kakvi položaji uzduž određenog područja. Time se omogućava čišćenje svih grejnih ploča kotla, čime se postiže dugotrajnost pogona uz održavanje gotovo konstantnih visokih nivoa efikasnosti. Čišćenje je blago i ne dovodi do abrazije na grejnim pločama.

U termouljnim postrojenjima Polytechnik gotovo isključivo koristi armaturu sa zavarenim krajevima. Uz to, sprovode se obimni proračuni kako bi se osiguralo da na nezaobilaznim rubnim priključcima pumpi i aparata ne budu prekoračene najveće dozvoljene sile i momenti, čak i pri najvišoj radnoj temperaturi i najvećem toplotnom rastezanju (statika cevi). Za povećanje efikasnosti postrojenja se iza svakog termouljnog kotla nalazi po jedan termouljni ekonomajzer, a na kraju i predgrejač vazduga. Time se kod primene termoulja kao sredstva za prenos toplote i pri radnoj temperaturi od 315°C može postići nivo efikasnosti sagorevanja u ložištu kotla od 88%.

Čišćenje i kondenzacija dimnih gasova

Predodvajanje letećeg pepela iz dimnih gasova odvija se pomoću multiciklona. Polytechnik projektuje i proizvodi i predgrejače vazduha i multiciklone. Za odvajanje fine prašine iz dimnih gasova služi elektrofilter na kraju.

U Danskoj se već godinama radi na snižavanju radnih temperatura u sistemima daljinskog grejanja jer to omogućava prednosti kada je reč o efikasnosti postrojenja – bez obzira na način proizvodnje toplote. Osim veće efikasnosti prenosa toplote, time se smanjuju i gubici toplote u mreži daljinskog grejanja. U trenutku potpisivanja ugovora, sistem daljinskog grejanja u Hileredu je radio s temperaturom povratnog voda oko 45°C, dok bi srednjeročno trebalo postići 35°C. U kombinaciji sa vlažnim gorivom, to su optimalni uslovi sistema za kondenzaciju dimnih gasova. Uz udeo vlage od 45% i temperaturu povratnog voda 45°C, sistemi za kondenzaciju dimnih gasova pri nazivnom opterećenju ostvaruju učinak od 4775 kW, bez potrebe za dodatnim gorivom.

Uz to, primenom kondenzacionog sistema udeo prašine u dimnim gasovima smanjuje se do mere da su zadovoljene zakonske granične vrednosti. Ipak, Polytechnik pre kondenzacionog sistema postavlja elektrofilter. Time se značajno smanjuje nakupljanje mulja u postrojenju, a raspoloživost kondenzacionog sistema se značajno produžava. Prva zvanična merenja emisija na postrojenju potvrdila su nizak nivo emisija iz njega.

Optimizacija efikasnosti pomoću toplotnih pumpi

Na zahtev investitora dodatno je ugrađena toplotna pumpa kojom se dimni gasovi dodatno hlade nakon kondenzacije. Toplotna pumpa ima COP vrednost > 5. To znači da se uz ulaznu električnu snagu od 400 kW ostvaruje dodatni toplotni učinak od 2400 kW.

Proizvodnja električne energije pomoću ORC-a

ORC modul ima nekoliko prednosti u poređenju sa uobičajenim parnim turbinama. Na primer, postrojenja ne zahtevaju pregrejač, pa u poređenju sa parnim elektranama mogu da rade sa značajno nižim radnim pritiskom, medij nije korozivan i ne mora da se priprema, niti dolazi do stalne potrošnje vode.

Argument koji se često koristi protiv primene ORC tehnike, a to je da su parne turbine efikasnije od ORC turbina, prema mišljenju Polytechnika, važi samo u slučaju čistog kondenzacionog načina rada. U kogeneracionom načinu rada, s druge strane, pomoću ORC modula se postiže efikasnost koja je uporediva sa efikasnošću protivpritisne ili parne turbine s kondenzacionim oduzimanjem. Uz to, ORC moduli mogu da rade sa širokim rasponom učinka, odnosno s vrlo malim delimičnim opterećenjem i sasvim automatski. Budući da se kogeneracionim postrojenjem u Hileredu upravlja s obzirom na proizvodnju toplotne energije, prevladale su prednosti ORC tehnike.

Oba ORC modula koji su na kraju ugrađeni u Hileredu imaju snagu na stezaljkama generatora od 2600 kW. Kod priključivanja modula na javnu elektroenergetsku mrežu u Danskoj moraju da se poštuju odredbe Danskih mrežnih pravila. To u suštini odgovara smernicama Saveznog udruženja energetike i vodoprivrede (BDEW) koje važe u Nemačkoj.

Međutim, ORC moduli su standardno opremljeni direktno spojenim asinhronim generatorima, što zahteva stabilnu mrežu kao vodeću veličinu. Ipak, time se ne mogu zadovoljiti zahtevi iz Danskih mrežnih pravila. Zbog toga su moduli kogeneracionog postrojenja u Hileredu morali da budu opremljeni sinhronim generatorima.

Upravljačka i regulaciona tehnika, vizualizacija procesa

Postrojenjima kompanije Polytechnik upravlja se programabilnim logičkim kontrolerima (PLC) kompanije Siemens. Svi pogonski podaci se vizualizuju i hronološki čuvaju. Uz to, u Hileredu se svi signali prenose i u kontrolnu sobu obližnje gasne elektrane. Kogeneraciono postrojenje na biomasu kompanije Hillerod Forsyning tako uglavnom radi nezavisno i bez stalnog nadzora.

Sigurnosni koncept hlađenja u izvanrednim slučajevima koji je Polytechnik posebno razvio za termouljna postrojenja već je dokazan i ispitao ga je i odobrio TÜV.

Sva postrojenja kompanije Polytechnik mogu da se nadziru daljinskim upravljanjem. Zaposleni investitora i proizvođača u svako vreme i s bilo kog mesta mogu da odaberu vizualizaciju i kontrolišu pogonske parametre.

Postrojenje koje se dokazuje rezultatima

Nakon dve godine gradnje, u avgustu 2016. je kogeneraciono postrojenje na biomasu započelo s isporukom toplotne energije u sistem daljinskog grejanja, a generatori su električnu energiju u dansku javnu elektroenergetsku mrežu počeli da isporučuju 8. septembra 2016. godine. Od tada do danas postrojenje radi bez prekida.

U radu pri nazivnom opterećenju i uz udeo vlage u gorivu od 45% pri nazivnom toplotnom učinku goriva od 28,6 MW ukupni korisni toplotni učinak postrojenja iznosi 27,5 MW, a neto električna snaga oko 3,5 MW. Efikasnost postrojenja tako iznosi oko 108,5%.

Obim isporuke Grupe Polytechnik, osim celokupne tehnike postrojenja, uključuje i svu potrebnu dokumentaciju za dobijanje dozvola i sve građevinske radove i dodatne usluge.