6 dni temu
W Krakowie powstaje innowacyjny system monitorowania węzłów cieplnych w miejskiej sieci ciepłowniczej. Na podstawie bieżących danych obliczy opór cieplny osadów, gromadzących się na powierzchniach wymienników ciepła i umożliwi precyzyjne planowanie prac serwisowych. Dzięki temu – zamiast reagować na awarie – sieć ciepłownicza będzie umiała wyprzedzać ich wystąpienie. Efekt: mniej awarii, niższe emisje środowiskowe i bardziej efektywna dostawa ciepła. Nad rozwiązaniem pracują naukowcy z Wydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Krakowskiej wspólnie z Miejskim Przedsiębiorstwem Energetyki Cieplnej S.A. w Krakowie oraz Instytutem Zrównoważonej Energii „Miękinia”.
W ramach programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG, ścieżka SMART) opracowują system, który pozwoli się uporać z jednym z najczęściej występujących w praktyce zagrożeń dla sprawności sieci ciepłowniczych – osadami, gromadzącymi się na powierzchniach wymienników ciepła. Z ich powodu straty podczas dostaw energii mogą sięgać choćby kilkunastu procent w skali roku. Konsorcjum trzech podmiotów realizuje projekt pn. „System monitorowania węzłów cieplnych w celu określenia stopnia zanieczyszczenia oraz momentu ich czyszczenia”. Innowacyjne rozwiązanie, które powstaje w jego ramach, pozwoli przewidzieć, kiedy czyszczenie wymienników ciepła jest najbardziej potrzebne. To krok w stronę predykcyjnego zarządzania siecią – z mniejszymi stratami energii, niższymi kosztami i większą niezawodnością dostaw dla mieszkańców.
Całkowita wartość przedsięwzięcia to blisko 4 mln zł, z czego ponad 2,3 mln zł pochodzi z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. W tej ścieżce finansowania liderami projektów są przedsiębiorstwa (tu MPEC), które identyfikują realne potrzeby rynkowe i wdrażają innowacje w swojej działalności. Opracowują je naukowcy – z Politechniki i Instytutu „Miękinia”.
– Politechnika Krakowska odpowiada za opracowanie podstaw naukowo-technicznych dla nowego rozwiązania oraz modele obliczeniowe. Instytut „Miękinia” dostarcza narzędzi informatycznych, MPEC będzie implementował system i weryfikował w praktyce jego działanie – mówi prof. dr hab. inż. Dawid Taler, Kierownik politechnicznego zespołu projektowego. Nad nową metodyką czyszczenia wymienników (w ramach czterech z siedmiu głównych zadań projektu) pracuje wraz z nim zespół ekspertów z Katedry Energetyki oraz Katedry Procesów Cieplnych Ochrony Powietrza i Utylizacji Odpadów Wydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki PK.
Algorytmy powiedzą, kiedy czyścić węzły cieplne
Węzły cieplne to serce systemu dystrybucji energii. Odpowiadają za przekazanie ciepła z sieci miejskiej do instalacji w budynkach. W trakcie wieloletniej eksploatacji na powierzchniach wymienników osadzają się zanieczyszczenia (m.in. kamień czy produkty korozji), co prowadzi do spadku sprawności, wzrostu oporów przepływu i wyższych kosztów eksploatacji. w tej chwili większość działań serwisowych opiera się na okresowych przeglądach lub interwencjach po awarii. Gdy – przykładowo – wymiennik w węźle ciepłej wody użytkowej stopniowo zarasta kamieniem, awaria ujawnia się dopiero wtedy, gdy mieszkańcy zgłaszają spadek temperatury lub gdy drastycznie rosną opory przepływu. W praktyce oznacza to, iż wymiennik często czyści się za późno lub za wcześnie. Dotąd brakuje na rynku powszechnie dostępnych metod pozwalających na ilościową ocenę stopnia zanieczyszczenia wymiennika w trybie online. Nowe rozwiązanie ma to zmienić.
Innowacyjny system będzie na bieżąco „widzieć”, iż rośnie opór cieplny osadów i automatycznie zasygnalizuje, iż teraz lub za jakiś czas czyszczenie będzie niezbędne. To pozwoli uniknąć strat ciepła i energii, obniży koszty utrzymania sieci i dostaw ciepła. – Dzięki analizie standardowo mierzonych parametrów takich jak temperatury na wlocie i wylocie, przepływy czy różnice ciśnień, system będzie wyznaczać opór cieplny osadów w czasie rzeczywistym i porównywać go ze stanem „czystego” wymiennika – mówi dr hab. inż. Karol Kaczmarski, prof. PK, członek zespołu projektowego z Politechniki Krakowskiej. W praktyce oznacza to, iż operator sieci otrzyma narzędzie do podejmowania decyzji nie „na wyczucie”, ale na podstawie twardych danych opisujących rzeczywisty stopień zanieczyszczeń.
– Część badawcza projektu polega na opracowaniu podstaw naukowych rozwiązania oraz zaawansowanych algorytmów systemu monitorowania – mówi dr hab. inż. Karol Kaczmarski, prof. PK.
Do najważniejszych celów badawczych należą:
Opracowanie metody wyznaczania stopnia zanieczyszczenia: Naukowcy opracują sposób obliczania oporu cieplnego warstwy osadów w płytowych wymiennikach ciepła, w oparciu o pomiary temperatur, strumieni przepływu i analizę matematyczną procesu wymiany ciepła.
Identyfikacja korelacji na liczbę Nusselta: Pozwoli wyznaczyć współczynnik wnikania ciepła po stronie wody gorącej i zimnej, a tym samym określić rzeczywisty opór cieplny wymiennika.
Budowa stanowiska laboratoryjnego: Na terenie Politechniki Krakowskiej powstanie specjalistyczne stanowisko badawcze do badań cieplno-przepływowych węzłów cieplnych. Umożliwi eksperymentalną weryfikację modeli matematycznych węzłów cieplnych.
Eksperymentalna weryfikacja i kalibracja: Opracowane modele zostaną sprawdzone najpierw w laboratorium, a następnie – w końcowej fazie projektu – zostanie dokonana analiza danych z prototypowych węzłów zainstalowanych w sieci ciepłowniczej Krakowa.
Innowacja = mniej paliw, mniej zanieczyszczeń, niższe koszty
Rola Politechniki Krakowskiej koncentruje się na wsparciu naukowo-badawczym oraz na eksperckiej wiedzy ,,know-how”. Instytut Zrównoważonej Energii „Miękinia” tworzy narzędzia informatyczne i aplikację do wizualizacji danych, umożliwiając prezentację kluczowych parametrów pracy węzłów: temperatur, strumienia ciepła, współczynnika przenikania ciepła, oporu cieplnego osadów i bieżącego stopnia zanieczyszczenia. Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej S.A. w Krakowie (lider) odpowiada za wdrożeniową część projektu – od implementacji nowych algorytmów sterowania węzłami cieplnymi, przez wybór lokalizacji i budowę sześciu prototypowych węzłów w różnych częściach Krakowa, aż po ich testy w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. Po roku testów system będzie gotowy do ewentualnego szerszego wdrożenia.
Wdrożenie systemu predykcyjnego przyniesie konkretne korzyści dla Krakowian. – Mniejsze straty ciepła w wymiennikach oznaczają niższe zużycie wszystkich rodzajów paliw, a tym samym redukcję emisji zanieczyszczeń do atmosfery i obniżenie kosztów eksploatacji – mówi dr hab. inż. Karol Kaczmarski, prof. PK. Przejście z modelu serwisowania okresowego na model predykcyjny sprawi, iż działania konserwacyjne będą wykonywane dokładnie wtedy, gdy są rzeczywiście potrzebne, a nie według sztywnego harmonogramu.
– Dla odbiorców końcowych oznacza to przede wszystkim większą niezawodność dostaw ciepła – ograniczenie ryzyka nagłych awarii i przerw w dostawie ciepłej wody niezbędnej do ogrzewania. Z perspektywy zarządcy sieci, nowe narzędzie umożliwi racjonalne planowanie przeglądów i czyszczeń z wyprzedzeniem, co pozwoli optymalnie rozłożyć nakłady serwisowe i uniknąć interwencji awaryjnych – podkreśla prof. dr hab. inż. Dawid Taler.
– Wyjątkowy charakter tego interdyscyplinarnego przedsięwzięcia leży w ścisłej współpracy wszystkich zaangażowanych w niego podmiotów. Zadanie, które stoi przed nami jest ambitne i ostateczny rezultat możliwy będzie do osiągnięcia tylko dzięki aktywnej współpracy między konsorcjantami – podsumowuje kierownik całego projektu dr inż. Paweł Jastrzębski z krakowskiego MPEC-u.
Zespół projektowy Politechniki Krakowskiej tworzą: prof. dr hab. inż. Dawid Taler, prof. dr hab. inż. Jan Taler, prof. dr hab. inż. Bohdan Węglowski, dr hab. inż. Karol Kaczmarski, prof. PK, dr hab. inż. Marcin Trojan, prof. PK, dr hab. inż. Piotr Dzierwa, prof. PK, dr hab. inż. Tomasz Sobota, prof. PK, dr inż. Jacek Sacharczuk, dr inż. Katarzyna Węglarz, dr inż. Mariusz Granda, dr inż. Mateusz Marcinkowski oraz mgr inż. Magdalena Szymkiewicz. Wartość dofinansowania na prace prowadzone na PK to ponad 1,3 mln zł.
Na zdjęciu od lewej: dr hab. inż. Piotr Dzierwa, prof. PK, dr inż. Jacek Sacharczuk, prof. dr hab. inż. Dawid Taler, dr inż. Katarzyna Węglarz, dr hab. inż. Marcin Trojan, prof. PK, prof. dr hab. inż. Jan Taler, dr hab. inż. Karol Kaczmarski, prof. PK. Fot.: Kuba Paduch
Źródło: Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki
