DHTrain - Development of an efficient support network and operation model for the municipal energy sector Veli-Matti Mäkelä This project is co-funded by the European Union, the Russian Federation and the Republic of Finland. 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 2 1
Sisällöstä Kaupungin energiatehokkuus Kaukolämmön tuotantolaitosten mitoitus ja käyttö Verkoston mitoitus ja laskenta Pumppaus osana kokonaisuutta Mahdollisuuksien mukaan muitakin teknisiä asioita Kokemuksia eri työtehtävistä joita olen saanut tehdä 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 3 Kaukolämpöjärjestelmä 7 6 5 3 2 1 1. Delivery of Fuel (peat) 2. Fuel Tank (peat) 3. Burner 4. DH Heat Exchanger 5. Turbine and Generator 6. Expansion tank for DH-water 7. Transformer for electricity 8. DH Pumping Station 9. DH Metering Centre 10. DH Substation 10 9 4 8 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 4 2
Suomalaisen kaukolämmityksen suunnittelun periaatteet Koko energiajärjestelmän hyötysuhteen maksimointi Polttoaineresurssien mahdollisimman tehokas hyödyntäminen CHP tuotannon maksimointi mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella Yhdistetyn ja erillistuotannon optimaalinen käyttö Tiivis kaupunkirakenne (järjestelmän kannalta) Asiakaslähtöinen säätö ja automaatio Asiakas käyttää energiaa vain sen minkä tarvitsee Asiakas säätää käyttämänsä energian määrän omilla laitteillaan Kaukolämpöyhtiö huolehtii että energiaa on saatavilla (T ja Δp) Tavoitteena pitkä käyttöikä Suunniteltu yli 30 vuotta (putket, kattilat jne.) Vaatii toteutuakseen veden laadun, suljetun ja epäsuoran kytkennän jne.) Turvallisuus ja käytettävyys Korkeapaineinen kaukolämpöjärjestelmä ja asiakkaan verkostot on aine hydraulisesti eroteltu 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 5 Lauhdutusvoimalaitos (P) ja lämmön ja sähkön yhteistuotanto (CHP) P CHP 3 3 1 2 G 1 2 G 4 5 6 7 1 Höyrykattila 5 Lauhtumishäviöt 2 Turbiini 6 KL lämmönsiirrin 3 Generaattori 7 KL verkosto 9.12.2013 4 Lauhdutussiirrin Veli-Matti Mäkelä 6 3
Lämpöindeksin kehitys kaukolämmitetyissä rakennuksissa kwh/m 3 a 70 60 kwh/m 2 a 250 200 50 40 30 150 100 20 10 50 0 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010 0 Wilhelms ja Tanner-Faarinen 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 7 Lämmöntuotanto Peruskuormalaitokset CHP laitokset Kattilalaitokset Teollisuuden jätelämpö Huipputuotanto Kattilalaitokset Vanhemmat CHP -laitokset Varalaitokset Kattilalaitokset Uudet alueet Siirrettävät lämpökeskukset 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 8 4
tunnit 1 470 939 1408 1877 2346 2815 3284 3753 4222 4691 5160 5629 6098 6567 7036 7505 7974 8443 9.12.2013 Laitosten mitoituksesta - lämpötehon tarve 300 250 200 150 100 50 0 MW teho 300 250 200 Huippukuormalaitokset 150 teho 100 50 Peruskuormalaitos 0 8760 tunnit 9.12.2013 5
Present Russian system level problem HOB HOB or CHP plant? HOB 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 11 1 HOB Finnish system 1 2 3 4 5 SH CHP plant Main parts of DH system 1.Heating plant 2.Distribution network 3.Customer connection 4.Metering centre 5.DH substation 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 12 6
New system design Russian cities and towns HOB HOB CHP plant 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 13 Kaukolämpöverkoston säädöstä 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 14 7
Useampi tuotantolaitos samassa verkossa 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 15 Kaukolämmön tuotanto Suomessa v. 2012 yhteensä 37,1 TWh Yhteistuotanto 69,2 % Erillistuotanto 30,8 % Wilhelms ja Tanner-Faarinen 17.10.2013 8
Kaukolämmön tuotanto ja yhteistuotannon osuus TWh/a 40 35 30 25 20 15 10 5 71 % 77 % 79 % 77 % 77 % 75 % 75 % 76 % 75 % 73 % 74 % 75 % 71 % 73 % 69 % 75 % 72 % 72 % 72 % 74 % 76 % 76 % 71 % 0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 Yhteistuotantolämpö Wilhelms ja Tanner-Faarinen 17.10.2013 100 TWh/a Yhteistuotannon avulla saavutettu energiansäästö 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Polttoaineen kulutus ilman yhteistuotantoa Toteutunut polttoaineen kulutus säästö yhteistuotannosta 0 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010 Wilhelms ja Tanner-Faarinen 9
Verkoston suunnittelun periaatteita - Yleissuunnitelma Yleistä 2-putkijärjestelmä 120 C ja 16 bar 15 vuoden tähtäin Verkon mitoitukseen vaikuttavat tekijät: rakennusten ominaistehontarve W/m³ sopimusvesivirta m³/h johto-osuuden painehäviö, bar/km meno- ja paluuveden lämpötilaero mitoitustilanteessa (mitoittavassa käyttötilanteessa) johdon sijainti verkossa rakennettavan johdon lähtöpisteessä käytettävissä oleva paine-ero epäedullisimmassa käyttötilanteessa Asiakkaalla aina 60 kpa 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 19 Kanavarakenteet Concrete element 2Mpuk (steel pipes with poly urethane insulation and two plastic cover pipes) MpuL (esim. Fiskars type)) Mpuk (steel pipes with poly urethane insulation And only one plastic cover pipe) 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 20 10
Saneeraustyömaa 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 21 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 22 11
Eri johtojen mitoituksesta Talojohdot Hetkellisteho (kesä/talvi) ΔT = 50...70 C 4 bar/km Jakelujohdot Tehojen risteily ΔT = 40...50 C 2 bar/km Siirtojohdot ΔT = 30...40 C 1-2 bar/km 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 23 Verkostolaskenta Virtaus- ja painehäviölaskenta Karttapohjainen Ymmärrettävä mitä ollaan tekemässä ja mitä tuloksista saadaan irti Uuden verkoston suunnittelu Olemassa olevan verkoston toiminta Lämmöntuotannon optimointi 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 24 12
Renovation of a pipe DH supply temperature 110 C Cooling of DH water 40 C Supply pressure in power plant 10,5 bar Return pressure in power plant 2 bar Picture 10. Pressure difference in CTPM16 in present situation Picture 11. Pressure difference in CTPM16 with a new 409 m pipe from chamber TK218A 13
Venttiileistä 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 27 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 28 14
Kaukolämmön mittaus 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 29 Tarkasteltava kokonaisuutta = primäärienergian käyttöä Ainoastaan valittavan ratkaisun kokonaisenergian kulutus = energiaresurssien käyttö on merkittävää Osittaisoptimointia ei kannata harrastaa Ei riitä että kiinteistö käyttää vähän energiaa Kiinteistön käyttämän energian on kulutettava mahdollisimman vähän polttoainetta tai raaka energiaa Lähtökohtia Eri lämmitystavat soveltuvat eri kohteisiin, ei ole automaattisesti oikeaa Kaukolämmitys on taajamien lämmitysmuoto Siispä kaupungit pitää rakentaa kaupungeiksi Ja maaseutu voi olla maaseutua Maalämpöpumppu on paras tällä hetkellä tiedossa oleva sähkölämmitysmuoto => Jatkossa esimerkkitapauksia, jotka samalla kuvaa kokonaistarkastelun merkittävyyttä! 9.12.2013 Veli-Matti Mäkelä 30 15