Design af vandvarmelagre/ akkumuleringstanke til decentrale kraftvarmeanlæg

Transkript

1 Design af vandvarmelagre/ akkumuleringstanke til decentrale kraftvarmeanlæg Projektrapport September 1997

2 Design af vandvarmelagre/akkumuleringstanke til decentrale kraftvarmeanlæg Brian Schmidt Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 1997

3 Titel Rapport kategori Forfatter Dato for udgivelse Copyright Sagsnummer Sagsnavn ISBN Design af vandvarmelagrelakkumuleringstanke lit decentrale la:aftvarmelagre Projektrapport Brian Schmidt September 1997 Dansk Gasteknisk Center a/s Design af vandvarmelagre For ydelser af enhver art udført af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) gælder: at DGC er ansvarlig i henhold til "Almindelige bestemmelser for te!ulisk nidgivning & bistand (ABR 89)", som i øvrigt ansesfor vedtagetfor opgaven. ar erstatningsansvaret for fejl, forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarsptidragende fejl eller forsømmelse og altid begrænses tillooo/o af det vederlag, som DGC har modtaget for den pågældende ydelse. Rekvirenten holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav, der nuitte overstige DGC's hæftelse. at DGC skal- uden begrænsning-omlevere egne ydelser i forbindelse medfejl og forsømmelser i DGC's materiale. Juli 1997

4 DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side l Forord Indledning/baggrund Mulige udformninger Cylindrisk varmelager Varmelager fordelt på flere tanke Specielle udformninger Mulige placeringer l O 4.1 Placering i bygning lo 4.2 Varmelager sammenbygget med kraftvarmeværk Beplantning Nedgravet Delvis nedgravet Decentral placering Mulig udsmykning Teknik Størrelse Udformning af ind- og udløb Varmetab Tilhørende udstyr Korrosionshindrende foranstaltninger og overvågning heraf Referencer/supplerende litteratur Design, vandvarmelagre 715\76\Rapport\design af vandvarmelagre-rev 3.doc september 1997

5 DGC-rapport 2 1 Forord Denne projektrapport er udarbejdet i perioden juni 96 - august 97 af DGC for gasselskabernes Fagudvalg for større anlæg (F AU 2). Projektarbejdet er udført af Brian Schmidt, D GC, og FAU 2 ansvarlig bar været Ole Sundman, DONG. Projektgruppen forsøgte undervejs i projektet at engagere Kunstakademiets Arkitektskole til at bidrage til rapporten. Disse tiltag endte desværre resultatløst. Rapportens billeder er, hvor ingen ki lde er angivet, taget af forfatteren samt Jan de Wit. Hørsholm, september 1997 Brian Schmidt Projektingeniør Afd. for Gasanvendelse [3~ Bjarne Spiegelhauer Afdelingschef Afd. for Gasanvendelse

6 DGC-rapport 3 2 Indledning/baggrund V andvarmelagre etableres i dag i forbindelse med kraftvarmeproduktion for at give driftsfleksibilitet Varmeproduktionen er knyttet til elproduktionen, som oftest styres efter elselskabernes tarifperioder. Eltarifperioderne er oftest inddelt i spids- høj- og lavlast Grundet dette, lægges elproduktionen og hermed varmeproduktionen fortrinsvis i spids- og højlastperioderne. Disse perioder stemmer ikke fuldt overens med varmebehovet, hvorfor det er nødvendigt at lagre en del af varmeproduktionen for senere brug. Et vandvarmelager er en tank, som akkumulerer overskudsvarmeproduktionen i en kortere periode. Udformningen er oftest en synsmæssigt dominerende høj cylindrisk tank, hvor tanken oplades termisk, ved at varmt vand ledes ind øverst samtidig med, at koldt vand ledes ud nederst. Tanken "aflades" ved at vende processen og lede det varme vand ud til forbrugerne. Adskillelsen af koldt og varmt vand foregår ved termisk temperaturlagdeling i tanken. Adskillelsen er ofte temperaturmæssigt ganske markant og foregår typisk i et ca cm lag. I mange tilfælde etableres kraftvarmeværkerne tæt på bebyggelse, hvilket stiller krav til hensigtsmæssig udformning/placering af vandvarmelageret For visse af de etablerede anlæg er akkumuleringstanken synsmæssigt meget dominerende. Det er ikke altid nødvendigvis rentabelt at etablere et vandvarmelager i forbindelse med kraftvarmeproduktion. Ved mindre anlæg kan det være økonomisk fordelagtigt at dimensionere kraftvarmeenheden således, at den styres af det aktuelle varmebehov. Dette bevirker, at kraftvarmeenheden er i drift i alle tarifperioderne og har hyppige start/stop, hvilket kan medføre en øget vedligeholdelsesudgift For større anlæg er det generelt en økonomisk fordel at etablere vandvarmelagre. Størrelsen af vandvarmelageret bestemmes ud fra en økonomisk vurdering baseret på drifts- og anlægsomkostninger, elselskabernes tariffer, varmepris mm. Dette notat er væsentligst tænkt anvendt som idemateriale ved nyopførelse, ændring og udsmykning af vandvarmelagre i forbindelse med kraftvarme-

7 DG C-rapport 4 anlæg. Notatet indeholder eksempler på mulighed for placering, udformning og udsmykning af vandvarmelagre.

8 DGC-rapport 5 3 Mulige udformninger I det følgende kapitel vises en række eksempler på placering af tanke. Tekniske aspekter vedr. indretning og drift omtales i kapitel Cylindrisk varmelager Cylindrisk udformning er af tekniske, økonomiske og funktionsmæssige årsager den hyppigste forekommende. Det cylindriske varmelager kan placeres lodret eller vandret. Se eksempler på Figur 3.1 og Figur 3.2 Figur 3.1 Eksempel på vandretliggende tank

9 DGC-rapport 6 Figur 3.2 Eksempel på lodretstående tank 3.2 Varmelager fordelt på flere tanke På værker, hvor lagervolumenet ønskes så stort, at det ikke vurderes muligt at bringe dette i harmoni med omgivelserne, kan lageret opdeles på flere tanke. Dette øger overfladearealet pr. volumenenhed, men dog ikke så meget, at varmetabet herfra bliver uacceptabelt højt. Den procentvise forøgelse af overfladearealet ved fordeling af vandmængden på hhv. 2, 3 og 4 tanke ses i skemaet på Figur 3.3. Beregningen gælder for geometrisk ligedannede tanke. Antal tanke o/o-forøgelse af overfladearealet Figur 3.3 %-forøgelse af overfladeareal ved opdeling afvandvarmelageret på flere tanke. Forudsætning: Geometrisk ligedannethed Eksempel på et varmelager fordelt på flere tanke ses afbildet på Figur 3.4 og Figur 3.5. Det ses, at højden af tankene er holdt under trætoppenes niveau.

10 DGC-rapport 7 Figur 3.4 Eksempel på varmelager fordelt på flere tanke Figur 3.5 Eksempel på varmelager fordelt på flere tanke (3 stk. i alt)

11 DGC-rapport Specielle udformninger De førnævnte udformninger af varmelagre er mere almindelige, men grundet de specielle krav til den arkitektoniske udformning er andre udformninger blevet udviklet. Eksempler herpå ses på Figur 3.6 og Figur 3.7. Figur 3.6 Specielt udformet varmelager

12 DGC-rapport g Figur 3. 7 Specielt udformet varmelager

13 DG C-rapport 1 O 4 Mulige placeringer 4.1 Placering i bygning Enkelte varmelagre er placeret i bygning. Eksempel herpå er Figur 4.1, hvor tanken ses indefra bygningen og Figur 3.4, hvor samme anlæg ses udefra. Figur 4.1 Eksempel på varmelager placeret i bygning (set indefra) Tankstørrelse 65 m 3

14 DGC-rapport 11 Figur 4.2 Eksempel på varmelager placeret i bygning (set udefra) 4.2 Varmelager sammenbygget med kraftvarmeværk Sammenbygning af varmelager med kraftvarmeværket er en mulighed. Figur 4.3 viser Viborg Kraftvarmeværk, hvor tanken er delvis integreret i værket. Et andet eksempel (Figur 4.4) er Fåborg Kraftvarmeværk, hvor varmelageret er integreret i værket.

15 DGC-rapport 12 Figur 4.3 Varmelager delvis integreret i kraftvarmeværk 131 Figur 4.4 Varmelager integreret i kraftvarmeværk

16 DGC-rapport Beplantning En anden mulighed er beplantning med træer eller andet, der helt eller delvist kan skjule tanken. Et eksempel på sidstnævnte ses på Figur 4.5 og Figur 4.6, hvor tanken er skjult bag træer set fra den ene side (Figur 4.5) og synlig fra den anden (Figur 4.6). Figur 4.5 Varmelager skjult bag træer

17 DGC-rapport 14 Figur 4.6 Varmelageretfra Figur 4.5 setfra den anden side 4.4 Nedgravet Eksempel på et nedgravet varmelager ses på Figur 4.7 (før tildækning) og Figur 4.8 (efter tildækning).

18 DGC-rapport 15 Figur 4. 7 Nedgravet varmelager før tildækning Figur 4.8 Nedgravet varmelager efter tildækning (Anden lokalitet end Figur 4. 7) Sådanne tanke leveres oftest færdigbygget (inkl. isolering mv.). Af hensyn til transport er der begrænsning på størrelsen af den enkelte tank. Præfabrikerede tanke leveres p.t. i størrelser op til270 m 3, med en maks. diameter på 4,45 m. Hvis tanken er større end dette, bygges den ofte på stedet.

19 DGC-rapport Delvis nedgravet En række lodretstående tanke er udført delvis nedgravet. På denne vis kan typisk "spares" ca. l - 2Y2 m af fritliggende højde. På Figur 4.9 ses et eksempel på en sådan delvis nedgravet tank. Figur 4.9 Delvis nedgravet lodretstående tank 4.6 Decentral placering Placering på anden og mere velegnet lokalitet, dvs. placering andetsteds end værket, er også en mulighed. Dette kan give mulighed for at placere varmelageret i harmoni med omgivelserne. Ved decentral placering af varmelageret er det nødvendigt at tage hensyn til rørdimensionen og pumpekapaciteten mellem KV -anlægget og varmelageret Da det periodevis kan være nødvendigt af oplagre hovedparten af den producerede varme, skal transmissionsforbindelsen mellem KV -anlægget og varmelageret kunne have stor kapacitet.

20 DGC-rapport 17 5 Mulig udsmykning Efterfølgende figurer giver eksempler på udsmykning af vandvarmelagte, der alle er udført som lodretstående tanke (Figur 5.1- Figur 5.3). Figur 5.3 viser et kraftvarmeværk, hvor varmelagerets akkumuleringstanke benyttes som ramme om en frilufts. cene. Y deri igere er scenebaggrunden udsmykket med et kun tværk. En mulighed er også at benytte akkumulering tanken som reklamesøjle.

21 DGC-rapport 18 Figur 5.1 Udsmykket varmelager

22 DGC-rapport 19 Figur 5.2 Spedaldesignet varmelager

23 DGC-rapport 20 Figur 5.3 Varmelager, der udnyttes i forbindelse med friluftsscene/festplads

24 DGC-rapport 21 Figur 5.4 Akkumuleringstank anvendt som reklamestander

25 DGC-rapport 22 6 Teknik 6.1 Størrelse Størrelsen af vandvarmelagre skal tilpasses det aktuelle anlæg. Lagerstørrelsen vælges på baggrund af ønsker tillagerkapacitet og temperaturforskel over tanken. Lagerkapaciteten bestemmes ofte således, at anlægget producerer el i spids- og højlastperioderne og kan stoppes i lavlastperioderne. I spids- og højlastperioderne producerer motoranlægget et varmeoverskud, som akkumuleres i tanken. Dette varmeoverskud skal så typisk dække varmebehovet i lavlastperioden. På visse anlæg foretages endvidere hel eller delvis weekendudjævning. Figur 6.1 gør det muligt at vurdere tankstørrelsen på baggrund af ønsket lagerkapacitet og temperaturforhold i lageret. Lageret bør dog vælges større, end figuren angiver, idet det må påregnes, at der i tanken er områder, så som skillelag og vandvolumen omkring ind- og udløb, der ikke kan udnyttes fuldt ud. Tankvolumen (m3) DGC feb/ :~~~~~~~. ~!!~ ~~~~~~~ IO temp.stigning (gr.c.) 5 25 JO 40 2 // 'Z L / l l l l l l l 1 l :r :l ~ 2 ~ l ' Energiindhold (kwh) Figur 6.1 Lagerstørrelse afhængig af lagerkapacitet

26 DGC-rapport Udformning af ind- og udløb For at udnytte tankvolumenet optimalt er det vigtigt, at udformningen af indog udløb giver lav udstrømningshastighed og optager så lidt volumen som muligt. Dette opnås eksempelvis via den gradvise tværsnitforøgelse af indog udløbssystem, som vist for en lodret- og vandretliggende tank (Figur 6.2 og Figur 6.4). Bemærk isoleringen af røret. Dette er gjort for at undgå at skabe unødig intern cirkulation forårsaget af, at varmt vand føres ned gennem tankens kolde ende / -... Fyldningssituation Tappesituation Figur 6.2 Ind- og udløbssystemfor lodret tank Som alternativ til indløbet på figur 6.2 har ringformede rør med udstrømningshuller været afprøvet. Disse synes ikke at fungere så godt, som den "omvendte tallerken" model (Figur 6.2).

27 DG C-rapport 24 Øverste ditfuser Isolering Figur 6.3 Ind- og udløbssystern for vandretliggende tank 6.3 Varmetab Af hensyn til varmetab er det væsentligt, at tanken har et så lille overfladeareal som muligt i forhold til dens volumen. Dette forhold er generelt optimalt for en kugle. Denne udformning er dog konstruktionsroressigt uhensigtsmæssig. Overfladeareal i forhold til volumen for en cylindrisk tank kan optimeres med hensyn til varmetab. Dette forhold har et optimum ved diameter lig højde. Ved øget højde-/diameterforhold stiger tankens overfladeareal og dermed varmetab fra tanken, som vist på Figur 6.4

28 DGC-rapport 25 Cii Q)... cu Q) cu "' Procentvis forøgelse af tankens overfladeareal ved et givet tankvolumen som funktion af højde/diameter-forhold =E ~, o?f!. li Q) Ul "i m! o o o /./ / v / / v L / højde/diameter-forhold 7 Figur 6.4 Procentvis forøgelse af varmetab afhængig af ændret højde /diameterforhold (reference hid = l) Af hensyn til effektiv temperaturlagdeling bør højde-/diameterforholdet være større end l, Tilhørende udstyr Vand udvider sig ca. 4% ved opvarmning fra C og stål ca. 1/20 af dette. Da lagertanken i mange tilfælde også fungerer som ekspansionsbeholder for fjernvarmesystemet (trykløse tanke), er det nødvendigt med et hulrum i toppen af tanken, som tillader ekspansion af vandet. Af hensyn til korrosion må der ikke være en iltholdig atmosfære, som har kontakt med fjernvarmevandet i dette hulrum. Dette kan undgås ved, at tanken forsynes med en gummimembran, som forhindrer iltning af fjernvarmevandet En anden mulighed er opretholdelse af en inert atmosfære med kvælstof eller damp. Dampen produceres af en dampgenerator i eller koblet til tanken, der ved et lil1e overtryk hindrer indtrængning at ilt. Overtrykket kan opretholdes ved en simpel vandlås. Placering af temperaturfølere, sprængklap, niveau- og tryktransmittere samt førnævnte udstyr kan ses på Figur 6.5.

29 DG C-rapport 26 llam '-L- CJeneralof Figur 6.5 Placering af tilhørende udstyr Tryktanke er fyldt helt op. Her kompenserer en ekspansionsbeholder for vandudvidelsen. 6.5 Korrosionshindrende foranstaltninger og overvågning heraf Der er konstateret korrosion i flere akkumuleringstanke. Korrosion er indtil nu hovedsagelig forsøgt forhindret ved opretholdelse af en damppude i toppen af tanken, som skal sikre en iltfri atmosfære. Flere korrosionseksperter har uafhængigt af hinanden konkluderet, at det drejer sig om ilttæringer. Ilten trænger i de fleste tilfælde ind i tanken, idet damppuden falder sammen i forbindelse med termisk afladning af tanken eller opstart af et "koldt" anlæg. Herved kondenserer en større dampmængde på tankens "koldere" overfladevand, end dampgeneratoren kan producere. Andre mindre hyppige årsager til svigtende tankdækning er: Svigtende dampgenerator Mangelfuld eller svigtende overvågning M andre medier, der forventes at kunne hindre ilt i at trænge ind i tanken, kan nævnes: Kvælstof

30 DGC-rapport 27 Blow-top ekspansionssystem Der pågår p.t. forsøg med ovennævnte på forskellige værker. Lige meget hvilken metode der vælges til at opretholde en iltfri atmosfære i tanktoppen, er det vigtigt at overvåge, at metoden er effektiv. Til dette anbefales to af hinanden uafhængige ystemer, hvorfor trykovervågniti gen, som benyttes på hovedparten af tankene, bør suppleres med fx kontinuert iltovervågning. Y dertigere bør tankene forsynes med inspektionsjern/mandehul ( e Figur 6.5). Dette muliggør også bmg af korro ionskoponer, som kan nedsænkes i fx bunden, midten og toppen af tanken. For nærmere information om korrosionshindrende foranstaltninger henvises W DGC-rapport: 'Korrosion i akkumuleringstanke '.

31 DGC-rapport 28 7 Referencer/supplerende litteratur l. Wit, J. de: "Korttids-varmelagre", Dansk Gasteknisk Center a/s, Teknisk note nr. 2/ Andersen, P.E.: "Beregning af rør- og kanalsystemer", kompendium, Odense Teknikum. 3. Fjernvarmen nr. 8/ Årsberetning 96, Dansk Fjernvarmeværkers Forening. 5. Wit, J. de: "Nedgravet vandretliggende varmelagertank". Demonstrations- og måleprojekt, Dansk Gasteknisk Center a/s, Projektrapport, nov Wit, J. de, DGC; Lohmann-Devantier, S., NESA A/S: "Nyudviklet varmelagerteknologi, Måleprojekt Åbrinken, Virum". Dansk Gasteknisk Center a/s, marts 1994.