|
mgr inż. Tomasz Bacza
specjalista ds. energetycznych Regionalne Centrum Gospodarki Wodno-Ściekowej S.A
Zielona energia z biogazu i system automatyki na oczyszczalni ścieków Tychy-Urbanowice
Regionalne Centrum Gospodarki Wodno-Ściekowej S.A. zostało utworzone jako jednoosobowa spółka Gminy Tychy. Do 2000 roku Spółka prowadziła działalność polegającą na przeprowadzaniu specjalistycznych szkoleń, seminariów i prezentacji adresowanych do personelu zatrudnionego w gospodarce wodno-ściekowej i administracji samorządowej. Od lutego 2000 roku w imieniu Gminy Tychy, Spółka zarządzała obiektami Oczyszczalni Ścieków w Tychach-Urbanowicach przy ul. Lokalnej. Obecnie RCGW S.A. zajmuje się oczyszczaniem ścieków komunalnych, wytwarzanych przez mieszkańców miasta Tychy oraz przez niektóre zakłady funkcjonujące w mieście. Rocznie na oczyszczalnie dopływa 12 mln m3 ścieków. W sierpniu 2006 roku zakończono inwestycję mającą na celu zagospodarowanie biogazu i przetwarzanie go na energie cieplną i elektryczną. Inwestycja została podzielona na dwie fazy. W ramach I fazy zamontowany został kocioł gazowy niskotemperaturowy oraz moduł kogeneracyjny, natomiast w II fazie przewiduje się modernizacje części osadowej oczyszczalni a w niej również zabudowę drugiego modułu . Do kwietnia 2006 roku na oczyszczalni ścieków w Tychach Urbanowicach biogaz spalany był w kotłach koksowych Eca IVa, przystosowanych do spalania biogazu i stanowił paliwo do produkcji ciepła zużywanego do wspomagania procesów technologicznych oraz celów grzewczych. Sprawność tych kotłów była jednak bardzo niska (~50%), co uniemożliwiało efektywne wykorzystanie produkowanego biogazu. Kotły te charakteryzowały się bardzo dużą awaryjnością. Konieczne było więc wyłączenie z eksploatacji starych kotłów i zastąpienie ich urządzeniami o lepszej sprawności energetycznej, które pozwoliły na znacznie lepsze wykorzystanie energii zawartej w biogazie. W kwietniu 2006 r na oczyszczalni zamontowano nowoczesny kocioł nisko temperaturowy o mocy cieplnej 895 kW Vitoplex 100 z palnikiem dwufunkcyjnym olejowo – gazowym. Dzięki kotłowi oczyszczalnia ma zapewnioną energie cieplna nawet w przypadku braku biogazu – kocioł będzie wtedy pracował na oleju opałowym. Kocioł jest urządzeniem rezerwowym – energia cieplna potrzebna do procesów technologicznych i ogrzewania budynków jest produkowana w zespole kogeneracyjnym. Równocześnie z kotłem wymieniono instalację węzła centralnego ogrzewania oraz ciepła technicznego oczyszczalni. System rozdzielaczy zapewnia rozprowadzenie ciepła do wszystkich obiektów oczyszczalni, a poprzez nowy wymiennik spiralny, który zastąpił stare wymienniki rurowe ogrzewany jest osad w Wydzielonych Komorach Fermentacyjnych. Ilość miejsca zajmowana przez nowy wymiennik jest prawie 10 krotnie mniejsza przy praktycznie identycznej mocy cieplnej.
Kogeneracja to inaczej, skojarzona gospodarka energetyczna, oparta na jednoczesnym wytwarzaniu ciepła i energii elektrycznej. System kogeneracyjny zwany również systemem CHP (z ang. Combined Heat and Power) docelowo na terenie oczyszczalni będzie składał się z dwóch agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki spalinowe zasilane biogazem powstałym w wyniku procesu fermentacji osadów w Wydzielonych Komorach Fermentacyjnych. Agregaty prądotwórcze, z silnikiem tłokowym sprzężonym z generatorem synchronicznym oraz wyposażone w szereg wymienników ciepła, obudowy dźwiękochłonne, wewnętrzne, tłumiki hałasu na spalinach i na wylocie powietrza, jak również szafę sterowniczą umożliwiającą monitoring i wizualizację parametrów pracy systemu. Układ grzewczy przystosowany jest do niskoparametrowych kotłowni (90/70oC). Energetyczne wykorzystanie biogazu obejmuje zarówno produkcję energii elektrycznej, jak i wykorzystanie ciepła odpadowego wytwarzanego przez silnik, sprężaną mieszankę gazową, olej smarujący czy spaliny. Takie podejście zwiększa rentowność przedsięwzięcia. Całkowita sprawność urządzenia wynosi ponad 90%, natomiast energia elektryczna generowana jest przez nie ze sprawnością ponad 35%.
Obecnie na oczyszczalni pracuje jeden agregat prądotwórczy typu MBk3042 L1z silnikiem gazowym z zapłonem iskrowym z turbodoładowaniem o mocy elektrycznej 345 kW i mocy cieplnej 531 kW. System kontrolny składu mieszanki (kontrola lambda) zapewnia optymalne spalanie i zapobiega nadmiernemu zużyciu silnika nawet przy zmiennej zawartości metanu wahającej się między 40 do 75 % objętości gazu. Zastosowana w tym agregacie zasada ubogiej mieszanki zapobiega wydzielaniu się substancji toksycznych i zanieczyszczających środowisko już u samego źródła tzn. podczas spalania paliwa w cylindrze silnika. Polega ona na cyklicznym zmieszaniu ilości paliwa do momentu pojawienia się spalania stukowego, co powoduje wzrost ilości paliwa. Spaliny są czystsze niż przewidują to normy. Układ wody chłodzącej silnika i wylotu spalin jest przyłączony do instalacji węzła centralnego ogrzewania oraz ciepła technicznego oczyszczalni. Odpowiedni układ sterowania i regulacji zapewnia płynną współpracę agregatu z zewnętrzną siecią energetyczną oraz zakładową siecią centralnego ogrzewania i ciepła technicznego.
W okresie planowania projektu w roku 2002 został ustalony sposób podłączenia agregatów kogeneracyjnych do sieci zewnętrznej zakładu energetycznego poprzez osobny transformator i osobną linię SN. W wyniku późniejszych analiz w roku 2004 stwierdzono, iż korzystniejsze dla użytkownika będzie wykorzystanie energii produkowanej w modułach kogeneracyjnych na potrzeby własne zakładu i podpięcie go do istniejącej sieci rozdzielczej niskiego napięcia. To rozwiązanie umożliwiało wykorzystanie energii na potrzeby własne jak również sprzedaż energii do zakładu energetycznego. W roku 2005 zmiany w ustawie Prawo energetyczne wprowadziły świadectwa pochodzenia oraz regulacje zaliczające biogaz do źródeł odnawialnych. Wdrożenie świadectw pochodzenia ma na celu promocję produkcji energii ze źródeł odnawialnych (tzw. zielone certyfikaty) oraz produkcji energii w skojarzeniu (czerwone certyfikaty). Jednak zgodnie z decyzją Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki z dnia 31 maja 2007r, obecnie nie jest możliwe uzyskiwanie obu typów świadectw za tę samą ilość energii elektrycznej wytworzonej w jednej instalacji, więc RCGW S.A. otrzymuje tylko zielone certyfikaty. Świadectwa pochodzenia wydawane są przez Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki na wniosek przedsiębiorstwa wytwarzającego energię elektryczną z odnawialnego źródła energii. Wniosek składa się do Prezesa URE za pośrednictwem operatora systemu elektroenergetycznego, na którego obszarze działania znajduje się to źródło energii. Operator systemu elektroenergetycznego potwierdza na wniosku ilość wytworzonej energii elektrycznej w danym okresie. Świadectwo pochodzenia zawiera informacje o producencie energii, rodzaju i mocy odnawialnego źródła energii, ilości wytworzonej energii oraz okres, w którym energia została wytworzona. Okresem wytworzenia może być jeden lub więcej miesięcy danego roku kalendarzowego. Ewidencjonowanie i zbywanie praw majątkowych wynikających z świadectw pochodzenia odbywa się na Towarowej Giełdzie Energii S.A. Nominałem obowiązującym na giełdzie jest 1kWh. Przedsiębiorstwa energetyczne sprzedające energię użytkownikom końcowym muszą uzyskać świadectwa pochodzenia i przedstawić do umorzenia Prezesowi URE, lub uiścić stosowną opłatę zastępczą na rzecz Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Po w/w zmianach prawnych zmodyfikowaliśmy projekt montując pomiar energii brutto na generatorze(rys 1).
Montaż i uruchomienie agregatu kogenracyjnego przyniosło wymierne skutki ekologiczne jak i również ekologiczne:
1. Oszczędności poprzez produkcję energii cieplnej i elektrycznej ze źródeł odnawialnych która w roku 2007 wyniosła 2082
MWh energii elektrycznej z czego 99,95% zostało zużyte na potrzeby własne Oczyszczalni, oraz 3980 MWh energii cieplnej w 100% zużytych na potrzeby własne. Te działania ograniczyło produkcję energii ze źródeł konwencjonalnych.
2. Uzyskanie efektu ekologicznego poprzez znaczące zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do powietrza.
Podkreślenia wymaga fakt, iż zrealizowane zadanie wiąże się z ochroną klimatu poprzez ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Gaz ten, bowiem choć nie jest groźny w bezpośredni sposób dla życia człowieka, jest odpowiedzialny za zjawisko zwane efektem cieplarnianym. Kolejnym efektem ekologicznym jest zastąpienie energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł nieodnawialnych energią wytwarzaną z biogazu.
3. Uzyskanie efektu ekonomicznego polegającego na:
a) generowaniu dodatkowych dochodów w wyniku sprzedaży świadectw pochodzenia, których cena na Towarowej Giełdzie Energii praktycznie zrównała się z ceną opłaty zastępczej i wynosi około 239 zł/MWh b) zmniejszeniu kosztów eksploatacyjnych, które wywołane są: - uzyskaniem oszczędności z nie zakupionej energii elektrycznej w, zakładzie energetycznym, średnia cena około
215 zł/MWh, - uzyskaniem oszczędności z tytułu braku konieczności zakupu węgla (produkcja energii cieplnej i elektrycznej wyłącznie z biogazu), c) generowaniu dodatkowych dochodów związanych ze sprzedażą energii elektrycznej, które są stosunkowo
niewielkie ze względu na cenę zakupu wynoszącą około 115 zł/MWh.
W chwili obecnej trwają prace przy montażu drugiego agregatu kogeneracyjnego, oraz prace uruchomieniowe nowych komór WKF, które umożliwią wzrost ilości produkowanego biogazu do poziomu 7000-8000 m3/dobę. Zapewni to możliwość ciągłej pracy obu agregatów i umożliwi pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną w wysokości 90 – 95 %. Nad całością procesu produkcji i wykorzystania energii zawartej w biogazie, czuwa system automatyki. W latach 2003 i 2005 roku przeprowadzona została kompleksowa modernizacja systemu energetycznego i automatyki oczyszczalni ścieków. W wyniku przeprowadzonej modernizacji zostały zamontowane nowoczesne rozdzielnie niskiego napięcia wyposażone w układy sterowania i zabezpieczeń pracy urządzeń. Pola zasilające odbiorniki zostały wyposażone w przemienniki częstotliwości lub układ miękkiego startu. Dla celów pomiarowych zostały zamontowane układ pomiaru parametrów technologicznych typ pH, redox, poziom tlenu, wysokości, przepływu oraz parametrów elektrycznych U, I, P, S, Q, PF, thd.
Na oczyszczalni ścieków Tychy-Urbanowice występują obecnie następujące systemy automatyki:
- rozproszony system automatyki ADVANT AC800F dla całości oczyszczalni - jako system nadrzędny
- system autonomiczny dostarczony wraz z technologią C-TECH – system podrzędny
- systemy autonomiczne urządzeń technologicznych typu kraty, piaskownik oparte w głównej mierze na sterownikach
lokalnych typu S7-200 firmy SIEMENS
System ADVANT AC800F opiera się na modularnym sterowniku AC800F wraz z zdalnymi modułami I/O serii S800. Stacje procesowe AC800F złożone są z jednostki centralnej (sterownik AC800F), wyposażonej w procesor i moduły komunikacyjne, oraz z modułów wejść/wyjść. Stacje procesowe służą do zbierania danych z obiektu i tworzenia wtórnych wielkości operacyjnych. Tworzone wielkości wtórne służą do tworzenia algorytmów jak i złożonej wizualizacji. System ten zapewnia realizację funkcji sterowniczych i regulacyjnych. W zakresie regulacji mogą być to zarówno proste, jednoparametrowe układy regulacji, jak również bardzo złożone, wieloparametrowe i wielofunkcyjne układy regulacyjne z wyjściem krokowym lub ciągłym.
Moduły, sterowniki, osprzęt i listwy zaciskowe umieszczone zostały w pięciu dwudrzwiowych szafach automatyki każda o wymiarach 2000x1200x600, w czterech lokalizacjach. Schemat blokowy systemu nadrzędnego przedstawia rys.2.
Najważniejszymi zaletami systemu automatyki zastosowanego na oczyszczalni jest jego możliwość rozbudowy w przyszłości. Na to wpływa jego uniwersalność, a także jednolitość sprzętowa i programowa. System posiada możliwość współpracy z innymi systemami automatyki za pomocą łączy transmisji takich jak PROFIBUS, MODBUS, ETHERNET. Linie transmisji sygnałów analogowych, które są narażone na przepięcia wywołane wyładowaniami atmosferycznymi zabezpieczone są obustronnie aparaturą przepięciową. Wymiana sygnałów z rozdzielnicami elektrycznymi realizowana jest za pomocą styków bezpotencjałowych. System jest obsługiwany za pomocą dwóch niezależnych stacji operatorskich zlokalizowanych w centralnej dyspozytorni. Stacje zabezpieczone są przed skutkami zaniku napięcia w okresie do jednej godziny, zasilaczem UPS. Archiwizacja danych z stacji operatorskich odbywa się na płytach DVD w odstępach tygodniowych. Stacje procesowe AC800F programuje się przy pomocy oprogramowania inżynierskiego Control Builder F . Programowanie odbywa się poprzez magistralę komunikacyjną Ethernet. System operatorski dot.master oparty jest na platformie Windows XP i realizuje następujące funkcje: kontrolę dostępu do funkcji systemu, wizualizację procesów technologicznych , wizualizację trendów czasowych wartości analogowych, wizualizację sekwencji zdarzeń, zbieranie i archiwizację danych pomiarowych oraz zdarzeniowych, generowanie ustalonych raportów.
System podrzędny zbudowany jest na sterownikach a firmy Allen-Bradley, głównym sterowniku SLC500/5 oraz sterownikach obiektowych MicroLogix 1500. Sterownik SLC 500/5 jest zbudowany z kasety, do której jest dołączany zasilacz. W pierwszym slocie o numerze "0" rezyduje procesor. Pozostałe sloty zajmują moduły, których może być do 13 w kasecie. Można połączyć do 3 kaset pod kontrolą jednego procesora. Sterownik MicroLogix 1500 jest jednomodułowym sterownikiem z możliwością rozbudowy o dodatkowe moduły we/wy instalowane bez użycia dodatkowej kasety. Przeznaczony jest do małych i średnich aplikacji. Zarówno SLC 500 jak i Micrologix programowany jest w języku drabinkowym przy pomocy oprogramowania RSLogix 500. Sterowniki są spięte ze sobą magistralą RS485, która służy do komunikacji miedzy sterownikami lokalnymi, a sterownikiem głównym. Sterowniki lokalne sterują pracą dekanterów, a całością procesu steruje główny sterownik umieszczony w szafie systemowej. Dane z systemu podrzędnego są wizualizowane i przetwarzane w systemie nadrzędnym, wykorzystując do tego serwer OPC. W centralnej dyspozytorni znajduje się „tablica synoptyczna” składająca się z trzech paneli LCD o wymiarach 40”, wraz z dodatkową stacją operatorską sterującą panelami LCD. Obsługa stacji operatorskich możliwa jest również zdalnie z innego komputera, przy pomocy sieci internetowej. Połączenia „zewnętrzne” z stacjami operatorskimi następuje przy pomocy bezpiecznego szyfrowanego łącza w sieci internetowej - kanału VPN, sama obsługa realizowana jest przez program typu VNC, rozwiązanie to umożliwia zdalny podgląd i sterowanie, z dowolnego miejsca na świecie. Docelowo do sierpnia tego roku będzie zamontowany kolejny panel LCD przeznaczony do monitoringu zakładu za pomocą sieci telewizji cyfrowej oraz wizualizacji stanów pracy 24 przepompowni realizowanej właśnie kanalizacji w mieście Tychy.
Na stacji operatorskiej mamy możliwość bieżącej kontroli i podglądu każdego urządzenia zamontowanego na terenie Oczyszczalni. Do celów kontroli produkcji i zużycia produkowanej i pobieranej energii elektrycznej najważniejsze jest między innymi podgląd parametrów pracującego agregatu, oraz parametrów energii elektrycznej w każdej w znaczącej rozdzielni nN.
 Rysunek 3. Podgląd pracującego agregatu
Rysunek 4. Podgląd fragmentu sieci energetycznej
Przeprowadzona modernizacja kotłowni kosztowała ok. 2,4 mln zł, przynosi roczny dochód w wysokości ok. 940 tys zł, a docelowo po rozbudowie części osadowej i montażu drugiego agregatu dochód wyniesie około 2,2 mln. Przeprowadzenie procesu modernizacji kotłowni mimo złożoności zadania przynosi wiele pozytywnych efektów opisanych powyżej. W prowadzeniu procesu inwestycji należy korzystać z instytucji funduszy ekologicznych lub inny programów pomocy. W naszym przypadku uzyskaliśmy z Ekofunduszu dotacje w wysokości 712 tys zł. Natomiast przeprowadzona modernizacja systemu energetycznego i automatyki wpłynęła na zmniejszenie energochłonności procesów technologicznych, przy znacznie lepszym wyniku końcowym. Naszym celem powinno stać się dążenie do wprowadzania nowoczesnych technologii sterowania procesem technologicznym i wykorzystania paliw odnawialnych, gdyż pozwoli to żyć nam wszystkim w coraz czystszym i lepszym świecie. |
