Modernizace plynové kotelny jako součást energetické optimalizace areálu Pražské plynárenské a.s.

Areál Pražské plynárenské a.s. v Praze 4 – Michli má počátek v roce 1925, kdy v něm byla zahájena výstavba výrobny svítiplynu. V roce 1975 byla výroba svítiplynu ukončena, ale v areálu dál působil podnik pečující o distribuci svítiplynu, později zemního plynu na území Prahy a přilehlých obcí. V roce 1993 se areál stal součástí tehdy založené Pražské plynárenské a.s.

Provoz a rozvoj energetického hospodářství michelského areálu nyní zajišťuje společnost Prometheus, energetické služby, a.s., člen koncernu Pražská plynárenská, a.s. O tom, jak se v poslední době hospodářství modernizuje, hovořila redakce TZB-info s Ing. Ludvíkem Balekou, předsedou představenstva společnosti Prometheus a členem představenstva, Ing. Michalem Paulíkem, který je členem představenstva zodpovědným za středisko realizace.

Obr. Areál PP a.s. v Praze 4 – Michli zahrnuje tři desítky vytápěných objektů, z nichž některé vyžadují i zásobování chladem.

Zásobování areálu teplem, původně centralizované z jedné uhelné kotelny, bylo při masívních plynofikacích decentralizováno na osm samostatných kotelen. Tento proces souvisel i s rekonstrukcemi jednotlivých objektů a změnami názorů na funkce částí areálu. Technicky zajímavým počinem byla instalace plynové kogenerační jednotky určené primárně pro výrobu elektrické energie a z odpadního tepla i výroby chladu pro provoz výpočetní techniky. V roce 2015 byla repasována. Takto provozované energetické hospodářství v sobě skrývalo řadu rezerv, jak odhalil energetický audit.

Obr. Moderní pojetí energetického hospodářství je založeno na kombinaci kogenerační jednotky Motorgas (vpředu), absorpční výroby chladu (vzadu) a plynové kotelny se třemi kondenzačními kotli YGNIS VARMAX (v jiném objektu).

Na základě perspektivy využívání objektů areálu, analýzy spotřeby tepla, chladu i elektrické energie, bylo rozhodnuto o změně konceptu. „Zásadně bylo nutné maximalizovat využití kogenerační jednotky,“ říká Luvík Baleka. „Předpokladem zvýhodnění ekonomiky provozu ovšem bylo zajistit účelné využití veškeré tepelné energie z kogenerační jednotky. A k tomu vedla jen jediná cesta, a to opětovný návrat k ústřednímu zdroji tepla spojený s modernizací rozvodů tepla po areálu. Dlouhodobě se ukazovalo, a audit to potvrdil, že s provozem více kotelen máme v areálu spojeny vyšší náklady na servis, než pokud bychom provozovali jen jednu. Navíc se jednalo o kotelny ve stáří i přes dvacet let, u kterých se otázka dostupnosti náhradních dílů stala již obtížně řešitelnou. Vzhledem k rozsahu všech nutných opatření a souběžně působícího zásadního požadavku neomezit provoz v areálu byly modernizační práce rozděleny do čtyř etap.“

V rámci první etapy v roce 2018 byly modernizovány rozvody tepla po areálu se zvláštním zaměřením na snížení ztrát tepla a připraveno jejich pospojování. V tomto roce také byla vybudována velká akumulační nádrž pro ukládání tepla s cílem umožnit kogenerační jednotce její celoroční provoz.

Druhá etapa proběhla v roce 2019. Během ní byly odstaveny všechny výkonově menší kotelny. Místo nich byly instalovány předávací stanice tepla, které byly napojeny na již modernizované rozvody tepla. Tím byla dodávka tepla centralizována. Jedinými zdroji tepla pro areál se tak staly kogenerační jednotka a blízko ní umístěná největší z původních osmi plynových kotelen. S předávacími stanicemi bylo instalováno i měření odběrů tepla a jeho parametrů tak, aby následně vše mohlo být napojeno na centrální dispečink a z něj řízeno.

Obr. Největší z monitorů v centrálním dispečinku podává základní přehled o aktuálních parametrech tepelného hospodářství areálu, včetně dodávky tepla pro výrobu chladu.

Třetí etapa v roce 2020 obsahovala výstavbu centrálního monitorovacího a řídicího dispečinku a modernizaci plynové kotelny. „Dispečink ušetří nejen mnoho práce a času, ale také sníží energetickou náročnost areálu. I proto jsme věnovali velkou péči buď přímo instalaci, nebo přípravě na instalaci měřidel a čidel na různých místech výroby, rozvodů a spotřeby tepla. Vidíme, jak pracuje kotelna, kogenerační jednotka, jaký stav je v akumulaci tepla, jak jsou zásobovány teplem okruhy rozvodů tepla, vidíme a řídíme odběry jednotlivých budov přes jejich konkrétní ekvitermní křivky, výrobu chladu pro plynárenský dispečink atd.“

Obr. Dva třísložkové fasádní komíny s nerezovými vložkami pro kondenzační provoz nových kotlů YGNIS VARMAX jednoznačně označují umístění kotelny.

„Před čtvrtou etapou modernizace stojíme. V letošním roce 2021 chceme dokončit zbývající drobné instalace měřidel a čidel, ale hlavně připravujeme projekt zahrnující zřízení fotovoltaického zdroje elektřiny s panely na většině střech,“ doplnil Ludvík Baleka. „Z přebytků elektrické energie bychom také rádi v budoucnu vyráběli vodík.“

Modernizace kotelny

Modernizace plynové kotelny je založena na třech plynových kondenzačních kotlech YGNIS VARMAX s výkony 450 kW. Nahradily čtyři atmosférické kotle nekondenzační. Větrání kotelny i přívod spalovacího vzduchu do kotelny zůstaly zachovány. I nové kotle pracují v režimu kotlů typu B. Pro zajištění bezpečného provozu je chod hořáků vázán na zařízení detekce přítomnosti plynu v kotelně.

„Náš základní požadavek na nové kotel zněl, že musí mít nerezový výměník. Nechtěli jsme řešit zvýšenou péči zajišťující zvýšené požadavky na kvalitu otopné vody u kotlů jiných konstrukcí. Také jsme chtěli kotle robustní, které budou provozně velmi odolné a málo citlivé na případné náhlé provozní změny. Podle našich letitých zkušeností, naše společnost působí již od roku 1995, se počáteční úspora volbou méně odolných kotlů následně zpravidla vymstí. A to si jako správci a provozovatelé řady tepelných hospodářství, tedy nejen michelského areálu, o kterém hovoříme, nemůžeme dovolit,“ říká Ludvík Baleka. „S kotli značky YGNIS VARMAX, které na český trh dodává společnost BRILON a.s., máme vícenásobnou zkušenost. V Praze Michli proto nejde o ověřovací zkoušku, ojedinělou instalaci na základě mimořádně akční ceny.“

Obr. Přechod na kompaktní provedení kondenzačních kotlů YGNIS VARMAX byl spojen i s výrazným snížením prostorových nároků. Až na přípravu teplé vody se vše vešlo do poloviny původně obsazeného prostoru (červená nádrž vpravo je součástí automatického doplňovacího zařízení FLAMCO).

Vzhledem k modernizačním opatřením v areálu a zvýšenému využití tepla z kogenerační jednotky bylo možné snížit původní instalovaný výkon v kotelně na 1 350 kW, tedy 3krát 450 kW. Z pohledu stavebních předpisů šlo jen o výměnu kotlů, a to se současným snížením instalovaného výkonu.

Díky nízké hlučnosti kotlů YGNIS VARMAX nebylo nutné provádět žádná doplňující opatření ke snížení hluku přenášeného do budovy a jejího okolí.

Výkon kotelny byl záměrně rozdělen do tří kotlů, aby v případě poruchy jednoho z nich zůstala 2/3 rezerva. Michal Paulík k tomu dodal: „Toto rozdělení výkonů je výhodné i vzhledem k tomu, že umožňuje velmi pružně a jemně regulací výkonu kotelny doplňovat výrobu tepla z kogenerační jednotky. Teplo z kogenerační jednotky je základ, a z pohledu energetické a ekonomické efektivity má jeho využití vždy přednost.“

Obr. V případě menšího zásobníku pro přípravu teplé vody v kotelně se předpokládá jeho následné přemístění v návaznosti na modernizaci vytápění jím zásobovaného objektu.

Vzhledem k přechodu na distribuci tepla do objektů samostatnými stanicemi s decentralizovanou přípravou teplé vody, je v kotelně zřízena příprava teplé vody jen pro blízké, sousedící objekty. Tímto opatřením omezená průměrná spotřeba teplé vody maximálně 4 až 6 m³/den je zajištěna výkonem ohřevu cca 130 kW a podporována akumulační zásobou rozdělenou na dva nepřímo ohřívané 1000 a 300 litrové zásobníky.

Pro provoz v městském prostředí je nutná nejen nízká úroveň emisí hluku, ale i emisí oxidů dusíku. Tento požadavek kotle YGNIS VARMAX plní zařazením do 5 třídy a s limitem produkce oxidů dusíku pod 60 mg/kWh.

Logika řízení výkonu kotelny vychází ze skutečnosti, že základní teplota otopné vody je dána aktuálním provozním stavem systému kogenerační jednotky a napojené akumulace. Teprve ve stavu, kdy tento systém vzhledem ke zvýšenému odběru tepla není schopný dodávat otopnou vodu s teplotou na úrovni požadavků od napojených objektů, podle jejich individuálních ekvitermních křivek, tak se do výroby tepla zapojují kaskádně řízené kotle a zvyšují teplotu otopné vody. Společný výstup je regulován podle venkovní teploty na jednotnou výstupní úroveň podle zvolené ekvitermní křivky. Tato teplota je nastavena tak, aby vyhověla také přípravě teplé vody a ohřevu vzduchotechniky. Při provozu kotelny v ekvitermním režimu může otopná voda vstupovat do ohřívače s přednostním přechodným zvýšením teploty.

Obr. Teplo z kotelny se dělí na tři větve: Sever, Jih a větev zásobující přilehlé objekty.

S instalací nových kotlů YGNIS VARMAX byla spojena i úprava odvodu spalin. Stávající třísložkové fasádní ocelové komíny výšky 15 metrů určené jen pro suchý provoz starých nekondenzačních kotlů byly doplněny novými spalinovými vložkami z nerezové oceli určenými pro mokrý, kondenzační provoz kotlů. Spaliny ze dvou kotlů jsou svedeny společně do komínové vložky DN300 mm v prvním komínu a z třetího kotle do vložky DN200 mm v druhém komínu.

Pro vyhodnocení ekonomiky provozu kotelny bylo zřízeno měření spotřeby plynu a množství tepla vyrobeného pomocí kotlů, dále měření množství tepla dodaného z okruhu kogenerace s akumulací. Měří se množství tepla dodaného do každého z objektů včetně sousedících napojených přímo na kotelnu. Podružně je měřeno množství tepla dodaného pro přípravu teplé vody odděleně v obou zásobnících a teplo dodané do vzduchotechniky. V areálu působí více subjektů a měření tak mimo jiné umožňuje i přesnou fakturaci odebraného tepla.

S přechodem z nekondenzačního provozu kotelny na kondenzační souvisí vznik kondenzátu v množství přibližně 3,4 litr/hodina na každých provozovaných 100 kW výkonu. Jeho likvidace byla zajištěna svedením do odpadního potrubí po průchodu přes neutralizační zařízení, jehož kapacita byla stanovena pro kotle s nerezovým výměníkem.

Závěr

Ludvík Baleka: „Na všech místech výroby a předávání tepelné energie instalujeme měřidla. Důvodem není jen potřeba náklady za teplo rozúčtovat, ale i potřeba analyzovat průběhy spotřeby a podle nich optimalizovat chod celé soustavy. To nám umožní ověřit, zda instalace nových kotlů přinese očekávané snížení nákladů. Michelský areál svým způsobem využíváme i jako naši laboratoř, kde si ověřujeme koncept, který bychom rádi uplatnili i jinde.“

Areál Pražské plynárenské a.s. ukazuje řešení účinné soustavy zásobování teplem, chladem a elektřinou v součtovém výkonovém rozsahu okolo 2 MW. Takto řešený areál může mít i zvýšenou odolnost vůči výpadkům dodávky elektrické energie, tzv. blackoutům. Základem dlouhodobé životnosti a nízkých následných nákladů je použití zdrojů tepla a všech dalších zařízení, které jsou určeny pro náročný provoz, kterým provozně nevadí velký vodní obsah soustavy, možný výskyt drobných nečistot v otopné vodě, zvláště když dochází k postupné modernizaci a většinou jsou ponechána stávající otopná tělesa atp. Předpokládané doplnění rozsáhlým fotovoltaickým systémem pro výrobu elektřiny na střechách budov energetickou stabilitu a soběstačnost areálu dále zvýší.

Výměna zdroje tepla na vytápění v zámku Kosmonosy
Jako zdroj tepla v zámecké kotelně po více než desítku let bezpečně pracovaly dva plynové kotle Hydrotherm s atmosferickými hořáky.
Postupně se začaly hromadit problémy se servisem a dostupností náhradních dílů a tak provozovatel zámku, město Kosmonosy, rozhodlo o její modernizaci.

Rekonstrukci kotelny, včetně manipulace s plynovými kotli, omezovala skutečnost, že jde o objekt v památkové zóně, který je i památkově chráněn. Například původně navržený způsob vystěhování dvou vysloužilých kotlů Hydrotherm a nastěhování dvou nových kondenzačních kotlů VARMAX o výkonu po 450 kW skrz vybourané okno s poškozením jeho historického kamenného ostění a železné mříže nebyl reálný. Zde se ukázala první přednost kotlů VARMAX, možnost je pro dopravu do kotelny částečně demontovat.