EXAMENSARBETE. Energieffektivisering av rökgaskondensor på Sävar sågverk. Oskar Lindgren Högskoleingenjörsexamen Energiteknik

Transkript

1 EXAMENSARBETE Energieffektivisering av rökgaskondensor på Sävar sågverk Oskar Lindgren 2015 Högskoleingenjörsexamen Energiteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

2 Energieffektivisering av rökgaskondensor på Sävar sågverk. Oskar Lindgren W0017T Examensarbete Högskoleingenjör Energiteknik, 15hp Luleå Tekniska Universitetet 2015

3 Förord Rapporten innefattar ett 15hp examensarbete som är den sista delen i utbildningen till högskoleingenjör inom energiteknik vid Luleå Tekniska Universitetet. Arbetet har utförts på uppdrag av Norra skogsägarna, Sävar sågverk. En utredning kring de faktorer som påverkar returtemperaturen från fjärrvärmen som går till deras rökgaskondensor har undersökts, detta på grund av att det gjorts tidigare undersökningar där sågverket har upplevt höga flöden och höga returtemperaturer på deras anläggning som är anslutet till fjärrvärmen. Arbetet går ut på att kunna utreda om det går öka T över rökgaskondensorn och därefter öka den effekt som produceras. Förkortningar som förekommer gällande fjärrvärmedelen mot rökgaskondensorn är: Komponentfabriken, Kompen är sågverkets egen anläggning som är anslutet till fjärrvärmenätet. Umeå Energi, UE är Sävar samhällets del i fjärrvärmenätet. Jag vill passa på att tacka min handledare ute på Norra skogsägarna Fredrik Samuelsson, Henrik Åkesson pannansvarig samt Stig Grundberg för tips, idéer och förklaring kring rökgaskondensorn såväl som fjärrvärmedelar som involverats i arbetet. Även vill jag tacka de övriga anställda för intressanta fikaraster. Tack till Conny Eriksson, Magnus Stenvall och Egon Nyström på Umeå Energi för information rörande fjärrvärmen i anslutning mot rökgaskondensorn.

4 Sammanfattning I följande rapport undersöks möjligheter till ökad värmeenergiproduktion från rökgaskondensorn genom att utnyttja värmet från rökgaserna från anläggningens panna på ett bättre sätt. Norra skogsägarnas sågverk i Sävar har en rökgaskondensor i anslutning till deras 10 MW värmepanna. Pannan levererar energi till virkestorkar, värme till produktionslokaler samt fjärrvärme till Sävar samhälle. Rökgaskondensorns uppgift är att lyfta returtemperaturen på fjärrvärmen som sedan leds vidare till pannan för slutlig uppvärmning innan den leds ut på nätet igen. I denna rapport görs undersökningar av hur returtemperaturerna från de tre förgreningarna, Kompen (gamla komponentfabriken på området), Umeå energis fjärrvärmeflöde (UE) och det sammanslagna fjärrvärmeflödet (UE+Kompen) påverkar rökgaskondensorns effektivitet. Störst fokus läggs på Kompens inverkan eftersom höga flöden och hög returtemperatur har observerats under kalla utetemperaturer vilket skulle kunna minska möjlig värmeöverföring i rökgaskondensorn. Mätdata av flöden samt värmeeffekter på Kompen och Kompen+UE tas från Umeå Energi och används för att beräkna returtemperaturerna i snitt per timme och dag för de tre delarna; Kompen, UE samt Kompen+UE mellan 13 mars till 17 maj Returtemperaturen för Kompen hade en negativ inverkan på rökgaskondensorns värmeproduktion då temperaturen översteg 65 C men när returtemperaturen understeg 65 C hade den en positiv påverkan på värmeproduktionen. Den kritiska perioden då en sämre värmeöverföring kan förekomma i rökgaskondensorn är under vinterperioden, november till mars, då returvattenflöden som ska värmas redan har en hög temperatur. Data för de tre delarna: Kompen, Kompen+UE och UE för vintermånaderna novembermars fanns inte att tillgå men beräknades genom antagandet att de kan beskrivas utifrån linjär regression av erhållen data från mars till maj Där plottades utetemperaturen mot returtemperaturer och mot vattenflöden för de tre delarna anslutna mot rökgaskondensorn. Energivinsten in till rökgaskondensorn studerades genom att ta bort Kompens bidrag till totala returtemperaturen. Detta gjordes med avseende på dygnsmedeltemperaturen för varje månad under vintermånaderna november-december och januari -mars år 2014 och även för normal dygnsmedeltemperatur (för att kunna undersöka om den varma vintern hade någon betydelse jämfört med ett normalår). Därefter beräknades priset för den producerade värmeenergin och det visade sig att vid 2014 års dygnsmedeltemperatur under vintermånaderna kan Sävar sågverk öka sin försäljning av värmeenergi med ca kr och vid normal dygnsmedeltemperatur en ökning med ca kr. Sävar sågverk har vid ett tidigare tillfälle undersökt möjligheterna till ny anslutning av Kompens fram och returledning till den övriga anläggningen och fått ett prisförslag på kr. Återbetalningstiden skulle i detta fall under dessa två vinterscenarier (år 2014 och för ett normalår) bli ca 4,5 år respektive 1,3 år.

5 Abstract The following report exploring opportunities for increased heat energy from the flue gas by utilizing the heat from the flue gases from the plant's furnace in a better way. Norra skogsägarnas sawmill Sävar has a flue gas condenser adjacent to their 10 MW furnace. The furnace supplies energy for lumber drying, heat the production premises and district heating to Sävar society. The flue gas condenser s task is to raise the return temperature of the water in the district heating system which is then led on to the furnace for final warmup before passing it to the grid again. In this report influence of the return temperatures from the three branches Kompen (old component plant in the area), district heating from Umeå energi (UE) and the combined district heating flow (UE+Kompen) on the flue gas condenser s efficiency is studied. The main focus is on the impact of the return temperature from Kompen which could reduce possible heat transfer and cause reduced effectiveness in the flue gas condenser. This is especially when high flow and high return temperature (previously observed during cold outdoor temperatures) exist. Data of heat water flow and thermal effect from Kompen and Kompen+UE is taken from Umeå Energi and is used to calculate average return temperatures per hour and per day for the three parts; Kompen, UE and Kompen+UE between 13 th of March to 17 th of May The return temperature for Kompen had a negative impact on flue gas condenser heat when the temperature exceeded 65 C, but when the return temperature is below 65 C it has a positive effect on heat production. The critical period when a worse heat transfer can occur in the flue gas condenser is in the winter period from November to March when the return water flow that is going to be heated already have a high temperature. Data for the three parts: Kompen, Kompen+UE and the UE for the winter months from November to March was not available but was estimated by assuming that they can be described from the linear regression of the data obtained from March to May A graph was generated by plotting the outside temperature against the return temperature as well as the district water flow for the three parts connected to the flue gas condenser. Energy gain for the flue gas condenser was studied by removing the contribution of the water flow from Kompen to the return temperature of total flow. This was done during the winter months from November to March of The average daily temperature for 2014 as well as the average daily temperature for a normal year for that time period was used in order to investigate whether the warm winter 2014 had significance on the energy flow compared to a normal year. Then the price of the produced heat energy was calculated. The increase in sales of thermal energy from Sävar sawmill for the average daily temperature during winter months in 2014 was estimated to be about SEK and for a normal year about SEK. Sävar sawmill has on a previous occasion examined the prospects for new connection of Kompens district heating supply and return line to the rest of the plant and got a quote of SEK. The repayment period during these two winter scenarios, year 2014 and a normal year, would in this case be approximately 4.5 years and 1.3 years, respectively.

6 Innehållsförteckning 1. Inledning Syfte Mål Avgränsningar Bakgrund Teori Värmeväxlare Tubvärmeväxlare Plattvärmeväxlare Skrubbervärmeväxlare Sävar sågverks rökgaskondensor Metod Inledande arbete Kartläggning Rökgaskondensor Sävar Kompen Beräkningar Beteckningar Linjär regression Ekonomi Resultat Linjär regression Ekonomi Diskussion/slutsats Linjär regression Kompen UE+Kompen UE Ekonomi Fortsatt arbete Referenser... 20

7 1. Inledning En bit norr om Umeå ligger Sävar sågverk som ägs av Norra Skogsägarna. Sågverket har ca 100 anställda och är specialiserad på gran och furu från Västerbotten och Ångermanland. Anläggningen har 17 st kammartorkar, två vandringstorkar och ytterligare tre kammartorkar beräknas vara klara i augusti Virkestorkning är väldigt energikrävande och därav har sågverket två värmepannor, en 10 MW rosterpanna och en 5 MW mindre panna. Den mindre pannan används då behovet av värme är som störst och 10 MW pannan går på högvarv vilket inträffar under de kallaste dagarna på året. Sågverkets pannor används också till att framställa fjärrvärme till Sävar samhälle. Sågverket har även en rökgaskondensor som lyfter returtemperaturen från fjärrvärmen till 10 MW pannan. Se figur 1. Figur 1: Förenklad bild av Sävar sågverks värmesystem. Röd=framledning och blå=returledning. 1.2 Syfte Syftet med projektet är att kunna se om det går att sänka returtemperaturen till rökgaskondensorn från fjärrvärmenätet under vintermånaderna november till mars och därigenom uppnå en bättre värmeöverförande effekt i rökgaskondensorn. Returledningen som ansluter till rökgaskondensorn härrör från Kompen (gamla komponentfabriken på området, se 4.2.4) och fjärrvärme från Umeå energi (UE). Se Figur 1. Genom att en lägre returtemperatur in till rökgaskondensorn används bör det gå att utvinna mer kondensat i rökgaskondensorn som leder till en ökning av värmeproduktionen. Arbetet syftar också till att jag ska få ökad förståelse för värmeproduktion på Sävar sågverk, i synnerhet rökgaskondensorn och delar som har inverkan på fjärrvärmenätet riktat mot rökgaskondensorn. Syftet är också att kunna presentera en väl genomförd rapport som ska ligga som underlag för Sävar sågverk i framtida arbete med deras värmeproduktion från rökgaskondensorn. 1.3 Mål Målet är att genom dokumentation utifrån tidigare års energiproduktion, flöden och temperaturer kunna genom teoretiska beräkningar ta fram förslag att öka utvinningen av energi ur 1

8 rökgaskondensorn. Ett förslag för förändringar gällande en sänkning av returtemperaturen till rökgaskondensorn har undersökts. 1.4 Avgränsningar Arbetet innefattar delar av systemet som är direkt kopplat till rökgaskondensorn, d.v.s. Kompen och fjärrvärme från Umeå Energi (UE) som påverkar rökgaskondensorn. Beräkningar utgår ifrån mätdata som gjorts under 13 mars till 17 maj Vid beräkningar tas ingen hänsyn till värmeförluster i fjärrvärmeledningar och värmeväxlare på grund av bristande dokumentation. Det tas ingen hänsyn till tryckskillnader i fjärrvärmenätet. Trycket gäller för mättat vatten vid en bar. 2. Bakgrund Sävar sågverk har sedan 2011 installerat en rökgaskondensor i anslutning till deras 10 MW rosterpanna som eldas med restprodukter från sågindustrin i form av bark och torrflis med en fukthalt på ~50%. Fördelen med rökgaskondensor är att den kan ta vara på värmeenergin i rökgaserna och därigenom öka temperaturen på returfjärrvärmevattnet innan det går in i pannan för slutlig uppvärmning och leverans av fjärrvärme till fabrik och samhälle. Se figur 2. Rökgaskondensorn förbättrar även miljön i och kring anläggningen genom att den samlar även upp partiklar från förbränningen som sedan fastnar i reningsfiltret. Figur 2: Förenklad bild av returfjärrvärmen genom rökgaskondensorn. Rest värme från sågens komponentfabrik (Kompen) strålar samman med fjärrvärmens returledning (UE) som sedan växlar mot rökgaskondensorn. Se figur 2. Emellertid har detta flöde (Kompen+UE) en för hög temperatur vilket innebär att rökgaskondensorn inte kan kyla rökgaserna tillräckligt och den mängd energi i form av kondensering som skulle kunna överföras tas inte hand om på ett effektivt sätt. Värmeanläggningen inne på Kompen har under kalla utetemperaturer ett högt flöde i värmeledningarna för att undvika att dessa fryser sönder. Värmebatterier och liknande anordningar 2

9 hinner därmed inte utvinna värmen vilket leder till ett varmare flöde in till rökgaskondensorn som minskar dess värmeöverförande kapacitet. En så kallad kortslutning sker. Sävar sågen har undersökt vid ett tidigare tillfälle vad kostnaden för att dra en ny fram och returledning från Kompen till det övriga sågverksanläggningen (se figur 3) för att inte påverka Sävar samhälles returledning in till rökgaskondensorn. Kostnaden för detta skulle ligga kring kr. Figur 3: förenklad bild av värmeanläggningen med ny anslutning av returledning från Kompen. 3. Teori Denna undersökning är gjord uteslutande på data som inhämtats och på tidigare mätningar och undersökningar som gjorts på Sävar sågen. Sävar såg använder biobränsleeldad panna för framställning av fjärrvärme. Biobränslet är en naturlig biprodukt som kommer i form av flis och spån från sågindustrin. Fördelarna ur miljöperspektiv är att transportsträckor och framställning av bränslet minimeras. En annan fördel är att med en rökgaskondensor ansluten till den biobränsleeldade pannan så ökar den totala verkningsgraden för framställning av fjärrvärme. Se tabell 1. Den energi som är som är bunden i form av vattenånga i rökgasen tar man inte hänsyn till, därav kan totala verkningsgraden överstiga 100 %. (Naturvardsverket.se) Tabell 1: jämförelse av värmeframställning mellan fossilt eldad panna och biobränsleeldad panna. Anläggning Värmeverkningsgrad (%) Total verkningsgrad (%) Ökning av total verkningsgrad med rökgaskondensor (%) Olje/naturgaseldad panna Biobränsleeldad panna

10 En rökgaskondensor fungerar som en värmeväxlare, där rökgasen överför sin värme till ett annat medium. I detta fall returflöde från Kompen och Umeå energi. 3.1 Värmeväxlare Värmeväxlare finns i flera olika typer. Nedan beskrivs tre olika typer av värmeväxlare, som speciellt används vid rökgaskondensering. Värmeväxlarens uppgift är att överföra värme från ett medium till ett annat på ett ekonomisk och tekniskt effektivt sett. Informationen om värmeväxlare är hämtat ur (Studie av rökgaskondensering för biobränsle-eldade kraftvärmeanläggningar, 2000) 3.2 Tubvärmeväxlare I rökgaskondensorer med tubvärmeväxlare ligger rören placerade parallellt med varandra. Rökgasen passerar genom rören uppifrån och ner och växlar värme mot fjärrvärmevatten som passerar på utsidan om rören nerifrån och upp. Se figur 4. Detta kallas motströms värmeväxling som är mer effektiv än medströms värmeväxling. Figur 4: Motströmsvärmeväxling mellan rökgasen och fjärrvärmevatten. 3.3 Plattvärmeväxlare Plattvärmeväxlaren består av plattor istället för rör. Rökgasen och fjärrvärmevattnet växlar värme motströms, skilda från varandra genom plattor som fungerar som värmeöverförande material. Detta kallas också motströmsvärmeväxlare. Se figur 5. Figur 5: Rökgasen och fjärrvärmen växlar värme skilda mellan plattorna utan att vara i kontakt med varandra. 3.4 Skrubbervärmeväxlare En skrubber består av ett separat kylvattensystem som direkt kyler rökgasen genom att låta rökgasen passera en fyllkroppsbädd som direkt sprutas med vatten. Fyllkroppsbädden består av cylindrar i 4

11 plast som ger en större yta och en större värmeöverföring. Rökgasen leds in under skrubberbädden och vidare upp genom skrubbern. Rökgasen som innehåller en viss mängd vattenånga fälls ut som kondensat då den kyls under rökgasens daggpunkt. Vatten spolas in i skrubbern uppifrån och rinner ned genom den tillsammans med kondensatet ur rökgasen. Vattnet tar därigenom upp värmen i fyllkroppsbädden som värmts upp med rökgasen och dess kondensat. Det vatten som tar upp värme från rökgasen hamnar längst ner i skrubbern och leds vidare till en separat värmeväxlare. Denna metod är också en motströms värmeväxling. Se figur 6. Figur 6: Rökgasen och kylvattnet växlar värme i fyllkroppsbädden motströms varandra. Bevattningssystemet som kyler rökgasen fungerar i princip som ett slutet system men en viss mängd måste tappas ur till ett reningsverk där partiklar fångas upp och även vattnet renas, till exempel för att justera ph-värdet på vattnet till ett mer neutralt. Utan rening av vattnet kan delar i systemet korrodera eller utbilda beläggningar (som försämrar värmeöverförande förmåga) på grund av den rökgas som passerar genom och fastnar i rökgaskondensorn. Fördelarna med denna metod är att överföringen värmen från rökgasen till vattendropparna är god samt att partiklar från förbränningen tas upp av vattnet som sedan kan renas i ett reningsverk och därav minskar utsläpp av även skadliga ämnen och partiklar som kan påverka klimatet negativt. 3.5 Sävar sågverks rökgaskondensor Den energi som utvinns ur bränslet vid förbränning används till olika delar av sågverket i form värme till virkestorkar, lager, kontor och övriga byggnader, men även uppvärmning av fjärrvärmenätet. Rökgasen från förbränningen innehåller partiklar och miljöfarliga ämnen men även en del värmeenergi åker ut genom skorstenen. Rökgaskondensorn på Sävar sågverk som kan leverera en max effekt på 1 MW är av typen skrubber och är ansluten till deras primära panna på 10 MW. Rökgaskondensorn innehåller inte fyllkroppar utan består av rör med flertalet monterade dysor. Vattnet som används i dysorna har kylts ner av returfjärrvärmen (kompen+ue) via en värmeväxlare. Rökgasen leds in i ett upp och nervänt U-rör och kyls ner av vatten från dysorna som sitter monterade i röret. Se figur 7. Det av rökgasen uppvärmda 5

12 vattnet leds sedan vidare till värmeväxlaren där det uppvärmda vattnet avger sin värme åter till returfjärrvärmen. Se figur 7. Fjärrvärmereturen måste hålla en tillräckligt låg temperatur för att kunna ta upp värme från det slutna bevattningssystemet. Om temperaturen på det vatten som kyler rökgasen har en högre temperatur än rökgasens daggpunkt kommer det inte ske utvinning av kondensat och en stor del energi går förlorad. (opcon.se) Figur 7: Förenklad bild av rökgaskondensor uppifrån. 4. Metod 4.1 Inledande arbete Arbetet startade med en presentation av det problem som finns gällande temperaturer i anslutning till rökgaskondensorn ute på Sävar sågverk. En projektplan utformades utifrån överenskommelse med handledare på företaget. 4.2 Kartläggning En kartläggning av de delar som berör rökgaskondensorn gjordes Rökgaskondensor I figur 8 visas hur returfjärrvärmen från de två förgreningarna Kompen samt UE blandas och går via rökgaskondensorn där den tar upp värme från rökgaserna. Den uppvärmda returfjärrvärmen leds sedan vidare till 10 MW pannan där den värms upp för att sedan ledas ut på fjärrvärmenätet mot Kompen och Sävar. Se figur 8. 6

13 Figur 8: Kartläggning av fjärrvärmesystemet vid Sävar såg med delar kopplat till rökgaskondensorn. Rökgaskondensorn är tillverkad av SaxlundOpcon och kan leverera en effekt på max 1 MW. Temperaturen på rökgasen från 10 MW pannan är ca 170 C Sävar Umeå Energi äger värmeväxlaren som ökar temperaturen på Sävar och Kompens fjärrvärme då den växlas med värmeenergi som genereras från rosterpannan inne på Sävar sågverket. Se figur 8. Där sitter mätinstrument som ägs av Umeå Energi. För att kunna utreda fram/retur temperaturer, flöden och effekter kontaktas Conny Eriksson på Umeå Energi. Eftersom Umeå Energi inte kunde ta fram tillräckligt med data så kunde bara beräkningar utifrån perioden 13-mars-2015 till 17-maj-2015 inkluderas Kompen Kompen, gamla komponentfabriken är en del av sågverkets område med tillhörande lokaler och produktion. Den övriga produktionslokalerna ligger anslutna direkt mot 10 MW pannan och påverkar inte rökgaskondensorn (se figur 1) medan Kompen är anslutet till Sävar fjärrvärme med samma returledning. Under kalla utetemperatur d.v.s. under vintertid förekommer det höga flöden i Kompens värmeledningar som leder till värmebatterierna i lokalerna. Det höga flödet gör att 7

14 värmebatterierna inte utvinner värmeenergin som kommer från fjärrvärmen och värmeenergi återges till returfjärrvärmen. Egon Nyström på Umeå Energi kontaktades för att få tag på data på de flöden o värmeeffekter som gällde för Kompen under 13-mars-2015 till 17-maj Beräkningar I nedanstående del görs beräkningar utifrån mätdata av Umeå Energi för fjärrvärmenätet genom att undersöka hur temperaturer och flöden på fjärrvärmenätet påverkar värmeproduktionen av rökgaskondensorn under 13 mars till 17 maj Detta utifrån en linjär regression för att kunna göra en approximation av värmeproduktionen under vintertid mellan november till mars. Data användes sedan för beräkningar gällande rökgaskondensorns värmeproduktion ur ekonomiskt perspektiv. För att åstadkomma detta jämförs fjärrvärmen i dagsläget från Kompen+UE med bara fjärrvärme från Umeå energi (UE), under vintermånaderna november till mars. D.v.s. hur mycket kunde man tjäna på att reducera flödet från Kompen Beteckningar Tabell 2 beskriver beteckningar som används i beräkningarna. Tabell 2: Beteckningar med dess beskrivning. Beteckningar Beskrivning Enhet T fram Fjärrvärmens C framledningstemperatur från 10MW pannan. T ute Utetemperatur. C T ret,komp Kompens temperatur på C returfjärrvärmen. T ret,ue Umeå Energis temperatur på C returfjärrvärmen. T ret,komp+ue Total temperatur från Kompen C och Umeå energi på returfjärrvärmen. T fram,kondensor Framledningstemperatur från rökgaskondensorn. C Q Komp Förbrukad värmeeffekt över W Kompen. Q UE Förbrukad värmeeffekt över W Umeå Energi. Q Komp+UE Total förbrukad värmeeffekt W över både Kompen och Umeå Energi. Q Kond,UE Värmeeffekt som W rökgaskondensorn producerar via Umeå Energi. Q Kond,Komp+UE Värmeeffekt som W rökgaskondensorn producerar via Kompen och Umeå energi. Q Kond,mån UE+Komp Värmeeffekt som W rökgaskondensorn producerar i 8

15 medeltal under en månad gällande för Kompen och Umeå Energi. Q Kond,mån UE Värmeeffekt som W rökgaskondensorn producerar i medeltal under en månad gällande för Kompen. V Komp Returflöde gällande för m 3 /h Kompens del i fjärrvärmenätet. V UE Returflöde gällande Umeå m 3 /h Energis del i fjärrvärmenätet. V Komp+UE Totalflöde till rökgaskondensorn. m 3 /h Returflöde genomsnitt per m 3 /h månad gällande Kompen+UE V månad,ue Returflöde genomsnitt per m 3 /h månad gällande UE. E Kond,Komp+UE Värmeenergi som MWh rökgaskondensorn producerar via returfjärrvärmen från Kompen och Umeå energi. E Kond,UE Värmeenergi som MWh rökgaskondensorn producerar via returfjärrvärmen från Umeå Energi. h månad Antal timmar per månad h V månad,komp+ue Data som tillhandahölls från Umeå Energi var flöden och värme-effekter för Kompen och UE som var anslutna till rökgaskondensorn, timme för timme under mitten av mars till mitten av maj. Antagande av framledningstemperaturen på fjärrvärmevattnet från 10 MW pannan gjordes linjärt efter rekommendation av Conny Eriksson, d.v.s. ett intervall på framledningstemperaturen från 115 C till 85 C vid utetemperaturer från -15 C till 15 C. Detta för att det inte gick att få fram en temperaturkurva för fjärrvärmesystemet gällande Sävar och Kompen för den tidsperioden. Framledningstemperaturen används för beräkning av returtemperaturer och vid upprättande av energibalanser. Se ekvation 2 och 3. Framledningstemperatur beräknas utifrån följande samband med utetemperaturen. Se ekvation 1. T fram = 1 T ute (1) För att kunna göra beräkningar av temperaturer används värmekapacitets tal och densitet för vatten vid mättnadstillstånd enligt tabell 3. (Åbo akademi, 1994). Vid alla beräkningar av temperaturer har avrundningar mot närliggande värmekapacitetstal och densitet gjorts. T.ex. T= 65 C ger C p=4190 [J/kgK]. 9

16 Tabell 3: Cp och densitet för vatten gällande olika temperaturer C C p [J/kgK] δ [kg/m 3 ] 934,6 942, ,1 965,1 971,6 977,7 983, ,2 995,7 För att beräkna returtemperaturen T ret,komp från Kompen användes ekvation 2. T ret,komp = T fram ( T ret,ue för UE beräknas enligt ekvation 3. T ret,ue = T fram ( Q Komp C p,fram δ fram ( V ) (2) Komp 3600 ) Q UE ) (3) C p,fram δ fram ( V UE 3600 ) Efter att returtemperaturerna är bestämda från Kompen och UE beräknas blandningstemperaturen för Kompen+UE genom ekvation 4. T ret,komp+ue = T Komp V Komp δ Komp +T UE V UE δ UE V Komp δ Komp +V UE δ UE (4) Värmeeffekt som rökgaskondensorn producerar då både Kompen+UE är anslutna i returledningen beräknas genom ekvation 5. Där antas en T fram,kondensor på det uppvärmda varmvattenflödet från rökgaskondensorn på 65 C som sedan leds mot 10 MW pannan efter överenskommelse med handledaren. Q Kond,Komp+UE = C p δ ( V Komp+UE ) (T ret,komp+ue T fram,kondensor ) 3600 (5) Vid beräkning av värmeeffekten som rökgaskondensorn producerar då UE är anslutet på fjärrvärmereturledningen används ekvation 6. Q Kond,UE = C p,ue δ UE ( V UE ) (T 3600 ret,ue T fram,kondensor ) (6) Värmeeffekterna som beräknas i ekvation 5 och 6 sätts in i en graf för tiden 13 mars till 17 maj 2015 för att kunna undersöka Kompens inverkan på rökgaskondensorns värmeöverförande förmåga Linjär regression Eftersom de mätdata som fanns att tillgå kom från vår-perioden då utetemperaturen antas vara högre än under vintermånaderna så gjordes en approximation i form av linjär regression mellan utetemperatur och flöde samt mellan utetemperatur och returtemperatur för de tre delarna; Kompen, UE och Kompen+UE. Detta för att kunna beräkna flöden och returtemperaturer på de olika delarna under perioden november till mars. Vattenflöde och respektive returtemperatur plottades på grafer för de olika delarna och en linjär regression och dess ekvation togs fram. Ekvationen användes sedan för att kunna jämföra flödena och returtemperaturerna för de olika delarna för utetemperaturer från -1 C till -30 C. 10

17 För att beräkna returtemperaturen för UE används följande energibalans. Se ekvation 7. Där T ret,ue beräknas enligt ekvation 8. Q Komp+UE = Q UE + Q Komp (7) T ret,ue = T fram (V Komp+UE (T fram T ret,komp+ue ) V Komp (T fram T ret,komp )) V UE (8) Gällande vattenflödet för UE så beräknas det enligt ekvation 9. V UE = V Kompen+UE V Kompen (9) Samma arbetssätt som ovan används för att beräkna returtemperaturerna och flödena för UE+Kompen, Kompen och UE under vinterperioden november till mars års dygnsmedeltemperatur för varje månad under november till december och från januari till mars 2014 beräknas. Även normal dygnsmedeltemperatur (varje månad) för dessa vintermånader, uppmätt under år av (smhi.se) beräknas. Därefter beräknas värmeeffekten och energin som rökgaskondensorn producerar för 2014 och under ett normalår för de aktuella månaderna. Vid uträkning av värmeeffekter för rökgaskondensorn utifrån flöden och returtemperatur och framledningstemperatur för UE+Kompen gällande 2014 års dygnsmedeltemperatur och normal dygnsmedeltemperatur för årstiden används ekvation 10. Vid uträkning av värmeeffekter för rökgaskondensorn utifrån flöden och returtemperatur och framledningstemperatur för UE under de båda scenarier gällande dygnsmedeltemperaturer används ekvation 11. Q kond,mån UE+Komp = C p,månad δ månad ( V månad,ue+komp ) (T 3600 fram,kondensor T ret,ue+komp )(10) Q kond,mån UE = C p,månad δ månad ( V månad,ue ) (T 3600 fram,kondensor T ret,ue ) (11) För beräkning av framledningstemperaturen på fjärrvärmen gällande dygnsmedeltemperaturerna i de båda fallen för vintermånaderna används ekvation 1. Värmeenergin som kondensorn producerar under varje månad från november till december och januari till mars för 2014 och för motsvarande normalår beräknas. I beräkningarna används dygnsmedeltemperaturerna under varje månad för de båda fallen. För att beräkna den totala värmeenergin (då UE+Kompens returledning är anslutet mot rökgaskondensorn) används ekvation 12. Värmeenergin som rökgaskondensorn producerar då UE:s returledning endast är anslutet beräknas med ekvation 13. E kond,ue+komp = Q kond,månad h månad (12) E kond,ue = Q kond,månad h månad (13) 4.4 Ekonomi Värmeenergin som producerats från rökgaskondensorn gällande UE+Kompens returledning och då endast UE:s returledning är anslutet mot rökgaskondensorn används för beräkning av möjlig besparing under de aktuella månaderna. Värmeenergin räknat i MWh multipliceras, med enligt vad handledare rekommenderat 250kr enligt ekvation

18 pris = 250 MWh (14) Besparingen för de aktuella månaderna jämförs mellan ett normalår och för Resultat Erhållna data mellan 13mars-17maj 2015 och ekvationerna 2, 3 och 4 används för beräkning av returtemperaturer från Kompen, UE och UE+Kompen och kan ses i figur 9. Under mars och i början av april påverkar Kompens returtemperatur fjärrvärmenätet negativt men inte under resterande period fram till 17 maj. Detta kan ses i figur 9 där Kompen har en högre returtemperatur jämfört med UE fram till i början av april vilket leder till en total returtemperatur som är högre än UE:s vilket är negativt för värmeöverförande effekt i rökgaskondensorn. Se även figur 16. Figur 9: Jämförelse mellan returtemperaturen från Kompen, UE samt Kompen+UE utifrån data som tillhandahölls. Den värmeeffekt som rökgaskondensorn producerar under 13 mars-17 maj 2015 beräknades utifrån ekvationer 5 och 6. Kurvorna i figur 10 visar fjärrvärmereturen för de två fallen; Kompen+UE och UE anslutet mot rökgaskondensorn. Det är svårt att urskilja ett mönster liknande ovan gällande värmeeffekterna mellan båda fallen (kompen och UE) för den aktuella perioden. 12

19 Figur 10. Värmeeffekt som rökgaskondensorn producerar då bara UE:s returledning är anslutet jämfört med om även Kompens flöde ingår, Kompen+UE. 5.1 Linjär regression För att kunna göra beräkningar av värmeflödena under den kallare perioden (november till december och januari till mars) görs uppskattningar av hur utetemperaturen förhåller sig till värmeflödena från Kompen och UE. Approximationer görs således genom linjär regression mellan utetemperatur och returtemperatur samt utetemperatur och flöde. Resultat för returtemperatur och värmeflöde från Kompen kan ses i figur 11. Ekvationer som beskriver den linjära regressionen av returtemperatur och varmvattenflöde kan ses i figur 11. R 2 värdet presenteras även i Figur 11 och som kan ses är det olika för returtemperaturen och flödet. Om R 2 =1 ligger alla punkter längs efter linjen och modellen beskriver verkligheten fullständigt. Pålitligheten gällande linjära regressionen för utetemperaturen och returtemperaturen är tämligen god medan linjära regressionen för utetemperaturen och flödet har en mindre pålitlighet (se figur 11) men kan ändå användas för vidare beräkningar enligt handledare. 13

20 Figur 11: Regressionslinje för utetemperatur och Kompens returtemperatur (till vänster) och returflöde (till höger) samt tillhörande ekvationer 13 mars 17 maj Approximation för Kompen+UE av olika mätvärden tagna mellan januari till juni 2012 kan ses i figur 12. R 2 värdet för både returtemperaturen och flödet är relativt lika och acceptabla enligt handledare. Figur 12: Regressionslinje för utetemperatur och Kompen+UE returtemperatur (till vänster) och returflöde (till höger) samt tillhörande ekvationer januari-juni Linjär regression gällande Kompen+UE utifrån de mätdata som gavs från Umeå Energi mellan 13 mars till 17 maj 2015 kan ses i figur 13. Dessa linjära regressioner mellan utetemperatur och returtemperatur samt utetemperatur och flöde används inte för vidare beräkningar då sambandet mellan dessa inte följer ett tillräckligt tydligt mönster för den tidsperioden. 14

21 Figur 13: Regressionslinje för utetemperatur och Kompen+UE returtemperatur (till vänster) och returflöde (till höger) samt tillhörande ekvationer 13 mars-17 maj Även den linjära regressionen gällande UE för utetemperatur och returtemperatur samt utetemperatur och flöde under perioden 13 mars-17 maj 2015 används inte då sambanden inte är tillräckligt tydliga. Se figur 14. Figur 14: Regressionslinje för utetemperatur och UE:s returtemperatur (till vänster) och returflöde (till höger) samt tillhörande ekvationer 13 mars-17 maj Beräkningar av vattenflöden och returtemperaturer gällande UE+Kompen och Kompen görs utifrån ekvationerna som kan ses i figur 11 och 12. Detta gäller för månadsmedeltemperatur under 2014 och för normaltemperatur under vintermånaderna jan-mars och november-december och kan ses i 15

22 Tabell 4 (4-7 kolumnerna). Vattenflödet för UE beräknades som flödet för UE+Kompen minus Kompens flöde enligt ekvation 9 och returtemperaturen för UE togs fram genom ekvation 8 (se Tabell 4). Tabell 4: Dygnsmedeltemperatur, returtemperatur och varmvattenflöde för varje månad under år 2014 och för ett normalår för Kompen, UE samt Kompen+UE. Rökgaskondensorns värmeeffekt (se ekvation 10, 11) samt energiproduktion (se ekvation 12, 13) för den sammanlaga UE+Kompens returledning och då endast UE:s returledning är anslutet mot rökgaskondensorn beräknades. Beräkningarna utfördes för månaderna januari-mars, novemberdecember och där jämförs värmeeffekt och energiproduktion för år 2014 med ett normalår. På så sätt kan Kompens påverkan på rökgaskondensorns effekt och energi produktion vid de två olika utetemperatur-scenarierna undersökas. Se figur

23 Figur 15: Effekt och energiproduktion för varje månad under november till december och från januari till mars för år 2014 (vänstra delen av figuren) och för ett normalår(högra delen av figuren). Som kan ses i Figur 15 är Kompens inverkan som störst i början av året och ökar mot slutet av året. För normalåret är Kompens inverkan större än för år 2014 (se Figur 15). 5.2 Ekonomi Utifrån storleken av producerad energi beräknas priset för densamma genom att multiplicera producerad energi (MWh) med priset (250 kr/mwh) och därefter jämföra eventuell vinst eller förlust per månad då Kompens bidrag undantas. Detta görs för varje månad under månaderna januari-mars, november-december för år 2014 och för ett normalår. Se tabell 5. Tabell 5: Pris av beräknad såld energi månadsvis för år 2014 och för ett normalår. Den totala vinsten beräknas bli för normalåret 75.5 kkr och för år 2014 skulle den bli 22.1 kkr. Avbetalningstiden för en ny returledning (figur 2) för Kompen gällande vintermånaderna skulle utifrån 2014 års energiproduktion och det pris för ledningen som tidigare angivits (100 kkr) bli ca 4,5 år och under normala temperaturförhållanden bli ca 1,3 år. 6. Diskussion/slutsats Gällande Kompens påverkan på returtemperaturen ser man utifrån beräkningarna där returtemperaturen från Kompen överstiger C så påverkar detta rökgaskondensorns produktion negativt. Se figur 16. Detta kan nog förklara kortslutningen som Sävarsågen upplevt under kalla vinterperioder då höga flöden och speciellt hög returtemperatur från Kompen förekommit. Anledningen till det höga flödet har varit att undvika att ledningarna inne på Kompen ska frysa sönder och läckage uppstår. Det som går att konstatera är att då returtemperaturen på Kompen ligger under C har den en positiv påverkan på totala returfjärrvärmen, även om Kompen har en högre returtemperatur än 17

24 returfjärrvärmen från UE. Detta kan bero på att flödet från Kompen inte är så stort och själva blandningstemperaturen påverkas marginellt. De mätdata som inhämtats och använts för beräkningar gällde bara för vårperioden (13e mars till 17e maj), då rökgaskondensorn generellt inte levererar någon större mängd värmeenergi. Mätdata bestod av förbrukad värmeeffekt och varmvattenflöde för UE, Kompen och UE+Kompen timvis under dygnet för de aktuella dagarna. Det linjära sambandet mellan utetemperatur och temperaturen på framvattentemperaturen (ekvation 1) stämmer troligtvis inte helt mot verkliga temperaturen då detta bara var ett antagande, dock gick inte det under projektets gång att ta reda på hur stor skillnaden mellan dessa temperaturer var. På grund av att framtemperaturen beräknats efter ett antaget linjärt samband med utetemperaturen har värmeförluster över värmeväxlare och i ledningar inte tagits med i beräkningarna. Anledning till att förluster har försummats är att det inte funnits tillgång till någon som helst dokumentation på varken ledningar eller värmeväxlare. Flöden varierar generellt under dygnet och temperaturen på kondensatet från rökgaskondensorn varierar också under dygnet. Detta påverkar givetvis alla steg i undersökningen. Vidare har bara månads och dygnsmedeltemperaturer över Umeå använts vilka kan skilja sig från Sävar en del. Figur 16: Samband mellan returtemperaturen till rökgaskondensorn och producerad värmeeffekt från rökgaskondensorn. 6.1 Linjär regression Kompen Den linjära regressionen mellan utetemperatur och returtemperatur samt mellan utetemperatur och varmvattenflöde gjordes under perioden 13 mars-17 maj Dygnsmedeltemperaturen under den aktuella vårperioden togs fram från Umeå Universitets hemsida (umu.se) och returtemperaturen samt flödet beräknades utifrån ekvationer som togs fram ur linjära regressioner som utfördes i studien. Ekvationerna kan ses under rubrikerna UE+Kompen samt Kompen i tabell 4. Den linjära regressionen i båda fallen gällande returtemperaturen och flödet utgår bara från ett begränsat antal mätpunkter för värmeeffekt och flöde under vårperioden år Om man mäter varmvattenflöde och värmeeffekt under en längre period än de mätdata som tillhandahölls från Umeå energi så hade 18

25 den linjära regressionen troligtvis sett annorlunda ut samt att R 2 värdet torde varit högre för både regressionen gällande returtemperaturen och flödet (speciellt under vintermånaderna) UE+Kompen När det gäller sambandet mellan utetemperatur på returtemperatur och flöde gällande det totala flödet för fjärrvärmen kunde man inte se något samband alls då mätpunkterna för både returtemperatur och flöde är för spridda. Se figur 13. Då användes istället mätdata från tidigare mätningar (år 2012) som handledaren hade utfört under några dagar i januari och februari samt några strödagar under vår och tidig sommar. Dessa mätvärden gav ett tydligare samband mellan utetemperatur och returtemperatur samt vattenflöde eftersom R 2 värdet var högre UE Då det gällde att ta fram samband mellan utetemperatur och returtemperatur samt varmvattenflöde för fjärrvärmen från Umeå energi (UE) så kunde inget samband i de linjära regressionerna hittas (utifrån det mätdata som användes för Kompen och UE+Kompen). Istället användes en energibalans för UE, Kompen och UE+Kompen samt beräknad framledningstemperatur och tillgänglig returtemperatur. Varmvattenflöden och returtemperaturer togs fram för dygnsmedeltemperatur per månad för år 2014 och för ett normalår under de aktuella vintermånaderna. Ur dessa data kan det konstateras att dygnmedeltemperaturen (-0.4 C, 1.1 C, 0 C) för månaderna februari, mars och november för Kompen under året 2014 har inverkan på returtemperaturen och varmvattenflöde. Se tabell 4 och figur 15. Kompen hade vid dessa tillfällen en returtemperatur under 65 C. Vid returtemperaturen <65 C indikerar Kompen till att ha en positiv påverkan på värmeenergiproduktionen från rökgaskondensorn. Se jämförelse av returtemperaturerna mellan UE+Kompen och UE i tabell 4 och sambandet mellan returtemperaturerna och värmeeffektproduktion från rökgaskondensorn i figur Ekonomi Resultaten i denna undersökning visar att det skiljer sig en del i energiproduktion från rökgaskondensorn beroende av varma och kalla vintrar. För att kunna korta ner avbetalningstiden på deras lösning för Kompen gällande omdirigering av fram och returledningen så krävs kalla vintrar alternativt att Sävar samhälle skaffar fler förbrukare så att returtemperaturen på fjärrvärmen sänks Fortsatt arbete Det som jag rekommenderar att göras är en mer fullständig årssammanställning av energiflöden genom samarbete med Umeå Energi för att studera vad som sker under vinterns kallare dagar med flöden och returtemperatur. Detta eftersom så kallade kortslutningar förekommer då en högre returtemperatur in till rökgaskondensorn medför att produktionen av värmeenergi i det närmaste upphör. Även en omfattande inventering av Kompens förbrukare bör utföras för att bättre kunna förutsäga dess inverkan på returtemperaturerna in till rökgaskondensorn. 19

26 7. Referenser TFE, Umeå Universitet, (u.å.), medel utetemperatur. Hämtat &antaldagar=31&medtemp=ON&B1=Skapa+text hämtat: Eriksson, Conny. Datatabell, flöde och effekter fjärrvärmenätet. Umeå Energi. Hämtat: Nyström, Egon. Datatabell, flöde och effekter Kompen. Umeå Energi. Hämtat: Lervik, Patrik, 1994 Åbo akademi, institutionen för värmeteknik. Upplaga 3. hämtat: Opcon, (u.å.), information om rökgaskondensor. hämtat: Axby, Fredrik, Gustafsson, Jan-Olof, Johansson, Kent, Nyström, Johan, 2000 Studie av rökgaskondensering för biobränsle-eldade kraftvärmeanläggningar B%5Cvarmeforsk12h63pv%5CRapporter%5Cpdf%5Cindex hämtat: SMHI, (u.å.), medel utetemperatur. Hämtat hämtat: Formel: Nordling, Carl och Österman, Jonny, 1980, 2006 Physics Handbook, for science and engineering. ISBN Edition 8:7. Sid: 201. Hämtat Naturvårdsverket, mars 2005, Förbränningsanläggningar för energiproduktion inklusive rökgaskondensering. hämtat: