Lowering district heating supply temperature for increased electric efficiency

Umeå Energi AB förser majoriteten av Umeå kommun med fjärrvärme. I det centrala fjärrvärmenätet finns två stycken kraftvärmeverk som producerar både värme och el av avfall, Dåva 1, respektive biobränslen i form av träflis och torv, Dåva 2. Kraftvärmeverk får i regel en bättre elverkningsgrad om fjärrvärmevattnets framledningstemperatur sänks, därför undersöks möjligheten och vinstpotentialen i att sänka framledningstemperaturen från kraftvärmeverken och därmed även andra värmeproducerande anläggningar i nätet. Syftet med detta arbete har varit att undersöka om det är möjligt att sänka framledningstemperaturen i Umeå Energi fjärrvärmenät samt vad den potentiella vinsten av detta skulle kunna vara. För att en sänkning av framledningstemperaturen ska kunna ske utan att värmeproduktionen minskar så måste flödet i nätet ökas så att samma värmemängd kan levereras. I rapporten utreds både läget med dagens flödesbegränsningar samt de flödesbegränsningar som gäller då en extra tryckstegringsstation kopplas in i fjärrvärmenätet. En linjäranpassning av de uppmätta värdena för framledningstemperatur och alfavärde, kvoten mellan producerad el och producerad värme, visar att en sänkning av framledningstemperaturen ger ett ökat alfavärde för båda kraftvärmeverken enligt ekvationerna nedan: α1=0,5834−0,0029∗TF α2=0,7136−0,0026∗TF Förutom att alfavärdet påverkas av framledningstemperaturen så påverkas även värmeförlusterna i fjärrvärmekulverterna. En styrkurva ska i nuläget styra framledningstemperaturen som en funktion av utomhustemperaturen men enligt uppmätta värden kan den styrkurvan inte följas under en stor del av tiden på grund av för höga flöden. Detta tas som en ytterligare indikation på att styrkurvan för framledningstemperaturen bör ses över. Kopplad till fjärrvärmenätet finns en absorptionskylmaskin som kräver en framledningstemperatur på minst 95°C under sommaren, när absorptionskylmaskinen inte är i drift är kravet på framledningstemperaturen 75°C. Det har även utretts hur stor vinst det skulle kunna ge om kylmaskinen inte krävde en högre framledningstemperatur. Samtliga beräkningar har utförts på uppmätta driftfall från åren 2010 och 2011 som anses representativa även för kommande år. Optimeringsberäkningar har utförts, i Excel tillägget What’s Best!, för att se vilka framledningstemperaturer som skulle ge högst vinst vid den uppmätta värmeproduktionen varje timme under de två åren utifrån dessa har nya styrkurvor tagits fram och potentiella vinster beräknats. Resultaten visar att vid nuvarande driftsituation är den potentiella vinsten ungefär tre miljoner för båda åren med ungefär två miljoner i extra vinstpotential om kylmaskinen inte kräver en högre framledningstemperatur. Med en ny tryckstegringsstation inkopplad visar resultaten att vinstpotentialen skiljer sig något mellan åren, den potentiella vinsten för 2010 är ungefär 17 miljoner och för 2011 ungefär 11 miljoner. Även i detta fall finns en extra vinstpotential på ungefär två miljoner om kylmaskinen inte kräver en högre temperatur under sommaren. Slutsatsen av arbetet är att det finns både möjlighet och vinstpotential i att byta styrkurva för framledningstemperaturen så att en lägre framledningstemperatur kan användas. Då 2010 var ett ovanligt kallt år och 2011 ett ovanligt varmt år anses den beräknade vinsten för de åren representativ även för kommande år. Den beräknade vinsten vid inkoppling av en ny tryckstegringsstation är helt baserade på teoretiska flöden och bör därför ses som mer osäkert än övriga resultat. Rekommendationen är att testa använda de styrkurvor som rekommenderas och utvärdera vad vinstpotentialen är i en verklig driftsituation.Umeå Energi AB provides the majority of Umeå municipality with district heating. In the central district heating system there are two power plants that produce both heat and electricity from waste, Dåva 1, and biofuels in the form of wood chips and peat, Dåva 2. Combined Heat and Power (CHP) plants will normally have a better electrical efficiency if district heating supply temperature is lowered; therefore the possibility and profit potential of lowering the supply temperature from the CHP plants and alsothe other heat-producing plants in the network have been investigated. The purpose of this thesis has been to investigate the possibility of lowering the supply temperature in Umeå Energi´s district heating network and to calculate the possible income increases if it is done. To be able to lower the supply temperature without reducing the heat production, the flow in the district heating network must be increased so that the same amount of heat can be delivered. This thesis examined both the current situation including the current flow constraints and the new constraints that will apply when an additional booster station is plugged into the district heating network. A linear fit of the measured values of the flow temperature and the alpha value, the ratio of produced electricity and heat produced, shows that lowering the supply temperature increases the alpha value for both CHP plants according to the equations below: α1=0,5834−0,0029∗TF α2=0,7136−0,0026∗TF In addition to the alpha value heat losses from the distribution network also changes with a change in supply temperature. A control curve is currently controlling the supply temperature as a function of outdoor temperature, but according to measured values, the control curve is not followed during the majority of the time. This is taken as a further indication that the control curve for the supply temperature should be revised. Linked to district heating network is an absorption refrigeration unit that requires a supply temperature of at least 95°C during the summer. When the absorption refrigeration unit is not in operation, the requirement of the flow temperature is 75°C. It should also be investigated how much profit could be made if the absorption chiller did not require a higher supply temperature. All calculations have been performed based on measured data from the years 2010 and 2011, data that is considered to be representative also for future years. New control curves have been recommended based on the calculations for optimizing profit with the measured data from the years mentioned above years, calcaulations for the increased income using these control curves have also been done. With the current operating condition the potential profit is calculated to be around three million Skr per year with an additional two million in profit if the chiller does not require a higher temperature during the summer. With a new booster station the estimated profit differs quite a lot between the years with around 17 million Skr of potential profit in 2010 and 11 million Skr in 2011. The profit if the chiller doesn’t require a higher temperature is basically unchanged, about two million Skr. The conclusion of the thesis is that it is both possible and profitable to change control curve and use a lower supply temperature. Since 2010 was a unusually cold year and 2011 was a unusually warm year the calculated profits are considered representative also for coming years. The maximum flow with a new booster station is based entirely on theoretical values and should be considered as more insecure then the other results. It is recommended to try the control curves from this thesis in the production and evaluated the profit in a real situation