Toplana Mirijevo: Smanjenje NOx emisija i obnova kapaciteta kroz projektovanu recirkulaciju dimnih gasova

Toplana Mirijevo, u vlasništvu i upravljanju JKP Beogradske Elektrane, u svom sastavu ima dva vrelovodna kotla snage 58,15 MW i dva parna kotla kapaciteta 5 t/h. Kao važan deo beogradske mreže daljinskog grejanja, rekonstrukcija je morala istovremeno da reši dva problema: emisije i radni kapacitet.

Pre početka radova, izmerene NOx emisije kretale su se između 120 i 180 mg/m³ na vrelovodnim kotlovima, i između 140 i 180 mg/m³ na parnim kotlovima. Nova srpska regulativa (Uredba 06/2016) propisala je limite od 100 mg/m³ za vrelovodne i 110 mg/m³ za parne kotlove — što je celokupno postrojenje činilo neusklađenim sa propisima. Istovremeno, kotlovi nisu dostizali pun nominalni učinak, što je značilo da svaka rekonstrukcija mora da uradi više od pukog smanjenja emisija.

MIK Projekt je angažovan da projektuje i isporuči kompletnu rekonstrukciju sva četiri kotla, uključujući opremu za sagorevanje, sisteme recirkulacije, pumpe, cevovode, mehaničku montažu i puštanje u rad.

Stanje postrojenja pre rekonstrukcije

Inventar kotlova Toplane Mirijevo pre rekonstrukcije obuhvatao je četiri jedinice u dve kategorije.

Obe kategorije kotlova koristile su prirodni gas kao primarno gorivo, sa mazutom kao rezervom. Vrelovodni kotlovi radili su na radnom pritisku od 19 bar (maksimalni dozvoljeni: 27 bar), sa temperaturskim režimom 170/105 °C (polaz/povrat) pri gasu i nominalnim stepenom korisnosti 91,5% na gas (91% na mazut). Pri maksimalnom opterećenju, svaki TE-350 trošio je 6.430 Nm³/h prirodnog gasa ili 5.640 kg/h mazuta. Parni kotlovi radili su na radnom nadpritisku od 7 bar, proizvodeći zasićenu paru na 194 °C sa napojnom vodom na 105 °C.

Problem sa sagorevanjem pre rekonstrukcije

Originalni gorionici nisu imali mogućnost recirkulacije dimnih gasova (FGR). Bez FGR-a, vršne temperature plamena u ložištu ostaju nekontrolisane, što podstiče termičko formiranje NOx — dominantni mehanizam nastanka NOx u industrijskim gorionicima na gas. Izmerene emisije od 120–180 mg/m³ to su potvrdile: postrojenje je proizvodilo NOx na nivou 20–80% iznad novog regulatornog praga.

Postojeća oprema za dovod vazduha

Ventilatori svežeg vazduha za VK1 i VK2 bili su nominovani na 43.560 m³/h sa ukupnim naponom od 74,4 mbar i motorima snage 110 kW. Originalni ventilatori parnih kotlova davali su 9.792 m³/h pri 44 mbar sa motorima od 11 kW. Ni jedna ni druga grupa ventilatora nije bila konfigurisana za podršku kolima recirkulacije.

Napojne pumpe na parnim kotlovima bile su postojeće jedinice „Tito Skopje”: protok 110 l/min, napor 14 bar, motor 11 kW — odgovarajuće za originalni projekt, ali bez regulacije brzine.

Inženjerski pristup: dva tipa kotla, dve arhitekture recirkulacije

Centralna inženjerska odluka na ovom projektu bila je prepoznavanje da vrelovodni i parni kotlovi zahtevaju različite strategije recirkulacije. Primena jedinstvenog, uniformnog rešenja na oba tipa značila bi ili preterano inženjering parnog kola ili nedovoljne performanse na vrelovodnim kotlovima. Inženjerski pristup MIK Projekta bio je da svaki sistem specificira zasebno.

Vrelovodni kotlovi (VK1 i VK2): integrisana FGR sa namenskim ventilatorima za recirkulaciju

Za TE-350 jedinice, MIK je odredio nove Klima Celje industrijske ventilatore radi ostvarivanja recirkulacije dimnih gasova. Pored svakog gorionika projektovan je namenski ventilator za recirkulaciju, koji vraća kontrolisanu zapreminu ohlađenih dimnih gasova u struju vazduha za sagorevanje. Time se razređuje koncentracija kiseonika na frontu plamena, smanjuju vršne temperature sagorevanja i suzbija termičko formiranje NOx na izvoru.

Specifikacija ventilatora za recirkulaciju (po kotlu):

• Zapreminski kapacitet: 18.000 m³/h
• Statički pritisak: 6.613 Pa pri radnoj temperaturi od 180 °C
• Snaga motora: 55 kW

Projektna temperatura od 180 °C za ventilatore recirkulacije je značajna: odgovara temperaturi dimnih gasova na izlazu pri sagorevanju gasa, što znači da ventilatori kontinualno rade pri nominalnim uslovima bez toplotnog deratinga. Postojeći ventilatori svežeg vazduha (43.560 m³/h, 74,4 mbar, 110 kW) su zadržani, uz ugradnju novih frekventnih regulatora (VFD) na motore od 110 kW radi omogućavanja regulacije vazduha za sagorevanje prilagođene opterećenju u celom rasponu od 11,60 do 58,15 MW.

Parni kotlovi (PK1 i PK2): odvojena arhitektura recirkulacije

TE-106 parni kotlovi predstavljali su drugačiji skup ograničenja. Pri nominalnom učinku od 5 t/h i toplotnom kapacitetu od 3,3 MW, geometrija ložišta i karakteristike pada pritiska na strani gasa bitno se razlikuju od TE-350. Umesto integracije recirkulacije kroz telo gorionika, MIK je projektovao odvojeno kolo recirkulacije sa namenski odabranim ventilatorima.

Specifikacija novih ventilatora parnih kotlova (Klima Celje, po kotlu):

Smanjenje zapreminskog kapaciteta sa 9.792 na 4.320 m³/h je namerno i tehnički opravdano: novi SAACKE gorionici rade sa preciznijim odnosom vazduh-gorivo od originalne opreme, zahtevajući manji ukupni protok vazduha za isti ili bolji rezultat sagorevanja. Veći kapacitet statičkog pritiska (6.000 Pa) kompenzuje dodatni otpor koji uvodi kolo recirkulacije. Skroman porast snage motora (sa 11 na 15 kW) odražava ovaj zahtev pritiska.

Novi SAACKE gorionici ugrađeni su na PK1 i PK2, sa ulaznim pritiskom gasa na gorionicima od 2,5 bar — usklađenim sa postojećom gasnom infrastrukturom postrojenja.

Zašto dve arhitekture umesto jedne

Odluka da se projektuju odvojena rešenja umesto primene jedinstvenog paketa gorionik-ventilator na sva četiri kotla odražava suštinu inženjerskog pristupa MIK Projekta na ovom projektu. Uniformno rešenje bilo bi jednostavnije za nabavku i montažu. Bilo bi i pogrešno: TE-350 i TE-106 imaju različite zapremine ložišta, različite temperature izlaza dimnih gasova i različite zahteve za regulaciju opterećenja. Nametanje iste geometrije recirkulacije na oba tipa unelo bi ili višak pada pritiska na parnim kotlovima ili nedovoljnu stopu recirkulacije na vrelovodnim.

Diferenciran pristup dodao je inženjersku složenost na početku. Zaštitio je performanse postrojenja na oba tipa kotlova pri puštanju u rad i tokom radnog veka opreme.

Realizacija: fazovanje i protokol probnog rada

Jedno ograničenje oblikovalo je celokupan vremenski plan projekta: obavezna beogradska grejna sezona traje od 1. oktobra do 3. maja. Postrojenje ne može biti isključeno tokom tih meseci.

Ukupno trajanje projekta — projektovanje, isporuka opreme, montaža i puštanje u rad — utvrđeno je na 210 efektivnih dana. Taj rok diktirao je strogi pristup fazovanju:

• Radovi van grejne sezone: glavne mašinske instalacije uključujući kanale recirkulacije, nove ventilatorske sklopove i ormare BMS-a završeni su van grejne sezone
• Puštanje u rad tokom grejne sezone: završni probni rad zahtevao je da postrojenje bude pod stvarnim opterećenjem, što je značilo da mora biti obavljeno tokom grejne sezone

Protokol probnog rada

Specifikacija projekta nalaže kontinualni probni rad u trajanju od 7 dana pod opterećenjem pre konačnog preuzimanja:

Ovo nije formalnost. Sedmodnevni kontinualni rad pod stvarnim toplotnim opterećenjem jedini je način da se verifikuje da performanse recirkulacije ostaju stabilne u celom operativnom rasponu — a ne samo u jednoj tački ispitivanja.

Kompletan obim radova

MIK Projekt realizovao je rekonstrukciju kao kompletno EPC angažovanje. Obim je obuhvatio sisteme sagorevanja, mašinske i upravljačke sisteme na sva četiri kotla.

Sistemi sagorevanja i recirkulacije

• Isporuka i montaža novih SAACKE gorionika na PK1 i PK2
• Projektovanje i montaža namenskih sistema ventilatora za recirkulaciju dimnih gasova na VK1 i VK2 (18.000 m³/h, 55 kW po jedinici)
• Projektovanje i montaža odvojenih sistema ventilatora za recirkulaciju na PK1 i PK2 (Klima Celje, 4.320 m³/h, 15 kW po jedinici)
• Cevovodi recirkulacije, zaklopke i spojni kanali na sva četiri kotla
• Zadržavanje i integracija postojećih ventilatora svežeg vazduha (VK1/VK2) sa novom VFD regulacijom

Pumpni i pomoćni sistemi

• Zamena postojećih napojnih pumpi „Tito Skopje” na parnim kotlovima novim jedinicama Lowara 5SVH23F040T/4 (DN32 PN16), kompletno sa frekventnim regulatorima
• Pridruženi cevovodi, armatura i mašinske veze

Upravljanje gorionicima i automatika

• Montaža novih sistema za upravljanje gorionicima (BMS) na sva četiri kotla, zamenom zastarele automatike
• Integracija VFD-ova na motore ventilatora svežeg vazduha od 110 kW (VK1/VK2) sa novim BMS-om za automatsku modulaciju vazduha za sagorevanje
• Integracija VFD-ova na nove napojne pumpe Lowara (PK1/PK2) sa BMS-om za regulaciju protoka napojne vode

Pregled ugrađene opreme

Pre i posle: kako kotlarnica zapravo funkcioniše danas

Najvidljivija promena u Mirijevu je broj emisija. Manje vidljiva promena je način na koji postrojenje funkcioniše.

Stara logika upravljanja (pre rekonstrukcije)

Originalni gorionici VK1 i VK2 koristili su mehaničke poluge — fizičke šipke koje su spajale vazdušne klapne sa gasnim ventilima. Odnosi vazduha i goriva podešavani su ručnim nameštanjem ovih poluga. LEC 1 kontroleri koji su upravljali starijim gorionicima nisu imali mogućnost dinamičkog reagovanja na promenljive uslove opterećenja. Ako je kotao radio na 40% opterećenja, sistem sagorevanja bio je i dalje konfigurisan za fiksnu tačku negde u sredini svog opsega.

Rezultat je bio predvidiv: efikasnost sagorevanja je padala pri parcijalnom opterećenju, višak vazduha povećavao je gubitke kroz dimnjak, a kontrola formiranja NOx bila je otežana jer temperature plamena nisu aktivno upravljane.

Modernizovana logika upravljanja (posle rekonstrukcije)

Novi BMS zamenjuje mehaničke poluge nezavisnim, sigurnosnim servomotorima na svakoj kontrolnoj tački: gasni ventil, primarna vazdušna klapna, sekundarna vazdušna klapna i nova klapna recirkulacionog gasa. Svaki aktuator reaguje na BMS nezavisno, što znači da sistem može kontinualno da optimizuje mešavinu vazduh-gorivo-recirkulacija umesto da drži fiksnu mehaničku poziciju.

Ključna poboljšanja u praksi:

• O2 trim kontrola: BMS kontinualno prati sadržaj kiseonika u dimnim gasovima i vrši mikropodešavanja odnosa gorivo-vazduh u realnom vremenu. Umesto rada pri fiksnom podešavanju viška vazduha, sistem automatski pronalazi optimalnu tačku za svaki uslov opterećenja
• VFD regulacija ventilatora: ventilatori svežeg vazduha od 110 kW sada rade na niskoharmonijskim frekventnim regulatorima. Umesto prigušivanja protoka klapnama (što troši energiju motora), sistem podešava stvarnu brzinu motora na osnovu diferencijalnog pritiska između tlačnog priključka ventilatora i ložišta. Pri parcijalnom opterećenju, ventilatori usporavaju — čime se značajno smanjuje potrošnja električne energije
• Sigurnosna logika dvojnog gorionika: svaki kotao od 58,15 MW ima dva gorionika. Nova logika tretira ih kao jedinstven integrisani sistem. Ako jedan gorionik otkaže, drugi se automatski moduliše na minimalno opterećenje radi održavanja stabilnosti ložišta, umesto pokretanja potpunog zaustavljanja postrojenja. Za toplanu koja opslužuje živu mrežu, izbegavanje nepotrebnih zastoja direktna je operativna korist

Promena u filozofiji upravljanja: stari sistem se jednom podešavao i ostavljao. Novi sistem se kontinualno prilagođava. Ta razlika je važnija tokom cele grejne sezone nego bilo koji pojedinačni podatak o performansama.

Rezultati: izmereni ishodi posle rekonstrukcije

Performanse Toplane Mirijevo posle puštanja u rad mogu se oceniti u tri dimenzije: usklađenost emisija, toplotni kapacitet i operativna kontrola.

NOx emisije: od neusklađenosti do ispod regulatornog praga

Smanjenje predstavlja minimum 44% pad od donje granice opsega pre rekonstrukcije, i do 67% od vršnih izmerenih vrednosti. Postrojenje sada radi sa marginom usklađenosti ispod praga od 100 mg/m³, što pruža rezervu u odnosu na varijabilnost merenja i buduće pooštravanje propisa.

Ovo je postignuto isključivo modifikacijom sagorevanja — nije bila potrebna naknadna obrada dimnih gasova (SCR, SNCR). FGR smanjuje formiranje NOx na izvoru snižavanjem vršne temperature plamena, što je i tehnički čistije i operativno jednostavnije od sistema za tretman na strani ispušnih gasova.

Toplotni kapacitet: nominalni učinak zaštićen

TE-350 vrelovodni kotlovi sada mogu da rade u celom projektnom opsegu:

VFD-regulisani ventilatori vazduha za sagorevanje omogućavaju preciznu modulaciju odnosa vazduh-gorivo u celom ovom opsegu, što je posebno važno pri niskom opterećenju: bez VFD regulacije, višak vazduha pri parcijalnom opterećenju povećava gubitke kroz dimnjak i može destabilizovati performanse FGR-a.

Operativna i kontrolna poboljšanja

Novi BMS na sva četiri kotla zamenio je zastarelu upravljačku logiku modernim, integrisanim upravljanjem gorionicima. Ključne operativne prednosti:

• Automatizovana optimizacija sagorevanja: BMS kontinualno podešava odnos vazduh-gorivo prema zahtevu opterećenja, smanjujući ručne intervencije i varijabilnost kvaliteta sagorevanja zavisnu od operatera
• VFD integracija na ventilatorima vazduha: eliminiše rad ventilatora na fiksnoj brzini, smanjuje potrošnju električne energije pri parcijalnom opterećenju i omogućava preciznu modulaciju protoka vazduha koju FGR zahteva
• VFD-regulisane napojne pumpe (parni kotlovi): Lowara jedinice sa VFD-ovima zamenjuju pumpe sa fiksnim protokom, dozvoljavajući isporuku napojne vode da prati potražnju za parom umesto rada konstantnom brzinom bez obzira na opterećenje kotla
• Zadržana dvogoriva sposobnost: SAACKE gorionici održavaju dvogorivu eksploataciju gas/mazut, čuvajući sigurnost snabdevanja gorivom za mrežu daljinskog grejanja

Šta ovo znači za operatere sistema daljinskog grejanja

Mirijevo je dobar primer pritiska pod kojim se nalaze toplane širom Srbije i regiona. Stariji kotlovi mogu biti strukturno ispravni, ali kada se propisi o emisijama pooštre, sistem sagorevanja postaje slaba tačka.

Regulatorna usklađenost: Uredba 06/2016

Primarni pokretač ovog projekta bila je srpska Uredba 06/2016, koja je utvrdila nove granice NOx emisija za postrojenja za sagorevanje:

Sa 120–180 mg/m³ pre rekonstrukcije, Toplana Mirijevo radila je iznad oba praga. Neusklađenost nosi stvarne posledice: ekološke kazne i, na kraju, rizik od prinudnog zatvaranja postrojenja koje opslužuje značajan deo beogradske mreže daljinskog grejanja.

Životni ciklus i pouzdanost: šta nova oprema zapravo donosi

Ovo nije samo pitanje prolaska emisijskog testa. Modernizacija donosi merljiva poboljšanja pouzdanosti tokom radnog veka postrojenja:

• 10-godišnja garancija rezervnih delova na novu opremu — operateri znaju da će zamenske komponente biti dostupne bez rizika nabavke
• VFD meko pokretanje i flying start na motorima ventilatora od 110 kW eliminiše mehanički udar direktnog pokretanja, koji degradira izolaciju motora i vek ležajeva tokom vremena. Samo meko pokretanje može značajno produžiti intervale servisiranja motora
• SIL 3 integritet bezbednosti na novoj BMS elektronici, sertifikovano prema EN 61508 — automatizovani bezbednosni lanci za curenje gasa, grešku plamena i nizak nivo vode suštinski su pouzdaniji od relejne logike iz 1980-ih godina koju su zamenili

Rekonstrukcija nasuprot potpune zamene

Za operatere, praktično pitanje nije da li modernizovati, već kako to učiniti bez gubitka učinka ili dužeg zaustavljanja postrojenja nego što je neophodno.

MIK Projekt je izabrao put rekonstrukcije u Mirijevu, ali ne sa pristupom „jedna veličina za sve”. Vrelovodni i parni kotlovi zahtevali su različite rasporede recirkulacije jer njihova ložišta, putevi dimnih gasova i radni uslovi nisu isti. Ta diferencijacija je ono što je zaštitilo performanse na oba tipa kotlova.

Prava vrednost projekta nije lista opreme. MIK je projektovao rekonstrukciju koja je postrojenje učinila usklađenim, zaštitila učinak, produžila korisni vek postojećih kotlova i ostavila operatera sa sistemom upravljanja koji će pouzdano raditi narednu deceniju — koristeći sopstvene proizvodne kapacitete za nestandardne komponente i sisteme.

Zaključak

MIK Projekt je rekonstruisao Toplanu Mirijevo rešavanjem dva problema koji su bili od najvećeg značaja: usklađenost emisija i radne performanse. Rezultat nije bila kozmetička nadogradnja. Bio je to ciljani inženjerski zahvat koji je doveo NOx ispod novog limita, zaštitio nominalni kapacitet i zadržao postojeću opremu kotlova u upotrebi.

Projekat pokazuje vrstu vrednosti koju MIK donosi sličnim postrojenjima. Kompanija nije tretirala sve kotlove jednako i nije nametala generičko rešenje na različite tipove opreme. Odabrala je različite arhitekture recirkulacije za vrelovodne i parne kotlove, uparila ih sa novim gorionicima, pumpama, ventilatorima, cevovodima i BMS upravljanjem, i isporučila postrojenje koje je bolje usklađeno sa trenutnim operativnim zahtevima.

Za operatere sistema daljinskog grejanja, pouka je jasna. Ako je posuda pod pritiskom još uvek ispravna, dobro projektovana rekonstrukcija može biti pametniji potez od potpune zamene. Može smanjiti emisije, sačuvati kapacitet i produžiti vek postrojenja bez nepotrebnog zastoja.

Često postavljana pitanja

Šta je MIK Projekt uradio na Toplani Mirijevo?

MIK Projekt je zamenio gorionike na dva parna kotla (PK1 i PK2), dodao sisteme recirkulacije dimnih gasova na sva četiri kotla, ugradio nove pumpe, ventilatore, cevovode i sisteme upravljanja gorionicima, i pustio kompletno postrojenje u rad. Radovi su obuhvatili dva vrelovodna kotla snage 58,15 MW i dva parna kotla kapaciteta 5 t/h.

Koji problem je rekonstrukcija rešavala?

Postrojenje je imalo dva problema: NOx emisije iznad novog regulatornog limita i kotlove koji nisu dostizali nominalni učinak. Rekonstrukcija je morala da reši oba problema bez dužeg zaustavljanja postrojenja nego što je bilo neophodno.

Kako su smanjene NOx emisije?

Ugradnjom novih SAACKE nisko-NOx gorionika sa recirkulacijom dimnih gasova. FGR funkcioniše tako što vraća deo ohlađenih dimnih gasova u vazduh za sagorevanje, što snižava vršnu temperaturu plamena i smanjuje formiranje NOx na izvoru. Nije bila potrebna naknadna obrada dimnih gasova.

Zašto su korišćena dva različita sistema recirkulacije?

Vrelovodni i parni kotlovi su različite mašine sa različitim ložištima, putevima dimnih gasova i radnim pritiscima. Primena istog rešenja na oba tipa ugrozila bi performanse jednog ili oba. MIK Projekt je projektovao svako kolo recirkulacije prema specifičnom tipu kotla.

Koji su bili rezultati posle rekonstrukcije?

NOx emisije su pale sa 120–180 mg/m³ na ispod 100 mg/m³ na vrelovodnim kotlovima, i sa 140–180 mg/m³ na ispod 110 mg/m³ na parnim kotlovima — čime je postrojenje potpuno usklađeno sa Uredbom 06/2016. Vrelovodni kotlovi sada rade u celom nominalnom opsegu od 11,60 do 58,15 MW, a sva četiri kotla imaju nove sisteme upravljanja gorionicima za automatizovanu kontrolu sagorevanja.