1

OCENA bezpieczeństwa energetycznego systemów energetycznych jest tożsama z analizą oceny ryzyka i zagrożeń, czyli analizą prawdopodobieństwa wystąpienia systemowych stanów awaryjnych. W ostatnich latach problematyka ta doczekała się wielu opracowań obejmujących takie dziedziny jak Black aut w systemach elektroenergetycznych, systemowe awarie i zagrożenia w miejskich sieciach wodociągowych, zagrożenia powodziowe czy teoretyczne. Zagadnienia te były też przedmiotem spotkań z dystrybutorami i odbiorcami ciepła organizowanymi przez Izbę Gospodarczą CIEPŁOWNICTWO POLSKIE. 2

Specyfikacja zagrożeń dla systemu ciepłowniczego: Zagrożenia klimatyczne wywołane ekstremalnymi warunkami klimatycznymi, np. temperaturą, oblodzeniem, podtopieniami i wiatrem. Zagrożenia ze strony elektroenergetycznego krajowego systemu (KS) czy sieci dystrybucyjnych średniego napięcia. Zagrożenia dostaw lub jakości paliwa. 3

Obiekty specjalnego znaczenia - Lokalne Centra Zarządzania Kryzysowego. Źródła ciepła awaryjne czy szczytowe, np. zasilające szpitale. Systemy jakości w energetycznych strukturach sieciowych. Awarie sieciowe - niebezpieczeństwo ogólne – odpowiedzialność cywilna. Możliwość ataków terrorystycznych na system. Efekt domina w systemie. Zdarzenia mało prawdopodobne, ryzyko a własność. 4

Systemy telemetrii w ciepłownictwie 5

Zagrożenia klimatyczne: Zagrożenia klimatyczne: Zagrożenia te mają charakter losowy, mogą być wynikiem występowania np. w sezonie ogrzewczym ekstremalnych warunków klimatycznych mających wpływ bezpośredni lub pośredni na pracę systemu ciepłowniczego. Do nich można zaliczyć takie czynniki jak: 6

Ekstremalne ujemne temperatury zewnętrzne: Praktycznie dla każdego rejonu w Polsce, na podstawie danych IMGW można określić dla ostatnich 40 lat, przebiegi średniodobowych wartości temperatury zewnętrznej, średnich, najchłodniejszych i najcieplejszych sezonów ogrzewczych. Uwaga ta dotyczy również liczby stopniodni – określających wielkość sprzedaży ciepła – jak i prawdopodobieństwa wystąpienia tych zdarzeń. Wiadome jest, że w ostatnich dziesięcioleciach występowały stany, w których ujemna temperatura zewnętrzna była znacznie niższa niż temperatura obliczeniowa. Mogą pojawić się wtedy zagrożenia: niedostatecznej mocy źródeł, ograniczonej przepustowości sieci ciepłowniczej lub awarii wywołanej naprężeniami termicznymi w rurociągach. Ze stanami tymi wiąże się oczywiście zagadnienie mocy obliczeniowej, zarówno w zbiorze odbiorców jak i źródłach ciepła oraz konieczność ustalenia wartości systemowego współczynnika redukcji. Systemowym zagrożeniem może być w polskich warunkach klimatycznych wahanie zapotrzebowania na moc i ciepło z amplitudą ok. 32% w stosunku do wartości średnich: sezon najchłodniejszy sezon najcieplejszy. 7

Powodzie i podtopienia: W niektórych miastach zagrożenia spowodowane powodziami i lokalnymi podtopieniami mogą być groźne dla systemów. Przyczynami tych zagrożeń są czynniki: wezbranie lokalnych rzek w wyniku długotrwałych opadów lub wystąpienia zatorów lodowych. Statystyka tych zdarzeń jest bogata. Zjawiska takie miały miejsce wielokrotnie w dorzeczu Wisły. W pamiętnym 1997 roku, w której w tzw. powodzi tysiąclecia zalane zostały 1358 miejscowości, m.in. miasta posiadające systemy ciepłownicze tj. Wrocław, Raciborz – Miedonia, Kędzierzyn – Koźle lub Opole. W Raciborzu w jednej z lokalnych kotłowni poziom wody sięgał poziomu palacza, podstaw kotłów typu WR, a kanałami sieci płynęły wartkie potoki w całości niszcząc izolację cieplna i siłowniki. Z doświadczeń tych wynika prosty wniosek – w każdym systemie ciepłowniczym powinna zostać wykonana analiza zagrożeń wynikających ze zdarzeń klimatycznych. Przykładowo w Warszawie konieczność ocen stanu wałów przeciwpowodziowych zabezpieczających dolny taras miasta i elektrociepłownie (EC Żereń, EC Siekierki) to główny problem. 8

Również poważne zagrożenia niektórych części miasta występuje ze strony Potoku Służewieckiego zbierającego ścieki deszczowe z terenów Okęcia, Służewia Północnego, Ursynowa i Wilanowa. W wyniku takiego stanu występuje niebezpieczeństwo zalania terenów położonych wzdłuż tego potoku wraz z istniejącymi kanałami sieci ciepłowniczej. Dla systemu ciepłowniczego ekstremalne wiatry mogą mieć znaczenie w zakresie zasilania systemu w energię elektryczną. Analizy dotyczące zagrożeń klimatycznych pozwalają sformułować podane wnioski. 9

Wnioski wynikające z zagrożeń klimatycznych: należy dokonać historycznej (np. 40 letniej) analizy bazy danych klimatycznych dla danej miejscowości z określeniem czasu i prawdopodobieństw występowania warunków ekstremalnych, szczególnie temperatury zewnętrznej i liczby stopniodni, dla określonych systemów powinna zostać wykonana analiza zagrożeń powodziowych wraz z oceną możliwości ograniczenia ich skutków, np. przez zmiany zasięgów zasilania z poszczególnych źródeł ciepła, oceny skutków zalania komór ciepłowniczych, wykonania dodatkowych pierścieni sieci lub włączania kotłowni szczytowych, np. istniejących kotłowni przyszpitalnych, 10

należy dokonać hydraulicznej i cieplnej analizy systemu w zakresie elastycznego zasilania z wielu źródeł ciepła z ewentualnym wprowadzeniem automatycznych źródeł szczytowych, z danych klimatycznych wynika, że w dużych miastach, np. powyżej 300 tys. mieszkańców należy uwzględnić wpływ „miejskiej wyspy cieplnej” ograniczającej w sezonie ogrzewczym konieczną moc i ilość sprzedanego ciepła. Ciepłownia – - Warszawa 11

Jakość paliwa W ujęciu tradycyjnym jakość węgla określają takie podstawowe wzajemnie powiązane parametry, jak wartość opałowa, zawartość popiołu lub udział siarki palnej. Rozpatrując jakość kupowanych węgli należy uwzględnić wiele czynników i podjęcie optymalnej decyzji jest trudne. Ogólną przesłanką przy podejmowaniu decyzji jest cena węgla, jego jakość i wymagania środowiskowe. Ocena jakości węgli spalanych w rusztowych kotłach ciepłowniczych jest zagadnieniem złożonym. Decydują o niej takie czynniki jak: wartość opałowa węgla, zawartość części niepalnych, temperatura mięknięcia popiołu lub zjawisko koksowania na ruszcie dotyczące emisji zanieczyszczeń, zawartość siarki palnej i chloru, skład frakcyjny dostarczanego węgla szczególnie udział zawartości podziarna, czyli frakcji o średnicach zastępczych mniejszych niż 1 mm. 12

Europejskie i krajowe postanowienia prawne limitują emisję do atmosfery takich zanieczyszczeń jak: CO 2, SO 2, NO x lub pyłów, natomiast nie jest ograniczana emisja związków chloru, stanowiących składnik węgla organicznego. Związki chloru zawarte w spalinach są dodatkowym czynnikiem korozyjnym elementów kotłów i kanałów spalinowych, jak również składnikiem kwaśnych deszczy. 13

Chlor w węglu występuje w postaci związków nieorganicznych (chlorków) i zawarty jest w solance – wodach pokopalnianych – tworzących wilgotność powierzchniową węgla. Skuteczne usuwanie tych związków odbywa się w postaci płukania węgli. Stwierdzono, że jedna z krajowych kopalń dostarczała węgiel, w którym było więcej chloru niż siarki (ponad 0,7% udziału masowego). 14 Awaria elektrowni Siekierki - Warszawa

Jakość węgla W węglach energetycznych mogą występować znaczące udziały związków chloru, głównie w postaci solanek tworzących wilgoć powierzchniową. Związki te są agresywne korozyjnie również w zakresie korozji wysokotemperaturowej, prawie w całości emitowane są ze spalinami, będąc jedną z przyczyn kwaśnych deszczy. 15

Z jakością paliwa wiąże się, tzw. problem wiaty. Problem ten sprowadza się do zdecydowania czy ze względu na bezpieczeństwo energetyczne i z przyczyn ekonomicznych – wzrostu wartości opałowej węgla – nie jest uzasadnione zadaszenie części placu węglowego nad lejem zasypowym, np. z dwu- czy trzydniowym zapasem paliwa. Węgiel kamienny 16

17 Struktura produkcji energii elektrycznej

AWARIE SIECIOWE – NIEBEZPIECZEŃSTWO OGÓLNE. Awarie sieciowe przy ujemnej temperaturze zewnętrznej są niebezpieczne, nie tylko z powodu dyskomfortu odbiorców ciepła. W skrajnych przypadkach mogą one prowadzić do zniszczenia instalacji wewnętrznej w wyniki, np. zamarznięcia ich najbardziej narażonych fragmentów, np. na klatkach schodowych. Awarie tego rodzaju mogą również prowadzić do powstania niebezpieczeństwa ogólnego dla mieszkańców miast i wystąpienia roszczeń cywilnych. W historii polskiego ciepłownictwa znane są takie przypadki. Awarie sieciowe miały bowiem w krajowych systemach ciepłowniczych miejsce. W ich wyniku wystąpiło śmiertelne poparzenia osób przypadkowych – szczególnie dzieci. 18

Dobrym wskaźnikiem jakości systemu sieciowego jest roczne liczba wymian wody w systemie. W dużych krajowych systemach ciepłowniczych liczba ta waha się od 7 do 12. W systemach w miarę szczelnych wynosi 4 – 5, natomiast standardy systemów szczelnych odpowiadają 0,3 – 0,5 wymiany wody w stosunku rocznym. W szczelnych systemach występuje natomiast dodatkowy problem magazynowania wody sieciowej upuszczanej w czasie procesu wzrostu jej temperatury. Magazynowanie to często odbywa się w zasobnikach ciepła. Zasobniki ciepła „LEMET” 19

ELEKTROENERGETYCZNE AWARIE SYSTEMOWE – BLACK OUT Jednym z poważniejszych zagrożeń dla systemów ciepłowniczych są awarie Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE) lub awarie zasilania w skali lokalnej, występujące przy ujemnej temperaturze zewnętrznej, a w szczególnie zbliżonej do wartości obliczeniowej. System dzielimy na podsystemy: wytwórczy (elektrownie),elektrownie sieć przesyłowa - linie i stacje elektroenergetyczne 750 kV, 400 kV i 220 kV.liniestacje elektroenergetyczne sieć dystrybucyjna lub rozdzielcza kV 20

21 Uproszczony schemat systemu elektroenergetycznego

System elektroenergetyczny – zbiór urządzeń do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej, połączonych ze sobą funkcjonalnie dla realizacji procesu ciągłej dostawy energii elektrycznej odbiorcom. Główne elementy systemu: Elektrownie, ciepłownie i sieci elektroenergetyczne 22

Warto przypomnieć duże awarie sieciowe na wschodnim wybrzeżu USA i Kanady w roku 2003, 14 sierpnia 2003 r. w ośmiu stanach USA oraz Ontario i Toronto w Kanadzie wystąpiła awaria pozbawiająca prądu ok. 60 mln ludzi. Również w tym samym roku miały miejsce awarie systemowe w Danii i Szwecji o zasięgu 4 mln odbiorców oraz we Włoszech. W Polsce w ostatnim dziesięcioleciu duża awaria wystąpiła w grudniu 1998 r. w elektrowni Turów – pożar bloku nr 5 o 200MWel oraz wyłączeniu sześciu generatorów. Kolejne awarie systemowe wystąpiły w listopadzie 2004 r. oraz w czerwcu 2006 r. w Warszawie oraz północno-wschodniej części Polski. Należy zauważyć, ze zagrożenie ze strony systemu elektroenergetycznego pojawia się również w okresie letnim. 23

24 Prawie w dwu i półtysiąca mieszkań w Sosnowcu przestały grzać kaloryfery, nie było ciepłej wody.

Zjawisko to jest spowodowane następującymi czynnikami: spadkiem dyspozycyjnej mocy w źródłach w wyniku prowadzenie remontów, wzrostu temperatury zewnętrznej – źródeł dolnych – zjawisko to szczególnie dotyczy źródeł z turbinami gazowymi, wzrostem strat transportowych i ograniczenia w sieciach przesyłowych, wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną spowodowaną zwiększającą się liczbą indywidualnych klimatyzatorów: 13 lipca 2005 r. o godzinie 13:15 zapotrzebowanie na moc w KSE wynosiło MWel natomiast 26 czerwca 2006 r. o tej samej godzinie już MWel. 25

Na szczególną uwagę zasługują również krajowe awarie lokalne, np. tak jak w Olsztynie, która wystąpiła przy temperaturze zewnętrznej -17 o C. W jednej z ciepłowni tego miasta z kotłami WR25 nastąpiły zaniki zasilania na ok. 30 minut. W wyniku czego doszło do uszkodzenia części ciśnieniowej trzech kotłów. 26 Awaria w Olsztynie

AWARIE SYSTEMÓW ELEKTROENERGETYCZNYCH Dla systemów ciepłowniczych szczególnie groźne są awarie krajowych i lokalnych systemów zasilania w energię elektryczną. Uwaga ta dotyczy zarówno źródeł ciepła przepompowni jak i węzłów ciepłowniczych. Z tego powodu systemy powinny mieć włączane automatycznie rezerwowe układy zasilania zewnętrznego oraz własne generatory umożliwiające podtrzymanie podstawowych procesów w systemie, np.: awaryjnych przepływów przez kotły, pracy wentylatorów wyciągowych, utrzymania ciśnień statycznych w sieciach. 27

OBIEKTY SPECJALNEGO ZNACZENIA INFRASTRUKTURA CIEPŁOWNICZA – szczególnie sieciowa, może być obiektem ataków terrorystycznych. Zagrożenie to może się pojawić również ze strony osób niezrównoważonych psychicznie. Ryzyko z tym związane narasta w funkcji spadku temperatury zewnętrznej. Z tego powodu postępując zgodnie z zapisami ustawy „Prawo Energetyczne” powinny być ustalone w Programach Pracy Sieci procedury podziału odbiorców na następujące kategorie: obiekty przemysłowe, obiekty specjalne (muzea, ogrody zoologiczne), budynki mieszkalne, budynki administracyjne (urzędy, szkoły, straż pożarna, policja), obiekty służby zdrowia, zakłady opieki itp.. 28

W przypadku ograniczania możliwości produkcyjnych systemu ciepłowniczego powinno być przewidziane zmniejszenie dostawy ciepła, np. z następującym stopniowaniem: odcięcie dostawy ciepła do instalacji ciepłej wody użytkowej, wykonaniu kroku I i obniżenie temperatury wewnętrznej, np. od 4 do 5 o C, wykonanie kroków I i II oraz dalsze obniżanie temperatury wewnętrznej. Oczywiście w wypadku wystąpienia awarii naruszającej bezpieczeństwo energetycznego danego miasta wykonanie kolejnych kroków o charakterze regulacyjnym wymaga czasu. Ograniczanie mocy dostarczonej do odbiorców w pewnym zakresie najszybciej można wykonać prowadząc regulację ilościową – ograniczając przepływy w poszczególnych magistralach systemu sieciowego. 29

PODSUMOWANIE Wzrost bezpieczeństwa energetycznego systemów ciepłowniczych miast w istocie wymaga wprowadzenia procedur związanych z pojęciem „zarządzania ryzykiem”. Pojęcie to zawiera takie obszary, jak: identyfikację, struktury i praktyki zarządzania ryzkiem, finansowanie ograniczeń ryzyka. Oczywiście, procedury te powinny stanowić pewien fragment wynikający z ogólnego systemu jakości przedsiębiorstwa. Ważnym elementem w procedurach ograniczania ryzyka są takie elementy jak: systemu lokalizacji awarii sieciowych, ciągły monitoring parametrów roboczych przy zdalnym ich odczytywaniu. Istotnym i nowym elementem w tych procedurach może być zastosowanie czujników piezoelektrycznych lub tensometrycznych z komputerowym opracowaniem wyników. 30

WYKONAŁY: IZABELA ŁUKASZUK ANETA PEŁSZYŃSKA 31

Opracowano na podstawie artykułu "Wybrane zagadnienia z bezpieczeństwa energetycznego w miejskich systemach ciepłowniczych" profesora Stanisława Mańkowskiego zamieszczonego w COW 10/