Print

Aplikace metody infračervené termografie na bioplynových stanicích

-- 21.06.2018

Příspěvek se zabývá možnostmi praktické aplikace techniky infračervené termografie v rámci provozu bioplynových stanic. V příspěvku jsou prezentovány výsledky experimentálních měření různých objektů a částí bioplynových stanic, konkrétně se jedná o měření povrchových teplot obvodových plášťů vytápěných stavebních objektů BPS; měření povrchových teplot strojního vybavení (kogeneračních jednotek) a elektrického zařízení v rámci preventivní údržby; měření povrchových teplot čela uskladněné siláže v silážním žlabu; měření povrchových teplot tuhých substrátů u BPS na netekuté substráty při jejich míchání s čerstvými surovinami; měření povrchových teplot tzv. biofiltru pro biologické dočištění kontaminované vzdušniny. Na základě výsledků lze konstatovat, že infračervená termografie je pro praktické provozování bioplynových stanic efektivně využitelná a může přispět ke zvýšení efektivity (energetické, bezpečnostní, provozní, ekonomické) provozu těchto zařízení. 

Úvod

Zvyšování podílu obnovitelné energie na skladbě energetických zdrojů se v posledních dvou dekádách projevilo významným nárůstem počtu energetických zařízení pro její produkci. Mezi důležité zdroje patří i bioplynové stanice (BPS). Rozvoj technologií bioplynových transformací a využití bioplynu jako obnovitelného zdroje energie je v posledních letech velmi výrazný (Moravec a kol., 2011). Lantz a kol. (2007) uvádí, že bioplyn je nadějný obnovitelný zdroj energie, který může být produkován transformací různých druhů organických materiálů a jehož energie může být využita různými způsoby. Hlavní části bioplynové stanice zahrnují objekty a zařízení pro mechanickou úpravu materiálů, dávkování a transport substrátů, anaerobní fermentory vybavené technologií míchání a ohřevu, zařízení pro jímání, úpravu a využití bioplynu (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Schutz a Eder (2004) uvádějí, že většina zemědělských bioplynových stanic je provozována v mezofilním režimu při teplotě 25 až 40 °C (méně často v termofilním režimu při teplotě 45 až 60 °C), což jejich fermentory řadí ke stavebním objektům vytápěným na relativně vysoké teploty. Česká bioplynová asociace uvádí, že k 31. 12. 2016 bylo v České republice provozováno 567 bioplynových stanic s instalovaným výkonem 360 MW a BPS tvoří podíl 24,8 % obnovitelných zdrojů energie (OZE). Vzhledem k nastavení právních nástrojů dotační politiky, podmínkám ochrany životního prostředí a se zřetelem na velmi omezenou plochu pozemkového fondu, která by byla vhodná pro pěstování kukuřice jakožto nejvhodnější vstupní suroviny, se nedá předpokládat další rozsáhlý nárůst počtu nových BPS. Přichází tedy doba, kdy je vhodné zabývat se především zvyšováním provozní efektivity a bezpečnosti již existujících BPS. Podkladem pro řízení provozu BPS jsou především provozní informace získávané jednak ze systémů měření a regulace (MaR) integrovaných do technologie BPS a dále také dalšími doplňkovými měřeními. Na základě těchto informací lze provoz BPS korigovat a plánovat různá modernizační opatření s ohledem na dosahování maximální efektivity. Opatření pro zvyšování efektivity BPS mohou být jednak technická (týkající se např. obvodového pláště fermentačních nádrží, strojně-technologického a elektrického vybavení, systémů MaR atd.) a dále se může jednat o opatření související se vstupními surovinami (výroba a skladování vstupní suroviny v maximální kvalitě, přimíchávání vhodných příměsí v optimálním poměru apod.). Provoz jednotlivých provozních souborů BPS je charakteristický sledováním důležité veličiny, kterou je teplota. Tuto veličinu měříme na různých místech BPS, a to kontinuálně a s využitím zejména kontaktních metod. Pro zvýšení provozní efektivity, bezpečnosti a v rámci preventivní údržby BPS se ukazuje jako velmi výhodné bezkontaktní měření povrchových teplot vybraných částí BPS a souvisejících provozních objektů pomocí metody infračervené termografie (IRT). Larbi (2005) uvádí, že zlepšování tepelně izolačních vlastností konstrukcí obálky je nejefektivnějším opatřením pro snižování tepelných ztrát a zvyšování energetické účinnosti staveb. Autoři dále konstatují, že infračervená termografie je experimentální zobrazovací metoda, která umožňuje zobrazovat a graficky znázornit teplotu na povrchu sledovaného objektu.

Tento příspěvek má za cíl prezentovat potenciální možnosti aplikace infračervené termografie při praktickém provozování bioplynových stanic. 

Měřené objekty a měřicí přístroje

Experimentální měření jednotlivých objektů bioplynových stanic bylo realizováno vždy v zimním období, obvykle v ranních hodinách. Měření probíhalo pokaždé v provozních podmínkách zemědělských bioplynových stanic různých technologických koncepcí (koncepce na tekuté i tuhé substráty) a od různých výrobců (dodavatelů stavby i technologie). Stanice zpracovávají biologické materiály (zejména chlévskou mrvu, kukuřičnou siláž, senáž, travní biomasu, GPS) individuálně v různém poměru míchání i při různé konzistenci (dle technologické koncepce BPS). Mezi hlavní objekty jednotlivých koncepcí bioplynových stanic obvykle patří budova velínu (se zázemím pro obsluhu), anaerobní fermentory, strojní technologická zařízení – systémy míchání, jímání, čerpání, vytápění, čištění, plynojem, kogenerační jednotka, elektrorozvodna. V návaznosti na hlavní objekty navazují další provozní objekty, jako jsou sklad kukuřičné siláže (silážní jámy), sklad digestátu, zařízení chladicích jednotek, havarijní pochodeň a biofiltr pro čištění vzduchu kontaminovaného pachovými látkami.

Experimentální IRT měření proběhla na základě zájmu provozovatelů bioplynových stanic. V případě měření teplotních polí na obvodových pláštích se jednalo o detekci teplotních anomálií na obvodovém plášti vytápěných objektů bioplynových stanic jakožto důsledku existence tzv. tepelných mostů nebo tepelných vazeb. Cílem bylo ověření skutečného stavu provedení obvodových plášťů a zjištění existujících vad jakožto informativního podkladu pro budoucí návrh technických opatření pro odstranění těchto negativních jevů v rámci cyklické modernizace (opravy) zařízení.

V případě měření povrchových teplot strojně technologického vybavení a elektrického zařízení bioplynových stanic se jednalo především o měření strojních částí kogeneračních jednotek, elektromotorů, čerpadel a elektrických rozváděčů. Měření probíhalo jako součást pravidelných kontrol v rámci preventivní údržby.

V případě měření povrchových teplot uskladněné siláže se jednalo o zjišťování potenciální degradace vstupní suroviny vlivem nesprávné technologie výroby či chybného uskladnění siláže. Měření probíhalo v průběhu pravidelného odebírání (frézování) siláže z čela silážní jámy při doplňování čerstvého substrátu do BPS. Termogramy byly pořízeny bezprostředně po odebrání materiálu. Souběžně s IRT měřením probíhal odběr vzorků siláže z kritických míst (tzv. hnízd) a pro srovnání mimo tato místa; důvodem byla chemická analýza obsahu jednotlivých prvků.

V případě měření povrchových teplot vstupních materiálů u BPS na netekuté substráty při jejich míchání s čerstvými surovinami je důvodem zájmu provozovatelů zjištění informací o teplotních podmínkách v průběhu technologických operací souvisejících s cyklickou výměnou substrátů ve fermentorech. Technologie BPS na netekuté substráty se od převažujících technologií na tekuté BPS značně odlišuje. Dávkování čerstvého substrátu neprobíhá kontinuálně, ale cyklicky, kdy se nejprve vyskladní celý obsah komory (fermentoru) a následně je část fermentovaného substrátu (cca 40 %) odvezena jako hnojivo na pole a část je využita pro rychlejší nastartování rozkladných procesů, smísena s čerstvým substrátem a následně zavezena zpět do komory. Provozovatele zajímala jak teplota substrátu po vyvezení, tak teplota po časové prodlevě spojené s vyvážením materiálu a teplota v jádru hromad (po odstranění povrchové vrstvy s nižší teplotou). Tyto informace jsou využitelné pro odhad poklesu teploty v souvislosti s provozní manipulací při vyskladňování, míchání a při zpětném zavážení substrátu do fermentoru, který ve svém důsledku významně ovlivní rychlost náběhu maximální intenzity fermentačních procesů a tím i produkce bioplynu (kvantitativně i kvalitativně). Vzhledem k rozkladným biologickým procesům, které v substrátu po vyvezení stále probíhají, lze předpokládat, že pokles teploty nebude lineární. Provozovatele zajímala dynamika změny povrchových teplot v rámci časového odstupu jednotlivých provozních operací a její ověření pomocí metody infračervené termografie jako doplňku či alternativy kontaktních vpichových teploměrů. Měření proto proběhlo v několika časových etapách s odstupem 10 až 15 minut, a to v závislosti na manipulaci s materiálem.

Dalším experimentálně měřeným objektem byl biofiltr pro biologické čištění vzduchu odsávaného z uzavřených prostor bioplynové stanice, jenž byl kontaminován pachovou zátěží. Povrchové teploty mohou do určité míry signalizovat úroveň intenzity probíhajících mikrobiálních procesů a tím i intenzitu biologického odstraňování kontaminace z procházejícího vzduchu. 

Použitá měřicí zařízení

Pro experimentální termografická měření byla použita termografická kamera FLIR ThermaCAM E320 s objektivem FOV 25° se softwarovou podporou vyhodnocení FLIR QuickReport 1.2 a u některých měření termografická kamera FLUKE Ti32 s objektivem FOV 45° se softwarovou podporou vyhodnocení FLUKE SmartView 3.2. Vedle emisivity snímaného materiálu byla stanovována zejména teplota a relativní vlhkost vzduchu a vzdálenost od měřeného objektu. Teplota a relativní vlhkost vzduchu byly měřeny pomocí sondy teploty a relativní vlhkosti v rámci multifunkčního měřicího přístroje KIMO AMI 300. Ten je pro měření rychlosti proudění vzduchu a teploty vzduchu vybaven měřicí sondou typu HET 14 (měření v rozmezí hodnot 0,88 až 25 m/s při teplotách −20 až +80 °C; teplota měřena s přesností ±1 °C). Relativní vlhkost vzduchu je měřena s využitím měřicí sondy typu SVTH (měření v rozmezí hodnot 5 až 95 % RV, měření s přesností ±4 %). Vzdálenost kamery od snímaného objektu byla určena laserovým dálkoměrem Leica DISTOtm A5 (s přesností měření ± 1,5 mm ve vzdálenosti od 0,2 do 200 m).

Výsledky měření 

  • Měření povrchových teplot obvodových plášťů vytápěných stavebních objektů BPS 

Měření povrchových teplot obvodových konstrukcí vytápěných objektů BPS je významné zejména z hlediska zjištění tepelně technických defektů. Na obrázku 1 je prezentován termogram obvodového pláště fermentoru zemědělské BPS na tekuté substráty technologie  Weltec BioPower. Na termogramu jsou patrné tepelné mosty vzniklé vlivem přímého šíření tepla z fermentační nádrže vytápěné na 45 °C a tvořené válcovou nádrží z antikorozní oceli. Na vnitřním plášti nádrže jsou přivařeny jednotlivé ocelové prvky nosného roštu vnějšího opláštění tvořeného matně lakovaným ocelovým trapézovým plechem. Prostor mezi vnitřním a vnějším pláštěm je vyplněn tepelně izolační vrstvou z pěnového expandovaného polystyrénu o tloušťce 100 mm. Z termogramu je patrné, že konstrukční detail kotvení i umístění nosného roštu vnějšího opláštění není pravděpodobně řešen s ohledem na přerušení tepelného toku. Jedná se o systémovou vadu, která se vyskytuje na celém plášti všech fermentorů BPS.

Na obrázku 2 je pro srovnání prezentován termogram obvodového pláště BPS na netekuté substráty (tuhé, biologicky rozložitelné odpady). Obvodový plášť fermentorů na netekuté substráty je tvořen vnitřním pláštěm z monolitického plynotěsného a vodotěsného železobetonu, na kterém je proveden ocelový nosný rošt vnějšího opláštění tvořeného lakovaným trapézovým plechem. Prostor mezi vnitřním a vnějším pláštěm je vyplněn tepelně izolační vrstvou z minerální vaty o tloušťce 100 mm. Z termogramu je opět patrná existence tepelných mostů v místě nosného roštu. Důvodem je pravděpodobně opět nedůsledné řešení konstrukčního detailu kotvení nosného roštu opláštění bez přerušení tepelného toku. Tato systémová vada je patrná v celé ploše obvodového pláště všech fermentorů, což je při vnějších rozměrech, tj. šířce 31 m, délce 43 m, výšce 10,5 m a rastru roštů 1,2 m, rozsáhlá defektní plocha.

Autoři příspěvku do současné doby termograficky změřili 14 bioplynových stanic různých technologických koncepcí a od různých dodavatelů. Souhrnně lze konstatovat, že při termografickém měření obvodových plášťů fermentorů se ve všech případech prokázala existence tepelných mostů a nedůsledné řešení stavebních detailů. Tato problematika je prezentována např. v publikacích Junga a Trávníčka (2014) nebo Junga a Trávníčka (2016).  

  • Měření povrchových teplot strojního vybavení (kogeneračních jednotek) a elektrického zařízení v rámci preventivní údržby 

Měření povrchových teplot strojních částí BPS je vhodné zejména jako prvek preventivní údržby. Informace o povrchové teplotě jednotlivých strojních částí kogenerační jednotky může být využita jako indikátor jejich správné funkce, respektive jako indikátor včasného varování před existencí defektů některé z částí. Na obrázku 3 je prezentován termogram hlav válců vznětového motoru kogenerační jednotky. Pravidelné zjišťování povrchových teplot elektroinstalací a částí elektrických zařízení je klíčové zejména z hlediska prevence požárního nebezpečí.  

  • Měření povrchových teplot čela uskladněné siláže v silážním žlabu 

Měření povrchových teplot čela siláže skladované v silážních žlabech je důležité z hlediska ověřování kvality technologické operace silážování (zejména úrovně zhutnění materiálu) a skladování. Termografické měření lze využít jako rychlý a relativně levný indikátor úrovně biologické degradace siláže (zejména z hlediska sledovaných živinných prvků pro bioplynové transformace). Termografické měření bylo doplněno i o odběry vzorků pro chemické analýzy siláže z potenciálních degradovaných míst (tzv. hnízda) a o kontrolní vzorky mimo tato místa. Chemické analýzy prokázaly u sledovaných prvků významné rozdíly ve zjištěných hodnotách. Na obrázku 5 je prezentováno čelo siláže s patrným hnízdem s degradovanou siláží. Tato problematika je dále prezentována např. v publikaci Junga a Trávníček (2015).  

  • Měření povrchových teplot tuhých substrátů u BPS na netekuté substráty při jejich míchání s čerstvými surovinami 

Měření probíhalo cca 3 hodiny v průběhu celé technologické operace vyskladňování, míchání i při zpětném naskladňování fermentoru. Termograficky byl měřen materiál přímo ve fermentoru po jeho otevření a částečném vyvezení a poté byly snímkovány jednotlivé hromady v meziskladu v časovém odstupu cca 15 minut. Na jednotlivých termogramech se projevily značné rozdíly v naměřených hodnotách povrchových teplot a často byla patrná stratifikace materiálu v závislosti na čase od jeho narušení čelním nakladačem při jeho vyskladňování a na hloubce, ve které se daná vrstva nachází. Na obrázku 6 je prezentován termogram vnitřní části fermentoru 3 po vyskladnění asi 70 % fermentovaného vstupního materiálu. V pravé části fermentoru je patrný substrát s nižší povrchovou teplotou, rovněž ve střední části jsou zbytky vstupního materiálu, který z nakladače odpadl při transportu a v průběhu času došlo ke snížení jeho teploty. Na obrázku 7 je prezentován termogram hromad fermentovaného materiálu vyvezeného čelním nakladačem do prostoru meziskladu, kde je následně míchán s novými substráty a zpětně zavážen do fermentoru.

Na obrázcích 8 a 9 jsou prezentovány termogramy biologického filtru pro čištění vzduchu kontaminovaného pachovými znečišťujícími látkami a odsávaného vzduchotechnickým zařízením z provozních prostor bioplynové stanice. Na obrázku 7 lze vidět termogram celkového pohledu na nadzemní část biofiltru. Poměrně rovnoměrná teplota horní části náplně biofiltru indikuje dobrou prostupnost (mezerovitost) filtrační náplně a probíhající aktivní mikrobiální činnost pro odbourávání pachových látek ze vzdušniny. Pro hodnocení úrovně mikrobiální aktivity pomocí měření teplot biofiltru je možné infračervenou termografii použít jako rychlou orientační metodu. Termografické měření je však nutné doplnit o kontaktní měření teplot v hlubších vrstvách biofiltru vpichovými teploměry pro minimalizaci jevů zkreslujících výsledky (např. rizika existence tzv. komínového efektu proudění v biofiltru).

Závěr

Cílem příspěvku je prezentace praktických experimentálních měření metodou infračervené termografie ve specifických provozních podmínkách bioplynových stanic. Tato měření různých objektů BPS prokázala velký potenciál uplatnění této metody při praktickém řízení provozu bioplynových stanic s cílem dosáhnout celkové vyšší efektivity (zejména energetické, bezpečnostní, ekonomické) zařízení. Vzhledem k cenové dostupnosti termografických kamer by takové zařízení bylo vhodné jako standardní součást vybavení každého provozovatele BPS. Autoři příspěvků působí na pracovišti Mendelovy univerzity v Brně, které provozuje Republikovou referenční laboratoř bioplynových transformací, která pod vedením doc. Ing. Tomáše Vítěze, Ph.D., poskytuje komplexní podporu aplikačního výzkumu pro praxi provozovatelů bioplynových stanic.

Literatura

1. Junga, P., Trávníček, P. 2014. Thermal properties and thermal bridges of the envelope of a modern farm biogas plant: case study. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 18: 618-628

2. Junga, P., Trávníček, P. 2015. Surface temperature of the exposed silo face as quick indicator of the decomposition process of maize silage. Journal of Central European Agriculture. 16: 76-91

3. Junga, P., Trávníček, P. 2016. Diagnostics of the thermal defects of the walls on the solid-state biogas plant. International Journal of Sustainable Energy, 35: 554-565

4. Lantz, M., Svensson, M., Björnsson, L., Börjesson, P., 2007. The prospects for an expansion of biogas systems in Sweden-incentives, barriers and potentials. Energy Policy, 35: 1830-1843

5. Larbi, A. B., 2005. Statistical modelling of heat transfer for thermal bridges of buildings. Energy and Buildings, 37: 945-951

6. Moravec, A., Vítěz, T., Havlíček, M., 2011. Evaluation of one year of operation of the biogas plant. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 6: 235-238

7. Pastorek, Z., Kára, J., Jevič, P., 2004. Biomasa obnovitelný zdroj energie. Praha, Fcc Public

8. Schulz, H., Eder, B., 2001: Bioplyn v praxi. Ostrava, Nakladatelství HEL Ostrava-Plesná

Kontaktní adresa

Ing. Petr Junga, Ph.D., Mendelova univerzita v Brně, Agronomická fakulta, Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky, Zemědělská 1, 613 00 Brno, Česká republika, tel. + 420 545 132 366, e-mail petr.junga@mendelu.cz

Recenzent: Ing. Jan Blata, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, FS; osoba certifikovaná na funkci Technik diagnostik termografie – kategorie I

Autor: Petr Junga, Petr Trávníček, Agronomická fakulta Mendelovy univerzity v Brně


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Technical Computing Camp 2018
2018-09-06 - 2018-09-07
Místo: Hotel Fontána, Brněnská přehrada
Moderní technologie pro potravinářský průmysl
2018-09-18 - 2018-09-18
Místo: Olomouc
Moderní technologie pro farmaceutický průmysl
2018-09-19 - 2018-09-19
Místo: Olomouc
PROMOTIC SCADA + eWON flexy workshop
2018-09-26 - 2018-09-26
Místo: Hotel Absolutum Boutique Hotel, Praha
MSV Tour 2018
2018-10-01 - 2018-10-04
Místo: Výstaviště Brno

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2018 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI