Система гарячого водопостачання з котельнею великої потужності

Реферат: Система гарячого водопостачання з котельнею великої потужності містить центральний тепловий пункт, парокомпресійний тепловий насос, пристрій для нагрівання води для гарячого водопостачання, змішувач, циркуляційний насос гарячого водопостачання, індивідуальні теплові пункти з трубопроводами місцевої системи споживання гарячої води, підвідний трубопровід гарячої води, циркуляційний трубопровід, турбогенератора з приводом, теплові акумулятори. UA 77909 U (12) UA 77909 U UA 77909 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить комунальної до теплоенергетики і може бути використана для комбінованого вироблення теплової та електричної енергії в системах комунального теплопостачання. Відома принципова технологічна схема гарячого водопостачання з двотрубною системою теплопостачання, типова для котелень великої потужності, що прийнята за прототип [А.А. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Братенков, Е.Н. Терлецкая. Теплоснабжение. - М.: Стройиздат, 1982. - 336 с.]. При двотрубній системі теплопостачання технологічна схема гарячого водопостачання має три основних складових - котельню, центральний тепловий пункт і індивідуальні теплові пункти, зв'язані зі споживачами гарячої води. Вся структура гарячого водопостачання фактично зв'язана з центральним тепловим пунктом, в якому розміщений теплообмінник, що є безпосереднім тепловим джерелом гарячого водопостачання. Центральний тепловий пункт з'єднаний підвідним трубопроводом гарячого водопостачання з індивідуальними тепловими пунктами, де гаряча вода розподіляється по трубопроводах місцевої системи споживання, і циркуляційним трубопроводом зворотної води системи гарячого водопостачання, куди скидається циркуляційна зворотна вода з індивідуальних теплових пунктів і подається в центральний тепловий пункт для поповнення і підвищення температури води до санітарних норм. На ділянці циркуляційного трубопроводу, розташованій в центральному тепловому пункті, містяться змішувач з підводом до нього водопровідної води і циркуляційний насос, який подає холодну воду після змішувача в теплообмінник. Котельня безпосередньо не приймає участі в гарячому водопостачанні. Розташовані в ній теплофікаційні котли тільки готують високотемпературну котлову воду, яка по підвідній магістралі теплопостачання через відгалуження надходить в центральний тепловий пункт в систему опалення і як нагрівальний агент для теплообмінника гарячого водопостачання. Зважаючи на це, можна вважати, що при двотрубній схемі теплопостачання, система гарячого водопостачання має два теплових джерела - безпосереднє, яким є теплообмінник, розташований в центральному тепловому пункті, що готує гарячу воду для споживання і з котрим зв'язана вся структура гарячого водопостачання, та опосередковане теплове джерело, яким є теплофікаційні котли, що готують частину високотемпературної котлової води, яка відбирається для роботи теплообмінника в центральному тепловому пункті. Іншим зв'язком котельні з центральним тепловим пунктом є магістраль зворотної води теплопостачання, куди скидається відпрацьована вода з системи опалення та відпрацьована в теплообміннику гарячого водопостачання котлова вода для повернення її в котельню. Основною вимогою до котелень великої потужності є надійність теплопостачання. Чим більша потужність котельні, тим вразливіші наслідки її зупинення, особливо в зимовий період. Потужні котельні є споживачами значної електричної потужності. Відомі випадки, коли причиною зупинки котелень було їх знеструмлення. Залежність такої системи гарячого водопостачання від мережевої електроенергії є одним з основних її недоліків. Недоліком прототипу є й значна довжина магістралей, що призводить до суттєвих теплових втрат і зниженню теплового потенціалу води, яка подається цими магістралями. Недоліком прототипу є також залежність гарячого водопостачання від роботи теплофікаційних котлів, для яких притаманний сезонний характер роботи. Повна зупинка котлів після закінчення опалювального сезону призводить до припинення гарячого водопостачання. З іншого боку, необхідність забезпечення гарячого водопостачання в неопалювальний сезон означає неможливість повної зупинки котлів для щорічної профілактики. Інший недолік прототипу пов'язаний з необхідністю економії коштовного імпортованого природного газу, на якому працюють котельні в містах. Потужні котельні споживають значні обсяги газу, ціна якого перманентно зростає. Однак при достатньо високих ккд котлів, характерних для потужних котелень, технологія теплопостачання, яка використовується, у тому числі і технологія гарячого водопостачання, практично повністю себе вичерпали з позицій можливості економії газу. Враховуючи, що теплофікаційні котельні в основному розміщуються в межах міста, недоліком прототипу є і негативні екологічні наслідки для навколишнього середовища внаслідок спалювання великих об'ємів палива. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення системи гарячого водопостачання з котельнею великої потужності шляхом введення в систему парокомпресійного теплового насоса, та теплових акумуляторів, розташованих в центральному тепловому пункті чи в індивідуальних теплових пунктах, що забезпечать цілорічне і надійне 1 UA 77909 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гаряче водопостачання, економію природного газу, поліпшення екологічних показників і підвищення рентабельності системи гарячого водопостачання і теплопостачання в цілому. Поставлена задача вирішується тим, що у системі гарячого водопостачання з котельнею великої потужності, до складу якої входять центральний тепловий пункт, який містить пристрій для нагрівання води для гарячого водопостачання, змішувач з підводом до нього водопровідної води, циркуляційний насос гарячого водопостачання, індивідуальні теплові пункти з трубопроводами місцевої системи споживання гарячої води, підвідний трубопровід гарячої води та циркуляційний трубопровід зворотної води системи гарячого водопостачання, які з'єднують центральний тепловий пункт з індивідуальними тепловими пунктами, згідно з корисною моделлю, пристроєм для нагрівання води для гарячого водопостачання є парокомпресійний тепловий насос, який живиться електроенергією від встановленого в котельні турбогенератора з приводом від газової турбіни регенеративного циклу зі ступеневим стисканням, а система гарячого водопостачання містить теплові акумулятори, розташовані в центральному тепловому пункті або в індивідуальних теплових пунктах. Використання як теплового джерела гарячого водопостачання парокомпресійного теплового насоса замість теплообмінника гарячого водопостачання, який використовується в прототипі, необхідне, бо саме тепловий насос забезпечує економію природного газу, що водночас підвищує рентабельність гарячого водопостачання і поліпшує екологічні умови в районі котельні. Встановлення в котельні турбогенератора необхідне для забезпечення електроенергією парокомпресійного теплового насоса і інших особистих потреб в електроенергії теплогенеруючого підприємства, що підвищує надійність його роботи. Крім цього турбогенератор задовольняє не тільки особисті потреби підприємства, а також може виробляти додатково товарну електроенергію, що також підвищує рентабельність підприємства. Сукупність теплового насоса і турбогенератора забезпечує повну автономію гарячого водопостачання в системі теплозабезпечення і його незалежність від роботи котельні, що гарантує надійне цілорічне гаряче водопостачання. При цьому стає зайвим зв'язок з магістраллю, що подає, та магістраллю зворотної води, що підвищує безаварійність гарячого водопостачання, спрощує комунікаційні теплові мережі і зменшує втрату в них теплоти. Газова турбіна турбогенератора повинна бути виконана по регенеративній схемі зі ступеневим стисканням. Це забезпечує підвищення ккд газотурбінного агрегату, його потужність і економію газу [И.Н. Нигматулин, В.А Ценев, П.Н. Шляхин. Тепловые двигатели. - М.: Высшая школа, 1974. - 375 с.]. Турбогенератор повинен бути розміщений в котельні, де є необхідна інфраструктура для його роботи, і яка достатньо віддалена від житлових масивів задля екологічної безпеки. Наявність теплових акумуляторів в мережі гарячого водопостачання необхідна. Наявність теплових акумуляторів забезпечує стаціонарний режим роботи турбогенератора і теплових насосів, що обумовлює їх максимальну ефективність. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображена принципова схема запропонованої системи гарячого водопостачання в двотрубній схемі теплопостачання. Запропонована система гарячого водопостачання складається з розташованого в центральному тепловому пункті (ЦТП) обладнання гарячого водопостачання (ГВП), яке складається з парокомпресійного теплового насоса 1, циркуляційного насоса 2, змішувача 3, теплових акумуляторів 4, ділянок підвідного трубопроводу гарячого водопостачання (Трубопровід ГВП) і трубопроводу зворотної води гарячого водопостачання (Трубопровід зворотної води ГВП), системи регулювання гарячого водопостачання, індивідуальних теплових пунктів споживання гарячої води з місцевою системою трубопроводів (на кресленні не показані), підвідного трубопроводу гарячої води (Трубопровід ГВП) та трубопроводу зворотної води гарячого водопостачання (Трубопровід зворотної води ГВП) з відгалуженнями, які з'єднують індивідуальні теплові пункти з центральним тепловим пунктом (ЦТП), та розташованого в котельні турбогенератора, до складу якого входять електрогенератор (5), газова турбіна (6), механічно з'вязана з електрогенератором, компресори низького та високого тиску (7, 8), механічно зв’язані з газовою турбіною, охолоджувач повітря (9), камера спалення (10), регенератор (11) та система регулювання турбогенератора. Працює запропонована система гарячого водопостачання наступним чином. Зворотну циркуляційну воду гарячого водопостачання з індивідуальних теплових пунктів за допомогою трубопровода зворотної води гарячого теплопостачання (Трубопровід зворотної води ГВП) подають до змішувача 3 в центральному тепловому пункті (ЦТП), де до зворотної води додають холодну водопровідну воду для компенсації витрати води споживачами. Зі змішувача водяну суміш температурою 12-18 °C циркуляційним насосом 2 подають до парокомпресійного 2 UA 77909 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 теплового насоса 1. В разі розміщення теплових акумуляторів в центральному тепловому пункті (ЦТП) з теплового насоса гарячу воду температурою 60-70 °C спрямовують до теплових акумуляторів 4. З акумуляторів гарячу воду за допомогою підвідного трубопроводу гарячого водопостачання (Трубопровід ГВП) подають в індивідуальні теплові пункти для споживання. В разі розміщення теплових акумуляторів в індивідуальних теплових пунктах гарячу воду з теплового насоса по підвідному трубопроводу ГВП подають в теплові акумулятори, розміщені в індивідуальних теплових пунктах, і звідти до споживачів гарячої води. Теплові акумулятори нівелюють коливання витрати гарячої води впродовж доби і забезпечують стаціонарний оптимальний режим роботи турбогенератора та теплового насоса. Зворотну циркуляційну воду гарячого водопостачання з індивідуальних теплових пунктів спрямовують до трубопровода зворотної води гарячого водопостачання (Трубопровід зворотної води ГВП) і подають до змішувача 3 в центральному тепловому пункті (ЦТП). В змішувачі до зворотної циркуляційної води гарячого водопостачання додають холодну водопровідну воду і спрямовують одержану водяну суміш до теплового насоса 1. Парокомпресійний тепловий насос під час роботи споживає електричну та низькопотенційну теплову енергію. Оскільки центральні теплові пункти розміщують серед житлових масивів, низькопотенційну теплову енергію тепловий насос може одержувати з колекторів стічних вод. Електричну енергію тепловий насос одержує з мережі, в яку її адресно доставляє турбогенератор, розташований в котельні. Турбогенератор працює наступним чином. Атмосферне повітря стискають в компресорі низького тиску 7 до проміжного значення тиску і спрямовують в охолоджувач повітря 9 і звідси до компресора високого тиску 8, де його стискають до заданого тиску, необхідного для подачі в регенератор 11. В регенераторі стисле повітря підвищує свою температуру за рахунок теплоти скидних газів з газової турбіни. З регенератора повітря подають в камеру спалення 9, куди одночасно подають природний газ. Використання в турбогенераторі регенеративного циклу і ступеневого стискання обумовлює значну економію газу турбогенератором (до 22-28 %), підвищення ефективності і потужності агрегату [И.Н. Нигматулин, В.А. Ценев, П.Н. Шляхин. Тепловые двигатели. - М.: Высшая школа, 1974. - 375 с.]. З камери згоряння продукти згоряння подають в газову турбіну 6. Одержана в турбіні механічна енергія витрачається на роботу компресорів та електрогенератора. Продукти спалення з турбіни спрямовують в регенератор 11 і звідти викидають в навколишнє середовище. Вироблена турбогенератором електроенергія спрямовується в електричну мережу для адресної поставки тепловому насоса. Використання електричної мережі для адресної подачі електроенергії в центральний тепловий пункт для теплового насоса доцільне. При цьому вартість електроенергії, яка виробляється турбогенератором і подається в мережу, дещо зростає. Але це позбавляє від необхідності прокладати спеціальну електричну мережу. Крім цього користування електричною мережею відкриває можливість використовувати нічний тариф при споживанні електроенергії з мережі. Вироблена електроенергія, собівартість якої значно нижча ціни мережевої електроенергії, може бути використана не тільки для роботи теплового насоса, але й для внутрішніх потреб підприємства. Крім того, можливе виробництво і товарної електроенергії, що перетворює котельню на міні-ТЕЦ. Вироблення електроенергії значно підвищує рентабельність підприємства. Запропонована система гарячого водопостачання повністю незалежна від роботи котельні і зв’язаною з нею тепловою мережею, що обумовлює високу надійність гарячого водопостачання незалежно від сезону, аварій в тепловій мережі і ремонтних робіт, а також економію газу підприємством (10-14 %). Автономність системи гарячого водопостачання, яка залежить тільки від поставки електроенергії, дозволяє підвищити рентабельність гарячого водопостачання шляхом поставки електроенергії з мережі по нічному тарифу, який значно нижчий собівартості електроенергії, яка виробляється турбогенератором. В ці години турбогенератор, завдяки його достатній ефективності, може використовуватись для подачі електроенергії в повному обсязі в мережу. В нічний час, коли зупиняються потужні енергоблоки, це може бути доцільним [Когенерационные технологии производства тепловой и электрической энергии // ОВВК (3), 2004]. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Система гарячого водопостачання з котельнею великої потужності, до складу якої входять центральний тепловий пункт, який містить пристрій для нагрівання води для гарячого 3 UA 77909 U 5 10 водопостачання, змішувач з підводом до нього водопровідної води, циркуляційний насос гарячого водопостачання, індивідуальні теплові пункти з трубопроводами місцевої системи споживання гарячої води, підвідний трубопровід гарячої води та циркуляційний трубопровід зворотної води системи гарячого водопостачання, які з'єднують центральний тепловий пункт з індивідуальними тепловими пунктами, яка відрізняється тим, що пристроєм для нагрівання води для гарячого водопостачання є парокомпресійний тепловий насос, який живиться електроенергією від встановленого в котельні турбогенератора з приводом від газової турбіни регенеративного циклу зі ступеневим стисканням, а система гарячого водопостачання містить теплові акумулятори, розташовані в центральному тепловому пункті або в індивідуальних теплових пунктах. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4