Спосіб підготовки теплоносія для двотрубної системи теплопостачання і котельня великої потужності для його здійснення

Реферат: Спосіб підготовки теплоносія для двотрубної системи теплопостачання в котельні, згідно з яким спрямування теплоносія зі зворотної магістралі до відповідної технологічної лінії залежить від сезону. В опалювальний сезон теплоносій зі зворотної магістралі після підживлення водою з системи водопідготовки для нагрівання спрямовують до теплового компресійного насоса, потім до котла-утилізатора когенераційної установки і звідти до теплофікаційних котлів і подавальної магістралі. Електроенергію для живлення теплового насоса і котельні одержують від когенераційних установок з повним її використанням на потреби котельні. Вночі когенераційну установку виключають і після теплового насоса теплоносій спрямовують до теплофікаційних котлів, при цьому котельня живиться електроенергією від мережі по нічному тарифу. В неопалювальний сезон котельня живиться електроенергією від когенераційної установки, і теплоносій після котла-утилізатора спрямовують в подавальну магістраль. Для здійснення технології підготовки теплоносія котельня містить дві технологічні лінії - для опалювального і неопалювального сезону, кожна з яких містить тепловий насос і когенераційну установку на базі газотурбінних двигунів. До складу технологічної лінії для опалювального сезону входять і теплофікаційні котли. Забезпечується економія палива, надійність роботи котельні, підвищення її рентабельності і покращення екологічних показників. UA 111129 C2 (12) UA 111129 C2 UA 111129 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується комунальної теплоенергетики і може бути використаний в системах комунального теплопостачання великої потужності. Відомі способи підготовки теплоносія для потужних систем теплопостачання в містах і районах. Ці способи, засновані на відборах пари в силових парових циклах теплофікаційних парових турбін, що застосовуються в ТЕЦ, які разом з теплопостачанням виробляють і електроенергію, і пов'язані з централізованими системами теплозабезпечення і притаманними їм недоліками. Це, насамперед, висока капітальна вартість централізованого теплозабезпечення і великий термін його здійснення, що не корелює з швидким зростанням міст. Ці фактори породжують в містах дефіцит енергії. І якщо дефіцит електроенергії в містах заповнюється за рахунок збиткових електричних потужностей в державі, то для подолання дефіциту в тепловій енергії резервів немає. Дефіцит теплової енергії в містах України заповнюють за рахунок спалювання газу в споруджуваних котельнях, зокрема котельнях великої потужності, які застосовують двотрубну систему теплопостачання. В котельнях підготовку теплоносія для систем теплопостачання великої потужності здійснюють шляхом подачі зворотної води зі зворотної магістралі теплопостачання в теплофікаційні котли, в яких здійснюють її нагрівання до температури в подавальній магістралі завдяки спалюванню в топках котлів палива, після чого одержаний таким чином цільовий теплоносій спрямовують в подавальну магістраль теплопостачання. Паливом для потужних котелень в умовах великих міст за екологічними вимогами може бути тільки газ, найбільш екологічний порівняно з іншими видам палив. Цей спосіб одержання теплоносія в котельнях великої потужності, який набуває в Україні широкого розповсюдження, прийнятий за прототип. Перевагою найближчого аналога, в порівнянні зі способом одержання теплоносія для теплопостачання на ТЕЦ, є більш низька капітальна вартість і більш короткий термін вводу в експлуатацію, що дозволяє заповнювати дефіцит теплової енергії в зростаючих містах. Недоліком найближчого аналога є великі об'єми спалювання в котельних природного газу, дефіцитного в Україні, ціни на який перманентно зростають. Крім того, великі об'єми спалювання газу негативно впливають на оточуюче середовище. При цьому слід взяти до уваги, що природний газ є найбільш цінним паливом при виробленні електроенергії, побутовим паливом, транспортним паливом і цінним продуктом для хімічної промисловості і спалювання його в топках котлів з метою теплозабезпечення не є ефективним методом його споживання. Внаслідок цих причин гостро стоїть питання розробки методів економічного і більш ефективного використання газу в котельнях великої потужності. При цьому слід зауважити, що можливість економії газу за рахунок збільшення ефективності його спалювання в топках котлів і ефективності теплообміну в котлах (за рахунок ККД котлів) вже практично вичерпані. При централізованому теплопостачанні основним тепловим джерелом високотемпературного теплоносія для системи теплопостачання є ТЕЦ. Суттєвим недоліком ТЕЦ є висока капітальна вартість і великий термін вводу їх в експлуатацію, що не корелює з швидким зростанням міст. Ці фактори породжують в містах дефіцит теплової енергії. Дефіцит теплової енергії в містах України заповнюють за рахунок спорудження котелень, в тому числі, котелень великої потужності (100 МВт і вище), які готують високотемпературній теплоносій для двотрубної системи теплопостачання з подавальною та зворотною магістралями. Паливом для потужних котелень в умовах великих міст за екологічними вимогами може бути тільки газ, найбільш екологічне паливо порівняно з іншими видам палив. Котельня великої потужності прийнята за прототип. До складу котельні входять теплофікаційні котли, мережевий насос, теплопроводи, що з'єднують теплофікаційні котли зі зворотною та подавальною магістралями, системи водопідготовки та регулювання. Перевагою найближчого аналога, в порівнянні з ТЕЦ, є більш низька капітальна вартість і більш короткий термін вводу в експлуатацію, що дозволяє заповнювати дефіцит теплової енергії в зростаючих містах. Недоліком найближчого аналога є великі об'єми спалювання в котельних природного газу, що має негативні економічні та екологічні наслідки. Це обумовлює гостроту питання економічного і більш ефективного використання газу в котельнях великої потужності. При цьому слід зауважити, що можливість економії газу за рахунок підвищення ККД котлів вже практично вичерпані. В основу першого з групи винаходів поставлена задача удосконалення технології підготовки теплоносія для системи теплопостачання в котельнях великої потужності, що використовують як паливо газ, шляхом введення в відому технологію додаткових технологічних засобів, що 1 UA 111129 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечують економію природного газу, поліпшення екологічних показників і підвищення рентабельності системи теплопостачання. Поставлена задача вирішується тим, що у способі підготовки теплоносія для двотрубної системи теплопостачання в котельні великої потужності, що використовує як паливо газ, при якому теплоносій зі зворотної магістралі підживлюють водою з системи водопідготовки, після чого спрямовують до теплофікаційних котлів, де нагрівають його до температури в подавальній магістралі і спрямовують в подавальну магістраль, згідно з першим із групи винаходів, в опалювальний сезон теплоносій зі зворотної магістралі після підживлення водою з системи водопідготовки спрямовують в технологічну лінію опалювального сезону до теплового компресійного насоса, який вдень отримує електроенергію разом з іншими пристроями котельні від електрогенераторів когенераційної установки з повним її використанням на потреби котельні, і після теплового насоса теплоносій спрямовують до котла-утилізатора когенераційнної установки, після чого спрямовують в теплофікаційні котли, а вночі когенераційну установку відключають і теплоносій після теплового насоса, який вночі живиться електроенергією разом з іншими пристроями котельні з мережі за нічним тарифом, спрямовують в теплофікаційні котли, а в неопалювальний сезон технологічну лінію опалювального сезону відключають, і теплоносій зі зворотної магістралі після підживлення водою з системи водопідготовки спрямовують в технологічну лінію неопалювального сезону до теплового компресійного насоса, що живиться електроенергією разом з іншими пристроями котельні від електрогенераторів когенераційної установки з повним її використанням на потреби котельні, після теплового насоса спрямовують до котла-утилізатора когенераційної установки і потім в подавальну магістраль. Спрямування теплоносія зі зворотної магістралі в відповідну сезону технологічну лінію необхідно, бо технології підготовки теплоносія для різних сезонів різні. Спрямування теплоносія зі зворотної магістралі до відповідних технологічним лініям теплових насосів необхідне, бо саме використання теплових насосів забезпечує економію палива. Теплові насоси будуть більш ефективним в якості першої стадії нагрівання теплоносія. Для одержання електроенергії для живлення компресійних теплових насосів і задоволення інших потреб котельні доцільне використання когенераційних установок, до складу яких входять електрогенератори. Собівартість власної електроенергії, виробленої когенераційними установками значно нижча за ціну мережевої електроенергії, що важливо для забезпечення прийнятного терміну окупності обладнання і рентабельності теплопостачання. Вироблена когенераційними установками електроенергія повинна повністю використовуватись для потреб котельні, бо тільки в цьому випадку процес підготовки теплоносія буде супроводжуватись максимальною економією палива і високою рентабельністю котельні. Потоки теплоносіїв після теплових насосів спрямовують в котли-утилізатори когенераційних установок для їх подальшого нагрівання шляхом використання теплоти скидних газів двигунів когенераційних установок. В опалювальний сезон теплової енергії когенераційної установки, обмеженою вимогою повного використання в котельні виробленої електроенергії, недостатньо для нагрівання теплоносія до температури в подавальній магістралі. Тому після котла утилізатора теплоносій для догрівання спрямовують до теплофікаційних котлів. В опалювальний сезон в часи дії нічного тарифу з метою економії газу когенераційну установку вимикають, і тепловий насос разом з пристроями котельні живуться мережевою електроенергією, ціна якої менша за собівартість електроенергії когенераційної установки. Для догрівання теплоносія після теплового насоса до температури в подавальній магістралі в цьому випадку теплоносій спрямовують безпосередньо в теплофікаційні котли. В неопалювальний сезон технологія підготовки теплоносія спрямована тільки на забезпечення гарячого водопостачання. Теплова потужність процесу підготовки теплоносія в цьому випадку значно менша, і теплової енергії когенераційної установки вистачає для нагрівання теплоносія в котлі-утилізаторі до температури в подавальній магістралі. Тому після котла-утилізатора теплоносій спрямовують безпосередньо в подавальну магістраль. В основу другого з групи винаходів поставлена задача удосконалення системи пристроїв для підготовки теплоносія для системи теплопостачання в котельнях великої потужності, що використовують як паливо природний газ, шляхом введення додаткових пристроїв, що дозволяють зменшити потужність котлів і забезпечують економію природного газу, поліпшення екологічних показників і підвищення рентабельності системи теплопостачання. Поставлена задача вирішується тим, що котельня великої потужності для двотрубної системи теплопостачання, що працює на газовому паливі, до складу якої входять теплофікаційні котли, з'єднані з подавальною магістраллю, системи водопідготовки та 2 UA 111129 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 регулювання, згідно з другим з групи винаходів, має дві технологічні лінії - для опалювального і неопалювального сезонів, при цьому технологічна лінія для опалювального сезону містить, теплофікаційні котли, когенераційну установку на базі газотурбінних установок з електрогенераторами і котлом-утилізатором, яка вдень підключена до теплофікаційних котлів і виключена вночі, компресійний тепловий насос, з'єднаний зі зворотною магістраллю, і систему теплопроводів з вентилями, що з'єднує тепловий насос з котлом-утилізатором когенераційної установки чи теплофікаційними котлами в залежності від часу доби, а технологічна лінія неопалювального сезону містить когенераційну установку на базі газотурбінних установок з електрогенераторами і котлом-утилізатором, з'єднаним з подавальною магістраллю, і тепловий насос, з'єднаний зі зворотною магістраллю і котлом-утилізатором когенераційної установки. Впровадження двох технологічних ліній в підготовці високотемпературного теплоносія необхідне внаслідок різниці в технологіях підготовки теплоносія в опалювальний і неопалювальний сезони і значної різниці в тепловій потужності обладнання для підготовки теплоносія в опалювальний і неопалювальний сезони. Компресійні теплонасосні установки необхідні, бо саме теплові насоси забезпечують економію палива. Теплонасосні установки працюють більш ефективно при низьких температурах. Тому вони повинні бути першим ступенем нагрівання теплоносія. Когенераційні установки з електрогенераторами забезпечують електроенергією компресійні теплонасосні установки і задовольняють потреби в електроенергії інші структури котельні, а теплова енергія котла-утилізатора когенераційних установок використовується для нагрівання теплоносія. Собівартість електроенергії когенераційних установок значно нижча, ніж ціна мережевої електроенергії, що забезпечує рентабельність котельні. Крім того, власне джерело електроенергії сприяє підвищенню надійності котельні. Присутність в технологічній лінії опалювального сезону теплофікаційних котлів необхідна для догрівання теплоносія до температури в подавальній магістралі після виходу з котлаутилізатора, оскільки теплової потужності котла-утилізатора в опалювальний сезон для цього не вистачає. Система теплопроводів необхідна для з'єднання елементів схеми підготовки теплоносія. Вентилі в системі теплопроводів необхідні для управління потоками теплоносія. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому зображена принципова схема запропонованої котельні великої потужності для підготовки високотемпературного теплоносія для теплопостачання при двотрубній системі теплопостачання, що використовує газ. Котельня готує високотемпературний теплоносій, який по подавальній магістралі подається в центральні теплові пункти, і використовується для забезпечення опалення і гарячого водопостачання. В запропонованій технологічній схемі підготовка високотемпературного теплоносія проводиться в двох технологічних лініях, одна з яких використовується в опалювальний сезон, друга - в неопалювальний. Технологічна лінія для опалювального сезону в котельні великої потужності містить тепловий насос (ТН1), з'єднаний зі зворотною магістраллю теплопроводом з мережевим насосом 6, когенераційну установку на базі газотурбінних установок, які містять повітряний компресор 1, камеру згоряння 2, газову турбіну 3, електрогенератор 4. Когенераційна установка буде більш компактною і менш металоємною, якщо газові турбіни працюватимуть на один котел-утилізатор 5, з'єднаний з тепловим насосом (ТН1). Кількість газотурбінних установок в складі когенераційної установки визначається їх потужністю і потужністю когенераційної установки, що визначається вимогою повного використання виробленої електроенергії на потреби котельні. До складу технологічної лінії опалювального сезону входять також теплофікаційні котли (К), і система теплопроводів з вентилями 7-11. До складу технологічної лінії неопалювального сезону входять тепловий насос (ТН2), з'єднаний зі зворотною магістраллю теплопроводом з мережевим насосом 12 і вентилем 13, когенераційна установка на базі газотурбінних установок, що містять компресори 14, камери згоряння 15, газові турбіни 16, електрогенератори 17 і котел-утилізатор 18, з'єднаним з тепловим насосом (ТН2) і подавальною магістраллю теплопроводом з вентилем 19. Кількість газотурбінних установок в складі когенераційної установки визначається їх потужністю і потужністю когенераційної установки, що визначається вимогою повного використання виробленої електроенергії на потреби котельні в неопалювальний сезон. Потужність когенераційної установки технологічної лінії неопалювального сезону значно менша потужності когенераційної установки технологічної лінії опалювального сезону. В опалювальний сезон технологічна лінія неопалювального сезону виключена і відключена від магістралей вентилями 13 та 19. Котельня працює наступним чином. Компресори 1 подають 3 UA 111129 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стиснуте повітря до камер згоряння 2, куди одночасно подають газ. Продукти згоряння з камери згоряння прямують в газові турбіни 3. Одержана в газових турбінах механічна енергія використовується для приводу компресорів і електрогенераторів, з'єднаних механічно з турбіною. Продукти згоряння після турбін спрямовують до котла-утилізатора і після нього викидають в оточуюче середовище. Теплоносій зі зворотної магістралі з температурою близько 50 °C після підживлення водою з системи водопідготовки подають мережевим насосом 6 в компресійний тепловий насос (ТН1), який живиться теплотою з зовнішнього низькопотенційного теплового джерела і електроенергією від електрогенераторів 4 когенераційної установки. В тепловому насосі теплоносій нагрівається до температури 100-110 °C Теплоносій з теплового насоса при закритому вентилі 10 і відкритих вентилях 8 і 9 подають в котел-утилізатор 5 когенераційної установки, в який скидаються відпрацьовані продукти згоряння з газових турбін 3, де підігрівається шляхом теплообміну з продуктами згоряння, після чого прямує для подальшого догрівання до температури в подавальній мережі (150 °C) в теплофікаційні котли (К) і звідти в подавальну магістраль. В процесі нагрівання теплоносія витрачається газ, який подають в камери згоряння 2 газотурбінних установок і в топки теплофікаційних котлів (К). В часи нічного тарифу виключають когенераційну установку, закривають вентилі 8 та 9, відкривають вентиль 10, і теплоносій з теплового насоса (ТН1), який живиться в ці часи мережевою електроенергією, прямує безпосередньо в теплофікаційні котли (К), теплова потужність яких в ці часи збільшується за рахунок більшої витрати газу. В неопалювальний сезон технологічна лінія опалювального сезону виключена і відключена вентилями 7 і 11 від магістралей. Завданням котельні в неопалювальний сезон є забезпечення високотемпературним теплоносієм тільки системи гарячого теплопостачання. Працює котельня наступним чином. Працює когенераційна установка технологічної лінії неопалювального сезону. Стиснуте в компресорах 14 повітря спрямовують в камери згоряння 15 газотурбінних установок, куди одночасно подають газ. Продукти згоряння спрямовують в газові турбіни 16. Вироблену газовими турбінами механічну енергію використовують для приводу компресорів і електрогенераторів 17 газотурбінних установок. Відпрацьовані в турбіні продукти згоряння спрямовують в котел-утилізатор 18 і з котла-утилізатора викидають в оточуюче середовище. При відкритих вентилях 13 і 19 теплоносій зі зворотної магістралі з температурою близько 50 °C після підживлення водою з системи водопідготовки подають мережевим насосом 12 в компресійний тепловий насос (ТН2), який живиться теплотою з зовнішнього низькопотенційного теплового джерела і електроенергією від електрогенераторів 14 когенераційної установки. В тепловому насосі відбувається попереднє часткове нагрівання теплоносія до температури 6070 °C. З теплового насоса теплоносій спрямовують в котел-утилізатор когенераційної установки, де відбувається подальше нагрівання до температури в подавальній магістралі. Теплової потужності котла-утилізатора в разі підготовки теплоносія для системи гарячого водопостачання, як правило, вистачає для нагрівання теплоносія до необхідної температури. Тому після котла-утилізатора теплоносій спрямовують безпосередньо в подавальну магістраль. В неопалювальний сезон газ витрачається тільки в газових турбінах. Проведені розрахунки котельні потужністю 300 МВт показують, що запропоновані спосіб підготовки теплоносія для теплопостачання і котельня для його здійснення забезпечують річну економію природного газу на рівні 25 % при прийнятному терміні окупності додаткового обладнання. Це, крім економічного, обумовлює суттєвий екологічний ефект. Крім цього, у запропонованому способі підготовки теплоносія для теплопостачання вироблення власної електроенергії робить котельню незалежною від мережевої електроенергії, що, з огляду на велику потужність котельні, значно збільшує надійність теплопостачання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб підготовки теплоносія для двотрубної системи теплопостачання в котельні великої потужності, що використовує як паливо газ, при якому теплоносій зі зворотної магістралі підживлюють водою з системи водопідготовки, після чого спрямовують до теплофікаційних котлів, де нагрівають його до температури в подавальній магістралі і спрямовують в подавальну магістраль, який відрізняється тим, що в опалювальний сезон теплоносій зі зворотної магістралі після підживлення водою з системи водопідготовки спрямовують в технологічну лінію опалювального сезону до теплового компресійного насоса, який вдень отримує електроенергію разом з іншими пристроями котельні від електрогенераторів когенераційної установки з повним її використанням на потреби котельні, і після теплового насоса теплоносій спрямовують до 4 UA 111129 C2 5 10 15 20 котла-утилізатора когенераційної установки, після чого спрямовують в теплофікаційні котли, а вночі когенераційну установку відключають і теплоносій після теплового насоса, який вночі живиться електроенергією разом з іншими пристроями котельні з мережі за нічним тарифом, спрямовують в теплофікаційні котли, а в неопалювальний сезон технологічну лінію опалювального сезону відключають, і теплоносій зі зворотної магістралі після підживлення водою з системи водопідготовки спрямовують в технологічну лінію неопалювального сезону до теплового компресійного насоса, що живиться електроенергією разом з іншими пристроями котельні від електрогенераторів когенераційної установки з повним її використанням на потреби котельні, після теплового насоса спрямовують до котла-утилізатора когенераційної установки і потім в подавальну магістраль. 2. Котельня великої потужності для двотрубної системи теплопостачання, що працює на газовому паливі, до складу якої входять теплофікаційні котли, з'єднані з подавальною магістраллю, системи водопідготовки та регулювання, яка відрізняється тим, що має дві технологічні лінії - для опалювального і неопалювального сезонів, при цьому технологічна лінія для опалювального сезону містить теплофікаційні котли, когенераційну установку на базі газотурбінних установок з електрогенераторами і котлом-утилізатором, яка вдень підключена до теплофікаційних котлів і виключена вночі, компресійний тепловий насос, з'єднаний зі зворотною магістраллю, і систему теплопроводів з вентилями, що з'єднує тепловий насос з котлом-утилізатором когенераційної установки чи теплофікаційними котлами в залежності від часу доби, а технологічна лінія неопалювального сезону містить когенераційну установку на базі газотурбінних установок з електрогенераторами і котлом-утилізатором, з'єднаним з подавальною магістраллю, і тепловий насос, з'єднаний зі зворотною магістраллю і котломутилізатором когенераційної установки. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5