Система гарячого водопостачання з котельнею великої потужності

Реферат: UA 75179 U UA 75179 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до комунальної теплоенергетики і може бути використана для комбінованого вироблення теплової та електричної енергії в системах комунального теплопостачання. Технології, що забезпечують гаряче водопостачання і пов'язані з ними системи гарячого водопостачання, відомі і розроблені [1, 2]. Найбільш прості технологічні системи властиві котельням малої потужності, які зазвичай розташовуються в безпосередній близькості до споживачів. У цих схемах теплове джерело гарячого водопостачання (котли) розташовується безпосередньо в котельні. При цьому використовується чотиритрубна система теплопостачання, при якій для гарячого водопостачання відводяться два спеціальні трубопроводи - підвідний трубопровід гарячого водопостачання і трубопровід циркуляційної зворотної води гарячого водопостачання [1]. Недоліком цих технологій є низька надійність гарячого водопостачання, особливо в неопалювальний сезон, що пов'язане із залежністю гарячого водопостачання від роботи теплофікаційних котлів, які в неопалювальний сезон зупиняються на профілактику, і залежністю роботи котелень від постачання їх мережевою електроенергією. Відомі і швидко розповсюджуються схеми гарячого водопостачання з котельнями малої і середньої потужності з використанням когенераційних технологій [3]. Модернізація систем гарячого водопостачання з котельнями малої та середньої потужності на основі когенераційних технологій відбувається шляхом заміни штатних теплових джерел гарячого водопостачання модульними когенераційними установками переважно на базі газопоршневих двигунів. Когенераційні установки працюють цілорічно і тим самим забезпечують цілорічне гаряче водопостачання. Окрім виробництва теплоти, когенераційні установки виробляють дешеву електроенергію, що звільняє котельні від залежності від електричної мережі і підвищує їх надійність і рентабельність. Проте малі котельні недостатньо ефективні і невигідні економічно. Масове використання їх призводить до великої перевитрати природного газу і незадовільних екологічних наслідків. Тому теплопостачання міст, у тому числі і гаряче водопостачання, здійснюється ТЕЦ і котельнями великої потужності, у яких нижча питома капітальна вартість і вища ефективність використання палива. Але крупні котельні з екологічних причин розташовують на значній віддалі від житлових масивів. В цих умовах використання чотиритрубної схеми теплопостачання внаслідок її високої металоємності економічно невигідне, і технологічна схема гарячого водопостачання стає складнішою. Відома принципова технологічна схема гарячого водопостачання з двотрубною системою теплопостачання, типова для котелень великої потужності, яка прийнята за найближчий аналог [1]. При двотрубній системі теплопостачання технологічна схема гарячого водопостачання має три основних складових - котельню, центральний тепловий пункт і індивідуальні теплові пункти, зв'язані з 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 надходить в систему опалення і частина якої через відгалуження надходить в центральний тепловий пункт 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 безпосередньо готує гарячу воду для споживання і з котрим зв'язана вся структура гарячого водопостачання, і опосередковане теплове джерело, яким є теплофікаційні котли, що готують частину 1 UA 75179 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 в теплообміннику котлова вода, а також скидається відпрацьована вода з системи опалення та інших об'єктів теплопостачання 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 найближчого аналога від мережевої електроенергії є одним з основних його недоліків. Недоліком найближчого аналога є також залежність гарячого водопостачання від роботи теплофікаційних котлів, для яких характерний 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 найближчого аналога пов'язаний з необхідністю економії коштовного імпортованого природного газу, на якому працюють котельні в містах. Потужні котельні споживають значні об’єми газу, ціна на який перманентно зростає. Однак при достатньо високих к.к.д котлів, характерних для крупних котелень, використовувана технологія теплопостачання, 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 найближчого аналога є і негативні екологічні наслідки для навколишнього середовища внаслідок спалювання великих об'ємів палива. Тим часом, використання в котельнях великої потужності природного газу відкриває можливості для використання в теплопостачанні, у тому числі і в гарячому водопостачанні, когенераційних технологій, здатних вирішити проблеми, що стоять перед теплопостачанням, або, принаймні, істотно ослабити перераховані негативні чинники. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення системи гарячого водопостачання з котельнею великої потужності при двотрубній схемі теплопостачання і використанні як палива природного газу шляхом введення в систему додаткових пристроїв, що забезпечать цілорічне і надійне 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 теплообмінник, що є безпосереднім тепловим джерелом 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, котельня з водогрійними котлами, мережевим насосом, системами водопідготовки і регулювання, підвідна магістраль високотемпературної води теплопостачання та магістраль зворотної води теплопостачання, що з'єднують котельню з центральним тепловим пунктом і системою опалення, згідно з корисною моделлю, в котельні паралельно котлам встановлені когенераційні установки на базі газопоршневих і газотурбінних двигунів з утилізаторами та електрогенераторами і компресійний тепловий насос з електроприводом, який одержує електроенергію від електрогенераторів когенераційних установок, з'єднаний з магістраллю зворотної води, при цьому утилізатори когенераційних установок на базі газопоршневих двигунів з'єднані з підвідною магістраллю високотемпературної води та магістраллю зворотної води, а утилізатори когенераційних установок на базі газотурбінних двигунів з'єднані з підвідною магістраллю високотемпературної води та тепловим насосом, а система гарячого водопостачання містить теплові акумулятори, розташовані в центральному тепловому пункті або в індивідуальних теплових пунктах, Встановлення в котельні когенераційних установок, які звільнюють теплофікаційні котли від функції підготовки високотемпературного теплоносія для теплообмінника гарячого водопостачання в центральному тепловому пункті, забезпечує цілорічне гаряче водопостачання і можливість зупинення котлів для профілактики в неопалювальний сезон. Вироблення когенераційними установками електричної енергії звільняє котельню від залежності від 2 UA 75179 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 електричної мережі, що підвищує надійність і рентабельність теплопостачання. Крім цього, когенераційні установки забезпечують дешевою електроенергією тепловий насос. Встановлення теплового насоса необхідне, якщо мова йде про заощадження природного газу. При встановленні теплового насоса в котельні, який є першим ступенем підігріву високотемпературного теплоносія, з'єднання теплового насоса саме з утилізаторами когенераційних установок на базі газотурбінних двигунів є єдино можливим, оскільки використання утилізаторів цих установок, на відміну утилізаторів когенераційних установок на базі газопоршневих двигунів, не обмежує температуру теплоносія на виході з теплового насоса. Теплові акумулятори необхідні при використанні когенераційних установок, особливо установок на базі газотурбінних двигунів. Теплові акумулятори нівелюють піки добового споживання гарячої води, і тим самим забезпечують стаціонарну роботу когенераційних установок. Стаціонарний режим роботи когенераційних установок необхідний, особливо для когенераційних установок на базі газотурбінних двигунів, які є основними при великій потужності гарячого водопостачання. Саме стаціонарний режим роботи є найбільш ефективним і технологічним для когенераційних установок. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображена принципова схема запропонованої системи гарячого водопостачання з використанням когенераційнотеплонасосних технологій при двотрубній схемі теплопостачання. В цій схемі когенераційні установки на базі газотурбінних та газопоршневих двигунів і тепловий насос становлять опосередковане теплове джерело гарячого водопостачання, розташоване в котельні. При цьому безпосереднє теплове джерело гарячого водопостачання прототипу залишається незмінним. Запропонована схема можлива при наявності в районі розташування котельні джерела низькопотенційної теплової енергії (річки, водоймища, колектори скидних вод, промислові теплові скиди і т.і.), необхідного для використання теплового насоса. Як низькопотенційне теплове джерело принципово може розглядатися також повітря при використанні атмосферного теплового насоса. Запропонована система гарячого водопостачання містить центральний тепловий пункт (ЦТП), індивідуальні теплові пункти (ІТП) з трубопроводами місцевих систем споживання гарячої води і котельню з розташованими в ній когенераційними установками з газотурбінними та газопоршневими двигунами, компресійним тепловим насосом (ТН), системою водопідготовки, мережевим насосом (1) і системою регулювання. В запропонованій системі котельні установки, розташовані в котельні, не приймають участі в гарячому водопостачанні і використовуються тільки сезонно для опалення. Вміст центрального теплового пункту (ЦТП) та індивідуальних теплових пунктів (ІТП) в цій схемі залишається ідентичним їх вмісту в найближчому аналогу. Зв'язок між котельнею і центральним тепловим пунктом (ЦТП) здійснюється відгалуженнями підвідної магістралі високотемпературної котлової води (підвідна магістраль) і магістралі зворотної води (зворотна магістраль). Центральний тепловий пункт (ЦТП) і індивідуальні теплові пункти (ІТП) з'єднуються підвідним трубопроводом гарячого водопостачання (2) і зворотним циркуляційним трубопроводом гарячого водопостачання (3). Центральний тепловий пункт (ЦТП) містить теплообмінник гарячого водопостачання (ТО ГВП), який є безпосереднім тепловим джерелом гарячого водопостачання, змішувач (4) і циркуляційний насос гарячого водопостачання (5) на ділянці циркуляційного трубопроводу, розташованій в центральному тепловому пункті (ЦТП). Центральний тепловий пункт може містити також теплові акумулятори гарячої води, якщо це дозволяє промплощадка центрального теплового пункту. В іншому разі теплові акумулятори розміщують безпосередньо у споживача гарячої води в індивідуальних теплових пунктах (на кресленні теплові акумулятори (АК) розміщені в індивідуальних теплових пунктах). При великій потужності гарячого водопостачання основними когенераційними установками є установки на базі газотурбінних двигунів. Це диктується умовами обслуговування когенераційних установок і обмеженістю промплощадки котельні, що спонукає використовувати когенераційні установки великої одиничної потужності, якими є когенераційні установки на базі газотурбінних двигунів. Когенераційні установки на базі газопоршневих двигунів є допоміжними, які використовуються для "дотягування" сумарної теплової потужності когенераційних установок до рівня потужності гарячого водопостачання і її регулювання. Когенераційні установки з газотурбінним двигуном (КГУ з ГТУ) і теплонасосна установка (ТНУ) складають когенераційно-теплонасосну установку, яка є основою для підготовки високотемпературного теплоносія. Вихідним теплоносієм когенераційно-теплонасосної установки є зворотна вода теплопостачання з температурою 60-70 °C, яка відбирається з 3 UA 75179 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 магістралі зворотної води теплопостачання. Першим ступенем підігріву зворотної води є тепловий насос, другим ступенем - когенераційні установки. Когенераційні установки з газопоршневим двигуном (КГУ з ГПД) не можуть входити до складу когенераційно-теплонасосної установки. Це пояснюється тим, що утилізаційна система когенераційних установок з газопошневим двигуном має двоступеневу конструкцію, перша з яких зв'язана з системою охолодження двигуна з температурою теплоносія на вході не вище 6070 °C, в той час, як температура води на виході з теплового насоса становить 90-100 °C. Тому при необхідності використання когенераційних установок з газопоршневим двигуном (КГУ з ГПД) останні повинні працювати тільки паралельно з когенераційно-теплонасосною установкою. Запропонована система гарячого водопостачання працює наступним чином. Вода зі зворотної магістралі теплопостачання з температурою 60-70 °C надходить в котельню, де після підживлення зворотної води з системи водопідготовки мережевим насосом 1 подається в утилізаційні системи когенераційних установок з газопоршневим двигуном (КГУ з ГПД) і в тепловий насос. З утилізаційних систем когенераційних установок з газопоршневим двигуном (КГУ з ГПД) високотемпературний теплоносій подається до підвідної магістралі високотемпературного теплоносія. Вода з теплового насоса подається в утилізатори когенераційних установок з газотурбінним двигуном (КГУ з ГТУ) і після них також подається до підвідної магістралі високотемпературного теплоносія. При цьому розвантажуються теплофікаційні котли, які подають в магістраль високотемпературну воду тільки для системи опалення. По підвідній магістралі теплоносій з температурою близько 150 °C прямує до центрального теплового пункту (ЦТП), де з підвідної магістралі відбирається частина високотемпературного теплоносія і по відгалуженню подається як нагрівальний агент до теплообмінника (ТО), де нагріває воду, призначену для гарячого водопостачання, до стандартної температури 75 °C. З теплообмінника (ТО) охолоджений агент подається до зворотної магістралі і разом зі зворотною водою з системи опалення прямує до котельні. З теплообмінника (ТО) гаряча вода по підвідному трубопроводу гарячого водопостачання 2 подається до індивідуальних теплових пунктів (ІТП), де надходить в теплові акумулятори (АК), після чого розподіляється по місцевих трубопроводах гарячого водопостачання. З індивідуальних теплових пунктів (ІТП) по циркуляційному трубопроводу 3 циркуляційна вода гарячого водопостачання прямує в центральний тепловий пункт (ЦТП), де в змішувачі 4 збагачується водопровідною водою, після чого циркуляційним насосом 5 подається в теплообмінник гарячого водопостачання (ТО). Електроенергія з низкою собівартістю, яку виробляють електрогенератори когенераційних установок, використовують для особистих потреб підприємства, в тому числі для живлення компресійного теплового насоса (ТН), що забезпечує незалежність підприємства від поставок мережевої електроенергії, внаслідок чого підвищення надійності теплопостачання, в тому числі і гарячого водопостачання. Надлишок електроенергії підприємство може продавати в електричну мережу чи іншому зовнішньому споживачу. Відмова від дорогої мережевої електроенергії, продаж надлишкової електроенергії, заощадження природного газу, обумовлене використанням теплового насоса, забезпечує позитивний економічний ефект. Економія природного газу є в теперішній час однією з важливіших народногосподарських завдань. Ступінь економії газу котельнею залежить від розподілу теплової потужності між тепловим насосом і когенераційними установками. Розподіл теплової потужності залежить від мети модернізації схеми гарячого водопостачання (максимальне заощадження газу котельнею чи перетворення котельні в міні-ТЕЦ при відсутності перевитрати газу), оскільки від розподілу теплової потужності залежить і видобуток товарної електроенергії. Проведені розрахунки показали, що максимальна цілорічна економія газу може сягати 21 %. Заощадження природного газу обумовлює й покращення екологічної обстановки в районі котельні. Товарна електрична потужність в режимі міні-ТЕЦ без перевитрати газу котельнею сягатиме 30 % від потужності гарячого водопостачання. Джерела інформації: 1. А.А. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Братенков, Е.Н. Терлецкая. Теплоснабжение. - М.: Стройиздат, 1982. - 336 с. 2. А.В.Хлудов. Горячеє водоснабжение. - М.: Госстройиздат, 1957. - 464 с. 3. Комунальна теплоенергетика України: стан, проблеми, шляхи модернізації. - К., 2007. - Т. 1. - 392 с. 60 4 UA 75179 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 Система гарячого водопостачання з котельнею великої потужності, що включає центральний тепловий пункт, який містить теплообмінник, що є безпосереднім тепловим джерелом 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, котельню з водогрійними котлами, мережевим насосом, системами водопідготовки і регулювання, підвідну магістраль високотемпературної води теплопостачання та магістраль зворотної води теплопостачання, що з'єднують котельню з центральним тепловим пунктом і системою опалення, яка відрізняється тим, що в котельні паралельно котлам встановлені когенераційні установки на базі газопоршневих і газотурбінних двигунів з утилізаторами та електрогенераторами і компресійний тепловий насос з електроприводом, який одержує електроенергію від електрогенераторів когенераційних установок, з'єднаний з магістраллю зворотної води, при цьому утилізатори когенераційних установок на базі газопоршневих двигунів з'єднані з підвідною магістраллю високотемпературної води та магістраллю зворотної води, утилізатори когенераційних установок на базі газотурбінних двигунів з'єднані з підвідною магістраллю високотемпературної води та тепловим насосом, а система гарячого водопостачання містить теплові акумулятори, розташовані в центральному тепловому пункті або в індивідуальних теплових пунктах. Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 5