Система гарячого водопостачання з котельнею великої потужності

Реферат: Система гарячого водопостачання з котельнею великої потужності містить центральний тепловий пункт, теплообмінник, змішувач, циркуляційний насос гарячого водопостачання, індивідуальні теплові пункти з трубопроводами, підвідний трубопровід гарячої води, циркуляційний трубопровід зворотної води системи, котельня з водогрійними котлами, мережевий насос, системами водопідготовки і регулювання, підвідна магістраль високотемпературної води теплопостачання, магістраль зворотної води теплопостачання, когенераційні установки. В центральному тепловому пункті додатково до теплообмінника встановлений компресійний тепловий насос з електроприводом, а система гарячого водопостачання містить теплові акумулятори. UA 78343 U (12) UA 78343 U UA 78343 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 прототип [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 підвідної 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 високотемпературної котлової води, яка відбирається для роботи теплообмінника в центральному тепловому пункті. 1 UA 78343 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 прототипу 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 обсяги газу, ціна на який перманентно зростає. Однак при достатньо високих ККД 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 прототипу 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 поставлена задача 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 встановлені паралельно котлам когенераційні установки на базі газопоршневих та газотурбінних двигунів з утилізаторами та електрогенераторами, з'єднані з підвідною магістраллю високотемпературної води та магістраллю зворотної води, а в центральному тепловому пункті додатково до теплообмінника встановлений компресійний тепловий насос з електроприводом як перший ступінь підігріву цільового теплоносія, що живиться електроенергією від когенераційних установок за допомогою електричної мережі і з'єднаний з циркуляційним насосом гарячого водопостачання і теплообмінником, 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 електричної мережі, що підвищує надійність і рентабельність теплопостачання. Крім цього когенераційні установки забезпечують дешевою електроенергією тепловий насос. 2 UA 78343 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Встановлення компресійного теплового насоса необхідне, якщо мова йде про необхідність заощадження природного газу. Встановлення теплового насоса в центральному тепловому пункті раціонально, тому що центральні теплові пункти зазвичай розміщуються серед житлових масивів, і як низькопотенційне теплове джерело для теплового насоса можуть бути використані стічні води каналізаційних колекторів. Встановлення компресійного теплового насоса як першого ступеня підігріву цільового теплоносія до його подачі до теплообмінника гарячого водопостачання є необхідним, тому що при цьому тепловий насос працює в оптимальному діапазоні температур (14-50 °C), що обумовлює його високу ефективність і зменшення витрати електроенергії на його роботу. Тепловий насос розвантажує теплообмінник гарячого водопостачання, який є другим ступенем підігріву цільового теплоносія, і останній може бути виконаний менш потужним і менш коштовним. Теплові акумулятори необхідні при використанні когенераційних установок. 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 запропонована принципова схема гарячого водопостачання. Схема має три основних складових - котельню, центральні теплові пункти (ЦТП) і індивідуальні теплові пункти (ІТП) зі структурою споживання гарячої води. Вся структура гарячого водопостачання фактично зв'язана з центральним тепловим пунктом (ЦТП), в якому розміщене безпосереднє теплове джерело гарячого водопостачання і індивідуальними тепловими пунктами (ІТП). Центральний тепловий пункт (ЦТП) з'єднаний з індивідуальними тепловими пунктами (ІТП) підвідним трубопроводом гарячого водопостачання 2 та циркуляційним трубопроводом зворотної води системи гарячого водопостачання 3 і з'єднаний з котельнею підвідною магістраллю та магістраллю зворотної води (зворотна магістраль). Котельня безпосередньо не приймає участі в гарячому водопостачанні. Розташовані в ній теплофікаційні котли готують високотемпературну котлову воду тільки для системи опалення. Крім котлів, котельня містить систему водопідготовки, мережевий насос 1, когенераційні установки на базі газотурбінних та газопоршневих двигунів з утилізаторами та електрогенераторами (КГУ), які готують високотемпературну воду для системи гарячого водопостачання, та систему регулювання. 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. Центральний тепловий пункт (ЦТП) містить теплообмінник гарячого водопостачання (ТО) і зв'язаний з ним тепловий насос (ТН), які становлять безпосереднє двоступеневе теплове джерело гарячого водопостачання, в якому першим ступенем є тепловий насос, 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 (ІТП) (на кресленні теплові акумулятори (АК) розміщені в індивідуальних теплових пунктах). Запропонована системи 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 (КГУ), де нагрівається за рахунок скидної теплоти двигунів до температури 150 °C. Для своєї роботи когегнераційні установки використовують природний газ. З утилізаційних систем когенераційних установок (КГУ) високотемпературній теплоносій подається до підвідної магістралі. При цьому розвантажуються 3 UA 78343 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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, призначена для системи гарячого водопостачання, і по відгалуженню подається як нагрівальний агент до теплообмінника (ТО), де нагріває воду, призначену для гарячого водопостачання, до температури, обумовленої санітарними нормами гарячого водопостачання (60-75 °C). З теплообмінника (ТО) охолоджений нагрівальний 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. Циркуляційна вода гарячого водопостачання з індивідуальних теплових пунктів (ІТП) по циркуляційному трубопроводу 3 повертається в центральний тепловий пункт (ЦТП), де в змішувачі 4 доповнюється водопровідною водою, яка компенсує витрату води споживачами, після чого циркуляційним насосом 5 подається в тепловий насос (ТН), який є першим ступенем підігріву води для споживання. З теплового насосу для догрівання прямує в теплообмінник (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 підвищується 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 26 %. 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. В запропонованій схемі тепловий насос не зв'язаний з когенераційними установками по теплоносію і в цьому сенсі є автономним, хоч і живиться дешевою електроенергією когенераційних установок. Для подачі електричної енергії тепловому насосу від розташованих в котельні когенераційних установок найбільш раціональним є використання електричної мережі В цьому разі мережа є не постачальником, а тільки транзитером до центрального теплового пункту електроенергії, яку когенераційні установки поставляють в мережу, і вартість електричної енергії, яку споживає тепловий насос, при цьому не може бути високою. Можливі режими роботи схеми, при яких тепловий насос є повністю автономним. Наприклад, вночі тепловий насос може споживати електроенергію з мережі по нічному тарифу, котрий значно нижчий собівартості електроенергії когенераційних установок. При цьому електроенергія, яка виробляється когенераційними установками, повністю може передаватися в мережу. Вночі, коли знижується споживання електроенергії і зупиняються потужні енергоблоки, використання міні-ТЕЦ на основі потужних котелень як джерела електроенергії є перспективним [4]. 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. Горячеe водоснабжение. - М.: Госстройиздат, 1957.-464 с. 3. Комунальна теплоенергетика України: стан, проблеми, шляхи модернізації. Том 1. - К., 2007.-392 с. 4. Когенерационные технологии производства тепловой и электрической энергии// ОВВК (3), 2004. 60 4 UA 78343 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 Система 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, яка відрізняється тим, що в котельні встановлені паралельно котлам когенераційні установки на базі газопоршневих та газотурбінних двигунів з утилізаторами та електрогенераторами, з'єднані з підвідною магістраллю високотемпературної води та магістраллю зворотної води, а в центральному тепловому пункті додатково до теплообмінника встановлений компресійний тепловий насос з електроприводом як перший ступінь підігріву цільового теплоносія, що живиться електроенергією від когенераційних установок за допомогою електричної мережі і з'єднаний з циркуляційним насосом гарячого водопостачання і теплообмінником, а система гарячого водопостачання містить теплові акумулятори, розташовані в центральному тепловому пункті або в індивідуальних теплових пунктах. Комп’ютерна верстка Л. Купенко 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