СИСТЕМА РЕКУПЕРАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ТЕПЛО- И ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к областям теплоэнергетики и водоснабжения и может быть использовано в централизованных системах тепло- и водоснабжения.
Известна система рекуперации избыточного давления магистральных сетей водо- и теплоснабжения, содержащая линию перепуска давления (рекуперации), смонтированную на магистральном трубопроводе и включающую в себя параллельно соединенные динамический насос (гидравлическую машину необъемного вытеснения) и запорно-регулирующее устройство с электроприводом, при этом насос кинематически связан с генератором электрического тока (см. патент RU 2239752 C1, F24D 17/00, 22.12.2003). В этой системе насос работает в турбинном режиме за счет энергии избыточного магистрального давления, а генератор обеспечивает выработку электрического тока. Дополнительная энергия, полученная за счет полезного использования избыточной гидравлической энергии потока рабочей среды, повышает энергоэффективность систем централизованного тепло- и водоснабжения. Вместе с тем для такой системы рекуперации характерно существенное снижение ее энергоэффективности при значительных суточных и сезонных колебаниях расхода рабочей среды через магистральный трубопровод.
Наиболее близким аналогом полезной модели является упомянутая выше система рекуперации избыточного давления магистральных сетей водо- и теплоснабжения согласно патенту RU 2239752 C1, F24D 17/00, 22.12.2003.
Задачей полезной модели является повышение энергоэффективности системы рекуперации избыточного давления магистральных сетей тепло- и водоснабжения при значительных суточных и сезонных колебаниях расхода рабочей среды через магистральный трубопровод.
Для решения этой задачи система рекуперации избыточного давления магистральных сетей тепло- и водоснабжения содержит линию перепуска давления, смонтированную на магистральном трубопроводе и включающую в себя параллельно соединенные запорно-регулирующее устройство и блок из двух гидроагрегатов, гидравлически параллельно связанных между собой через гидравлический переключатель, причем гидроагрегаты представлены гидравлическими машинами необъемного вытеснения различной пропускной способности, каждая из которых кинематически связанна со своим генератором электрического тока, скоммутированным с электрической сетью посредством коммутатора.
Система рекуперации имеет контроллер, электрически связанный своими управляющими выходами с исполнительными устройствами: электроприводом запорно-регулирующего устройства, электроприводом гидравлического переключателя, двумя коммутаторами, и как минимум два датчика давления, установленные в линии перепуска давления на входе и выходе блока гидроагрегатов и электрически связанные своими выходами с входами контроллера.
Техническим результатом полезной модели является существенное повышение энергоэффективности системы рекуперации при значительных суточных и сезонных колебаниях расхода рабочей среды через магистральный трубопровод за счет комбинаторного включения в работу двух гидроагрегатов.
Описание осуществления полезной модели поясняется ссылками на фигуры.
На фиг.1 представлены:
а) фрагмент схемы исполнения системы рекуперации избыточного давления магистральных сетей водо- и теплоснабжения согласно аналогу в части, касаемой существа заявляемой полезной модели;
б) фрагмент схемы исполнения системы рекуперации избыточного давления магистральных сетей тепло- и водоснабжения согласно заявляемого п.1 формулы полезной модели;
в) иллюстрация возможных комбинаций подключения гидроагрегатов в схеме системы рекуперации заявляемой полезной модели.
На фиг.2 представлены графики сезонного и суточного изменений расхода теплоносителя через ТП типовой системы централизованного теплоснабжения (по данным за 2008 год для одного ТП со среднестатистической тепловой нагрузкой), иллюстрирующие диапазон изменения располагаемого расхода теплоносителя через систему рекуперации.
На фиг.3 представлены графики суточных изменений расхода воды из магистрального водовода типовой системы централизованного водоснабжения (по данным за 2008 год для среднестатистического водовода г.Москвы), иллюстрирующие диапазон изменения располагаемого расхода воды через систему рекуперации.
На фиг.4 представлены типовые зависимости выходной мощности гидроагрегатов различной пропускной способности от расхода рабочей среды, в том числе при различных комбинациях их включения согласно заявляемой полезной модели.
На фиг.5 представлена схема исполнения системы рекуперации избыточного давления магистральных сетей тепло- и водоснабжения согласно заявляемого п.2 формулы полезной модели.
MIN
MAX
MAX
MIN
MAX
Известная система рекуперации избыточного давления магистральных сетей водо- и теплоснабжения, схема которой показана на фиг.1а, представляет собой линию перепуска давления, смонтированную на магистральном трубопроводе 1, включающую в себя параллельно соединенные запорно-регулирующее устройство 2 с электроприводом и гидроагрегат, представленный динамическим насосом 3, кинематически связанным с генератором электрического тока 4, скоммутированным с электрической сетью. Особенностью динамических насосов, используемых в гидроагрегатах в качестве гидравлической турбины, является узкий диапазон расходов рабочей среды, в котором насос может эффективно работать на турбинных режимах. Минимальный расход Q - определяется зоной диссипативного торможения ротора, а максимальный Q - кавитационным запиранием турбины по расходу, причем, как правило, величина Q превышает величину Q лишь в 2,5…3 раза (см., например, Проблемы эффективной работы центробежных насосов в турбинном режиме. Парыгин А.Г., Скрипов М.П. // Международная научно-техническая конференция «Насосы. Эффективность и экология»: тез. докл., Москва, ноябрь 2005 г. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005). Кроме того, другой особенностью работы динамических насосов на турбинных режимах является практически параболическая зависимость потребляемого напора от расхода рабочего тела: чем больше расход, тем больший перепад давлений "срабатывается" на гидравлической машине. В реальных же сетях тепло- и водоснабжения избыточный перепад давлений, т.е. располагаемый перепад давлений для работы системы рекуперации, всегда ограничен параметрами сети и местом установки системы рекуперации на магистральном трубопроводе. Поэтому в реализованных системах рекуперации (системе-аналоге) ограничение по располагаемому перепаду давлений наступает, как правило, при расходах рабочей среды, меньших, чем Q. Для реализации этого ограничения в рассматриваемой системе-аналоге как раз и предусмотрено запорно-регулирующее устройство 2 (см. фиг.1а), открывающееся при избыточном гидравлическом сопротивлении динамического насоса при значительном увеличении расхода рабочей среды, что приводит к ограничению выходной мощности гидроагрегата. Вместе с тем в реальных сетях централизованного теплоснабжения величина располагаемого максимального расхода теплоносителя превосходит минимальную величину расхода в сезонно-суточных циклах работы более чем в 5,7 раз для типовых сетей теплоснабжения (см. фиг.2) и более чем 6,3 раз для типовых сетей водоснабжения (см. фиг.3). Очевидно, что система-аналог, имея упомянутые выше ограничения в диапазоне расходов рабочей среды, не в состоянии полностью реализовать располагаемую избыточную гидравлическую мощность сети при значительных колебаниях расхода через магистральный трубопровод.
Система рекуперации избыточного давления магистральных сетей тепло- и водоснабжения согласно заявляемой полезной модели, схема которой показана на фиг.1б, отличается от схемы системы-аналога (см. фиг.1а) наличием не одного, а двух гидроагрегатов ГА1 и ГА2 различной пропускной способности, гидравлически параллельно связанных между собой через гидравлический переключатель 5. Из характеристик на фиг.4 следует, что гидроагрегат ГА1 с меньшей пропускной способностью, чем у ГА2, может обеспечить работоспособность системы при малых расходах рабочей среды. В свою очередь гидроагрегат ГА2 может обеспечить работоспособность системы при средних расходах рабочей среды. Оба же гидроагрегата, работая параллельно, могут обеспечить работоспособность системы при больших расходах рабочей среды. Такое комбинаторное включение гидроагрегатов в работу, т.е. их гидравлическое подключение к потоку рабочей среды, обеспечивает гидравлический переключатель 5 (см. фиг.1в), в качестве которого может использоваться, например трехходовой Т-образный кран.
В системе рекуперации согласно п.2 формулы заявляемой полезной модели (см. фиг.5) коммутаторы 6, срабатывая синхронно с гидравлическим переключателем 5, обеспечивают коммутацию с электросетью генераторов гидроагрегатов только тогда, когда они включены в работу. Синхронное управление гидравлическим переключателем 5 и коммутаторами 6 обеспечивает контроллер 7. Сигналом контроллеру 7 на переключение гидроагрегатов служит информация о разности давлений на входе и выходе блока гидроагрегатов от датчиков давления 8. Логика комбинаторного включения гидроагрегатов сводится к следующему. При включении системы подключается к магистрали только гидроагрегат с малой пропускной способностью (ГА1). Если фактический расход рабочей среды больше пропускной способности ГА1, т.е. разность давлений на блоке гидроагрегатов больше расчетной, то контроллер 7 отключает ГА1 и подключает ГА2, имеющий большую пропускную способность. Если и в этом случае расход рабочей среды оказывается больше пропускной способности гидроагрегата, т.е. разность давлений на блоке гидроагрегатов больше расчетной, то контроллер 7 дополнительно к ГА2 подключает ГА1. Необходимость ограничения расхода рабочей среды через блок гидроагрегатов посредством открытия запорно-регулирующего устройства 2, т.е. ограничение предельной мощности системы, наступает только тогда, когда разность давлений на блоке гидроагрегатов окажется больше расчетной при обоих подключенных гидроагрегатах.
MIN
MIN
Таким образом система рекуперации избыточного давления магистральных сетей тепло- и водоснабжения, исполненная согласно заявляемой полезной модели, остается работоспособной без ограничения мощности в диапазоне расходов рабочей среды от Q до 9,5·Q (см. фиг.4), превышая возможности системы-аналога примерно в 3 раза, т.е. обеспечивает заявленный технический результат - существенное повышение энергоэффективности системы рекуперации при значительных суточных и сезонных колебаниях расхода рабочей среды через магистральный трубопровод за счет комбинаторного включения в работу двух гидроагрегатов.