УСТАНОВКА ЭЛЕКТРО-ТЕПЛО-ВОДО-ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к системам когенерации электрической и тепловой энергии, технической воды и холодоснабжения и может быть использована в составе энергетического комплекса промышленных предприятий.
Известна парогазовая установка для комбинированного производства тепловой и электрической энергии, (патент РФ №2326246 по кл. F01K 17/02, опубл. в 2008 г.), которая состоит из газотурбинной установки (ГТУ), соединенной с паровым котлом-утилизатором и дополнительного парового котла-утилизатора, связанных с паровой теплофикационной турбиной, теплообменник конденсатора которой и пиковый бойлер, пар на который поступает от котлов-утилизаторов через редукционно-охладительную установку, включены в линию подогрева сетевой воды, поступающей к потребителю, и суховоздушной градирни с сетевым насосом рециркуляции, снабжена второй ГТУ, соединенной с дополнительным котлом-утилизатором и дополнительным бойлером, причем дополнительный бойлер подсоединен по пару к отбору теплофикационной турбины, а по воде включен между теплообменником конденсатора и пиковым бойлером, к выходу которого подключена суховоздушная градирня с насосом рециркуляции.
Достоинством известной установки является возможность обеспечения комбинированной выработки электроэнергии и теплоты для нужд теплоснабжения и несколько большая ее надежность, обусловленная применением двух, параллельно подключенных к теплофикационной турбине модулей, каждый из которых включает ГТУ-привод электрогенератора и паровой котел-утилизатор.
Недостатками известной установки являются:
- отсутствие технических решений по утилизации конденсата водяных паров из выхлопных газов ГТУ и технических решений по использованию конденсата для нужд водоснабжения установки;
- для штатной эксплуатации установки и для ее пуска в работу требуется наличие системы водоснабжения;
- недостаточная энергоэффективность установки, обусловленная применением дополнительного насоса рециркуляции суховоздушной градирни (обеспечивающей конденсацию пара на выходе из теплофикационной турбины при снижении отпуска теплоты от установки на теплоснабжение), а также применением редукционно-охладительных установок на входах пара из котлов-утилизаторов в пиковый бойлер сетевой воды;
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию стоков промышленных (водных растворов от промывки оборудования) и хозбытовых (установки и объекта, который установка обеспечивает электроэнергией и теплом), что снижает ее экологическую безопасность;
- отсутствие технических решений по выработке холода для промышленных потребителей (установки и объекта, который установка обеспечивает электроэнергией и теплом), что ограничивает сферу ее использования.
Известна также установка электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья (патент РФ на полезную модель №118360 по кл. F01K 17/02, опубл. в 2012 г.), содержащая газотурбинную установку, подключенную по тракту выхлопных газов через дымовой шибер к паровому котлу-утилизатору и дополнительный паровой котел-утилизатор, выходные паропроводы которых связаны с паровой теплофикационной турбиной, кинематически соединенной с электрогенератором, теплообменник-конденсатор которой подключен к линии подогрева теплофикационной воды; сетевой циркуляционный насос; питательный насос; деаэратор с насосом, согласно полезной модели в нее дополнительно входят газовый компрессор, кинематически соединенный с газотурбинной установкой; конденсатор воздушного охлаждения; нейтрализатор промстоков огневой с дымовой трубой, газоходом, шибером, форсункой водяного конденсата, конденсатным патрубком, входным топливным патрубком; насос пароструйный; охладитель водяного конденсата; фильтр водяного конденсата, при этом выход дымовых газов из газохода нейтрализатора подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор, а выход дымовых газов из котла подключен к дымовой трубе нейтрализатора, форсунка размещена в дымовой трубе нейтрализатора, причем вход водяного конденсата в форсунку подключен к выходу охладителя водяного конденсата, вход которого соединен с выходом фильтра, вход которого подключен к выходу деаэратора, вход сконденсированной воды в который подключен к конденсатному патрубку дымовой трубы, вход пара в пароструйный насос подключен к выходу пара из котлов-утилизаторов, а вход водяного конденсата в пароструйный насос подключен к выходу теплообменника-конденсатора и к выходу конденсатора воздушного охлаждения.
Достоинствами известной установки электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья, по патенту РФ на полезную модель №118360, являются:
- возможность комбинированной выработки электроэнергии и теплоты для нужд теплоснабжения, а также технической воды для восполнения потерь теплоносителя в системе теплоснабжения и для нужд водоснабжения объекта (предприятия добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья);
- повышение экологической безопасности установки и объекта за счет термического обезвреживания промышленных стоков.
Недостатками аналога являются:
- отсутствие технических решений по покрытию пиковых электрических нагрузок;
- отсутствие технических решений по утилизации конденсата водяных паров из выхлопных газов тепловых двигателей (газовых турбин), что ограничивает выработку технической воды для нужд водоснабжения объекта;
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию хозбытовых стоков, что снижает экологическую безопасность установки и объекта, к которому она подключена;
- отсутствие технических решений по выработке холода для промышленных потребителей (установки и объекта, который установка обеспечивает электроэнергией и теплом), что ограничивает сферу ее использования.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению (прототипом) является установка электро-тепло-водоснабжения (патент РФ на полезную модель №1334993 по кл. F01K 17/02, опубл. 27.11.2013 г.), содержащая газотурбинную установку-тепловой двигатель, подключенный по тракту выхлопных газов через дымовой шибер к паровому котлу-утилизатору и дополнительный паровой котел-утилизатор, выходные паропроводы которых связаны с паровой теплофикационной турбиной, кинематически соединенной с электрогенератором, теплообменник-конденсатор, которой подключен к линии подогрева теплофикационной воды; сетевой циркуляционный насос; питательный насос; деаэратор с насосом, конденсатор воздушного охлаждения; нейтрализатор промстоков огневой с дымовой трубой, газоходом, шибером, форсункой водяного конденсата, конденсатным патрубком, входным топливным патрубком; насос пароструйный; охладитель водяного конденсата; фильтр водяного конденсата, при этом выход дымовых газов из газохода нейтрализатора подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор, а выход дымовых газов из котла подключен к дымовой трубе нейтрализатора, форсунка размещена в дымовой трубе нейтрализатора, причем вход водяного конденсата в форсунку подключен к выходу охладителя водяного конденсата, вход которого соединен с выходом фильтра, вход которого подключен к выходу деаэратора, вход сконденсированной воды в который подключен к конденсатному патрубку дымовой трубы, вход пара в пароструйный насос подключен к выходу пара из котлов-утилизаторов и, а вход водяного конденсата в пароструйный насос подключен к выходу теплообменника-конденсатора и к выходу конденсатора воздушного охлаждения, согласно полезной модели в нее дополнительно входят электрогенератор, кинематически соединенный с тепловым двигателем; дымовая труба с форсункой водяного конденсата, конденсатным патрубком и байпасным патрубком дымовых газов, размещенная на котле-утилизаторе; устройство ввода реагента, размещенное в газоходе нейтрализатора, причем форсунка подключена к выходу охладителя водяного конденсата, а конденсатный патрубок подключен к входу в деаэратор.
Достоинствами известной установки электро-тепло-водоснабжения по патенту РФ на полезную модель №134993, являются:
- возможность комбинированной выработки электроэнергии и теплоты для нужд теплоснабжения, а также технической воды для восполнения потерь теплоносителя в системе теплоснабжения и для нужд водоснабжения объекта (предприятия);
- возможность покрытия пиковых электрических нагрузок;
- повышение экологической безопасности установки и объекта, на котором она размещена, за счет термического обезвреживания промышленных, а также хозбытовых стоков.
Недостатком прототипа является отсутствие технических решений по выработке холода для промышленных потребителей (установки и объекта, который установка обеспечивает электроэнергией, теплом и технической водой), что снижает ее энергоэффективность и ограничивает сферу ее использования в промышленности.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение комбинированной выработки электроэнергии, теплоты, технической воды и холода для промышленных потребителей, при обеспечении экологически безопасного термического обезвреживания промышленных и хозбытовых стоков.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является повышение энергоэффективности (снижение себестоимости) выработки электрической, тепловой энергии, технической воды и технологического холода (для технологических потребителей). а также термического обезвреживания промышленных и хозбытовых стоков.
Указанный технический результат достигается тем, что в установку электро-тепло-водо-холодоснабжения, содержащую газотурбинную установку - тепловой двигатель, подключенный по тракту выхлопных газов через дымовой шибер к паровому котлу-утилизатору, и дополнительный паровой котел-утилизатор, выход пара из которых подключен к паровой теплофикационной турбине, кинематически соединенной с электрогенератором, теплообменник-конденсатор, которой подключен к линии подогрева теплофикационной воды; сетевой циркуляционный насос; питательный насос; деаэратор с насосом, конденсатор воздушного охлаждения; нейтрализатор промстоков огневой с дымовой трубой, газоходом, шибером, форсункой, конденсатным патрубком, входным топливным патрубком; насос пароструйный; охладитель водяного конденсата; фильтр водяного конденсата, при этом выход дымовых газов из газохода нейтрализатора подключен к входу дымовых газов в дополнительный паровой котел-утилизатор, а выход дымовых газов из него подключен к дымовой трубе нейтрализатора, форсунка размещена в дымовой трубе нейтрализатора, причем вход водяного конденсата в форсунку подключен к выходу охладителя водяного конденсата, вход которого соединен с выходом фильтра, вход которого подключен к выходу деаэратора, вход сконденсированной воды в который подключен к конденсатному патрубку дымовой трубы нейтрализатора, вход пара в пароструйный насос подключен к выходу пара из паровых котлов-утилизаторов, а вход водяного конденсата в пароструйный насос подключен к выходу теплообменника-конденсатора и к выходу конденсатора воздушного охлаждения; причем основной электрогенератор кинематически соединен с тепловым двигателем, основная дымовая труба с форсункой водяного конденсата, отводящим конденсатным патрубком и байпасным патрубком дымовых газов, размещена на паровом котле-утилизаторе, а форсунка водяного конденсата подключена к выходу охладителя водяного конденсата, отводящий конденсатный патрубок подключен к входу в деаэратор, а устройство ввода реагента размещено в газоходе нейтрализатора, согласно полезной модели, в нее дополнительно входят паровой привод компрессора компрессионной холодильной машины, включающей также компрессор хладагента, конденсатор паров хладагента, терморегулирующий вентиль, испаритель хладагента, причем вход парового привода через регулятор расхода пара подключен к выходу пара из паровых котлов-утилизаторов, а выход парового привода - ко входу отработанного пара в теплообменник-конденсатор и в конденсатор воздушного охлаждения.
Повышение энергоэффективности (снижение себестоимости) выработки электрической, тепловой энергии, технической воды и технологического холода, а также термического обезвреживания промышленных и хозбытовых стоков обеспечивается за счет
- выработки дополнительного товарного продукта, высоколиквидного технологического холода, на основе энерготехнологического комбинирования с применением оборудования установки, используемого одновременно для генерации электроэнергии, теплоты, технической воды и термической утилизации промышленных и хозбытовых стоков (теплового двигателя, огневого нейтрализатора промстоков, паровых котлов-утилизаторов, теплообменника-конденсатора, конденсатора воздушного охлаждения);
- исключения технологических потерь перегретого пара (и производительности установки) связанных с уменьшением выработки теплоты установкой на нужды теплоснабжения в летнее время года, так как в это время одновременно возрастает потребность в технологическом холоде.
Установка электро-тепло-водо-холодоснабжения иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема предлагаемой установки (причем на схеме показаны по одному из нескольких параллельно подключенных энерго-тепло-водо-холодогенерирующих модулей).
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - газотурбинная установка-тепловой двигатель; 2 - дымовой шибер; 3 - паровой котел-утилизатор; 4 - дополнительный паровой котел-утилизатор; 5 - паровая теплофикационная турбина; 6 - электрогенератор; 7 - теплообменник-конденсатор; 8 - сетевой циркуляционный насос; 9 - питательный насос (парогенераторов); 10 - деаэратор (декарбонизатор) водяного конденсата; 11 - насос (деаэратора); 12 - конденсатор воздушного охлаждения; 13 - нейтрализатор промстоков огневой; 14 - дымовая труба (нейтрализатора); 15 - газоход (нейтрализатора); 16 - шибер дымовой (нейтрализатора); 17 - форсунка (водяного конденсата); 18 - конденсатный патрубок; 19 - входной топливный патрубок; 20 - насос пароструйный; 21 - охладитель водяного конденсата; 22 - фильтр водяного конденсата; 23 - основной электрогенератор; 24 - основная дымовая труба (котла-утилизатора 3); 25 - форсунка водяного конденсата; 26 - отводящий конденсатный патрубок; 27 - байпасный патрубок дымовых газов; 28 - устройство ввода реагента; 29 - паровой привод компрессора компрессионной холодильной машины; 30 - компрессор хладагента; 31 - конденсатор паров хладагента; 32 - терморегулирующий вентиль; 33 - испаритель хладагента; 34 -регулятор расхода пара.
На чертеже также обозначены следующие технологические потоки: В - воздух на тепловой двигатель (ГТУ); ВК - конденсат водяных паров; ВТ - сконденсированная вода (неочищенный конденсат водяных паров); ГТ1 - газ топливный (топливо углеводородное) на нейтрализатор промстоков огневой; ГТ2 - газ топливный (топливо углеводородное) на тепловой двигатель (газотурбинную установку); Д - стоки промышленные и хозбытовые; ДГ1 - дымовые газы от нейтрализатора промстоков; ДГ2 - выхлопные газы от теплового двигателя на паровой котел-утилизатор; ДГ3 - выхлопные газы от теплового двигателя, поступающие на байпасный патрубок; ОВ - обратная вода из системы теплоснабжения; ПВ - прямая вода системы теплоснабжения; ПП - пар перегретый; РР - раствор реагента (для поглощения оксидов серы); ХА - хладагент; ХН1 - хладоноситель отепленный; ХН2 - хладоноситель охлажденный; ХПВ - вода на установку подготовки хозпитьевой воды.
Установка электро-тепло-водо-холодоснабжения работает следующим образом. При работе установки топливный газ (топливо углеводородное, поток ГТ1 на схеме), поступает в качестве топлива на входной топливный патрубок 19 нейтрализатора промстоков огневого 13. На нейтрализатор на термическое обезвреживание подаются стоки промышленные и хозбытовые (поток Д на схеме), пригодные для термического обезвреживания (не содержащие ртути, мышьяка, кадмия и их солей).
При работе установки на номинальной производительности, а также при обеспечении пиковых электрических нагрузок на тепловой двигатель 1 подаются топливо ГТ2 и воздух В. При работе теплового двигателя 1 - привода дополнительного электрогенератора 23, на паровой котел-утилизатор 3 поступает поток ДГ2 - часть высокотемпературного потока выхлопных газов теплового двигателя 1, обеспечивая выработку в паровом котле-утилизаторе 3 пара перегретого ПП, подаваемого на паровую теплофикационную турбину 5 - привод электрогенератора 6.
Выходящий из камер термического обезвреживания нейтрализатора 13 поток дымовых газов ДГ1, содержащий водяные пары от термически обезвреженных стоков (промышленных и хозбытовых, поток Д) и от сжигания углеводородного топлива (поток ГТ1), поступает в сборный газоход нейтрализатора 15, подключенный к входу дополнительного котла-утилизатора 4. Выходящий из газового тракта дополнительного котла-утилизатора 4 охлажденный поток дымовых газов поступает в дымовую трубу 14 нейтрализатора 13. Для обеспечения указанного выше направления движения потока дымовых газов ДГ1 от нейтрализатора 13 к дополнительному котлу-утилизатору 4 (а также обеспечения возможности регулирования производительности установки) используется шибер дымовой 16, размещенный на входе в дымовую трубу 14 нейтрализатора 13.
Для поглощения оксидов серы из потока дымовых газов, выходящих из нейтрализатора 13, в газоходе 15 размещено устройство ввода реагента 28, с помощью которого предусмотрена подача раствора реагента (поток РР).
Для дальнейшего охлаждения и увлажнения потока дымовых газов ДГ1 с целью выделения из них сконденсированных водяных паров в дымовой трубе 14 размещена форсунка 17, на которую из охладителя водяного конденсата 21 подается охлажденный водяной конденсат (поток ВК).
Сконденсированная вода, поток ВТ на схеме, представляющая неочищенный конденсат водяных паров (включающий сконденсированные водяные пары из дымовых газов и поток водяного конденсата ВК), отводится из патрубка конденсатного 18 дымовой трубы 14 и подается на вход деаэратора (декарбонизатора) 10. Первоначальное заполнение емкости деаэратора (декарбонизатора) 10 может быть произведено и без подачи потока водяного конденсата на форсунку 17, при малой теплопроизводительности нейтрализатора 13 (и конденсации насыщенных водяных паров при естественном охлаждении дымовой трубы 14).
Повышению производительности установки по технической воде за счет конденсации водяных паров из выхлопных газов теплового двигателя 1 способствует размещение дополнительных форсунки водяного конденсата 25 и отводящего конденсатного патрубка 26 в основной дымовой трубе 24 парового котла-утилизатора 3.
Из деаэратора (декарбонизатора) 10 (погружным насосом 11, входящим в комплект) поток ВТ подается на фильтр водяного конденсата 22, а затем на охладитель водяного конденсата 21. Водяной конденсат, полученный на установке, не содержит минеральных примесей и солей и направляется на заполнение и подпитку рабочим телом водяного тракта паровых котлов-утилизаторов 3 и 4 и сети системы теплоснабжения. Качество водяного конденсата позволяет использовать его также в качестве исходной воды и подавать (поток ХПВ) на установку подготовки хозпитьевой воды.
Теплота потоков дымовых газов ДГ1 и ДГ2, рекуперированная в паровых котлах-утилизаторах 3 и 4, обеспечивает генерацию перегретого водяного пара, подаваемого на теплофикационную турбину (паросиловой привод) 5 электрогенератора 6. Часть потока перегретого пара из паровых котлов-утилизаторов 3 и 4 предусмотрено подавать в качестве активного потока на пароструйный насос 20, включенный параллельно питательному насосу 9.
Отработанный пар на выходе паросилового привода 5 и парового привода 29 компрессора 30 компрессионной холодильной машины подается на подключенные параллельно теплообменник-конденсатор 7 и конденсатор воздушного охлаждения 12. В теплообменнике-конденсаторе 7 производится рекуперативный нагрев (теплотой основной части конденсируемого пара) потока теплофикационной воды ПВ системы теплоснабжения (водяного отопления) объекта. Для обеспечения циркуляции теплофикационной воды в системе предусмотрен циркуляционный насос 8.
Несконденсированная (в теплообменнике 7) часть водяного пара подается в конденсатор воздушного охлаждения 12. Водяной конденсат из указанных выше аппаратов подается на вход насосов 9 и 20, а затем на вход в водяной тракт котлов-утилизаторов 3 и 4.
Выработка технологического холода в комплектующей установку компрессионной холодильной машине, включающей паровой привод 29, компрессор хладагента 30, конденсатор паров хладагента 31, терморегулирующий вентиль 32, испаритель хладагента 33, осуществляется следующим образом.
Пары хладагента ХА после испарителя хладагента 33 поступают на всас компрессора хладагента 30, где сжимаются до давления нагнетания и подаются на охлаждение и конденсацию в конденсатор паров хладагента 31, в котором отдают теплоту конденсации окружающему воздуху. Жидкий хладагент после конденсатора паров хладагента 31 через терморегулирующий вентиль 32, где давление хладагента снижается до давления в испарителе, подается в испаритель хладагента 33, в котором за счет подвода теплоты от потока отепленного хладоносителя ХН1 испаряется и снова подается на всас компрессора хладагента 30, а охлажденный хладоноситель ХН2 поступает к потребителю холода.
Для уменьшения эксплуатационных затрат на комплектующей установку компрессионной холодильной машине используется паровой привод 29 компрессора хладагента 30. Паровой привод 29 через регулятор расхода пара 34 подключен к выходу пара из паровых котлов-утилизаторов 3 и 4, а выход парового привода 29 - ко входу отработанного пара в теплообменник-конденсатор 7 и в конденсатор воздушного охлаждения 12. Такое подключение позволяет уменьшить капитальные затраты на установку благодаря совместному использованию основного оборудования (теплового двигателя 1, паровых котлов-утилизаторов 3 и 4, теплообменника-конденсатора 7 и конденсатора воздушного охлаждения 12. огневого нейтрализатора промстоков 13) для комбинированной выработки электрической, тепловой энергии, технической воды и технологического холода.
Таким образом, за счет приведенных выше технических решений предлагаемая установка электро-тепло-водо-холодоснабжения обеспечивает повышение энергоэффективности (снижение себестоимости) выработки электрической, тепловой энергии, технической воды и технологического холода, а также термического обезвреживания промышленных и хозбытовых стоков.
Экономический эффект от ее применения обусловлен снижением затрат на строительство и эксплуатацию за счет:
- выработки дополнительного товарного продукта, высоколиквидного технологического холода, на основе энерготехнологического комбинирования с применением оборудования установки, используемого одновременно для генерации электроэнергии, теплоты и технической воды и термической утилизации промышленных и хозбытовых стоков (теплового двигателя, огневого нейтрализатора промстоков, паровых котлов-утилизаторов, теплообменника-конденсатора, конденсатора воздушного охлаждения);
- исключения технологических потерь перегретого пара (и производительности установки) связанных с уменьшением выработки теплоты установкой на нужды теплоснабжения в летнее время года, так как в это время одновременно возрастает потребность в технологическом холоде.