ГАЗОВАЯ НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ
GAS PUMP STATION

Изобретение относится к теплоснабжению и теплоэнергетике, в частности к насосам для циркуляции теплоносителя в отопительных системах, и может быть использовано в автономных (децентрализованных) системах теплоснабжения. Применяется в жилищной коммунальной сфере для циркуляции технической воды в системе отопления и водоснабжения, в целях энергосбережения и повышения производительности всего объекта.
Из уровня техники известно множество устройств для подачи воды к потребителю: самотеком с более высокого уровня на более низкий, водонапорные башни, насосы, насосные станции. Наиболее современным устройством для подачи воды потребителю являются насосные станции. Насосные станции в настоящее время используются практически во всех отраслях народного хозяйства (промышленность, сельское хозяйство, нефтедобыча и т.д.) Насосные станции широко используются в системе отопления как центральной, так и автономной. В общем виде насосная станция представляет собой комплектную систему, включающую в себя насос, электродвигатель, напорный бак, систему управления давлением и расходом воды. Источником питания, как правило, у насосной станции является электричество. Однако, если рассматривать автономные отопительные пункты, например, котельные, в частности расположенные в сельской местности, то появляется необходимость снизить энергопотребление от источника питания сети - электричества. Возникает необходимость использования энергосберегающей насосной станции, чтобы снизить потребление электроэнергии, или полностью отказаться от него.
Известно техническое решение по патенту RU №179379 U1 F22B 33/00 (2006.01) от 30.05.2017 г., по которому КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, содержащая водогрейный котел с горелкой, к которой подключен газопровод природного газа, подключенные к котлу трубопроводы нагретой и обратной воды, местные системы отопления и горячего водоснабжения, подключенные к трубопроводам нагретой и обратной воды, подключенный к трубопроводу обратной воды трубопровод подпиточной воды, в трубопровод подпиточной воды включен атмосферный деаэратор подпиточной воды, подключенный по десорбирующей среде к газопроводу природного газа перед горелкой котла. Не раскрыто, каким образом установлено источнике питания насосной системы для циркуляции технической воды в системе отопления и водоснабжения. По умолчанию, они работают на электроэнергии, что в условиях автономной системы в городской среды и сельской местности имеет разный экономический эффект. В условиях необходимости экономии потребления электроэнергии, а также ее недоступности, необходимость дополнительного источника питания - электроэнергии, является недостатком.
Известно техническое решение по патенту RU №2561782 С1 F04D 15/00 (2006.01) от 10.09.2015 г., по которому СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ состоит в том, что для каждой из диктующих точек сети определяют регулировочную характеристику (R), соответствующую оптимальному энергопотреблению насосной станции при минимально допустимом давлении в диктующей точке. Эти характеристики, а также данные, получаемые от измерителя потребляемой мощности, вводят в автономное регулирующее устройство, определяют контрольную точку и соответствующую ей характеристику (R). Далее координируют совместную работу группы статических преобразователей частоты тока, питающих электродвигатели, поддерживая необходимую скорость вращения валов электродвигателей, и/или отключают или включают в работу очередной насос. Недостатком известного способа является то, что снизить потребление электроэнергии насосной станции не удается или удается незначительно.
Как отдаленные аналоги заявляемого технического решения могут рассматриваться сетевые насосы для систем отопления с приводом от электродвигателя, например, насосы Wilo CronoNorm-NL 80/400В-30/4 (http://www.nasosof.ru/wilo-crononorm-nl.html?utm_source=yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=Direct&utm_content=106384 9718+premium+1&_openstat=ZGlyZWN0LnlhbmRleC5vdTsxMzY4MTEyNDsxMDYzODQ5NzE4Q2dvLm1haWwucnU6cHJ1bW11bQ&yclid=6149458492184338654). Известное устройство представляет собой одноступенчатый низконапорный центробежный насос в качестве насоса на фундаментной раме с осевыми всасывающими патрубками с прифланцованными подшипниковыми опорами и осевым креплением для привода, подсоединенного упругой муфтой.
Недостаток: неэкономичный, работает только при наличии электроэнергии, стоимость которой выше, чем природного газа.
Известна также дизельная насосная станция, например ДНУ-200/36 производства ООО "Завод ПСМ" (https://energybase.ru/equipment/dnu-200-36). Компактная насосная станция состоит из дизельного двигателя ММЗ Д-243 и центробежного консольного насоса типа Д, смонтированных на общей фундаментальной раме и соединенных между собой карданным валом. Недостатком является то, что для работы используется дизельное топливо, являющееся одним из самых дорогих видов топлива. Кроме того, рабочие обороты дизельного двигателя составляют 1500 об/мин. Циркуляционный насос, работающий на таких оборотах имеет громоздкую конструкцию и в два раза тяжелее, чем насос, работающий на 2900 об/мин.
Техническая задача - снизить потребление электроэнергии и повысить энергоэффективность работы насосной станции. Например, при эксплуатации автономного отопительного пункта, (котельной).
Для решения указанной задачи предлагается газовая насосная станция на базе газопоршневого двигателя - предназначенная для перекачивания воды и других жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости до 36×10-6 м2/с (36сСт) и химической активности, температурой от -10 до 105°С, не содержащих твердых включений по массе более 0,05%, размеру более 0,2 мм и микротвердостью более 6,5 ГПа (650 кгс/мм2).
Насос работает на приводе от двигателя внутреннего сгорания, работающего на газе (как природном, так и сжиженном). Однако, прямое подключение насоса к такому двигателю неэффективно, поскольку если у насоса частота оборота 3000 об/мин, то и двигателю внутреннего сгорания требуется около 3000 об/мин, а эксплуатация в таком режиме повлечет повышенный износ двигателя вследствие повышенной нагрузки. Для решения этой задачи предлагается конструкция, позволяющая снизить исходную частоту двигателя до 2000 об/мин. Это позволяет сделать ременная передача, изменяющая передаточное число 1,2 до 1,5.
Кроме того, происходит утилизация тепла за счет перепада давления на вращаемом консольном насосе, при этом осуществляется съем тепла с рубашки охлаждения двигателя и с дымовых газов (выхлоп). За счет утилизации тепла с рубашки охлаждения двигателя и дымовых газов температура теплоносителя выше, чем вновь поступающего, поэтому сетевую воду подогревать требуется на меньшую температуру, что требует меньшего расхода газа на котлах котельной. На вращение двигателя уходит ориентировочно 30% энергии от сгорания газа, 20% потери, 50% выделяется в виде тепловой энергии, которая утилизируется и идет на подогрев сетевой воды, которую сетевой насос и качает. Для газовых котельных - это прямая экономия, поскольку двигатель работает на газе, электроэнергия экономится.
Преимущества заявляемого технического решения: циркуляция теплоносителя для снятия тепла с охлаждающей жидкости двигателя и дымовых газов образуется за счет перепада давления на вращаемом консольном насосе станции, что повышает энергоэффективность конструкции. Газовая насосная станция энергонезависима, т.е. не зависит от подачи электроэнергии на объект, работает только за счет газа, и позволяет снизить потребление электроэнергии, а если котельная работает на газе с атмосферными котлами - вообще обойтись без электроэнергии, т.е. достичь энергонезависимости от внешнего электрического источника питания.
Технический результат - повышение энергоэффективности, энергонезависимость, экономия потребления электроэнергии.
Технический результат достигается за счет конструкции газовой насосной станции, характеризующейся блочной конфигурацией, содержащей двигатель внутреннего сгорания, насос консольный (с торцевым уплотнением), блок управления станцией, теплотехническое оборудование, включающее теплообменник для утилизации тепла с охлаждением двигателя и теплообменник для утилизации тепла дымовых газов, с возможностью циркуляции воды через систему утилизации тепла с охлаждением двигателя и дымовых газов за счет перепада давления на вращаемом сетевом консольном насосе, при этом частота вращения от двигателя к насосу повышена за счет ременной передачи. Как частный случай, газовая насосная станция содержит систему глушителей выхлопа, другой частный случай - дополнительно оснащена противоаварийной автоматикой. Как частный случай, изменение характеристик насоса происходит за счет изменения числа оборотов двигателя электронным или ручным способом.
Сущность технического решения поясняют изображения на фиг. 1, 2.
Фиг. 1. Рабочая схема газовой насосной установки.
Фиг. 2. Тепловая схема газовой насосной установки.
Где 1 - двигатель внутреннего сгорания;
2 - консольный насос 1К;
3 - утилизатор тепла антифриза;
4 - утилизатор тепла дымовых газов;
5 - тепловая сеть абонента;
6 - выход дымовых газов двигателя;
7 - глушитель выхлопных газов;
8 - ременная передача;
9 - стартер двигателя;
10 - блок управления насосной станцией.
Пример осуществления.
Газовая насосная станция на базе газопоршневого двигателя предназначена для перекачивания воды и других жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости и химической активности, температурой от -10 до 105°С, не содержащих твердых включений по массе более 0,05%, размеру более 0,2 мм и микротвердостью более 6,5 ГПа (650 кгс/мм2).
Газовая насосная станция имеет блочную конфигурацию и содержит двигатель внутреннего сгорания 1, насос консольный 2 с торцевым уплотнением, теплотехническое оборудование для утилизации тепла с охлаждения двигателя (паянный пластинчатый теплообменник 3 из нержавеющей стали) и тепла дымовых газов (кожухотрубный теплообменник 4), систему глушителей выхлопных газов 7 и пульт управления станцией 10. Для повышения износостойкости и долговечности конструкции частота вращения от двигателя 1 к насосу 2 понижается за счет ременной передачи 8 с передаточным числом 1,5. Система управления 10 оснащена противоаварийной автоматикой от перегрева двигателя внутреннего сгорания 1, снижения уровня или давления моторного масла, повреждения ремней и остановка консольного насоса 2, падения давления перед насосом ниже допустимого значения. В случае аварийного останова газовой насосной станции, автоматически происходит запуск резервного электрического насоса абонента. Станция может располагаться как внутри здания, так и снаружи. Изменение характеристик насоса происходит за счет изменения числа оборотов двигателя электронным или ручным способом.
Особенности конструкции: циркуляция теплоносителя для снятия тепла с охлаждающей жидкости двигателя и дымовых газов образуется за счет перепада давления на вращаемом консольном насосе 2 станции. Газовая насосная станция энергонезависима, т.е. не зависит от подачи электроэнергии на объект, работает только за счет газа. В процессе работы двигатель внутреннего сгорания 1 на газовом топливе через ременную передачу 8 вращает насос 2, теплоноситель (например, вода) начинает циркулировать. При этом на насосе образуется перепад давления, на входе в насос низкое давление, на выходе из насоса - высокое. За счет этого перепада теплоноситель начинает циркулировать по теплообменнику 3 и утилизатору 4. При этом осуществляется снятие тепла с теплообменника охладителя 3 и с теплообменника 4 дымовых газов (выхлопных газов). За счет утилизации тепла температура теплоносителя выше, чем вновь поступающего, поэтому теплоноситель подогревать с помощью котельной требуется на меньшую температуру, что требует меньшего расхода энергии, таким образом повышается энергоэффективность котельной.
Применяется в жилищной коммунальной сфере для циркуляции технической воды в системе отопления и водоснабжения, в целях энергосбережения, энергонезависимости от электроснабжения и повышения производительности всего объекта