СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Заявляемая полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности, к системам, передающим от производителя к потребителям по паропроводам технологический пар (перегретый или насыщенный) на значительные расстояния.
Перегретый пар - это пар с температурой, превышающей температуру насыщения при данном давлении. Перегретый пар по сравнению с насыщенным паром обладает следующими свойствами и преимуществами. При одинаковом давлении с насыщенным паром он имеет значительно большую температуру и теплосодержание. Перегретый пар не может содержать в потоке мелкодисперсную влагу. Появление конденсата в потоке пара наступает лишь тогда, когда температура пара станет ниже, чем температура его насыщения при данном давлении. Такие свойства перегретого пара позволяют эффективно использовать его для передачи тепловой энергии на значительные расстояния.
Тем не менее, известны проблемы, связанные с передачей тепловой энергии с помощью технологического пара по протяженным паропроводам (длиной до нескольких километров) от производителя к потребителю с нерасчетно малыми и переменными расходами.
Если технологический пар подается потребителю на большие расстояния при нерасчетно малых и переменных расходах, то значительная часть энергетических преимуществ, связанных с его агрегатным состоянием, может теряться вследствие снижения температуры до и ниже температуры насыщения. Как следствие, наступает частичное превращение перегретого пара в насыщенный, а затем и во влажный с трудноопределяемой степенью сухости.
Имеются две самые существенные причины такого нежелательного явления: а) недостаточная теплоизоляция паропроводов (дальнейшее повышение ее требует чрезмерных материальных затрат); б) нестационарность движения потока пара по паропроводам, в результате чего и появляется конденсат, основная часть которого движется в ядре потока в виде мелкодисперсной влаги или капель в так называемой дисперсно-кольцевой структуре двухфазной смеси.
Последнее вызывает то, что в промежутке между началом транспортировки перегретого пара и использованием его энергии потребителем пар теряет свои теплофизические свойства, меняет агрегатное состояние и перестает соответствовать параметрам, обеспечивающим оптимальные метрологические характеристики узла коммерческого учета у потребителя.
Нестационарное движение пара по паропроводам вызвано тем, что происходит уменьшение объемов производства в сфере некоторых областей промышленности, и приводит к тому, что паропроводы тепловых сетей эксплуатируются при непроектных нагрузках. В подобных случаях на некотором расстоянии от теплоисточника начинается частичная конденсация пара (на теплоисточнике - перегретого или насыщенного), и термогидравлические параметры потока паро-конденсатной смеси становятся в физическом плане несопоставимы с транспортом перегретого или сухого насыщенного пара, в первую очередь, с точки зрения измерения его расхода и теплосодержания, а во-вторую - с точки зрения организации эксплуатации паропровода из-за наличия гидравлических ударов с частым сходом трубопровода с опорных конструкций и повышенных потерь через конденсатоотводчики при продувках паропровода.
Пока не существует измерительных систем, которые бы позволили определять степень сухости поступающего пара. Вследствие того, что влажный пар не поддается метрологически правильному учету, и возникают коммерческие споры между поставщиком и потребителем.
Известна конструкция теплопровода [1], состоящая из металлических труб с теплоизоляционным слоем и наружной гидрозащитной оболочкой.
Недостатком этого технического решения является то, что попавшая в конструкцию влага не может быть удалена в процессе эксплуатации из-за паронепроницаемости гидрозащитной оболочки, что не позволяет осуществить сушку теплоизоляционного слоя, приводит к увеличению тепловых потерь и к коррозии металлических труб.
Известна также теплоизоляционная конструкция [2], направленная на увеличение теплозащитных характеристик теплопровода за счет снижения дополнительного увлажнения теплоизоляции. Конструкция состоит из металлических труб, покрытых сверху теплоизоляционной оболочкой. Эту оболочку получают следующим образом. Приготовленная по специальной рецептуре пенополимерминеральная смесь заливается в специальные металлические разъемные формы и выдерживается в них до полного отверждения, после чего формы удаляются. При этом при отверждении поддерживается определенная температура и влажность. Плотные внутренний и наружный слои, полученные за счет целенаправленного теплоотвода от вспомогательной формы и от термоизолируемой трубы, служат для гидроизоляции, а слой между ними обеспечивает теплоизоляцию.
Недостаток этого технического решения заключается в чрезвычайной сложности технологического процесса, обеспечивающего получение такого трехслойного теплоизоляционного покрытия. Кроме того, такую защиту нельзя применять при температуре теплоносителя выше 150°С, а перегретый пар может иметь и более высокую температуру.
Наиболее близким техническим решением является теплоцентраль с открытой теплофикационной системой [3], включающая источник тепловой энергии (ТЭЦ или котельную), паропровод технологического пара, трубопроводы прямой и обратной сетевой воды, прибор учета потребленной тепловой энергии (теплосчетчик).
Недостатком этого технического решения является то, что оно также не устраняет технические и коммерческие тепловые потери в процессе передачи потребителю технологического пара по паропроводу.
Основной задачей предложенной полезной модели является обеспечение надежного контроля количества тепловой энергии в паре, передаваемой от производителя к потребителю за счет стабилизации процесса передачи перегретого пара, исключив причины, приводящие к изменению агрегатного состояния пара вплоть до влажного, а также снижение тепловых потерь в паропроводе.
Поставленная задача решается созданием системы теплоснабжения, содержащей, источник тепловой энергии, протяженный паропровод технологического пара, пароиспользующие установки конечного потребителя технологического пара, трубопровод обратного конденсата, при этом в конечной точке паропровода установлен энергоблок со вспомогательным паровым турбогенератором в качестве искусственной дополнительной нагрузки паропровода.
Искусственно созданная и регулируемая нагрузка паропровода в виде энергоблока, должна эксплуатироваться с потреблением пара не менее величины, обеспечивающей агрегатное состояние пара в конечной точке, как минимум, выше линии насыщения. Это исключает появление влаги в паропроводе и позволяет обеспечить соответствующие метрологические требования к узлу учета, т.е. измерять истинное значение расхода пара (теплосодержания), а также практически избавить теплоисточник от коммерческих и частично теплофизических потерь при транспорте теплоты.
Предложенная полезная модель поясняется прилагаемой фигурой.
Система теплоснабжения состоит из источника тепловой энергии (ТЭЦ или котельной) 1, от которого к потребителю отходят протяженный паропровод технологического пара 2, трубопроводы прямой 3 и обратной 13 сетевой воды, трубопровод обратного конденсата 17.
Кроме того, в системе имеются теплосчетчик (расходомер) технологического пара 5. В конечной точке паропровода добавлен энергоблок 4 (на фигуре он выделен пунктирной линией). Энергоблок содержит следующие элементы: главную паровую задвижку 6, блок регулирующих клапанов 7, турбогенератор, состоящий из паровой турбины 8 с соосно установленным с ней генератором электрической энергии 9, бойлер-конденсатор 10 с задвижками 11 и 22, конденсатный насос 14, бак сбора конденсата 15, конденсатный насос 16, основной 18 и резервный 19 циркуляционные насосы, задвижки 20 и 12, регулирующий клапан 21.
Предложенная полезная модель работает следующим образом.
Часть тепловой энергии от источника (ТЭЦ или котельной) 1 передается на пароиспользующие установки конечного потребителя технологического пара (на схеме позиция «пар на технологию») в виде технологического пара по паропроводу 2 через теплосчетчик (расходомер) 5, другая часть - с сетевой водой по прямому сетевому трубопроводу 3 в виде горячей воды. Прямая сетевая вода поступает потребителям. Технологический пар, частично отбирается на энергоблок 4, где через главную паровую задвижку 6 и блок регулирующих клапанов 7 поступает в паровую турбину 8, соосно с которой установлен генератор электрической энергии 9.
Рабочая мощность энергоблока (т.е. расход пара на турбину) должна регулироваться, исходя из максимально допустимого нагрева обратной сетевой воды в бойлер-конденсаторе, чрезмерно завышенная величина которого может привести к снижению выработки электроэнергии на ТЭЦ за счет уменьшения расхода пара в противодавление или теплофикационные отборы турбин ТЭЦ при жестком выдерживании температурного графика теплосети, задаваемого диспетчером.
Критерием выбора оптимальной рабочей мощности энергоблока может служить выражение:
; где:
-- номинальная мощность энергоблока (МВт)
-- потеря мощности ТЭЦ за счет уменьшения расхода пара в часть низкого давления (ЧНД) турбины головного теплоисточника вследствие некоторого роста температуры обратной сетевой воды (МВт).
В годовом разрезе, критерий оптимального выбора мощности энергоблока выглядит:
, где:
-- эксплуатации энергоблока за год (часов).
Выработанная генератором 9 электрическая энергия передается в электросеть потребителя, либо в энергосистему. Отработав полезно в паровой турбине 8, пар поступает в бойлер-конденсатор 10, где конденсируясь и передав скрытую теплоту парообразования обратной сетевой воде (или в окружающую среду в конденсационном режиме через градирню - на схеме не показано, как возможный вариант), конденсатным насосом 14 отводится в бак сбора конденсата 15, а затем с помощью конденсатного насоса 16 возвращается на теплоисточник 1 по трубопроводу обратного конденсата 17.
Циркуляционные (основной и резервный) насосы 18 и 19 оснащаются регулируемым частотным электроприводом и необходимы для обеспечения непрерывной циркуляции охлаждающей среды через бойлер-конденсатор с учетом его гидравлического сопротивления. Регулирующий клапан 21 используется для поддержания давления обратной сетевой воды в соответствие с заданным гидравлическим режимом тепловой сети и для частичного пропуска ее помимо бойлер-конденсатора.
Таким образом, введение в систему теплоснабжения дополнительного энергоблока, подключенного к паропроводу технологического пара в конечной точке протяженного паропровода, позволяет решить следующие технические и экономические проблемы:
1. Нормализуется режим работы паропровода, ликвидируются проблемы с учетом теплоэнергии у потребителей, т.е. резко снижаются коммерческие потери, так как пар в конечной точке паропровода будет со стабильными параметрами и однозначно перегретым (либо сухим насыщенным). Стабильные параметры пара выгодны и потребителям из-за особенностей их технологического процесса.
2. Качественно улучшается режим эксплуатации и, соответственно, долговечность дорогостоящего паропровода. Снижаются ремонтные и эксплуатационные издержки на его эксплуатацию.
3. Потери теплоэнергии через изоляцию, из-за некоторого роста температуры пара в конце паропровода с увеличением нагрузки, возрастают незначительно, а через конденсатоотводчики - практически сводятся к нулю.
4. Возрастает годовая выработка дополнительной, относительно дешевой электроэнергии на тепловом потреблении.
Источники информации:
[1] - SU, авторское свидетельство №468056, опубл. 25.04.75;
[2] - RU 2115058 С1, опубл. 10.07.98;
[3] - RU 2358123 С1, опубл. 10.06.09.