ГАЗОВАЯ ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА
GAS HEAT PUMP PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть применено в водогрейных котельных, теплоэлектроцентралях и на других объектах, где имеется выход дымовых газов, для утилизации тепла конденсации водяного пара, содержащегося в дымовых газах, на нужды теплоснабжения. Изобретение может также найти применение в системах вентиляции и кондиционирования воздуха в летний период для использования низкотемпературного тепла, отводимого в процессе охлаждения воздуха, на нагрев воды, подаваемой в систему горячего водоснабжения (ГВС).
Наибольший эффект ожидается от применения заявляемого устройства в отопительный сезон в ночные и другие периоды снижения внешнего электропотребления при использовании избыточной электроэнергии для привода теплонасосных установок.
Уровень техники
В сложившейся практике сетевую воду в системе теплоснабжения нагревают в водогрейных котлах или подогревателях сетевой воды, питаемых паром, подаваемым из теплофикационных отборов паровых турбин или редукционно-охладительных устройств.
Во избежание низкотемпературной коррозии поверхностей теплообмена минимальная температура воды на входе в стальной водогрейный или паровой газовый котел полного горения должна быть не ниже 70°C. Соответственно, температура уходящих газов из водогрейных газовых котлов составляет не ниже 110-130°C.
Известное техническое решение для утилизации тепла конденсации водяного пара, содержащегося в уходящих дымовых газах, основано на применении конденсоров, устанавливаемых на выходе дымовых газов из котла - котла-утилизатора (КУ) или котла полного горения. Конденсор - это теплообменный аппарат, поверхность теплообмена которого набирают из биметаллических оребренных теплопередающих элементов («Газовый конденсор для утилизации тепла дымовых газов. Энергосберегающая технология», http://www.ideasandmoney.ru/Ppt/Details/297537). Его недостаток состоит в чрезмерно большой площади поверхности теплообмена, набранной из дорогостоящего коррозионно-стойкого материала (из-за малого среднего температурного напора и ухудшенной теплоотдачи со стороны газа вследствие появления водяной пленки). Кроме того, глубина охлаждения дымовых газов и, соответственно, количество сконденсированного водяного пара находятся в зависимости от начальной температуры воды, подаваемой в конденсор. Температура же обратной сетевой воды по мере снижения температуры воздуха возрастает и в холодный период, как правило, оказывается выше точки росы дымовых газов, не позволяя использовать теплоту конденсации пара как раз в тот период, когда тепло наиболее востребовано.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является газовая теплонасосная установка, примененная в термодинамическом накопителе энергии (www.cnrg.ru/about/presscenter/promotional%20material/SHELF-Thermodvnarnic-energy-storage.pdf «Термодинамический накопитель энергии как альтернатива ГАЭС». - ОАО «Группа Каспийская энергия», февраль 2012). Ее работа основана на использовании обратного закрытого цикла Брайтона. Данная газовая теплонасосная установка (ТНУ) предназначена для преобразования механической (электрической) энергии в высокотемпературное тепло и низкотемпературный холод и может быть использована для нагрева жидкого теплоносителя (например, сетевой воды) до требуемой температуры за счет передачи тепла, отводимого из холодного источника - дымовых газов или атмосферного воздуха - при значительно более низкой температуре, при которой происходит конденсация содержащегося в них водяного пара. Рабочим телом установки является воздух, или азот, или аргон, или любые другие газовые смеси доступных нейтральных газов.
Прототип содержит (там же, с.7): компрессор, газожидкостной теплообменник, сообщенный на входе по греющему газу с выходом компрессора по газу, турбину, сообщенную на входе по газу с выходом газожидкостного теплообменника по газу, и приводное устройство (электродвигатель). Прототип содержит также теплообменное оборудование, используемое для отвода тепла из холодного источника, и рекуператор, при этом турбина на входе по газу сообщена с выходом газожидкостного теплообменника по газу через тракт рекуператора по охлаждаемому газу. В рассматриваемой области применения (теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха) рекуператор не требуется, а ТНУ должна также содержать конденсор или охладитель атмосферного воздуха и устройства подачи охлаждаемых дымовых газов или воздуха в указанные теплообменники - дымосос или вентилятор с приводным электродвигателем.
Недостатком прототипа в данной области применения является недостаточно высокий коэффициент преобразования механической энергии в тепло (отношения теплоты, переданной нагреваемому теплоносителю, к затратам энергии на привод компрессора и вспомогательного оборудования - дымососа или вентилятора и др.) и чрезмерно большая металлоемкость низкотемпературного теплообменного оборудования.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение коэффициента преобразования механической энергии в тепло и снижение металлоемкости теплообменного оборудования газовой ТНУ.
Эта задача решена в заявляемой газовой ТНУ, содержащей компрессор, газожидкостной теплообменник, сообщенный на входе по охлаждаемому газу с выходом компрессора по газу, турбину, сообщенную на входе по газу с выходом газожидкостного теплообменника по газу, и приводное устройство. В отличие от прототипа заявляемая газовая ТНУ содержит промежуточный газоохладитель, компрессор выполнен двухвальным, состоящим из компрессоров низкого и высокого давления, сообщенных друг с другом по ходу газа через тракт промежуточного газоохладителя по газу, при этом газожидкостной теплообменник и промежуточный газоохладитель включены по тракту охлаждающего теплоносителя в схему теплоносителя потребителя тепла, компрессор низкого давления установлен на валу приводного устройства и сообщен на входе по газу с источником охлаждаемого газа, компрессор высокого давления установлен на одном валу с турбиной, оснащенной системой влагоудаления, при этом турбина на выходе по газу либо сообщена с атмосферой или (и) потребителем охлажденного газа, либо газовая ТНУ содержит турбину низкого давления, установленную на одном валу с компрессором низкого давления, оснащенную системой влагоудаления и сообщенную на выходе по газу с атмосферой или (и) потребителем охлажденного газа, а турбина на выходе по газу сообщена с входом турбины низкого давления по газу.
Описание чертежей
Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - газовая ТНУ, вариант с одной турбиной, пароприводным компрессором низкого давления и использованием уходящих дымовых газов парового котла в качестве охлаждаемого (греющего) газа;
на фиг.2 - газовая ТНУ, вариант с одной турбиной, электроприводным компрессором низкого давления и с использованием атмосферного воздуха в качестве охлаждаемого газа;
на фиг.3 - газовая ТНУ, вариант с двумя турбинами, электроприводным компрессором низкого давления и с использованием атмосферного воздуха в качестве охлаждаемого газа.
Осуществление изобретения
Приведенная на чертежах фиг.1, 2 и 3 газовая ТНУ содержит компрессор 1, газожидкостной теплообменник (ГЖТО) 2, сообщенный на входе по греющему газу с выходом компрессора 1 по газу, турбину 3, сообщенную на входе по газу с выходом ГЖТО 2 по газу, и приводное устройство 4. Согласно изобретению газовая ТНУ содержит промежуточный газоохладитель 5, компрессор выполнен двухвальным, состоящим из компрессоров низкого и высокого давления (КНД 6 и КВД 7), сообщенных друг с другом по ходу газа через тракт промежуточного газоохладителя 5 по газу, при этом ГЖТО 2 и промежуточный газоохладитель (ПГО) 5 включены по тракту охлаждающего теплоносителя в схему подогрева теплоносителя (воды) потребителя тепла 8, КНД 6 установлен на валу приводного устройства 4 и сообщен на входе по газу с источником охлаждаемого газа, КВД 7 установлен на одном валу с турбиной 3, оснащенной системой влагоудаления.
В варианте фиг.1 приводным устройством является паровая турбина 4, снабженная конденсатором - паровым подогревателем сетевой воды (ППСВ) 9, при этом ППСВ 9, ПГО 5 и ГЖТО 2 включены по тракту охлаждающего теплоносителя в схему подогрева сетевой воды для внешнего потребителя 8 последовательно в указанном порядке. Источником охлаждаемого газа является паровой котел 10, а охлаждаемым газом являются уходящие из котла 10 дымовые газы. Турбина 3 на выходе по газу сообщена с атмосферой или потребителем охлажденного газа. В вариантах, представленных на фиг.2 и 3, приводным устройством является электродвигатель 4, при этом ПГО 5 и ГЖТО 2 включены по тракту охлаждающего теплоносителя в схему подогрева воды для ГВС внешнего потребителя 8 параллельно. Источником охлаждаемого газа является окружающая среда (атмосфера), а охлаждаемым газом является атмосферный воздух.
В варианте фиг.2 турбина 3 на выходе по газу сообщена с атмосферой или (и) потребителем охлажденного газа - системой кондиционирования воздуха и вентиляции. В варианте фиг.3 заявляемая газовая ТНУ содержит турбину низкого давления (ТНД) 11, установленную на одном валу с КНД 6, оснащенную системой влагоудаления и сообщенную на выходе по газу с атмосферой или (и) вышеуказанным потребителем охлажденного воздуха, а турбина 3 на выходе по газу сообщена с входом ТНД 11 по газу.
Устройство работает следующим образом.
На вход КНД 6 по газу из внешнего источника подают охлаждаемый газ - уходящие из котла 10 дымовые газы или атмосферный воздух, при сжатии которого повышается его температура и температура точки росы (т.е. температура, ниже которой происходит конденсация водяных паров, содержащихся в газах). Сжатый газ из КНД 6 подают в ПГО 5, где газ охлаждают нагреваемой водой, затем газ дополнительно сжимают в КВД 1 и снова охлаждают в ГЖТО 2, передавая подведенную в процессе сжатия газа теплоту нагреваемой воде. Далее, охлажденный в ГЖТО 2 газ подают в турбину 3, где газ расширяется и совершает работу по приводу КВД 7.
В вариантах фиг.1 и 2 газ в турбине 3 расширяется примерно до атмосферного давления, охлаждаясь до низкой температуры. При наличии в охлаждаемом газе водяного пара он весь или его большая часть конденсируется не в ПГО 5 и ГЖТО 2 (как в конденсоре), а в турбине 3, при этом выделяемая теплота конденсации водяного пара замедляет снижение температуры рабочего тела (газовой фазы) в процессе его расширения и тем самым повышает мощность турбины 3. Работа, совершаемая охлажденным газом в турбине 3 в вариантах газовой ТНУ с одной газовой турбиной (фиг.1 и фиг.2), расходуется только на привод КВД 7.
В варианте фиг.3 газ из турбины 3 подают в ТНД 11, работа расширения охлажденного газа в этом варианте распределена между валами КВД 7 и КНД 6 таким образом, чтобы при оптимальном (достаточно малом) уровне степени сжатия в КНД 6 температуры газа за КНД 6 и КВД 7 были бы примерно одинаковы. В этом случае установка ТНД 11 на валу КНД 6 обеспечивает дополнительное повышение коэффициента преобразования подводимой механической энергии в теплоту.
Отвод конденсата из проточной части турбины (турбин) и из потока влажного газа за турбиной (турбинами) производится через известные из технического уровня системы влагоудаления - устройства улавливания, сепарации и удаления влаги из проточной части турбины и за турбиной, широко применяемые во влажнопаровых турбинах (А.В. Щегляев. Паровые турбины. Книга 1. - М.: Энергоатомиздат, 1993, с.335-338).
Таким образом, в заявляемой газовой ТНУ реализован открытый цикл Брайтона с промежуточным охлаждением сжимаемого газа, а при наличии водяного пара в составе газа - и с подогревом рабочего тела в процессе его расширения теплом конденсации водяного пара. Необходимый прирост температуры в компрессорах меньше, чем в прототипе, на величину температурных напоров в низкотемпературных теплообменниках. В результате обеспечивается значительный прирост коэффициента преобразования механической энергии в теплоту по сравнению с прототипом.
Отсутствие низкотемпературного теплообменного и сопутствующего вспомогательного оборудования обеспечивает значительное снижение металлоемкости заявляемой газовой ТНУ по сравнению с прототипом.
Приведенные на фиг.1, 2 и 3 примеры представлены для иллюстрации заявляемого изобретения в наиболее наглядном виде с обоими альтернативными отличительными признаками (с одной или двумя турбинами), разными источниками охлаждаемого (греющего) газа и не исчерпывают всех возможных вариантов его реализации. В частности, источником дымовых газов может быть не только обычный котел, но и газотурбинная установка, газопоршневой двигатель, котел-утилизатор, дымовая труба, коллектор дымовых газов группы котлов и т.п. В варианте фиг.1 в КНД 6 может подаваться не весь поток уходящих газов источника, а лишь часть его, при этом ПГО 5 и ГЖТО 2 могут быть включены в схему нагрева сетевой воды не последовательно, а параллельно, и не за, а перед ППСВ 9 (при достаточно высокой температуре обратной сетевой воды). Приводным устройством 4 может быть не только паровая турбина или электродвигатель, но и любой другой двигатель (газовая турбина, газопоршневой двигатель), и т.д. и т.п.