ТЕПЛОВОЙ ПУНКТ С СИСТЕМОЙ РЕКУПЕРАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована в системах централизованного теплоснабжения.
Известны типовые тепловые пункты (ТП) двухтрубных водяных систем централизованного теплоснабжения с независимой схемой присоединения местных систем отопления, содержащие прямой и обратный магистральные трубопроводы тепловой сети, между которыми включены последовательно регулирующий клапан и водоподогреватель (теплообменный аппарат - ТА), а также контур системы отопления, в который включены основной и резервный циркуляционные электронасосы (ЦЭН) и ТА (см., например, свод правил по проектированию и строительству СП41-101-95 "Проектирование тепловых пунктов"). Характерной особенностью водяных систем централизованного теплоснабжения является значительная протяженность магистральных трубопроводов, доставляющих теплоноситель потребителям. Для преодоления большого гидравлического сопротивления магистрали и гарантированной доставки теплоносителя самым удаленным потребителям приходится создавать значительное давление на входе в магистраль. В результате большинство потребителей, кроме самых удаленных от тепловой станции, получают теплоноситель под избыточным для работы ТП давлением, которое вынуждено дросселируется регулирующим клапаном. Таким образом в рассматриваемых ТП энергия избыточного давления теплоносителя при дросселировании потока безвозвратно теряется на регулирующих клапанах. К тому же такие ТП, не смотря на наличие резервирования по ЦЭН, не обладают достаточной надежностью, т.к. при аварийном отключении электропитания ни основной, ни резервный насосы не могут обеспечить циркуляцию теплоносителя в системе отопления.
Также известны ТП двухтрубных водяных систем централизованного теплоснабжения с независимой схемой присоединения местных систем отопления, в которых последовательно с регулирующим клапаном и ТА устанавливаются устройства, преобразующие энергию избыточного магистрального давления в электрическую энергию. Наиболее близким аналогом является система рекуперации избыточного давления магистральных сетей водо- и теплоснабжения, содержащая линию перепуска давления, смонтированную на прямом трубопроводе перед регулирующим клапаном и включающую в себя динамический насос с генератором электрического тока (RU 2239752 C1, F24D 17/00, 22.12.2003). В этой системе динамический насос работает в турбинном режиме за счет энергии избыточного магистрального давления, а генератор электрического тока может быть скоммутирован с сетью потребителя через инвертор (преобразователь напряжения), что дает возможность обеспечить автономное питание электроприводов основного или резервного ЦЭН системы отопления при аварийном отключении их штатного электропитания.
Однако ТП с такой системой не обладает достаточной энергоэффективностью и надежностью функционирования при аварийном отключении штатного электропитания ЦЭН, т.к. в цепи "генератор - привод ЦЭН" имеют место значительные потери электрической энергии, а вероятность безотказной работы этой цепи низка из-за большого количества последовательно соединенных элементов.
Задачей полезной модели является повышение энергоэффективности функционирования теплового пункта и его надежности, в том числе и при аварийном отключении электропитания циркуляционных электронасосов системы отопления.
Для решения этой задачи тепловой пункт с системой рекуперации избыточного магистрального давления, имеющий основной и резервный циркуляционные электронасосы системы отопления, присоединенной к теплосети по независимой схеме, содержит линию перепуска давления, смонтированную на обратном трубопроводе за теплообменным аппаратом параллельно выходной магистральной задвижке посредством двух технологических задвижек или кранов и включющую две гидравлические турбины, параллельно связанные между собой через гидравлический переключатель, причем ротор каждой турбины кинематически связан только с одним ротором циркуляционного электронасоса системы отопления.
В тепловом пункте вместо гидравлической турбины может быть использован динамический насос, работающий в турбинном режиме.
В тепловом пункте в качестве гидравлического переключателя может быть использован трехходовой кран.
Тепловой пункт имеет контроллер с источником бесперебойного питания, электрически связанный своими управляющими выходами с приводом гидравлического переключателя турбин и с приводом запорно-регулирующего устройства, смонтированного в линии перепуска давления параллельно гидравлическим турбинам.
Тепловой пункт имеет как минимум два датчика давления, электрически связанные своими выходами с входами контроллера и установленные в прямом трубопроводе теплового пункта перед регулирующим клапаном и в обратном трубопроводе за теплообменным аппаратом.
Техническим результатом является обеспечение повышение надежности системы отопления, в том числе и при аварийном отключении электропитания циркуляционных насосов и значительное снижение потребления электроэнергии циркуляционными электронасосами в штатном режиме работы за счет преобразования энергии избыточного магистрального давления теплоносителя из тепловой сети в механическую энергию ротора насоса.
Описание осуществления полезной модели поясняется ссылками на фигуры.
На фиг.1 представлен фрагмент схемы типового теплового пункта с независимым присоединением системы отопления, не оснащенного системой рекуперации избыточного магистрального давления.
На фиг.2 представлен фрагмент схемы теплового пункта с независимым присоединением системы отопления, оснащенного системой рекуперации избыточного магистрального давления согласно наиболее близкому аналогу.
На фиг.3 представлен фрагмент схемы теплового пункта с независимым присоединением системы отопления, оснащенного системой рекуперации избыточного магистрального давления, установленной согласно заявляемой полезной модели.
На фиг.4 представлена схема исполнения теплового пункта с системой рекуперации избыточного магистрального давления согласно заявляемой полезной модели.
ном
изб
ТП с независимым присоединением системы отопления к двухтрубной системе централизованного теплоснабжения, схема которого показана на фиг.1, включает в себя последовательно расположенные по потоку теплоносителя входную задвижку 1, прямой трубопровод 2, регулирующий клапан 3, теплообменный аппарат 4, обратный трубопровод 5 и выходную задвижку 6, а также присоединенный через теплообменный аппарат 4 контур системы отопления с двумя циркуляционными электронасосами 7. На фиг.1 также показана эпюра давлений в магистралях ТП. Для нормальной работы ТП требуется номинальный перепад давлений ΔР≈0,13…0,15 МПа на линии "регулирующий клапан 3 - теплообменный аппарат 4". Если перепад давлений между прямой и обратной магистралями теплосети значительно больше указанного значения, то на регулирующем клапане 3 образуется избыточный перепад давлений ΔР. Избыточный перепад давлений в такой системе не используется, что снижает ее энергоэффективность. Кроме того питание циркуляционных электронасосов 7 осуществляется от внешней электросети, что делает ТП полностью зависимым от работоспособности последней.
изб
г
и
м
г
и
м
ТП с независимым присоединением системы отопления к двухтрубной системе централизованного теплоснабжения, схема которого показана на фиг.2, имеет более высокую энергоэффективность по сравнению с рассмотренным ранее, т.к. в нем избыточный перепад давлений ΔР (избыточная гидравлическая энергия) в линии перепуска давления (рекуперации) преобразуется в полезную электрическую энергию посредством гидравлической турбины 8 (динамического насоса, работающего в турбинном режиме), и генератора. Более того, в таком ТП полученная электроэнергия при аварийном отключении внешней электросети может быть использована для автономного привода ЦЭН 7 через инвертор. Вместе с тем такая схема электропитания ЦЭН имеет низкий КПД: КПД генератора средней мощности η не превышает 85%, КПД инвертора (преобразователя напряжения) η не превышает 87%, а КПД асинхронного электропривода насоса η средней мощности не превышает 90%. Таким образом суммарный КПД цепи "генератор - мотор ЦЭН" η=η×η×η не превышает 66%. Кроме того такая цепь имеет невысокую надежность. Например, при вероятности безотказной работы равной 0,95 для каждого элемента цепи с учетом того, что в варианте с генератором переменного тока инвертор должен иметь последовательно связанные выпрямитель и преобразователь напряжения, суммарная вероятность безотказной работы всей цепи составит не многим более 0,77. И, наконец, несмотря на резервирование ЦЭН, наличие только одного аварийного источника энергии делает эту схему полностью зависимой от надежности системы рекуперации.
В заявленном ТП с независимым присоединением системы отопления к двухтрубной системе централизованного теплоснабжения, фрагмент схемы которого показан на фиг.3, линия перепуска давления (рекуперации) с двумя гидравлическими турбинами 8 смонтирована также как в наиболее близком аналоге на магистральном трубопроводе теплосети (см. фиг.2), но на обратном трубопроводе 5. Это позволяет снизить температурные нагрузки, действующие на конструкцию турбин 8, т.е. повысить их надежность. Кроме того, в отличие от аналога, ротор каждой турбины 8 кинематически связан не с генератором электрического тока, а с ротором циркуляционного электронасоса 7. Это позволило исключить из схемы электрическую цепь "генератор - мотор ЦЭН", имеющую низкий КПД и недостаточную надежность. Наконец, надежность этой схемы значительно выше надежности схемы аналога, т.к. здесь каждый ЦЭН имеет свой независимый аварийный привод.
Тепловой пункт с системой рекуперации избыточного магистрального давления, имеющий основной и резервный циркуляционные электронасосы системы отопления, присоединенной к теплосети по независимой схеме (фиг.4), согласно изобретению содержит линию перепуска давления, смонтированную на обратном трубопроводе 5 за теплообменным аппаратом 4 параллельно выходной магистральной задвижке 6 посредством двух технологических задвижек или кранов 10 и включающую две гидравлические турбины 8, параллельно связанные между собой через гидравлический переключатель 9, причем ротор каждой турбины кинематически связан только с одним ротором циркуляционного электронасоса системы отопления. В тепловом пункте вместо гидравлической турбины 8 может быть использован динамический насос, работающий в турбинном режиме, а в качестве гидравлического переключателя 9 - трехходовой кран. Тепловой пункт имеет контроллер 11 с источником бесперебойного питания 15, электрически связанный своими управляющими выходами с приводом гидравлического переключателя 9 и с приводом запорно-регулирующего устройства 12, смонтированного в линии перепуска давления параллельно гидравлическим турбинам 8. Тепловой пункт имеет как минимум два датчика давления 13 и 14, электрически связанные своими выходами с входами контроллера 11 и установленные в прямом трубопроводе 2 теплового пункта перед регулирующим клапаном 3 и в обратном трубопроводе 5 за теплообменным аппаратом 4.
Тепловой пункт работает следующим образом. При закрытой выходной магистральной задвижке 6 и открытых технологических задвижках 10 весь поток теплоносителя проходит через линию перепуска давления, распределяясь между блоком турбин 8 и запорно-регулирующим устройством 12. В блоке параллельных турбин 8 в зависимости от положения гидравлического переключателя 9 может работать только одна из двух турбин 8 (см. комбинации включения турбин на фиг.4). Крутящий момент с ротора работающей турбины 8 передается посредством вала на ротор только одного циркуляционного электронасоса 7. В свою очередь насос 7 обеспечивает циркуляцию вторичного теплоносителя в системе отопления через теплообменный аппарат 4 вне зависимости от наличия или отсутствия электропитания своего мотора. При необходимости контроллер 11 может посредством гидравлического переключателя 9 отключить одну турбину с электронасосом 7 и подключить другую турбину 8 с другим электронасосом 7. Работоспособность схемы управления при отсутствии внешнего электропитания обеспечивает источник бесперебойного питания 15. Таким образом обеспечивается заявленный технический результат - обеспечение повышение надежности системы отопления, в том числе и при аварийном отключении электропитания циркуляционных насосов.
Выходная мощность на валу гидротурбины 8 может быть недостаточной для полного удовлетворения закона регулирования отпуска тепла потребителям. Тогда в штатном режиме работы теплового пункта (при наличии электропитания) мотор электронасоса 7 восполнит нехватку энергии, подпитываясь от внешней электросети. В случае избытка мощности на валу гидротурбины 8 мотор электронасоса 7 самопроизвольно перейдет в режим генерации электрического тока и уже сам будет подпитывать внешнюю электросеть. Таким образом обеспечивается заявленный технический результат - значительное снижение потребления электроэнергии циркуляционными электронасосами в штатном режиме работы.
Задорно-регулирующее устройство 12, являясь исполнительным устройством, обеспечивающим дозированный перепуск теплоносителя мимо турбин 8, позволяет контроллеру 11, получающему информацию от датчиков давления 13 и 14, управлять режимом работы турбин 8 в зависимости от наличия и величины избыточного перепада давлений на основном оборудовании теплового пункта (на линии "регулирующий клапан 3 - теплообменный аппарат 4"). Технологические задвижки 10 необходимы для полного отключения системы рекуперации при ремонтных работах.