СИСТЕМА И СПОСОБ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
CENTRALISED HEAT SUPPLY SYSTEM AND METHOD

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к системам и способам централизованного теплоснабжения, использующим тепловые насосные установки.
Известна система централизованного теплоснабжения, состоящая из теплофикационной энергоустановки, включающей основной паросиловой контур, контур охлаждающей воды, контур первичной сетевой воды с водоподогревателями горячей воды и отопления и контур системы отопления с элеватором и теплонасосной установкой, размещенной на тепловых пунктах и подключенной по тракту обратной сетевой воды первичного контура к входу-выходу испарителя, а по тракту обратной воды системы отопления к входу-выходу конденсатора [патент RU 2095581, опубл. 10.11.1997]. Недостатком известной системы отопления является низкая степень использования энергии топлива для подогрева теплоносителя и отсутствие глубокой утилизации тепла уходящих газов, поэтому температура захоложенной обратной сетевой воды, поступившей в конденсатор турбины и вышедшей из него, не превышает в среднем 20°С и для ее нагрева до стандартной температуры, среднее значение которой при выходе из отопительных приборов в трубопровод обратной воды должно составлять 70°С, необходима дополнительная установка сетевого подогревателя и дополнительный отбор пара из турбины, что снижает объем вырабатываемой электроэнергии и абсолютный КПД системы.
Также известен способ централизованного теплоснабжения, согласно которому подогревают сетевую воду в сетевых подогревателях теплофикационных энергоустановок, подают горячую воду по подающему магистральному трубопроводу к системам отопления, охлаждают обратную сетевую воду и вторично подогревают воду системы отопления с помощью каскадной теплонасосной установки, размещенной на тепловом пункте, возвращают охлажденную воду по обратному магистральному трубопроводу в сетевые подогреватели и подогревают за счет теплоты конденсации отработавшего в турбине пара [патент RU 2266479, опубл. 20.12.2005]. Недостатком известного способа является невысокая степень использования энергии топлива для подогрева теплоносителя, отсутствие комплексной технологии утилизации тепла уходящих газов, очистки от продуктов горения, аккумулирования и сохранения полученного тепла.
В качестве прототипа приняты система и способ централизованного теплоснабжения, в которых использован технический принцип теплового насоса и относящегося к нему оборудования [патент CN 1587825A, опубл. 23.09.2004]. Система централизованного теплоснабжения содержит паровой котел с топочной камерой и газоходами, в которых расположены поверхности нагрева пара, замыкающиеся на подогреватели сетевой воды, контур сетевой воды, контур системы отопления с теплонасосной установкой, размещенной на тепловом пункте, выход конденсатора которой соединен с конечной ступенью теплоотдачи контура системы отопления, а выход испарителя которого соединен с контуром охлажденной сетевой воды, возвращаемой в систему. Согласно способу централизованного теплоснабжения в топочной камере котла сжигают топливо, в поверхностях нагрева, расположенных в топочной камере и газоходах котла, получают пар, который используют для выработки тепловой энергии, для получения которой в подогревателях сетевой воды подогревают паром сетевую воду и подают ее в контур системы отопления; прошедшую основную ступень теплоотдачи в контуре системы отопления воду охлаждают в испарителе теплового насоса, а теплотой, отбираемой от обратной сетевой воды, в конденсаторе теплового насоса нагревают воду, которую подают в контур системы отопления для прохождения конечной ступени теплоотдачи, при этом охлажденную обратную сетевую воду возвращают в контур сетевой воды. Недостатком известной системы и способа является невысокая степень использования энергии топлива и отсутствие глубокой утилизации тепла уходящих газов, загрязнение окружающей среды вредными выбросами, а также низкий уровень теплоотдачи потребителю и отсутствие средств аккумулирования и сохранения теплоносителя, сезонность его потребления.
Технической задачей, для решения которой предлагается данное устройство, является повышение степени использования энергии топлива для подогрева теплоносителя на основе комплексной технологии, включающей в себя глубокую, с использованием теплоты парообразования, утилизацию тепла уходящих газов, их дополнительную очистку от вредных выбросов, повышение уровня теплоотдачи потребителю, накопление и сохранение низкотемпературного теплоносителя, а также аккумулирование и сохранение высокотемпературного теплоносителя в межотопительный период, устранение сезонной цикличности его потребления.
Данная техническая задача решается предлагаемой системой централизованного теплоснабжения, содержащей паровой котел с топочной камерой и газоходами, в которых расположены поверхности нагрева пара, замыкающиеся через паровую турбину или напрямую на сетевые подогреватели, контур прямой и обратной сетевой воды, контур системы отопления с теплонасосной установкой, размещенной на тепловом пункте, выход конденсатора которой соединен с конечной ступенью теплоотдачи контура системы отопления, а выход испарителя которой соединен с контуром обратной охлажденной сетевой воды, возвращаемой для нагрева в сетевые подогреватели. Новым является то, что контур обратной охлажденной сетевой воды оборудован по меньшей мере одной скважиной для накопления в толще грунтов избыточной охлажденной сетевой воды, а для предварительного нагрева охлажденной сетевой воды теплом уходящих газов, с использованием теплоты парообразования, в газоходе котла дополнительно установлен сетевой экономайзер, а также, для аккумулирования в межотопительный период нагретой в сетевом экономайзере и/или подогретой в сетевых подогревателях сетевой воды, контур прямой сетевой воды оборудован по меньшей мере одним теплоизолированным водоемом. Дополнительный сетевой экономайзер может быть установлен в газоходе котла за пределами топочной камеры. Теплоснабжение потребителя будет осуществляться эффективнее, если контур системы отопления будет оборудован по меньшей мере тремя ступенями теплоотдачи. Первая ступень теплоотдачи может быть выполнена по традиционной схеме. Потребитель будет обеспечен теплом в полной мере, если вторая ступень теплоотдачи будет выполнена с измененным скоростным режимом движения воды в трубопроводе, и/или увеличенной поверхностью теплоотдачи и/или измененным типом отопительных приборов. Третья ступень теплоотдачи может быть выполнена с использованием воды, подогретой в конденсаторе теплонасосной установки обратной сетевой водой, прошедшей первую и вторую ступени теплоотдачи, а также с измененным скоростным режимом движения воды в трубопроводе и/или увеличенной поверхностью теплоотдачи и/или измененным типом отопительных приборов. Рабочий режим будет соблюдаться оптимально, если теплоэнергетическое оборудование, скважина, водоем и трубопроводы будут оснащены соответствующими насосами, запорно-переключательной и регулирующей арматурой. Предлагается способ централизованного теплоснабжения, согласно которому в топочной камере котла сжигают топливо, в поверхностях нагрева, расположенных в топочной камере и газоходах котла, получают пар, который используют для выработки электрической и/или тепловой энергии, и для получения последней в сетевых подогревателях подогревают паром прямую сетевую воду и подают ее в контур системы отопления, где прошедшую начальные ступени теплоотдачи в контуре системы отопления сетевую воду охлаждают в испарителе теплового насоса, а теплотой, отбираемой у обратной сетевой воды, в конденсаторе теплового насоса нагревают воду, которую подают в контур системы отопления для прохождения конечной ступени теплоотдачи, при этом обратную охлажденную сетевую воду возвращают для подогрева в сетевые подогреватели. Новым является то, что избыточную обратную охлажденную сетевую воду накапливают по меньшей мере в одной скважине в толще грунтов, а при расходовании охлажденную сетевую воду предварительно нагревают теплом уходящих газов, с использованием теплоты парообразования, в сетевом экономайзере, дополнительно установленном в газоходе котла, после чего нагретую в сетевом экономайзере и/или подогретую в сетевых подогревателях сетевую воду подают в контур системы отопления, а в межотопительный период аккумулируют по меньшей мере в одном теплоизолированном водоеме контура прямой сетевой воды. Теплоснабжение потребителя будет осуществляться в полной мере, если нагретую в сетевом экономайзере и/или подогретую в сетевых подогревателях сетевую воду будут подавать в контур системы отопления, где она будет проходить три ступени теплоотдачи. На первой ступени теплоотдачу можно осуществлять по традиционной схеме. Потребитель будет обеспечен теплом в достаточном количестве, если на второй ступени теплоотдачу будут осуществлять за счет изменения скоростного режима движения воды в трубопроводе и/или увеличения поверхности теплоотдачи и/или изменения типа отопительных приборов. На третьей ступени теплоотдачу можно осуществлять водой, подогретой в конденсаторе теплонасосной установки сетевой водой, прошедшей первую и вторую ступени теплоотдачи в контуре системы отопления, а также за счет изменения скоростного режима движения воды в трубопроводе и/или увеличения поверхности теплоотдачи и/или изменения типа отопительных приборов. Для выравнивания параметров лучше, если перед аккумулированием в теплоизолированном водоеме температуру подогретой в сетевых подогревателях сетевой воды будут понижать до температуры нагретой в сетевом экономайзере сетевой воды. Температуру подогретой в сетевых подогревателях сетевой воды можно понижать путем смешивания с обратной охлажденной сетевой водой. Система будет функционировать оптимально, если режим работы теплоэнергетического оборудования, скважины и теплоизолированного водоема, а также направление и скорость движения воды в трубопроводах будут регулировать соответствующими насосами, запорно-переключательной и регулирующей арматурой.
Изобретение поясняется графическими материалами. На чертеже показана принципиальная схема централизованного теплоснабжения от ТЭЦ, работающей на твердом топливе, с размещением теплонасосной установки на тепловом пункте контура системы отопления, а также скважины для накопления в толще грунтов обратной охлажденной сетевой воды, и теплоизолированного водоема для аккумулирования нагретой сетевой воды на территориях, прилегающих к ТЭЦ.
Предлагаемая система централизованного теплоснабжения включает в себя паровой котел 1 с топочной камерой и газоходами. В верхней части топочной камеры и на входе газохода котла 1 расположены поверхности нагрева в виде пароперегревателя 2, замыкающегося на паровую турбину 3. В нисходящей части газохода котла 1 между электрофильтром 4 и дымососом 5 расположен дополнительный сетевой экономайзер 6, предназначенный для предварительного нагрева обратной охлажденной сетевой воды теплом уходящих газов, с использованием теплоты парообразования. Турбина 3 содержит цилиндр высокого давления 7, цилиндр среднего давления 8, цилиндр низкого давления 9 и имеет механическое соединение с генератором электрического тока 10. Цилиндр низкого давления 9 замкнут на конденсатор 11 и на основной сетевой водоподогреватель 12, входящий в состав контура прямой сетевой воды. Цилиндр высокого давления 7 замкнут на пиковый сетевой водоподогреватель 13, также входящий в состав контура прямой сетевой воды. Контур системы отопления содержит три ступени теплоотдачи, где первая ступень 14 содержит традиционную схему отопления, вторая ступень теплоотдачи 15 содержит модернизированную схему отопления с увеличенным (до 30%) скоростным режимом движения воды в трубопроводе и/или увеличенной до (30%) поверхностью теплоотдачи отопительных приборов и/или измененным типом отопительных приборов, а третья ступень теплоотдачи 16 также содержит модернизированную схему отопления с теплоносителем, подогретой в конденсаторе теплонасосной установки 17 обратной сетевой водой, прошедшей первую 14 и вторую 15 ступени теплоотдачи в контуре системы отопления, а также с увеличенным (до 30%) скоростным режимом движения воды в трубопроводе и/или увеличенной до (30%) поверхностью теплоотдачи отопительных приборов и/или измененным типом отопительных приборов. Выход испарителя теплонасосной установки 17 соединен с контуром обратной охлажденной сетевой воды, который оборудован скважиной 18 для накопления в толще грунтов избыточной обратной охлажденной сетевой воды. Для аккумулирования в межотопительный период нагретой в сетевом экономайзере 6 и/или подогретой в сетевых подогревателях 12 и 13 сетевой воды контур прямой сетевой воды оборудован теплоизолированным водоемом 19. Все теплоэнергетическое оборудование, в том числе скважина 18, водоем 19 и трубопроводы, оснащены соответствующими насосами, запорно-переключательной и регулирующей арматурой.
Согласно предлагаемому способу централизованного теплоснабжения от ТЭЦ в топочной камере котла 1 сжигают твердое топливо, в поверхностях нагрева, выполненных в виде пароперегревателя 2, установленного в верхней части топочной камеры и на входе газохода котла 1 и омываемого горячими газами, получают пар, который подают в теплофикационную турбину 3, имеющую цилиндр высокого 7, среднего 8, низкого 9 давлений, механически связанным с генератором электрического тока 10. Отработавший пар от цилиндра низкого давления 9 сбрасывают в конденсатор 11, охлаждаемый циркуляционной водой, откуда конденсат вместе с питательной водой возвращают в котел 1. Регулируемый отбор пара из турбины 3 в сетевые водоподогреватели 12 и 13 производят в два этапа: на первом этапе пар от цилиндров низкого давления 9 подают на основной сетевой водоподогреватель 12, где сетевую воду подогревают до температуры 110°С, а на втором этапе пар от цилиндра высокого давления 7 подают на пиковый сетевой водоподогреватель 13, где сетевую воду подогревают до температуры 150°С. Подогретую прямую сетевую воду подают в контур системы отопления, где после прохождения первой ступени 14 теплоотдачи температуру воды понижают с 150°С до 70°С, после прохождения второй ступени 15 теплоотдачи температуру сетевой воды понижают с 70°С до 45°С. Прошедшую 14 и 15 ступени теплоотдачи в контуре системы отопления обратную сетевую воду при температуре 45°С охлаждают в испарителе теплового насоса 17 до температуры 5°С, а теплотой, отбираемой от обратной сетевой воды, в конденсаторе теплового насоса 17 нагревают воду до температуры 70°С, которую подают в контур системы отопления для прохождения конечной третьей ступени 16 теплоотдачи, после прохождения которой температуру воды понижают с 70°С до 45°С, а охлажденную до 5°С в испарителе теплонасосной установки обратную сетевую воду возвращают для подогрева в сетевые подогреватели 12 и 13. Избыточную обратную охлажденную сетевую воду накапливают в скважине 18 в толще грунтов, а при необходимости использования ее предварительно нагревают до температуры 95°С теплом уходящих газов с использованием теплоты парообразования в сетевом экономайзере 6, установленном в газоходе котла 1, после чего предварительно нагретую в сетевом экономайзере 6, а затем подогретую до температуры 150°С в сетевых подогревателях 12 и 13 сетевую воду подают в контур системы отопления. Нагретую сетевую воду также аккумулируют в теплоизолированном водоеме 19 контура прямой сетевой воды для использования в межотопительный период. Перед аккумулированием в теплоизолированном водоеме 19 температуру подогретой в сетевых подогревателях сетевой воды понижают до температуры нагретой в сетевом экономайзере сетевой воды путем смешивания с обратной охлажденной сетевой водой. Режим работы теплоэнергетического оборудования, скважины 18 и теплоизолированного водоема 19, а также направление и скорость движения воды в трубопроводах регулируют насосами, запорно-переключательной и регулирующей арматурой.
Глубокая комплексная утилизация тепла позволит, в зависимости от вида топлива, повысить степень использования энергии топлива на 8-22%, а аккумулирование тепла в зависимости от региона и типа электроцентрали может дополнительно увеличить ее на 37-61%.
св
св
св
св
св
св
св
св
с
нач
1с
1с
2с
2с
2c
ТНУ
ТНУ
3с
3с
3с
Пример. Тепло уходящих газов утилизируется с помощью сетевого экономайзера 6, установленного в нисходящем газоходе котла 1 между электрофильтром 4 и дымососом 5. При этом исходная температура сетевой воды составляет t'=5°С, что достигается применением теплонасосной установки в контуре системы отопления на третьей ступени 16 теплоотдачи. Тепло сетевой воды срабатывается потребителем тепла при максимальной тепловой нагрузке и температурном графике на первой ступени 14 теплоотдачи t /t'' =150°C/70°C по традиционной схеме. Тепловая доля потребителя на первой ступени 14 составляет α=0,55. Потребителем тепла на второй ступени 15 теплоотдачи тепло срабатывается при температурном графике t' /t'' =70°C/45°C за счет изменения скоростного режима и наращивания поверхности нагрева отопительных приборов. Тепловая доля потребителя на второй ступени 15 составляет α=0,17. Потребителем тепла на третьей ступени 16 теплоотдачи тепло отрабатывается при температурном графике t' /t'' =70°C/45°C за счет воды, подогретой теплотой, отбираемой в теплонасосной установке 17 у обратной сетевой воды, прошедшей первую 14 и вторую 15 ступени теплоотдачи в контуре системы отопления, а также за счет изменения ее скоростного режима движения в трубопроводе и увеличения поверхности нагрева отопительных приборов, с окончательным понижением температурного графика t' /t'' =45°C/5°C.Тепловая доля потребителя нам третьей ступени составляет α=0,28.
Вышеизложенное позволяет заключить о технической возможности и экономической целесообразности применения комплексной технологии, включающей в себя глубокую, с использованием теплоты образования, утилизацию тепла уходящих газов, их дополнительную очистку от золы, серы и окислов азота и аккумулирование полученного тепла.