Способ работы водогрейной котельной
OPERATING METHOD OF HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к области тепловой энергетики и предназначено для использования в коммунальном хозяйстве для утилизации снега и льда.
Одними из источников теплоснабжения, в городской черте, являются котельные, работающие только в отопительный период. Это, так называемые, сезонные котельные, состоящие преимущественно из водогрейных котлов. Эти котлы спроектированы для работы на двух видах топлива: природный газ и мазут. Известно, что при работе котлов на жидком топливе, во избежание опасности снижения температуры уходящих газов ниже точки росы, эта температура должна составлять 110°С-120°С. По этой причине, а также в силу ряда других обстоятельств, температура уходящих газов водогрейных котлов, входящих в состав этих котельных намного превышает 100°С. Вместе с тем, также известно, что отопительные котельные, работающие в черте города, потребляют только природный газ, точка росы, которого находится на уровне 50°С-60°С. Таким образом, в уходящих газах водогрейных котлов, работающих в составе сезонных котельных, содержится определенное количество неиспользованной теплоты, которую можно было направить на утилизацию снежной массы, после внесения ряда изменений в технологию работы схемы водогрейного котла, что и является предметом заявляемого изобретения.
Известна схема с водогрейными котлами [Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки, М., Стройиздат, 1986, с. 406-407, рис. 10.3], включающая водогрейный котел, с отводом уходящих газов на дымовую трубу, и вспомогательное оборудование. В данной схеме вода из обратной линии тепловой сети смешивается с подпиточной водой, и сетевым насосом подается в водогрейный котел. Поток горячей воды на выходе из водогрейного котла разделяется на две части: одна часть теплоносителя направляется в подающую линию тепловой сети, а другая часть проходит через элементы контура подпитки теплосети и смешивается с сетевой водой после сетевого насоса. Сырая вода из водопровода с помощью подпиточного насоса направляется в линию подпитки теплосети. Уходящие из котла дымовые газы через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.
Недостатком в данной схеме является отсутствие использования теплоты уходящих газов водогрейного котла для повышения энергетической эффективности работы котельной вообще, и возможности ее применения для утилизации снежной массы, в частности.
Известна стационарная снегоплавильная установка циркуляционного типа [Патент, на полезную модель №129945, МПК Е01Н 5/10. Стационарная снегоплавильная установка циркуляционного типа / Моисеев В.И., Тувальбаев Б.Г.], применяемая для утилизации снежно-ледовой массы, полученной при очистке городских территорий. Представляет собой канал прямоугольного сечения с местными технологическими углублениями, гидротехническими и механическими устройствами. Основным источником энергии для предлагаемой полезной модели служит тепловая энергия циркуляционной воды, отводимой от конденсационной установки ТЭС в окружающую среду, и/или нагретые сбросные технологические воды энергетического или промышленного предприятия. Данная полезная модель позволяет полностью исключить эксплуатационные затраты, связанные с приобретением и использованием ископаемого топлива для утилизации снего-ледовой массы; значительно сократить выбросы вредных веществ в атмосферу; добиться экономии тепловой энергии питающего источника, за счет увеличения теплофикационной нагрузки ТЭЦ или теплофикационной котельной; существенно ускорить процесс утилизации (таяния) снего-ледовой массы; значительно сократить эксплуатационные затраты, связанные с транспортировкой теплоносителя или топлива к месту утилизации снего-ледовой массы; исключить использования дорогостоящих городских земель для размещения снегоплавильных пунктов.
Однако данная модель применима только при использовании в качестве тепловой энергии сбросных вод энергетических и промышленных предприятий и не пригодна для использования избыточной теплоты, содержащейся в уходящих газах водогрейных или энергетических котлов
Известна стационарная снегоплавильная установка на базе ТЭЦ [Патент на полезную модель №165483, МПК Е01Н 5/10. Стационарная снегоплавильная установка на базе ТЭЦ / Замалеев М.М., Шарапов В.И., Губин И.В., Павлов В.А., Япаров И.В.], которая содержит снегоплавильную камеру с поверхностным теплообменником. Входной патрубок поверхностного теплообменника стационарной снегоплавильной установки подключен по греющей среде к трубопроводу обратной сетевой воды между сетевым насосом первого подъема и регулятором расхода, а выходной патрубок поверхностного теплообменника стационарной снегоплавильной установки подключен по греющей среде к трубопроводу обратной сетевой воды между регулятором расхода и нижним сетевым подогревателем, при этом снегоплавильная камера стационарной снегоплавильной установки выполнена с возможностью подключения в летний период к трубопроводу ливневой канализации для подачи дождевой воды с территории теплоэлектроцентрали.
Однако данная модель снегоплавильной применима на базе ТЭЦ, и использует теплоту только обратной сетевой воды, и не пригодна для использования избыточной теплоты, содержащейся в уходящих газах водогрейных или энергетических котлов.
Известна пиковая водогрейная котельная [Патент на изобретение №2184311, МПК F22D 1/00. Пиковая водогрейная котельная / Шарапов В.И., Орлов М.Е., Ротов П.В.], которая содержит водогрейный котел, включенный в сетевой трубопровод, вакуумный деаэратор подпиточной воды с трубопроводами исходной воды, греющего агента и деаэрированной подпиточной воды, последний из которых подключен к сетевому трубопроводу, трубопровод греющего агента, при этом, подключен к вакуумному деаэратору через расположенный в газоходе водогрейного котла первый по ходу уходящих газов поверхностный теплообменник, а трубопровод исходной воды подключен к вакуумному деаэратору через расположенный в этом газоходе второй по ходу уходящих газов поверхностный теплообменник. В данном способе работы водогрейной котельной теплота уходящих газов используется для подогрева греющего агента и исходной воды в поверхностных теплообменниках. Это позволяет отказаться от использования сетевой воды для подогрева исходной воды перед деаэратором, обеспечить необходимый температурный режим вакуумной деаэрации, путем утилизации теплоты уходящих газов.
Однако в данном способе теплота уходящих газов не используется для утилизации снежно-ледовой массы, полученной при очистке городских территорий.
Известна комбинированная система на базе водогрейной котельной [Патент на изобретение №2261335, МПК F01K 7/12. Комбинированная система для одновременного производства тепловой и электрической энергии на основе водогрейной котельной установки / Кириллов Н.Г., Ковалев В.В.], которая содержит водогрейный котел, систему теплоснабжения потребителей с сетевым насосом и линией подпиточной воды, двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, промежуточный контур подогрева, расположенный в дымоходе котельной установки, при этом промежуточный контур проходит через нагреватель двигателя Стерлинга, а линия подпиточной воды проходит через холодильник двигателя Стирлинга.
Осуществление данного изобретения позволяет выработать дополнительную электрическую энергию, снизить стоимость и повысить эффективность работы теплоэнергетической системы при переводе водогрейной котельной в мини-ТЭЦ.
Однако, в данной комбинированной системе на базе водогрейной котельной, теплота уходящих газов через теплообменник используется только для привода двигателя Стирлинга и выработки электроэнергии, и не используется для утилизации снежно-ледовой массы, полученной при очистке городских территорий.
Известна тепловая схема водогрейной котельной [Патент на полезную модель №158799, МПК F22B 33/18. Тепловая схема водогрейной котельной / Банников А.В., Васильев С.В.], которая содержит водогрейный котел, соединенный с подающим и обратным трубопроводами сетевой воды системы теплоснабжения, сетевой и рециркуляционный насос, систему подготовки подпиточной воды, контур низкокипящего рабочего агента, включающий турбину с электрогенератором, теплообменник-испаритель, конденсатор и питательный насос. Уходящие из котла дымовые газы направляются в теплообменник-испаритель, дополнительно встроенный в газоход котла, где осуществляется подогрев, парообразование и перегрев низкокипящего рабочего агента, который затем направляется в турбину с электрогенератором для производства электроэнергии.
Осуществление данной схемы водогрейной котельной позволяет обеспечить повышение энергетической эффективности работы котельной, за счет утилизации теплоты уходящих газов и теплоты конденсации рабочего агента в конденсаторе.
Однако в данной полезной модели теплота уходящих газов водогрейного котла используется только для подогрева низкокипящего рабочего агента в теплообменнике-испарителе, направляемого в турбину для выработки электроэнергии, и так же не используется для утилизации снежно-ледовой массы, полученной при очистке городских территорий.
Технической проблемой заявляемого технического решения является необходимость разработки способа работы водогрейной котельной, позволяющего использовать теплоту уходящих газов для плавления снежной массы без дополнительных затрат на топливо.
Технический результат заключается в использовании теплоты уходящих газов для плавления снежной массы без дополнительных затрат на топливо.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе работы водогрейной котельной поток горячей воды на выходе из водогрейного котла разделяют на две части: одну часть теплоносителя направляют в подающую линию тепловой сети в количестве необходимом для покрытия тепловой нагрузки потребителя, а другую часть направляют через элементы контура подпитки теплосети и смешивают с сетевой водой после сетевого насоса, уходящие из котла дымовые газы направляют в снегоплавильную установку, в которой происходит утилизация снежной массы за счет использования избыточной теплоты, содержащейся в уходящих газах водогрейного котла.
Изобретение поясняется чертежом: фиг. - способ работы водогрейной котельной.
Тепловая схема водогрейной котельной включает водогрейный котел 1, соединенный с подающим и обратным трубопроводами сетевой воды системы теплоснабжения; сетевой насос 2 и рециркуляционный насос 12; систему подготовки подпиточной воды, линию подвода газа к котлу 13 и линию подвода воздуха к котлу 14; снегоплавильную установку 15, соединенную посредством трубопровода 17 и насоса талой воды 22 с трубопроводом сырой воды, а также соединенную с линией слива талой воды к очистным сооружениям 16; байпас уходящих газов 19; дымовую трубу 20.
Система подготовки подпиточной воды содержит насос сырой воды 3; подогреватель сырой воды 4; фильтры химочистки 5; подогреватель химочищенной воды 6; вакуумный деаэратор 7; охладитель выпара 8; водоструйный эжектор 9; расходный бак 10; насос подачи воды к эжектору 11 и подпиточный насос 18.
Способ работы водогрейной котельной осуществляют следующим образом.
Воду из обратной линии тепловой сети смешивают с подпиточной водой, и сетевым насосом подают в водогрейный котел 1. Поток горячей воды на выходе из водогрейного котла 1 разделяют на две части: одну часть теплоносителя направляют в подающую линию тепловой сети, а другую часть направляют через подогреватель химочищенной воды 6, затем через подогреватель сырой воды 4 и с помощью рециркуляционного насоса 12 подают в контур сетевой воды в трубопровод после сетевого насоса 2.
Сырую воду из водопровода с помощью подпиточного насоса 3 нагревают потоком горячей воды из водогрейного котла 1 в подогревателе сырой воды 4, химически очищают в фильтре 5, и далее разделяют на два потока. Один поток нагревают в подогревателе химочищенной воды 6 частью горячей воды из водогрейного котла 1, другой поток направляют в охладитель выпара 8.
Паровоздушную смесь из деаэратора 7 направляют в охладитель выпара 8, где водяные пары конденсируют и направляют обратно в колонку деаэратора 7.
Вакуум в деаэраторе создают водо-водяным эжектором 9, в контур которого включен бак 10 и насос 11.
После деаэратора 7 подпиточную воду с помощью подпиточного насоса 18 направляют в трубопровод обратной сетевой воды до сетевого насоса 2.
Уходящие из котла дымовые газы в отопительный период, сопровождаемый выпадением большого количества снега, по газоходу 21 направляют в снегоплавильную установку 15, в которой происходит утилизация снежной массы за счет использования избыточной теплоты, содержащейся в уходящих газах водогрейного котла, и далее через дымовую трубу выбрасывают в атмосферу. В неотопительный период уходящие из котла дымовые газы по байпасному газоходу 19, минуя снегоплавильную установку 15, направляют в дымовую трубу 20. Для удаления мусора конструкция снегоплавильной установки предполагает наличие специальной решетки.
Талую воду, образовавшуюся в результате таяния снежной массы, загруженной в снегоплавильную установку, на выходе из снегоплавильной установки разделяют на два потока. Один поток посредством линии слива талой воды 16 направляют к очистным сооружениям ливневой канализации, другой поток с помощью насоса талой воды 22 направляют в трубопровод сырой воды до насоса сырой воды 3.
Уменьшение количества талой воды, направляемой к очистным сооружениям ливневой канализации позволит снизить экологическое воздействие от котельной в виде платежей за загрязнение окружающей среды. Дело в том, что сброс талой воды в ливневую городскую канализацию сопровождается платой за загрязнение гидросферы [Федеральный закон от 10.01.2002 №7-ФЗ (ред. от 29.07.2018) "Об охране окружающей среды". Статья 16. Плата за негативное воздействие на окружающую среду].
В качестве примера рассмотрим способ работы водогрейной котельной со снегоплавильной установкой. В таблице 1 представлены исходные данные оборудования, принятые для расчета.
В таблице 2 представлены результаты расчета тепловой схемы водогрейной котельной при использовании теплоты уходящих газов для таяния снежной массы в снегоплавильной установке.
Из таблицы 2 видно, что при снижении температуры уходящих газов от 160°С до 100°С выделяется количество теплоты в количестве 921,08 кДж/кг. Использование этого количества теплоты позволит растопить снежную массу, за 120 суток работы снегоплавильной установки, в количестве 37819,3 т. Это, в свою очередь, высвободит определенное количество грузового автотранспорта, который должен был использоваться для перевозки снега.
Плата за сброс талой воды в ливневую канализацию составит 11,346 млн. руб. Если использовать талую воду вместо части сырой воды, направляемой для подпитки теплосети, плата за сброс талой воды в ливневую канализацию снизится на 33% и составит 7,634 млн. руб.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять:
- утилизацию снежной массы в снегоплавильной установке на базе водогрейной котельной за счет использования избыточной теплоты, содержащейся в уходящих газах водогрейного котла, без дополнительных затрат, связанных с приобретением и использованием ископаемого топлива;
- уменьшить экологическое воздействие от снегоплавильной установки на ливневую городскую канализацию;
- сократить эксплуатационные затраты, связанные с использованием грузового автотранспорта при транспортировке снега на снегоотвалы либо с использованием специальных снегоплавильных установок для плавления снега;
- исключить использования дорогостоящих городских земель для размещения снегоплавильных пунктов.