СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
HEAT SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области теплоэнергетики и используется для получения чистого конденсата (обессоленной воды) из сетевой воды, с последующим использованием его для питания паровых котлов. Может быть использовано и в химической технологии для получения высококачественного конденсата.
На тепловых электростанциях (ТЭЦ) устанавливают паровые котлы, вырабатывающие пар для паровых турбин, и водогрейные котлы для теплоснабжения прилегающих населенных пунктов. Для паровых котлов высокого давления для восполнения потерь конденсата используют установки химического обессоливания воды или выпарные термические установки с поверхностями нагрева, использующие пар в качестве греющей среды.
Недостатками химического обессоливания воды являются: 1. Громоздкость и дороговизна фильтров и высокая стоимость реагентов (анионита, катионита, кислоты и соли для регенерации фильтров). 2. Загрязнение окружающей среды (отработанные реагенты - кислота, соляные растворы после регенерации фильтров сбрасываются в канализационную систему.
Недостатками термического обессоливания воды в поверхностных теплообменниках являются: 1. Использование пара, отбираемого из турбины в качестве греющего агента. Этот пар не используется полностью в турбине для получения электроэнергии. 2. Занос поверхностей нагрева испарителя со стороны испаряемой воды. 3. Громоздкость и большая металлоемкость испарителей. 4. Высокая стоимость.
Эти недостатки отсутствуют при генерировании пара из воды, перегретой выше температуры насыщения в центробежно-вихревом парогенераторе - ЦВП (например, см. авторское свидетельство СССР №1453113 «Парогененирующее устройство». ЦВП применен также в водогрейном котле, защищенным патентом РФ №2139475, и в патенте РФ №2090512 «Установка для перегонки жидкостей и выпаривания растворов»).
2
При генерации пара из воды центробежно-вихревым способом отсутствует унос влаги с паром и качество конденсата многократно превосходит качество конденсата, получаемого из пара паровых котлов. Этот конденсат можно использовать также для технологических целей при определенных технологиях, требующих повышенного качества конденсата (в нефтехимической промышленности, при производстве пороха и т.п). Парогенерирующим устройством является также центробежно-вихревой «Деаэратор (тепломассообменник)» (ЦВД), защищенный патентом РФ №2131555. Он является многофункциональным аппаратом и испытан на десятках объектов в качестве деаэраторов производительностью от 1 до 1200 т/ч деаэрированной воды. Вода, перегретая на 5-6°С выше температуры насыщения, подается в ЦВД, вскипает, охлаждается до температуры насыщения и генерирует пар, с которым удаляются и содержащиеся в воде газы. ЦВД рассчитываются обычно на выпар 10 кг на тонну деаэрируемой воды. Тысячекубовый атмосферный или вакуумный деаэратор генерирует 10 тонн в час пара с давлением 0,2 кгс/см. При увеличении перегрева воды количество пара может быть увеличено. При пропускании через ЦВП перегретой воды после водогрейного котла функция деаэрации воды от агрессивных газов отпадает, так как вода в теплосети уже деаэрирована.
В качестве прототипа выбран водогрейный котел малой мощности с центробежно-вихревым парогенераторм - ЦВП (см. Патент РФ №2139475). В патенте описана система теплоснабжения с водогрейным котлом и с отбором пара из сетевой воды при помощи ЦВП. Этот низкопотенциальный пар предназначен для собственных нужд котельной или технических целей. Эта система содержит прямой и обратный трубопроводы сетевой воды с циркуляционным насосом, водогрейный котел, трубопровод, ответвленный от циркуляционной системы котла и присоединенный к обратному трубопроводу, в рассечку которого установлены парогенератор центробежно-вихревой с отводящим паропроводом, промежуточная емкость, насос. На этом же ответвленном трубопроводе после ЦВП может быть установлен теплообменник - охладитель воды.
Недостатками прототипа являются:
2
1. Недостаточная температура нагрева воды в котле. В водогрейном котле-прототипе вода может нагреваться не выше 115°С. При давлении пара 0,2 кгс/см температура насыщения пара равна 104°C. Разность температур - ΔТ равна 11°C. Выпар составляет 1,8×11=19,8 кг на тонну воды, пропущенной через парогенератор. Для увеличения расхода генерированного пара необходима большая разность температур.
2. Регулирование уровня воды в промежуточной емкости осуществляется за счет перелива воды через переливную трубу, и бак соединен с атмосферой. Это вызывает утечку воды из системы и парение воды при температуре выше 100°C и потерю пара при отсутствии теплообменника между ЦВП и баком.
3. Отсутствие регулятора давления пара «до себя» на паропроводе после ЦВП. В зависимости от расхода пара меняется давление пара (при отсутствии разбора пара давление в ЦВП возрастает до давления, соответствующего температуре насыщения при температуре 115°C. Дельта Т становится равной нулю, и генерация пара прекращается. Температуры воды до и после ЦВП выравниваются. При останове насоса и переполнении промежуточной емкости за ЦВП вода может попасть в паропровод.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание надежной системы получения высококачественного конденсата (обессоленной воды) из контура отопления и горячего водоснабжения для использования его вне системы отопления и горячего водоснабжения (для питания паровых котлов). При этом получение обессоленной воды должно происходить без загрязнения окружающей среды и без расходования пара из системы парового котла и турбины (без потери мощности блока котел-турбина). Конденсат должен быть побочным продуктом без расходования дополнительной энергии пара от паровых котлов.
Указанная цель достигается тем, что в известной системе теплоснабжения, содержащей прямой и обратный трубопроводы сетевой воды с циркуляционным насосом, водогрейный котел, трубопровод, ответвленный от циркуляционной системы котла и присоединенный к обратному трубопроводу, причем в рассечку этого ответвленного трубопровода установлены парогенератор центробежно-вихревой с отводящим паропроводом, промежуточная емкость, насос. На этом же ответвленном трубопроводе после ЦВП может быть установлен (необязательно) теплообменник-охладитель воды. Кроме этого на паропроводе после ЦВП установлен регулирующий клапан с импульсом давления «до себя», позволяющий поддерживать постоянство давления в ЦВП и температуры воды после ЦВП. Если паропровод присоединен непосредственно к конденсатору турбины, то необходим клапан, перекрывающий паропровод в случае останова насоса для предотвращения попадания воды в паропровод.
Новым в предлагаемой системе является то, что центробежно-вихревой парогенератор содержит цилиндрический корпус с верхней и нижней торцевыми крышками, центробежный сепаратор, выполненный в виде обечайки и соединенный с внутренней частью корпуса посредством отверстий или тангенциальных патрубков, выполненных в нижней части корпуса, по меньшей мере, один тангенциальный патрубок подвода и, по меньшей мере, один патрубок отвода воды, патрубок отвода из сепаратора образовавшегося пара, проходящий через корпус, а паропровод от центробежно-вихревого парогенератора присоединен к конденсатору турбины или к другому теплообменнику-конденсатору пара, при этом на паропроводе установлен отсекающий клапан, перекрывающий паропровод воды в случае поступления в паропровод воды от водогрейных котлов, промежуточная емкость выполнена с регулируемым уровнем воды на трубопроводе воды между центробежно-вихревым парогенератором и насосом и, кроме того, она выполнена герметичной, способной выдержать давление воды, равное давлению в прямом сетевом трубопроводе, и установлена автоматика регулирования уровня в виде регулятора частоты вращения ротора на двигателе или в виде клапана на трубопроводе после насоса. Патрубок отвода из сепаратора образовавшегося пара имеет внутри корпуса отверстия для вывода части пара из полости корпуса. На паропроводе после центробежно-вихревого парогенератора установлен регулятор давления пара «до себя». В рассечку отводящего трубопровода до промежуточной емкости или после насоса установлен дополнительный теплообменник-охладитель. Подводящий патрубок теплообменника-конденсатора присоединен к обратному сетевому трубопроводу после сетевого насоса, а отводящий патрубок - к тому же трубопроводу до сетевого насоса.
Изобретение поясняется схемами.
На фиг.1 изображена схема теплоснабжения потребителя с выработкой пара и конденсата водогрейными котлами и центробежно-вихревым парогенератором.
На фиг.2, 3 - конструкция центробежно-вихревого парогенератора (ЦВП).
Система теплоснабжения содержит, как минимум, один водогрейный котел 1, сетевой насос 2, обратный и прямой сетевые трубопроводы 3 и 4 (от потребителей тепла до котлов и к потребителям), трубопровод перепуска 5 с регулирующим клапаном. Каждый водогрейный котел имеет рециркуляционный насос 6 для поддержания постоянства расхода воды через котлы и температуры воды за котлом при переменной температуре воды, поступающей к потребителю. Трубопровод 7 - ответвление от прямого трубопровода 4 после котла 1, к которому присоединен центробежно-вихревой парогенератор 8 (ЦВП). От ЦВП отведен сливной трубопровод 9, на котором может быть установлен (но не обязательно) теплообменник 10 (до промежуточной емкости 11 или после насоса 12), после которого - герметичная промежуточная емкость 11, способная выдерживать давление воды в прямом сетевом трубопроводе. За емкостью 11 установлен насос 12 (насос 12 должен быть оборудован регулятором частоты вращения двигателя (ЧРП) для поддержания уровня воды в емкости 11, или за насосом 12 должен быть установлен клапан-регулятор уровня воды в емкости 11). Трубопровод 13 соединяет насос 12 с обратным сетевым трубопроводом 3 до насоса 2. Трубопровод 14 отводит генерированный пар от ЦВП к теплообменнику-конденсатору 15 или к конденсатору турбины. На паропроводе 14 установлен клапан 16, регулирующий давление пара в ЦВП и температуру воды поле ЦВП (температура пара и воды равна и соответствует температуре насыщения пара при установившемся давлении). При присоединении паропровода к конденсатору турбины на паропроводе должен быть установлен автоматический клапан-отсекатель 16а, срабатывающий при остановке насоса 12 (при попадании воды в паропровод 14). Конденсатор-теплообменник 15 имеет трубопровод слива конденсата 17 с конденсатоотводчиком 18, а также подводящий трубопровод охлаждающей воды 19 и отводящий трубопровод нагретой охлаждающей воды 20, который может быть присоединен к обратному трубопроводу 3 теплосети. Цифрой 21 обозначен подпиточный насос теплосети.
Центробежно-вихревой парогенератор (ЦВП) содержит корпус 22 с верхней 23 и нижней 24 торцевыми крышками, как минимум один тангенциальный патрубок входа перегретой воды 25, кольцевую перегородку (шайбу) 26, выпускные окна 27 (или короткие тангенциальные патрубки), циклон (сепаратор) 28 с верхней кольцевой 29, с нижней 30 крышками и с тангенциальным патрубком 31 для выхода воды. Труба 32 отвода образовавшегося пара проходит внутри корпуса 22 через крышки 23 и 24. В трубе 32 внутри корпуса 22 имеются отверстия 33 для отвода части пара из корпуса 22.
2
2
Работа установки в атмосферном режиме осуществляется следующим образом. Нагретая в водогрейном котле вода с температурой 140-150°С по трубопроводу 7 поступает в ЦВП через тангенциальный патрубок 25 и приобретает вращательное движение с вертикальной границей раздела фаз. Давление вращающегося потока воды падает с уменьшением радиуса вращения воды. Происходит интенсивное парообразование через границу раздела фаз. Часть пара выходит через отверстия 23 в трубе 32, а часть пара вместе с водой устремляется в сепаратор 28 через окна или тангенциальные патрубки 27. В сепараторе пар и вода разделяются, и пар устремляется в трубу 32, а вращающийся поток воды - в тангенциальный патрубок (патрубки) 31. Клапан 16 - регулятор давления пара поддерживает постоянство давления пара в ЦВП. При полностью открытом клапане давление пара установится равным давлению в конденсаторе 15. Температура воды уменьшается до температуры насыщения пара. Например, если давление пара будет 0,7 кгс/см (1,7 ата), то температура пара и воды будет 114,57°С, если давление установить 0,2 кгс/см (1,2 ата), то температура пара и воды понизится до 104,25°С. Если же паропровод 14 присоединить к конденсатору турбины или к любому другому конденсатору (теплообменнику), присоединенному к эжектору, то давление в ЦВП можно поддерживать отрицательное (например, 0,3 ата, при температуре насыщения - 68,7°С). Тогда разность температур исходной и охлажденной в ЦВП воды увеличится, и возрастет и количество генерированного пара. Например: вода от котлов поступает в ЦВП с температурой 140°С и охлаждается за счет испарения до 104°C при давлении 1,2 ата и до 68,7°C при давлении 0,3 ата. Разность температур составит соответственно 36 и 71,3°C. Выпар (количество пара, полученного от каждой тонны воды, прошедшей через ЦВП) составит соответственно: 1,866×36=67 кг; 1,79×71,3=127,6 кг пара на каждую тонну воды, пропущенной через ЦВП (где 1,866 и 1,79 - удельный выпар, получаемый при вскипании воды при охлаждении на 1°С для давлений 1,2 и 0,3 ата). При пропускании через ЦВП 100 т/ч воды получим выпар соответственно: 67×100=6700 кг/ч для атмосферного парогенератора и 127,6×100=12760 кг/ч - для вакуумного парогенератора. ЦВП были испытаны на деаэрационных установках в атмосферном режиме при расходе воды до 1200 т/ч и в вакуумном режиме - на расходы воды до 600 т/ч, выдавали пар (выпар) в количестве 10 кг на тонну пропускаемой через него воды (больший выпар не требовался).
Использование предложенного центробежно-вихревого парогенератора и установка конденсатора на паропроводе после ЦВП позволяет получать в больших количествах конденсат (обессоленную воду) высокого качества (при центробежно-вихревом генерировании пара отсутствует унос влаги и вредных примесей с уносом) при малых капитальных затратах. Конденсат образуется как побочный продукт без затрат пара и тепла. По сравнению с химическим обессоливанием (анионитовые фильтры) при генерации пара в ЦВП отсутствуют сбросы в канализацию кислоты и солей, загрязняющих окружающую среду. По сравнению с термическим обессоливанием в выпарных установках - отсутствие потребления греющего пара и снижение металлоемкости.
Установка на паропроводе после ЦВП регулятора давления пара «до себя» позволяет поддерживать постоянство расхода пара и температуры отработанной воды за ЦВП независимо от снижения давления (вакуума) в паропроводе перед конденсатором.
Установка теплообменника на трубопроводе отработанной воды после ЦВП позволяет использовать тепло этой воды для собственных нужд котельной.
Включение охлаждающей части теплообменника-конденсатора пара в циркуляционную систему теплоснабжения позволяет использовать его в качестве дополнительного источника нагрева сетевой воды.
Установка отсекающего клапана на паропроводе перед конденсатором турбины позволяет предотвратить попадание сетевой воды в конденсатор (сетевая вода не соответствует требуемому качеству).
Установка на трубопроводе отработанной воды после ЦВП герметичной промежуточной емкости, подведомственной котлонадзору (вместо соединенной с атмосферой), позволяет предотвратить потери пара в атмосферу, а установка регулятора уровня в этом баке при помощи ЧРП или клапана после насоса 12 позволяет поддерживать постоянство уровня в баке и предотвратить разрыв струи воды и остановку насоса.