ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и предназначено для одновременной выработки тепловой и электрической энергии. При этом в качестве топлива в генерирующих установках используется возобновляемая энергия биогаза - продукта обработки осадка сточных вод. Теплоэнергетическая установка интегрирована в существующую стандартную схему теплоэнергетического снабжения очистных сооружений, одновременно обеспечивая повышение надежности энергоснабжения очистных сооружений. Вместе с тем, выработанная электрическая энергия может замещать соответствующий потребный для работы очистных сооружений объем энергии и снижает нагрузку на энергосистему, например, муниципального образования.
Известна комбинированная система для одновременного производства тепловой и электрической энергии на основе водогрейной котельной установки (патент РФ №2261335, F01K 7/12, опубл. 2005.09.27), состоящая из водогрейного котла, системы теплоснабжения потребителей с сетевым насосом и линии подпиточной воды, при этом комбинированная система снабжена двигателем Стирлинга с электрогенератором на основном валу, промежуточным контуром нагрева, состоящим из компрессора и теплообменника, расположенного на дымоходе котельной установки, при этом промежуточный контур проходит через нагреватель двигателя Стирлинга, а линия подпиточной воды проходит через холодильник двигателя Стирлинга.
Недостатком данного изобретения является то, что для выработки тепловой и электрической энергии используется установка, работающая только на основе двигателя Стирлинга, используемого в котельных мини-ТЭС, что не позволяет использовать данное изобретение с двигателями, работающими на иных принципах.
Известна также теплоэнергетическая установка для утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя (см. патент РФ №2266414, МПК F02C 6/18, F01K 23/10, опубл. 2005.12.20), содержащая теплопроизводящую систему, энергопроизводящую систему и систему автоматизированного управления и регулирования работы. Данное изобретение является наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели и принимается за прототип.
Недостатком такой системы является то, что она ориентирована только на утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинных двигателей и не предусматривает утилизацию возобновляемого источника энергии, например, биогаза.
Целью полезной модели является создание теплоэнергетической установки, работающей на биогазе с низкой теплотворной способностью и высоким содержанием углекислого газа, сероводорода и влажности.
Цель полезной модели достигается тем, что тепловая энергия, получаемая при утилизации теплоты выхлопных газов и охлаждения двигателей внутреннего сгорания газопоршневых установок используется для нагрева осадка сточных вод, в результате этого процесса вырабатывается биогаз, который используется в качестве топлива теплоэнергетической установки.
Система замкнутого контура теплоэнергетической установки полностью автоматизирована, согласована с работой внешних электрических сетей и существующей котельной.
Теплоэнергетическая установка состоит из следующих основных блоков (см. блок-схему на фиг.1):
1. Блок метантенков и газопроводов.
2. Блок газгольдеров.
3. Блок очистки и компремирования биогаза.
4. Блок газопоршневых двигателей с электрогенераторами.
5. Блок теплообменников.
6. Блок парогенераторов.
7. Блок деаэрации и химводоподготовки.
8. Блок газоходов и дымовых труб.
9. Паровая гребенка.
10. Электрическое распределительное устройство.
11. Трубопровод с перекрывным вентилем для подачи биогаза из блока 2 в блок 3.
12. Компрессор для подачи очищенного биогаза.
13. Регулятор давления подачи очищенного биогаза к блоку 4.
14. Трубопровод с перекрывным вентилем для отвода воды из блока 5 в блок 1.
15. Насос для подачи водяного охлаждения к блоку 4.
16. Трубопровод с перекрывным вентилем и обратным клапаном.
17. Трубопровод с перекрывным вентилем для отвода воды из блока 4 в блок 5.
18. Трубопровод с перекрывным вентилем для подачи нагретого канализационного осадка из очистных сооружений в блок 1.
19. Трубопровод с перекрывным вентилем для подачи вырабатываемого пара от гребенки 9 к метантенкам 1.
20. Трубопровод с перекрывным вентилем для подачи вырабатываемого пара на газораспределительную гребенку 9.
21. Трубопровод для отвода дымовых газов от блока 4 к блоку 6.
22. Вентиль перекрытия специально подготовленной воды, предварительно прошедшей через блок деаэрации и химической подготовки 7.
23. Вентиль перекрытия воды, подаваемой в блок 7.
24. Магистраль подвода оборотной воды к блоку 4.
25. Магистраль отвода оборотной воды от блока 4.
Как показывает опыт промышленного применения теплоэнергетической установки, в процессе очистки сточных вод на очистных сооружениях образуется около 18 тыс. куб. м/сутки жидкого осадка (около 6,5 млн. куб. м/год). Весь образующийся осадок подвергается сбраживанию в метантенках 1 при температуре около 53°С, в результате чего вырабатывается биогаз, содержащий около 65% метана.
В отличие от традиционных газопоршневых установок, использующих природный газ высокой теплотворной способности (~ 8100 ккал/нм3), газопоршневые двигатели предлагаемой установки работают на биогазе с низкой теплотворной способностью (~ 5100 ккал/нм3) и высоким содержанием углекислого газа и влажности.
Биогаз, образовавшийся в метантенках 1, по газовой сети КОС поступает в газгольдеры 2, а затем на установку его очистки и компремирования 3 (компрессор 12, регулятор давления 13). Первая стадия очистки биогаза предусматривает удаление сероводорода. Вторая стадия предусматривает удаление неуглеводородных органических соединений, в том числе кремния (силоксаны), которое производится в процессе адсорбции в колонне, загруженной активированным углем (на фиг.1 условно не показана).
Очищенный биогаз через автоматику регулирования 13 поступает блок 4 к газопоршневым двигателям, где утилизируется.
Блок 4 работает в режиме когенерации газопоршневых двигателей электрогенераторами с одновременным производством тепловой и электрической энергии. Как показывает опыт, суммарная электрическая мощность электрогенераторов составляет ~ 10 МВт. Производимая электроэнергия через сеть среднего напряжения и распределительное устройство 10 направляется на трансформаторные подстанции и далее к потребителям.
Тепловая энергия, вырабатываемая в блоке 4, состоит из двух потоков:
1. Тепло отходящих дымовых газов.
2. Тепло от охлаждения газопоршневых двигателей.
Отходящие дымовые газы 21, имеющие температуру 450-470°С, поступают на парогенераторы 6. В них теплота дымовых газов преобразуется в энергию пара, затем выхлопные газы удаляются дымовыми трубами 8. Для выработки пара подается специально подготовленная вода 22, предварительно прошедшая через установки деаэрации и химической подготовки 7. Вырабатываемый пар 20 через распределительную гребенку 9 подается на инжекторы метантенков 1. Такой способ утилизации тепловой энергии отходящих газов выбран для того, чтобы сохранить существующую на КОС систему обогрева метантенков острым паром.
В ходе работы осуществляется с помощью насоса 15 водяное охлаждение газопоршневых двигателей блока 4 оборотной водой через магистрали 24 и 25. После отбора тепловой энергии от агрегатов нагретая вода подается в наружный канал теплообменника типа «труба в трубе» 5, куда во внутреннюю трубу подается нагреваемый осадок 18, подающийся в метантенки (по выбору может пропускаться или первичный осадок, или избыточный ил обоих блоков очистных сооружений).
Предлагаемая теплоэнергетическая установка обеспечивает электроэнергией около 50% ее основных технологических потребителей и около 30% потребностей установки в тепловой энергии. Схема подключения дает возможность успешно интегрировать энергетические потоки предлагаемой теплоэнергетической установки в существующий энергетический баланс потребителя, обеспечивая повышение надежности энергоснабжения и наиболее эффективное использование биогаза.
Предлагаемая теплоэнергетическая установка является эффективным решением по утилизации биогаза с применением режима когенерации тепловой и электрической энергии.
Цель предлагаемой полезной модели достигается тем, что тепловая энергия, получаемая при утилизации теплоты выхлопных газов и охлаждения газопоршневых двигателей используется для нагрева осадка сточных вод, в результате этого процесса вырабатывается биогаз, который используется в качестве топлива для теплоэнергетической установки.
Предлагаемая теплоэнергетическая установка обеспечивает существенное повышение надежности энергоснабжения очистных сооружений, снижает нагрузка на городскую энергосистему, что позволяет переориентировать соответствующую мощность для решения градостроительных задач.
Использование возобновляемого источника энергии - биогаза способствует повышению энергетической и экологической эффективности работы очистных сооружений.
Кроме того, перевод метантенков на подогрев горячей водой (частично) позволит сократить подачу в метантенки острого пара, что положительно скажется на процессе метанового сбраживания.
Размещение теплоэнергетической установки в непосредственной близости от электрических потребителей очистных сооружений исключает необходимость строительства протяженных электрических и тепловых сетей, что дает значительную экономическую выгоду.