СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ЕЕ РАБОТЫ
HEAT SUPPLY SYSTEM AND ITS OPERATION ARRANGEMENT METHOD

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах централизованного теплоснабжения объектов и процессов коммунальной, энергетической, химической и иных отраслей промышленности, использующих для теплогенерации химические виды природных и искусственных топлив.
Известна система теплоснабжения и способ ее осуществления (патент RU №2095581 С1, МПК F01K 17/02, 1993). Система теплоснабжения содержит теплофикационную установку, включающую основной паросиловой контур, конденсатор турбины, контур охлаждающей воды, контур первичной сетевой воды (прямую и обратную магистрали) и потребителя тепла, в роли которого выступают водоподогреватели горячей воды и отопления, и контур системы отопления с элеватором. Система теплоснабжения снабжена теплонасосной установкой, размещенной на тепловых центральных и местных пунктах, причем теплонасосная установка подключена по тракту обратной сетевой воды первичного контура (обратной магистрали) к входу-выходу испарителя, а по тракту обратной воды системы отопления (вторичного контура) к входу-выходу конденсатора теплового насоса с установкой регулирующих задвижек на соответствующих трактах.
Способ теплоснабжения, осуществленный в вышеуказанной системе, включает частичный нагрев охлажденной воды обратной магистрали теплом циркуляционной воды конденсаторов турбин с последующим догревом ее до температуры прямой магистральной воды за счет сжигания в котле дополнительного количества топлива. Нагретая вода по прямой магистрали подается к промежуточным теплообменникам потребительского контура. Обратная сетевая магистральная вода после теплообменника охлаждается в испарителях теплонасосной установки и направляется на ТЭЦ при пониженной температуре. Тепло, отобранное от обратной сетевой (магистральной) воды нагревает в конденсаторе теплонасосной установки обратную домовую воду вторичного контура. Последняя, в смеси с водой, нагретой прямой магистральной водой в водонагревателе отопления, подается в качестве прямой домовой воды вторичного контура для теплоснабжения потребителя.
Недостатком этой системы теплоснабжения и способа ее осуществления является необходимость излишне глубокого охлаждения (примерно до 20°С) обратной магистральной воды и ограничение степени ее повторного нагрева утилизированным теплом температурой примерно 35°С, что соответствует обычным уровням температуры циркводы на входе и выходе из конденсатора паровой турбины. Дальнейший нагрев обратной сетевой (магистральной) воды происходит, как уже отмечено, за счет сжигания дополнительного количества топлива в котле.
К другим недостаткам можно отнести свойственные всем используемым в настоящее время системам теплоснабжения большие тепловые потери в прямой магистрали, транспортирующей воду с температурой, равной или выше температуры прямой домовой воды.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе теплоснабжения является принципиальная схема теплоснабжения от ТЭЦ и теплонасосной установки и способ ее осуществления (Андрющенко А.И., Аминов Р.З. и Хлебалин Ю.М. «Теплофикационные установки и их использование», М.: Высшая школа, 1989, с.233-235, рис.8.2).
Схема теплоснабжения с частичным использованием теплоты обратной сетевой воды включает конденсатор турбины, основные сетевые подогреватели воды, питаемые паром отборов турбины, комплекс потребителя тепла и расположенную в непосредственной близости от него теплонасосную установку, а также прямую и обратную транзитные магистрали.
Способ теплоснабжения, реализованный в вышеуказанной принципиальной схеме теплоснабжения от ТЭЦ и теплонасосной установки, характеризуется, как и в обсуждаемом выше аналоге, лишь частичным использованием теплоты циркуляционной воды и предусматривает дальнейший нагрев охлажденной обратной магистральной воды за счет сжигания в теплогенераторе дополнительного топлива. Нагретую воду по прямой магистрали подают потребителям тепла. Обратная домовая вода от потребителя разделяется перед теплонасосной установкой на два потока. Первый поток охлаждается в испарителе теплонасосной установки и направляется на ТЭЦ при пониженной температуре в качестве обратной сетевой воды. Второй поток обратной домовой воды нагревается в конденсаторе теплонасосной установки отобранным от первого потока теплом и подается потребителям тепла. Поступившая на ТЭЦ охлажденная обратная сетевая вода, низкая температура которой (~20°С) задается уровнем температуры циркуляционной воды на входе в конденсатор турбины, нагревается последовательно в нескольких теплообменниках сначала утилизируемым теплом циркводы (≤35°), а затем догревается за счет недовыработавшего электроэнергию тепла теплогенератора в подогревателях сетевой воды паром из отборов турбины до уровня, обеспечивающего, с учетом тепловых потерь в прямой магистрали, температуру на входе в комплекс потребителя тепла.
Недостатками этой принципиальной схемы теплоснабжения и способа ее реализации, как и описанного выше аналога, являются большие тепловые потери в прямой магистрали, фиксированная нерационально высокая теплопроизводительность и необходимость сжигания в котле дополнительного топлива для генерации большей части тепла, затрачиваемого на повторный нагрев охлажденной воды обратной магистрали. Эта система, как и ранее рассмотренная, имеет ограниченное применение и не может быть использована при работе с теплоисточником, не включающим в свой состав паровые турбины. Как отмечено авторами обсуждаемого решения, эта схема теплоснабжения приобретает экономические преимущества перед известными схемами теплоснабжения только при удалении потребителей тепла от ТЭЦ на 15 и более километров, что, по-видимому, связано с низкой долей утилизируемого тепла.
Существенный недостаток систем-аналогов заключается в невозможности их реализации для случаев, когда в качестве энергоисточников используются промышленные или коммунальные котельные и иные источники, на которых не предусмотрена выработка электрической энергии, а также и для ТЭЦ с противодавленческими турбинами, хотя, как известно, перечисленные энергопредприятия поставляют существенную (большую) часть потребляемой производством и бытом теплофикационной энергии.
i
r
Известны способы и устройства, обеспечивающие утилизацию тепла уходящих газов топливных теплогенераторов путем глубокого (ниже температуры конденсации содержащихся в них водяных паров) охлаждения этих газов с последующим обеспечением защиты газового тракта (патент RU №2262037 С2, МПК F22K 1/18, 2002 г.). Упомянутое и аналогичные решения дают принципиальную возможность снизить потери тепла с уходящими газами теплогенераторов путем доохлаждения этих газов до 25…35°С, не только уменьшая количество потерь с теплоемкостным теплом недоохлажденных компонентов уходящих газов, но и привлекая дополнительно, от 3…8% для твердых топлив до 15% при использовании природного газа (проценты сверх 100% Q ), тепло конденсации водяного пара.
Осложняющим обстоятельством, ограничивающим объем применения этих решений, является практическое отсутствие на энергопредприятии и в непосредственной территориальной близости к нему потребителей возвращаемого тепла, обладающего относительно низким (45…70°С) температурным потенциалом.
При существующей структуре энергетических потоков энергопредприятий потребителем этого, по сути дела, дарового низкотемпературного тепла может служить, в основном, лишь подпиточная вода, подаваемая в теплофикационную сеть для возмещения штатных технологических невозвратных расходов теплоносителя, а также его потерь за счет утечек. Подпитка, обеспечивающая полное потребление утилизируемого тепла, в этом случае базируется на территории энергопредприятия, что может оказаться обременительным для его водного баланса, так как будет составлять: для чисто отопительной котельной от 5…15% (топливо - уголь) до 30…60% (топливо-природный газ) или, для обоих случаев, примерно на треть больше для ТЭЦ (при ее работе на режиме предельной электрической выработки на тепловом потреблении) от расхода воды, поступающей в прямой магистральный водовод системы.
Оцененный выше уровень подпитки возможен лишь в случаях безвозвратного технологического отбора и/или горячего водоснабжения при непосредственном водозаборе из системы отопления. Такие системы редки и имеется тенденция к их замене на замкнутые (двухконтурные) системы, сохраняющие равенство массовых количеств прямой и обратной магистральной воды, заполняющей первичный, теплотранспортный, контур. Вода горячего технологического или бытового водоснабжения в таких системах нагревается в теплообменниках потребительского контура теплофикационной водой, а не утилизируемым теплом. Напрямую передать это тепло теплоносителю теплофикационной системы - главного потребителя тепла, генерируемого энергопредприятием, невозможно, так как его температура ниже температуры прямой магистральной воды (вариантно: 95, …110, …130, …150, …) и в среднем ниже, хотя и может незначительно превышать ее обычный уровень, температуры обратной магистральной воды (45…75°С против ≤70°С).
Задачей настоящего изобретения является создание системы теплоснабжения и способа организации ее работы, позволяющих использовать для повторного нагрева охлажденной воды, поступающей из обратной магистрали, низкопотенциальное (сбросное) тепло уходящих газов теплогенератора и обеспечить оперативную подвижность при ее эксплуатации.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая система теплоснабжения содержит теплоисточник, включающий теплогенератор, источник сбросного низкотемпературного тепла и блок теплообменников, а также потребителя и тепловой насос, расположенный в непосредственной близости от него, причем выход последнего соединен последовательно, соответственно со входами испарителя и конденсатора теплового насоса, кроме того, система включает прямую магистраль, по которой нагретая в теплоисточнике вода подается к выходу конденсатора теплового насоса и далее ко входу потребителя, и обратную магистраль, по которой охлажденная вода транспортируется от выхода испарителя теплового насоса к теплоисточнику. Согласно изобретению в качестве источника сбросного низкотемпературного тепла применена сблокированная с теплогенератором утилизационная установка, в которой осуществляют повторный нагрев охлажденной обратной воды теплоемкостным теплом уходящих газов теплогенератора и низкопотенциальным теплом конденсации содержащихся в них водяных паров, на прямой магистрали перед ее присоединением к выходу конденсатора теплового насоса установлена запорная задвижка, перед которой к прямой магистрали присоединен байпас, соединяющий ее с входом конденсатора теплового насоса, причем на байпасе также установлена запорная задвижка, а по ходу движения обратной домовой воды между входами испарителя и конденсатора теплового насоса установлен обратный клапан.
Способ организации работы системы теплоснабжения включает повторный нагрев охлажденной обратной магистральной воды теплом, выработанным теплоисточником, и подачу ее потребителю, использование тепла части обратной домовой воды тепловым насосом для догрева оставшейся ее части до температуры прямой домовой воды с последующим возвратом ее на вход потребителя, подачу охлажденной части обратной домовой воды к теплоисточнику для повторного ее нагрева. Согласно изобретению нагрев охлажденной обратной магистральной воды в теплоисточнике осуществляют в низкотемпературном теплообменнике и утилизационной установке сбросным низкотемпературным теплом уходящих газов теплогенератора до температуры ниже температуры прямой домовой воды, затем эту нагретую воду в качестве прямой магистральной воды подают на вход конденсатора теплового насоса, где ее в смеси с нагреваемой частью обратной домовой воды догревают теплом, отобранным от охлаждаемой части обратной домовой воды до температуры прямой домовой воды, а затем эту смесь подают потребителю.
Температуру всего объема прямой домовой воды регулируют, управляя работой теплового насоса.
Тепловую производительности системы теплоснабжения задают, устанавливая температурный перепад между обратной и прямой магистральной водой в соответствии с заданным, в зависимости от температуры окружающей среды, температурным графиком сети.
В случае недостатка тепла утилизационной установки для доведения температурного потенциала повторно нагреваемой обратной магистральной воды до заданного уровня температуры прямой магистральной воды, догрев ее осуществляют в высокотемпературном теплообменнике теплом теплогенератора, поступившим непосредственно от него или от выхода более высокопотенциального элемента (например, от отбора турбины).
На чертеже представлена минимальная схема предлагаемой системы теплоснабжения.
Система теплоснабжения содержит следующие основные узлы:
- Тепловой источник (ТИ). К этому узлу компоновочно отнесены теплогенератор (котел) 1, источник низкотемпературного тепла, в качестве которого использована утилизационная установка 2, а также блок теплообменников - низкотемпературный теплообменник 3 и высокотемпературный теплообменник (подогреватель сетевой воды) 4, представляющего собой часть не показанного комплекса теплоиспользующих устройств. Утилизационная установка 2, в которой повторный нагрев охлажденной обратной магистральной воды осуществляется теплоемкостным теплом уходящих газов теплогенератора и низкопотенциальным теплом конденсации содержащихся в них водяных паров, сблокирована с теплогенератором 1. Теплогенератор 1 соединен газоходом 5 с утилизационной установкой 2 и трубопроводом 6 с высокотемпературным теплообменником 4. Последний соединен трубопроводом 7 с теплогенератором 1 и от него отходит магистральный трубопровод 8. К утилизационной установке 2 подведены трубопроводы 9 и 10, соединяющие ее с низкотемпературным теплообменником 3. Утилизационная установка 2 соединена трубопроводом 11 с высокотемпературным теплообменником 4. К низкотемпературному теплообменнику 3 подведены трубопровод 12 и обратная магистраль 13.
- Узел преобразования и потребления (УПП). К этому узлу относятся удаленный от теплового источника (ТИ) потребитель тепла (ПТ), включающий в свой состав приборы потребления 14 (например, отопления) и тепловой насос (ТН). Последний расположен в непосредственной близости от потребителя и включает испаритель 15 и конденсатор 16. Выход потребителя соединен ответвляющимися от трубопровода вводами последовательно со входом испарителя 15 и со входом конденсатора 16 теплового насоса.
- Узел транспортных магистралей (УТМ). В него входят прямая магистраль 8 и обратная магистраль 13, которые соединяют теплоисточник (ТИ) и узел преобразования и потребления (УПП). На прямой магистрали 8, перед ее соединением с выходом конденсатора 16 теплового насоса, установлена запорная задвижка 17. Перед задвижкой 17 со стороны теплоисточника (ТИ) к прямой магистрали 9 присоединен байпас 18, соединенный со входом конденсатора 16 теплового насоса, и на байпасе 18 также установлена запорная задвижка 19. По ходу движения обратной домовой воды между входами испарителя 15 и конденсатора 16 теплового насоса установлен обратный клапан 20.
Способ организации работы система теплоснабжения осуществляют следующим образом.
В теплогенераторе 1 сжигают, с использованием в качестве окислителя кислорода воздуха, химическое топливо. Полученный первичный теплоноситель - вода или пар поступает на комплекс теплоиспользующий устройств (на схеме представлен частично высокотемпературным теплообменником 4, в который его подают по трубопроводу 6). Отработавший в высокотемпературном теплообменнике 4 теплоноситель, в виде остывшей воды или конденсата, по трубопроводу 7 возвращается в теплогенератор 1. Весь объем горячих уходящих газов из теплогенератора 1 поступает по газоходу 5 в утилизационную установку 2. Здесь уходящие газы подвергаются, с помощью контактирующего с ними циркулирующего внутреннего теплоносителя (воды), глубокому (до 25…35°С) охлаждению, сопровождаемуся конденсацией большей части содержащихся в них водяных паров. В результате этого высвобождается большое количество низкопотенциального тепла, нагревающего внутренний теплоноситель до 65…75°С. Последний по трубопроводу 12 поступает в низкотемпературный теплообменник 3 и, охлажденный до температуры ~30°С, по трубопроводу 10 возвращается обратно в утилизационную установку 2.
В низкотемпературный теплообменник 3 по обратной магистрали 13 поступает охлажденная обратная магистральная вода (охлажденная в испарителе 15 теплового насоса часть обратной домовой воды). Здесь она нагревается внутренним теплоносителем и по трубопроводу 9 подается в утилизационную установку 2 для дополнительного нагрева в поверхностном теплообменнике (не показан). Для повторного нагрева обратной магистральной воды в первую очередь используется низкопотенциальное тепло уходящих газов. После утилизационной установки 2 эта повторно нагретая вода, в случае достижения ею заданной температуры, направляется, в качестве прямой магистральной воды, по трубопроводу 11 через незадействованный высокотемпературный теплообменник 4 или специальный обводной трубопровод (не показан) в прямую магистраль 8. Степень ее нагрева определяется количеством низкопотенциального тепла, содержащегося в уходящих газах, температурой наружного воздуха и температурным графиком сети. При этом задвижка 17 должна быть закрыта, а задвижка 19 открыта. Прямая вода по прямой магистрали 8 и байпасу 18 поступает на вход конденсатора 16 теплового насоса, при этом обратный клапан 20 препятствует проходу прямой воды к испарителю 15 теплового насоса.
В случае недостатка тепла утилизационной установки для доведения температурного потенциала повторно нагреваемой обратной магистральной воды до уровня заданной температуры прямой магистральной воды, догрев ее осуществляют в высокотемпературном теплообменнике 4 теплом теплогенератора 1. При этом повторно нагреваемую обратную воду из низкотемпературного теплообменника 3 по трубопроводу 11 подают в высокотемпературный теплообменник 4, где она дополнительно нагревается первичным теплоносителем из теплогенератора 1 до необходимой температуры прямой магистральной воды, после чего эта вода подается в прямую магистраль 8.
общее
транс
прив
От приборов потребления 14 потребителя часть обратной домовой воды поступает в испаритель 15, а оставшаяся часть подается в конденсатор 16 теплового насоса. В испарителе 15 теплового насоса обратная домовая вода охлаждается до температуры ~30°С и затем поступает в обратную магистраль 13. В конденсаторе 16 теплового насоса оставшаяся часть обратной домовой воды в смеси с прямой водой, поступившей сюда по байпасу 18 из прямой магистрали 8, нагревается до заданной графиком температуры прямой домовой воды и подается к приборам отопления 14 потребителя. Подогрев воды в конденсаторе 16 теплового насоса осуществляется теплом Q, количество которого определяется суммой объема трансформируемого тепла Q и затратами энергии на привод теплового насоса Q.
общее
транс
прив
Q=Q+Q
При работе системы теплоснабжения постоянная температура охлажденной обратной воды после испарителя теплового насоса задается на уровне ~30°С (на 10°С выше температуры обратной магистральной воды прототипа). Температура же воды, поступающей в прямую магистраль 8, устанавливается в соответствии с исходными требованиями расчетного температурного графика сети.
Отмеченная разница в уровнях температур охлаждения позволяет обеспечить повышение эффективности используемых тепловых насосов (серия «Экономия топлива и электроэнергии», авторы Е.И.Янтовский, Ю.В.Пустовалов. «Парокомпрессионные теплонасосные установки», М.: Энергоиздат, 1982 г., стр.67, рис.2.9, экстраполяция).
Тепловую производительность системы теплоснабжения задают, устанавливая температурный перепад между обратной и прямой магистральной водой, в соответствии с заданным, в зависимости от температуры окружающей среды, температурным графиком.
Управляя режимом работы теплового насоса, регулируют температуру всего объема прямой домовой воды, подаваемой потребителю. Процесс регулировки температуры прямой домовой воды осуществляется оперативно, так как тепловой насос расположен в непосредственной близости от потребителя, а его работу можно легко запрограммировать и автоматизировать.
При увеличении температурного перепада между теплоносителем в прямой 8 и обратной 13 магистралями до уровня, когда температура в прямой магистрали достигает температуры, соответствующей требованию отопительного температурного графика, путем закрытия задвижки 19 и открытия задвижки 17, восстанавливаются система теплоснабжения прототипа и способ его осуществления. Однако в этом случае, за счет замены источника утилизируемого тепла, система-прототип будет применима и в новых, ранее недоступных для нее условиях, так как сможет использовать в качестве теплоисточника любое устройство, потребляющее химическое топливо.
Предлагаемое авторами изобретение, как и система теплоснабжения прототипа, приводит к многократному повышению теплопропускной способности существующих теплофикационных магистральных сетей в тепловом районе без повышения температуры прямой магистральной воды и без прокладки дополнительных магистральных трубопроводов. При строительстве новых систем теплоснабжения можно получить существенную экономию первоначальных капитальных затрат, применив уменьшенные диаметры магистральных трубопроводов.
Наряду с массовым расходом теплоносителя, количество транспортируемого по магистральной трубопроводной системе тепла определяется перепадом между температурами прямой магистральной и обратной магистральной воды.
В настоящее время, из технико-экономических соображений, принято обеспечивать требуемую теплопроизводительность системы теплоснабжения путем перегрева прямой магистральной воды до температур, существенно превышающих требуемую для подачи потребителю.
Тепловые сети, работающие по тепловым графикам 110/70; 130/70; 150/70, обеспечивают соответственно, при одинаковом объеме перекачиваемой воды (через трубы равного сечения), практически в 2, 3 и 4 раза более высокий теплопропуск системой, чем при графике 95/70.
Использование перегретой воды, во избежание ее вскипания, требует строгого поддержания в прямом трубопроводе избыточного давления (соответственно, ≥0,5; ≥1,8 и ≥4,9 атмосферы), что, в свою очередь, предъявляет дополнительные требования к его прочности, достигаемой повышением толщины стенки магистрали и, следовательно, приводящей к снижению экономии металла за счет неизменности проходного сечения.
Понижение температуры обратной сетевой воды, реализуемое как в предлагаемом решении, так и в ряде аналогов, приводит к увеличению теплопропускных возможностей магистральных систем. В частности, в нашем случае - теплопропуск увеличивается до трех раз), то есть система становится эквивалентной (без повышения температуры прямой магистральной воды и, соответственно, повышения металлозатрат и температурных потерь) системе, работающей по сетевому графику 130/70°С.
По-видимому, за исключением достаточно частных случаев резкого увеличения теплопотребности какого-либо конкретного теплового района (реконструкционный вариант) или создания высокоэнергонасыщенного куста потребителей, обеспеченного централизованным теплонасосным блоком (проектный вариант), теплофикационная система, многократно более мощная, чем существующая или обычно проектируемая может рассматриваться как явление нестандартное.
В отличие от схемы теплоснабжения прототипа предложенное решение позволяет, поскольку окончательное значение температуры прямой домовой воды обеспечивается работой теплового насоса, устанавливать любую (равную или меньшую фактической предельной) теплопроизводительность путем задания необходимой температуры прямой магистральной воды (т.е. заданием температурного перепада между обратной магистральной и прямой магистральной воды в соответствии с расчетным сетевым температурным графиком).
Кроме того, предлагаемое авторами изобретение дополнительно позволяет:
1. Использовать обычно сбрасываемые в окружающую среду теплоемкостное тепло уходящих газов теплогенератора и низкопотенциальное тепло конденсации содержащихся в них водяных паров для повторного нагрева охлажденной воды, поступающей из обратной магистрали.
2. Устанавливать предельную производительность системы теплоснабжения на любом расчетном уровне, обусловленном заданным потребителем объемом теплопотребления, и осуществлять ее перенастройку при изменении характеристик и состава обслуживаемого потребителя.
3. Обеспечивать оперативное «качественное» регулирование количества подаваемого потребителю тепла, поддерживая при работе теплоисточника температурный перепад между теплоносителем в обратной и прямой магистралях в зависимости от метеорологической обстановки и в соответствии с заданным температурным графиком работы магистральной сети.
4. Выдерживать параметры прямой домовой воды в границах потребительского температурного графика, при этом температуру прямой домовой воды обеспечивать, управляя режимом работы теплового насоса.
5. Повысить степень компенсации затрат энергии на работу теплового насоса за счет расширения температурного диапазона эффективной утилизации дарового низкопотенциального тепла.
6. Уменьшить тепловые потери прямой магистрали за счет снижения в ней температуры воды.
7. Повысить эффективность работы теплового насоса за счет снижения температурного перепада трансформации тепла вследствие меньшей, чем у прототипа разности конечных температур прямой домовой и обратной магистральной воды.
8. Использовать в качестве энергоисточников промышленные или коммунальные котельные, и иные источники, на которых не предусмотрена выработка электрической энергии, а также и ТЭЦ с противодавленческими турбинами.