КОМБИНИРОВАННАЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплоэнергетике, и может быть использована в области коммунальной энергетики, на водогрейных котельных, а также в устройствах для выработки электроэнергии, использующим низкопотенциальное тепло.
Известна тепло- и электроснабжающая установка, на низкокипящем рабочем теле (НКРТ), использующая тепло первичного тракта горячей сетевой воды и содержащая парогенератор, турбину с электрогенератором, конденсатор и питательный насос, подключенные к тракту обратной сетевой воды (см. Лапир М.А. и др.. Экологически чистые энегогенерирующие комплексы на базе газотурбинных надстроек водогрейных котлов РТС. Новости теплоснабжения, №1,2002,с.41-46).
Недостатком известного устройства является малый температурный перепад Δt между трактом подающей и обратной сетевой воды, который в межсезонье составляет всего несколько градусов, в соответствии с графиком регулирования тепловой нагрузки района. Как следствие, низкий коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя. Кроме того, данная энергоустановка не может мгновенно реагировать на изменение электрической нагрузки потребителя, которая происходит в течение нескольких миллисекунд, что не обеспечивает маневренности электроснабжающей установки. Следовательно, ее использование возможно только в энергосистеме и с применением устройств синхронизации.
Известна комбинированная низкопотенциальная установка, которая является наиболее близкой к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту, а именно, к производству электроэнергии из теплоты сетевой воды, содержащая источник теплоты водогрейный котел районной тепловой станции (РТС), турбину, электрогенератор, конденсатор, испаритель, насос, объединенные в контур с низкокипящим рабочим телом (Патент на изобретение №2300636, опубл. от 10.06.2007).
К недостаткам описанной конструкции следует отнести невысокую эффективность преобразования энергии, что связано с невысоким температурным перепадом между трактом первичной сетевой воды и обратной сетевой воды. В период межсезонья (весна или осень) использование ее для целей электроснабжения котельной городской станции вообще проблематично. Конструкция не может обеспечить стабильность выходного напряжения при резко меняющейся нагрузке потребителя (при изолированной работе от внешней электросети). Кроме того, использование прямой магистрали не отвечает интересам потребителя, и затруднительно для реализации на котельной, так как вследствие отбора теплоты из прямой (подающей) магистрали, вода должна перегреваться в котле свыше нормативных значений.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является устранение перечисленных недостатков и повышение эффективности преобразования энергии с увеличением надежности электроснабжения котельной станции, при меняющейся электрической нагрузке, а также при отключении питающего внешнего фидера в случае аварии.
Технический результат достигается тем, что в комбинированной низкопотенциальной энергоустановке (НЭС), состоящей из водогрейного котла районной тепловой станции (РТС), подключенного к контуру сетевой воды, включающему трубопровод первичной горячей сетевой воды, связанный с тепловым потребителями и трубопровод обратной сетевой воды, связанный с насосом сетевой воды и энергоустановки, содержащей контур с низкокипящим рабочим телом (НКРТ), включающем парогенератор, турбину с электрогенератором, насос и конденсатор, парогенератор контура с НКРТ подключен по греющей среде к трубопроводу обратной сетевой воды, а конденсатор выполнен бесконтактным типа жидкость- воздух и подключен к турбине через рекуператор, вход и выход которого соответственно соединены с насосом и парогенератором, а энергоустановка дополнительно снабжена электрокотлом балластного подогрева, вход которого подключен к трубопроводу обратной сетевой воды, а выход соединен с входом парогенератора.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена тепловая схема энергоустановки, а на фиг.2 температурная диаграмма сравнения режимов работы и оценки эффективности предлагаемой энергоустановки.
Установка содержит водогрейный котел 1, трубопровод первичной горячей сетевой воды 2, потребители 3 и трубопровод обратной сетевой воды 4, задвижку 5 («зима - лето»), сетевой насос 6. Электрокотел балластного подогрева 7 подключен к трубопроводу обратной сетевой воды 4 через байпас 8. Парогенератор бесконтактного типа 9 по греющей среде соединен байпасом 8 с трубопроводом обратной сетевой воды 4. Нагреваемой и испаряемой в парогенераторе 9 средой является низкокипящее рабочее тело. К парогенератору 9 подключен контур с низкокипящим рабочим телом, содержащий турбину 10, электрогенератор 11, рекуператор 12 и конденсатор 13, расположенный на открытом пространстве и снабженный вентилятором 14 для охлаждения атмосферным воздухом низкой температуры. Выход конденсатора 13 соединен со всасом питательного насоса 15, а выход насоса 15 с рекуператором 12. Электрогенератор 11 соединен трехфазным кабелем с насосом 6. Электрокотел балластного подогрева 7 содержит сборки водяных тепловых электронагревателей (ТЭНов) 16.
Устройство работает следующим образом. Из водогрейного котла 1 через трубопровод 2, горячая сетевая вода поступает к потребителям 3, где частично охлаждается, отдавая тепло. Теплая вода по трубопроводу обратной сетевой воды 4, при закрытой на нем задвижке 5, поступает в электрокотел балластного подогрева 7 через байпас 8, и далее в парогенератор бесконтактного типа 9. Электрокотел 7 представляет из себя теплоизолированную цистерну с расположенными на дне ТЭНами 16, и является тепловым аккумулятором. При повышении температуры обратной сетевой воды (в ночное время) тепловой аккумулятор заряжается до максимальной температуры. С выхода электрокотла 7 теплая вода за счет давления в тепловой сети поступает в парогенератор бесконтактного типа 9, где испаряет жидкую фазу органического низкокипящего рабочего тела. Далее НКРТ по паропроводу подается на турбину 10 с электрическим генератором 11 и, в виде отработанного пара, поступает на рекуператор 12, где частично конденсируется. Неконденсирующаяся часть НКРТ в двухфазной среде поступает в конденсатор 13 жидкостно-воздушного типа, где охлаждается холодным атмосферным воздухом. Конденсатор 13 имеет вентилятор 14, для улучшения теплообмена с воздухом. Конденсат НКРТ поступает на всас питательного насоса 15, где он сжимается до рабочих параметров. С выхода насоса 15 конденсат подается в рекуператор 12, где он частично подогревается теплом паровой фазы НКРТ, выделяющимся при фазовом переходе «пар-жидкость». Далее подогретый конденсат поступает в парогенератор 9, и цикл повторяется снова. При снижении (либо при повышении) нагрузки подключаются (либо отключаются) сборки ТЭНов 16 на электрокотле 7, что стабилизирует работу турбины 10 и напряжение на клеммах электрогенератора 11 (на выходе с установки). При номинальной мощности нагрузки электрогенератор 11 работает в штатном режиме; электрокотел балластного подогрева 7 отключен и представляет собой емкость с горячей водой. В случае аварийного отключения питающего фидера котельной, сначала используется термический потенциал емкости электрокотла 7, а затем и емкость тепловой сети, что позволяет генерировать электроэнергию автономно в течение нескольких часов даже в случае отключения подачи газа в водогрейный котел 1, так как емкость городской трубопроводной системы и ее инерционность значительны. Основной нагрузкой электрогенератора 11 является сетевой насос 6.
При наличии газоснабжения водогрейного котла 1 и его устойчивой работе, комбинированная низкопотенциальная энергоустановка может обеспечивать автономное электроснабжение насосного, тяго - дутьевого, осветительного и другого оборудования котельной сколь угодно долго.
На изображенной температурной диаграмме фиг.2, видно, что разность рабочих температур Δt в предлагаемой энергоустановке выше, так как температура стока тепла значительно ниже; температура стока тепла - холодный зимний воздух. В прототипе температура стока равна температуре обратной сетевой воды. Следовательно, эффективность теплового двигателя, согласно теореме Карно, новой энергоустановки больше.
В предлагаемой комбинированной низкопотенциальной энергоустановке источником теплоты является вода из трубопровода обратной сетевой воды 4 городской тепловой сети, которая всегда есть в наличии в течение отопительного периода, а стоком тепловой энергии является холодная атмосфера города; воздух может достигать значений менее - 40ºС. Тем самым, величина разности температур Δt в предлагаемой энергоустановке выше, чем в прототипе, и следовательно выше его КПД. Например, в период межсезонья в комбинированной системе теплоснабжения города (совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения) температура в трубопроводе обратной сетевой воды составляет около 50-55°С, при температуре атмосферы менее +8°С, или ∆t>42°C. В прототипе разность температур между трубопроводами первичной и обратной сетевой воды (согласно температурного графика системы централизованного теплоснабжения города) составляет всего величину ∆t=5-6ºC, что говорит о его низкой эффективности в данный период.
Маневренность энергоустановки достигается благодаря врезке перед парогенератором 9 электрокотла 7, содержащего сборки водяных тепловых электронагревателей 16, что позволяет мгновенно увеличивать (либо уменьшать) нагрузку на турбину при снижении (либо при увеличении) нагрузки потребителей, например, при пуске-останове сетевых насосов. Кроме того, использование данного элемента позволяет накопить тепловую энергию за счет большого водяного объема и применения эффективной внешней теплоизоляции электрокотла. За счет его тепловой инерции решается проблема постоянства оборотов турбогенератора и обеспечение качества параметров электроснабжения потребителя.
Независимость от внешней питающей электрической сети позволяет повысить надежность котельной, а сама котельная превращается в мини-ТЭЦ.