Автономная система теплоснабжения населенных пунктов
AUTONOMOUS HEATING SYSTEM FOR SETTLEMENTS

Изобретение относится к области энергетики, в частности, к автономным системам теплоснабжения населенных пунктов с использованием природного газа.
Известна система теплоснабжения и/или горячего водоснабжения комплексного потребителя тепловой энергии, включающего локальные потребители в виде отдельных зданий или сооружений, объединенных, например, в архитектурно-строительные группы, микрорайоны, кварталы или населенные пункты, характеризующаяся тем, что она представляет собой гидравлическую систему, включающую распределительную сеть трубопроводов, сообщенных по теплоносителю с источником теплоснабжения, например котельной с локальными потребителями тепловой энергии, запорную и/или запорно-регулировочную арматуру с запирающим элементом, насосное и другое оборудование (Патент РФ №2364798, опубл. от 20.08.2009, Бюл. №23).
Известна закрытая водяная система централизованного теплоснабжения, включающая двухтрубные магистральные тепловые сети, к которым подключены потребители тепла - системы отопления и системы горячего водоснабжения зданий и сооружений. Последние подключены к тепловым сетям через тепловые пункты с теплообменниками-подогревателями, которые могут быть одно- и двухступенчатыми и подключаются к тепловым сетям по параллельной, последовательной или смешанной схеме (Патент РФ №2117876, опубл. от 20.08.1998).
Известна автономная система теплоснабжения обособленных населенных пунктов, содержащая котельную установку с водогрейным котлом и горелкой, к которой подключен газопровод природного газа, подключенные к котлу трубопроводы нагретой и обратной воды, местные системы отопления и горячего водоснабжения конечных потребителей, подключенные к трубопроводам нагретой и обратной воды через тепловые пункты (Хаванова П.А. Источники теплоты автономных систем теплоснабжения. Журнал АВОК. 2002, №1, с. 14-21).
Известна система резервного и аварийного топливоснабжения газовой котельной, используемая при прекращении или сокращении подачи газа в котельную и содержащая напорный топливопровод, подключенный к горелкам котла, топливный насос с всасывающим топливопроводом, расходную емкость резервного топлива, которая соединена с всасывающим топливопроводом (Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов: Учебник для студентов втузов // Л.: Недра, 1989. - С. 254-261).
Недостатками данного технического решения являются пониженная экономичность и экологичность резервного и аварийного топливоснабжения газовой котельной из-за высоких затрат тепловой энергии на разогрев мазута, повышенных затрат электроэнергии на подачу и циркуляцию мазута и из-за загрязнения конденсата при разогреве мазута паром.
Известен наборный резервуар для находящихся под давлением газов, который представляет собой блок множества единичных баллонов, объединенных системой коллекторов, которые расположены, как со стороны верхних горловин баллонов, так и нижних (Заявке РСТ №98/26209, опубл. от 18.06.1998).
Известно устройство блока емкостей со сжатым природным газом, которое состоит из множества объединенных единым коллектором баллонов Запорные устройства каждого из баллонов объединены системой жестких труб с выходом на единый (общий) редуктор, при этом между собой баллоны объединены с образованием жесткой конструкции (Патент ЕР №0805302, опубл. 05.11.1997).
Известно устройство блочно-модульной котельной, включающий в себя тепломеханическое оборудование, оборудование автоматики безопасности, регулирования и КИП, оборудование электрики и освещения, оборудование газоснабжения котельной, насосное оборудование для транспортировки теплоносителей, оборудование вентиляции и отопления, оборудование водопровода и канализации, узлы учета, которое собирается укрупненными блоками в заводских условиях, а в качестве корпусов блоков котельной используются каркасные конструкции различных типов (Патент на полезную модель РФ №120484, опубл. от 20.09.2012, Бюл. №26).
Известна система теплоснабжения зданий и сооружений удаленных военных объектов и населенных пунктов, включающая в себя источник природного газа в виде емкости со сжиженным природным газом, подключенную к источнику природного газа котельную, работающей на природном газе, тепловую сеть, связывающую котельную с потребителями тепловой энергии, в качестве которых являются здания и сооружения удаленных военных объектов и населенных пунктов (Патент РФ №2726963, опубл. от 17.07.2020, Бюл. №20).
Недостатком данного технического решения является необходимость создания значительного по объему резервуара для хранения сжиженного природного газа для газификации котельной.
Известна автономная система теплоснабжения объектов и населенных пунктов, содержащая газовую котельную, к которой подключен газопровод природного газа, подключенную к котельной тепловую сеть с трубопроводами нагретой и обратной воды, а также потребителей тепловой энергии, в виде отопления и горячего водоснабжения, подключенных к тепловой сети газовой котельной (Патент на полезную модель РФ №179379, опубл. от 11.05.2018, Бюл. №14).
Недостатком данного технического решения является невозможность увеличения расчетной тепловой мощности котельной при возрастании количества потребителей тепловой энергии, а также отсутствие резервного топлива при прекращении подачи природного газа в котельную, например, в случае аварии на газопроводе природного газа.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения заключается в увеличении мощности системы теплоснабжения при возрастании количества потребителей тепловой энергии, а также обеспечении резервным топливом (сжатым природным газом) автономной системы теплоснабжения при прекращении подачи природного газа и повышение надежности работы автономной системы теплоснабжения за счет соединения замкнутой тепловой сети газовой котельной и замкнутой тепловой сети блочно-модульной котельной установки между собой перемычками с запорно-регулирующими задвижками.
Для достижения данного технического результата предлагаемая автономная система теплоснабжения населенных пунктов, содержащая газовую котельную, к которой подключен подающий газопровод природного газа, подключенную к котельной тепловую сеть с трубопроводами нагретой и обратной воды, а также потребителей тепловой энергии, в виде отопления и горячего водоснабжения, подключенных к тепловой сети газовой котельной, снабжена блочно-модульной котельной установкой, газовой линией природного газа, соединяющей блочно-модульную котельную установку с подающим газопроводом природного газа, блоком емкостей со сжатым природным газом, подключенных линией подачи сжатого природного газа к газовой линии, замкнутой тепловой сетью газовой котельной, с трубопроводами нагретой и обратной воды и имеющей, расположенный в тепловом пункте, теплообменник, через который проходит тепловая сеть потребителей тепловой энергии, замкнутой тепловой сетью блочно-модульной котельной установки, с трубопроводами нагретой и обратной воды и имеющей, расположенный в тепловом пункте, теплообменник, через который проходит тепловая сеть потребителей тепловой энергии, при этом, тепловые сети котельной и блочно-модульной котельной установки не связаны между собой и обеспечивают тепловой энергией разных потребителей, газовая линия природного газа подсоединена к подающему газопроводу природного газа после запорно-регулирующей задвижки перед его входом в котельную, подающей газопровод подсоединен к магистральному газопроводу природного газа, замкнутая тепловая сеть газовой котельной и замкнутая тепловая сеть блочно-модульной котельной установки связаны между собой перемычками с запорно-регулирующими задвижками, соединяющие соответствующие трубопроводы нагретой и обратной воды сетей, а подающий газопровод природного газа и линия подачи сжатого природного газа снабжены запорно-регулирующими задвижками.
Введение в предлагаемую автономную систему теплоснабжения населенных пунктов блочно-модульной котельной установки, газовой линии природного газа, соединяющей блочно-модульную котельную установку с подающим газопроводом природного газа, блока емкостей со сжатым природным газом, подключенных линией подачи сжатого природного газа к газовой линии, замкнутой тепловой сети газовой котельной, с трубопроводами нагретой и обратной воды и имеющей, расположенный в тепловом пункте, теплообменник, через который проходит тепловая сеть потребителей тепловой энергии, замкнутой тепловой сети блочно-модульной котельной установки, с трубопроводами нагретой и обратной воды и имеющей, расположенный в тепловом пункте, теплообменник, через который проходит тепловая сеть потребителей тепловой энергии, при этом, тепловые сети котельной и блочно-модульной котельной установки не связаны между собой и обеспечивают тепловой энергией разных потребителей, газовой линии природного газа, подсоединенной к подающему газопроводу природного газа после запорно-регулирующей задвижки перед его входом в котельную, подсоединение подающего газопровода к магистральному газопроводу природного газа, при этом замкнутая тепловая сеть газовой котельной и замкнутая тепловая сеть блочно-модульной котельной установки связаны между собой перемычками с запорно-регулирующими задвижкам, соединяющих соответствующие трубопроводы нагретой и обратной воды сетей, а также снабжение подающего газопровода природного газа и линии подачи сжатого природного газа запорно-регулирующими задвижками позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности производства дополнительной тепловой энергии за счет использования быстровозводимой блочно-модульной котельной установки и ее подключению к подающему газопроводу через газовую линию, соединяющей блочно-модульную котельную установку с подающим газопроводом природного газа, что позволяет увеличить мощность автономной системы теплоснабжения (количества вырабатываемого тепла) при возрастании количества потребителей тепловой энергии, обеспечения резервным топливом автономной системы теплоснабжения, в качестве которого используется сжатый природный газ при прекращении подачи природного газа в случае аварийной ситуации на подающем газопроводе или на магистральном газопроводе за счет подачи сжатого природного газа из блока емкостей со сжатым природным газом через линию подачи сжатого природного газа, подключенной к газовой линии, соединяющей блочно-модульную котельную установку с подающим газопроводом природного газа, а также повышение надежности работы автономной системы теплоснабжения за счет соединения замкнутой тепловой сети газовой котельной и замкнутой тепловой сети блочно-модульной котельной установки между собой перемычками с запорно-регулирующими задвижками, соединяющих соответствующие трубопроводы нагретой и обратной воды сетей, что позволяет использовать одну из котельных при выходе из строя другой котельный для обеспечения всех потребителей тепловой энергий.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема автономной системы теплоснабжения населенных пунктов, где:
1 - подающий газопровод природного газа;
2 - газовая котельная;
3 - замкнутая тепловая сеть газовой котельной с трубопроводами нагретой и обратной воды;
4 - потребители тепловой энергии, подключенные к тепловой сети газовой котельной;
5 - блочно-модульная котельная установка;
6 - газовая линия, соединяющая блочно-модульную котельную установку с подающим газопроводом природного газа;
7 - блок емкостей со сжатым природным газом;
8 - линия подачи сжатого природного газа;
9 - замкнутая тепловая сеть с трубопроводами нагретой и обратной воды блочно-модульной котельной установки;
10 - потребители тепловой энергии, подключенные к тепловой сети блочно-модульной котельной установки;
11 - запорно-регулирующая задвижка на линии подачи сжатого природного газа;
12 - запорно-регулирующая задвижка на подающем газопроводе природного газа;
13 - магистральный газопровод;
14- теплообменник замкнутой тепловой сети газовой котельной;
15 - тепловой пункт замкнутой тепловой сети газовой котельной;
16 - тепловая сеть потребителей тепловой энергии, подключенных к газовой котельной;
17 - теплообменник замкнутой тепловой сети блочно-модульной котельной установки;
18 - тепловой пункт замкнутой тепловой сети блочно-модульной котельной установки;
19 - тепловая сеть потребителей тепловой энергии, подключенных к блочно-модульной котельной установки;
20 - перемычка, соединяющая трубопроводы обратной воды замкнутой тепловой сети газовой котельной и замкнутой тепловой сети блочно-модульной котельной установки;
21 - запорно-регулирующая задвижка на перемычке, соединяющей трубопроводы обратной воды;
22 - перемычка, соединяющая трубопроводы нагретой воды замкнутой тепловой сети газовой котельной и замкнутой тепловой сети блочно-модульной котельной установки;
23 - запорно-регулирующая задвижка на перемычке, соединяющей трубопроводы нагретой воды.
Работа предлагаемой автономной системы теплоснабжения населенных пунктов осуществляют следующим образом.
Первоначально, все потребители тепловой энергии 4, снабжались теплом от газовой котельной 2. В качестве потребителей тепловой энергии 4 выступают здания и сооружения различных объектов и населенных пунктов. Котельная 2 для населенных пунктов является объектом капитального строительства и возводиться параллельно строительству самих населенных пунктов. Тепловая мощность котельной 2 выбирается исходя из количества потенциальных потребителей тепловой энергии. Для работы котельной 2 из магистрального газопровода 13 по подающему газопроводу 1 подается природный газ, сжигание которого обеспечивает производство тепловой энергии в виде горячей воды. От котельной 2 проведена замкнутая тепловая сеть 3, состоящая из трубопроводов нагретой и обратной воды.
В процессе функционирования населенного пункта появляются новые потребители тепловой энергии 10. В качестве потребителей тепловой энергии 10 выступают, например, вновь построенные здания и сооружения населенных пунктов. Это вновь построенные здания и сооружения, для которых необходима дополнительная тепловая мощность (количество вырабатываемой тепловой энергии) газовой котельной 2. Это требует проведение капитального строительства по расширению газовой котельной 2 и увеличения расхода природного газа, что часто является трудновыполнимым.
Для решения указанной проблемы на территории объекта или населенного пункта монтируют быстровозводимую блочно-модульную котельную установкой 5. Блочно-модульная котельная установка 5 собирается в заводских условиях, комплектуется необходимым оборудованием, а затем транспортируется на место монтажа автотранспортом. Она не требует капитальных затрат и монтируется на подготовленной площадке.
В блочно-модульную котельную установку 5 природный газ подается по газовой линии 6, соединяющей блочно-модульную котельную установку 5 с подающим газопроводом природного газа 1.
Газовая линия 6 подсоединена к подающему газопроводу природного газа 1 после запорно-регулирующей задвижки 12 перед его входом в газовую котельную 2, а подающей газопровод 1 подсоединен к магистральному газопроводу природного газа 13.
Быстровозводимая блочно-модульная котельная установка 5 имеет свою замкнутую тепловой сеть 9, состоящая из трубопроводов нагретой и обратной воды.
Замкнутая тепловая сеть 3 котельной 2 имеет расположенный в тепловом пункте 15 теплообменник 14, через который проходит тепловая сеть 16 потребителей тепловой энергии 4.
Замкнутая тепловая сеть 9 блочно-модульной котельной установки 5 имеет расположенный в тепловом пункте 18 теплообменник 17, через который проходит тепловая сеть 19 потребителей тепловой энергии 10.
Тепловые сети 3 и 9, соответственно, котельной 2 и блочно-модульной котельной установки 5, не связаны между собой и обеспечивают тепловой энергией разных потребителей, соответственно 4 и 10, через разные тепловые пункты, соответственно, 15 и 18.
Через теплообменники 14 и 17, соответственно, проходят тепловая сеть 16 потребителей тепловой энергии 4 и тепловая сеть 19 потребителей тепловой энергии 10. В результате происходит нагрев теплоносителей тепловой сети 16 и 19, которые поступают для нужд потребителей тепловой энергии 4 и 10.
Производства дополнительной тепловой энергии за счет использования быстровозводимой блочно-модульной котельной установки 5 и ее подключению к подающему газопроводу 1 через газовую линию 6, соединяющей блочно-модульную котельную установку 5 с подающим газопроводом природного газа 1, что позволяет увеличить мощность автономной системы теплоснабжения (количества вырабатываемого тепла) при возрастании количества потребителей тепловой энергии.
Для обеспечения резервным топливом автономной системы теплоснабжения объектов и населенных пунктов, в качестве которого используется сжатый газ при прекращении подачи природного газа в случае аварийной ситуации на подающем газопроводе 1 или на магистральном газопроводе 13 предусмотрена подача сжатого газа из блока емкостей со сжатым газом 7 через линию подачи сжатого газа 8, которая подключена к газовой линии 6 через запорно-регулирующую задвижку 11.
Для этой цели, в случае аварийной ситуации на подающем газопроводе 1 или на магистральном газопроводе 13, закрывается запорно-регулирующая задвижка 12 на подающем газопроводе 1 и открывается запорно-регулирующая задвижка 11 на линии подачи сжатого газа 8 и сжатый газ поступает в газовую котельную 2 и блочно-модульную котельную установку 5 для выработки горячей воды.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Патент РФ №2364798, опубл. от 20.08.2009, Бюл. №23.
2. Патент РФ №2117876, опубл. от 20.08.1998.
3. Хаванова П.А. Источники теплоты автономных систем теплоснабжения. Журнал АВОК. 2002, №1, с. 14-21
4. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов: Учебник для студентов втузов // Л.: Недра, 1989. - С. 254-261.
5. Заявке РСТ №98/26209, опубл. от 18.06.1998.
6. Патент ЕР №0805302, опубл. 05.11.1997.
7. Патент на полезную модель РФ №120484, опубл. от 20.09.2012, Бюл. №26.
8. Патент РФ №2726963, опубл. от 17.07.2020, Бюл. №20.
9. Патент на полезную модель РФ №179379, опубл. от 11.05.2018, Бюл. №14 - прототип.