способ теплоснабжения

Формула изобретения

Способ теплоснабжения, включающий подогрев сетевой воды в сетевых подогревателях теплофикационных энергоустановок, подачу горячей воды по подающему магистральному трубопроводу к системам отопления и горячего водоснабжения, охлаждение обратной сетевой воды с помощью теплонасосных установок, размещенных на тепловых пунктах, возвращение охлажденной воды по обратному магистральному трубопроводу в сетевые подогреватели, отличающийся тем, что теплонасосную установку выполняют каскадной с замыкающей водяной петлей, в верхней ветви каскада, размещенной на тепловом пункте, осуществляют вторичный подогрев воды системы отопления за счет дополнительного охлаждения обратной воды системы отопления водяной петлей сетевой воды и системы отопления замыкают верхний и нижний каскады теплонасосной установки, а в нижней ветви каскада, размещенной на тепловой электростанции, осуществляют подогрев охлажденной обратной сетевой воды за счет теплоты конденсации отработавшего в турбине пара.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к системам централизованного теплоснабжения.

Известна установка отопления и горячего водоснабжения (а.с. RU 2155302 С1. Установка отопления и горячего водоснабжения. МПК F 24 D 17/02, 3/18, 2000), включающая источник тепла низкого потенциала, циркуляционный контур, тепловой насос с испарителем и конденсатором, систему отопления, в качестве источника тепла низкого потенциала содержит приемный колодец сточных вод сети канализации с размещенными в нем теплообменником и вибратором. Установка обеспечит теплом и горячей водой индивидуальный жилой дом, однако обогреть жилой многоэтажный дом в условиях города такой установкой невозможно ввиду недостаточности теплоты источника тепла низкого потенциала. С другой стороны, преимущества централизованного теплоснабжения здесь также не используются, когда один источник теплоты обслуживает теплоиспользующие устройства ряда потребителей, расположенных раздельно (Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплоснабжение и вентиляция. - М.: Стройиздат, 1991. - С.346-347).

В качестве прототипа принимаем А.С. RU 2095581 С1. Система теплоснабжения. МПК 6 F 01 К 17/02, 1997. Система теплоснабжения, состоящая из теплофикационной энергоустановки, включающей основной паросиловой контур, контур охлаждающей воды, контур первичной сетевой воды с водоподогревателями горячей воды и отопления и контур системы отопления с элеватором, снабжена теплонасосной установкой, размещенной на тепловых пунктах, причем теплонасосная установка подключена по тракту обратной сетевой воды первичного контура к входу-выходу испарителя, а по тракту обратной воды системы отопления - к входу-выходу конденсатора с установкой регулирующих задвижек на соответствующих трактах. Выход теплонасосной установки по тракту испарителя подключен к трубопроводу обратной сетевой воды, по которому захоложенная сетевая вода транспортируется и поступает на вход конденсатора турбины, а вход теплонасосной установки по тракту испарителя подключен к трубопроводу обратной сетевой воды за циркуляционным насосом сетевой воды первичного контура. Обратная сетевая вода после конденсатора турбины поступает на сетевой подогреватель и далее в магистральный трубопровод прямой сетевой воды.

Основным недостатком прототипа является то, что захоложенная обратная сетевая вода поступает в конденсатор турбины, на выходе из которого температура воды не превысит в среднем 20°С. К примеру, для паровой турбины Т-100-130 (Теплотехнический справочник / Под ред В.Н.Юренева и П.Д.Лебедева. T.1 - М.:Энергия,1975. - С.372-373) давление отработавшего пара составляет 0,054 МПа, а температура охлаждающей воды (расчетная) соответственно равна 20°С. Поэтому воду с такой температурой необходимо нагреть до стандартной температуры (существующее среднее значение температуры воды, выходящей из отопительных приборов в трубопровод обратной воды системы отопления, составляет 70°С (Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплоснабжение и вентиляция. - М.: Стройиздат, 1991. - С.194)), для чего необходимо установить дополнительный сетевой подогреватель и осуществить дополнительный отбор пара, тем самым уменьшив выработку паром электроэнергии и снизив абсолютный КПД турбоустановки (Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.26-27).

Цель изобретения - повысить экономичность тепловой электрической станции и сети теплоснабжения, увеличить теплопроизводительность системы теплоснабжения.

Суть изобретения состоит в том, что реализуется способ теплоснабжения, включающий подогрев сетевой воды в сетевых подогревателях теплофикационных энергоустановок, подачу горячей воды по подающему магистральному трубопроводу к системам отопления и горячего водоснабжения, охлаждение обратной сетевой воды с помощью теплонасосных установок, размещенных на тепловых пунктах, возвращение охлажденной воды по обратному магистральному трубопроводу в сетевые подогреватели, отличающийся тем, что теплонасосную установку выполняют каскадной с замыкающей водяной петлей, в верхней ветви каскада, размещенной на тепловом пункте, осуществляют вторичный подогрев воды системы отопления за счет дополнительного охлаждения обратной воды системы отопления, водяной петлей сетевой воды и системы отопления замыкают верхний и нижний каскады теплонасосной установки, а в нижней ветви каскада, размещенной на тепловой электростанции, осуществляют подогрев охлажденной обратной сетевой воды за счет теплоты конденсации отработавшего в турбине пара. Повышение тепловой экономичности и увеличение теплопроизводительности системы теплоснабжения достигается следующим: снижение температуры воды в обратном магистральном трубопроводе, осуществляемое верхней ветвью каскада, способствует снижению расхода сетевой воды и уменьшению стоимости перекачки теплоносителя; при снижении температуры в обратном трубопроводе уменьшается среднегодовая температура теплоносителя (сетевой воды), что способствует снижению стоимости тепловых потерь (Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М. - Л: Госэнергоиздат, 1963. - С.325-327). Кроме того, использование теплоты конденсации отработавшего в турбине пара в первой ступени сетевого подогревателя (нижней ветвью каскада) увеличивает КПД станции, так как отборный пар, ранее поступающий в сетевой подогреватель, направляется в турбину для выработки дополнительной электроэнергии.

На чертеже показано устройство для реализации предлагаемого способа. Устройство содержит каскадную теплонасосную установку (ТНУ). Нижняя ветвь каскада, размещенная на тепловой электростанции, состоит из конденсатора 1, испарителя 3, компрессора 2 и дросселя 5 теплового насоса (ТН). Верхняя ветвь каскада, размещенная на тепловом пункте, состоит из конденсатора 13, испарителя 16, компрессора 15 и дросселя 14 теплового насоса. Водяная петля сетевой воды состоит из сетевого подогревателя нижней ступени (конденсатора 1 теплового насоса), сетевого подогревателя верхней ступени 6, пикового водогрейного котла 7, подающего теплопровода сетевой воды 18, водоподогревателя системы отопления 11, обратного теплопровода сетевой воды 19 и сетевого насоса 17. Водяная петля системы отопления состоит из водоподогревателя системы отопления 11, расширительного бака 8, отопительных приборов 9, циркуляционного насоса 10, водоподогревателя вторичного подогрева воды системы отопления (конденсатора 13 теплового насоса), отопительных приборов 12, охладителя воды системы отопления (испарителя 16). Водяной петлей сетевой воды и воды системы отопления замыкают верхний и нижний ветви каскада теплонасосной установки. При работе устройства вода циркуляционным насосом 10 подается в элементы системы отопления. В водоподогревателе 11 вода системы отопления нагревается сетевой водой, а в отопительных приборах 9 теплота отдается потребителю. Вторичный нагрев воды системы отопления осуществляется в конденсаторе 13 ТН за счет захолаживания обратной воды системы отопления в испарителе 16 теплового насоса, при этом потребителю отопительными приборами 12 отдается дополнительная теплота. Захоложенная вода системы отопления, поступая в водоподогреватель 11, отбирает от сетевой воды большее количество тепла, существенно снижая температуру обратной сетевой воды. Захоложенная обратная сетевая вода по магистрали 19 сетевым насосом 17 подается в конденсатор 1 ТН, где нагревается за счет теплоты конденсации отработавшего в турбине 4 пара. Конденсация пара производится в испарителе 3 ТН. Нагретая в первой ступени сетевого подогревателя (конденсатор 1 ТН) сетевая вода подогревается во второй ступени сетевого подогревателя 6 отборным паром (по необходимости сетевая вода может дополнительно нагреваться в пиковом водогрейном котле 7). Долее сетевая вода подается по подающему теплопроводу 18 к водоподогревателю 11. Снижение температуры воды в обратной магистрали 19 тепловой сети уменьшает тепловые потери в тепловой сети, а также при том же расходе увеличивает пропускную способность тепловой нагрузки тепловой сети. Кроме того, использование теплоты конденсации отработавшего в турбине пара в нижней ветви каскада увеличивает КПД станции, так как отборный пар, ранее поступающий в сетевой подогреватель, направляется в турбину для выработки дополнительной электроэнергии.

Пример. Способ теплоснабжения реализуем путем установки в систему отопления теплового насоса с рабочим телом R11, для которого температуры и давления испарения, и конденсации соответственно равны: t_n=34°С, t_k=85°С, Р_n=0,146 МПа, P_k=0,56МПа (Добровольский А.П. Таблицы и диаграммы рабочих тел, применяемых в судовых холодильных установках. - Л.: Судостроение, 1966. - 87 с). Степень повышения давления P_k/P_n=3,82 позволяет получить значения КПД теплового насоса =0,7, а коэффициент преобразования теплового насоса =5. Исходные параметры теплоносителей в тепловой сети и системе отопления следующие: температура воды в прямой и обратной магистралях тепловой сети равны соответственно t₁=110°C, t₂ =65°C; температура горячей воды в системе отопления t _Г=95°С; температура обратной воды системы отопления t₀=70°С. После установки теплового насоса: t ₁=110°С, t₂=46°С, t_Г=95°С, t_П=80°С, t₀=41°С, где t_П =80°С - температура вторичного подогрева воды системы отопления. Расход сетевой воды на отопление в данном случае уменьшается в 1,42 раза.

Способ теплоснабжения реализуем (устанавливаем тепловой насос на тепловой электрической станции) на блоке мощностью 250 МВт с турбиной Т-250-240. В соответствии с основными характеристиками блока доля тепла, расходуемая на выработку электроэнергии, составляет 64%, а отпуск тепла на теплофикацию - 36% (Теплотехнический справочник / Под ред В.Н.Юренева и П.Д.Лебедева. T.1 - М.:Энергия,1975. - С.482). Для таких блоков среднее значение КПД по отпуску электроэнергии составляет 45%, а КПД по отпуску тепловой энергии - 90% (Справочник энергетика промышленных предприятий. Т.3. Теплоэнергетика /Под общ. ред. В.Н.Юренева. - М. - Л.: Энергия, 1965. - С.312). В общем виде КПД тепловой электростанции _с (Кириллин В.А. Техническая термодинамика. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - С.325) определяется по формуле:

где _с - КПД станции с комбинированной выработкой тепла и электроэнергии;

l_э - полезная работа, затраченная на выработку электроэнергии;

l_t - полезная работа, затраченная на выработку и передачу тепла потребителю;

q₁ - количество подведенного тепла, выделившегося при сгорании топлива;

х - доля подведенного тепла, направленного на выработку электроэнергии;

_э - КПД тепловой электростанции по отпуску электроэнергии;

у - доля подведенного тепла, направленного на выработку тепловой энергии;

_т - КПД тепловой электростанции по отпуску тепловой энергии.

Коэффициент преобразования теплового насоса (Янтовский Е.И. Парокомпрессионные теплонасосные установки. - М.: Энергоиздат, 1982. - С.13) определяется по уравнению:

где - коэффициент преобразования теплового насоса;

q_TH - тепловая производительность теплового насоса;

l_TH - работа привода компрессора теплового насоса.

Так как при реализации предлагаемого способа часть дополнительно вырабатываемой электроэнергии затрачивается на работу привода компрессора теплового насоса, то КПД тепловой электростанции в этом случае , с учетом зависимостей (1) и (2), определится уравнением:

где - КПД тепловой электростанции при реализации предлагаемого способа;

m - доля подведенного тепла, теряемого в конденсаторе турбины, но при реализации предлагаемого способа возвращенного в цикл тепловым насосом и направленного на выработку дополнительной электроэнергии.

Для блока Т-250-240 х=0,64, у=0,36, _э=0,45, _T=0,9. Для первой ступени сетевого подогревателя доля m=0,2, а коэффициент преобразования каскадного теплового насоса в этом случае может быть принят =3. По формуле (1) КПД станции с комбинированной выработкой тепла и электроэнергии составит _C=0,612, а КПД тепловой электростанции при реализации предлагаемого способа , при этом выработка электроэнергии увеличивается на 2,3%. Условие повышение КПД станции: >1/ _э.