Результат интеллектуальной деятельности: Система отопления зданий при помощи рекуперации тепла из горячей нефти

Изобретение относится к системам отопления зданий горячей водой при рекуперации тепла из горячей нефти.

Известна установка подогрева воды для осуществления способа подогрева воды для отопления (патент RU № 2336466, МПК F24D 03/02, опубл. 20.10.2008 в Бюл. № 29), включающая теплообменники, расположенные в верхних частях нагнетательной и добычной геотермальных скважин до глубины 150 м от поверхности, трубопроводы с насосами для обратной закачки термальной воды в пласт и для обеспечения циркуляции подогреваемой воды по системе отопления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тепловой и сетевой насосы, подключенные к системе скважинных теплообменников и системе отопления, а на теплопередающих поверхностях внутрискважинных теплообменников для интенсификации процесса и увеличения поверхности теплообмена предусмотрены по всей длине теплообменников продольные ребра, количество n, толщину δ_р и высоту h_p которых выбирают из условия получения необходимой температуры подогреваемой сетевой воды на входе в тепловой насос, при этом для снижения тепловых потерь от подогреваемой воды в теплообменниках между ее потоками на входе и на выходе установлены внутренние коаксиальные цилиндры, заполненные теплоизоляционным материалом.

Недостатками данного устройства являются узкая область применения из-за возможности реализации только в районах с высокой геотермальной активностью, невозможность контролирования прорыва теплоносителя – горячей воды из источников в систему отопления зданий, что из-за химической агрессивности воды из источников и насыщенности ее газом может привести к быстрому выходу из строя системы отопления.

Наиболее близким является устройство для обогрева внутреннего объема здания (патент RU № 2336466, МПК F24D 3/00, F24D 9/00, опубл. 10.02.1998 в Бюл. № 1), содержащее теплообменные средства для переноса тепла от жидкости районного горячего водоснабжения к жидкости, протекающей в нагревательных секциях обогрева здания и подогрева вентиляционного воздуха посредством нагревательных ветвей, отличающееся тем, что для снижения температуры возвратной жидкости районной системы горячего водоснабжения нагревательные секции обогрева здания и подогрева вентиляционного воздуха включены последовательно, а поток одной из жидкостей направляется в устройстве с возможностью переноса тепла, необходимого для обогрева здания, а затем после некоторого охлаждения переноса тепла, необходимого для подогрева вентиляционного воздуха.

Недостатками данного устройства являются рекуперация тепла из системы горячего водоснабжения, что может значительно снизить температуру горячей воды для водоснабжения, что может привести к нарушению норм СанПиН 2.1.4.1074 и СанПиН 2.1.4.2496 или ГОСТ Р 51617-2000, сложная система регулировки для последовательного нагрева воды для горячего водоснабжения и для подогрева вентиляционного воздуха, отсутствие контроля прорыва горячей воды, насыщенной газом, из системы водоснабжения в систему обогрева зданий и наоборот, что может привести к ускоренному выходу из строя систем отопления и/или нарушению норм для горячей воды, которая должна полностью соответствовать ГОСТ 2874-82.

Технической задачей предполагаемого изобретения является создание системы отопления зданий при помощи рекуперации тепла из горячей нефти, позволяющей поддерживать необходимую температуру теплоносителя – горячей воды, увеличить срок службы и исключить нарушение состава воды в контуре теплоносителя и в контуре отопления зданий за счет контроля состава воды в этих контурах.

Техническая задача решается системой отопления зданий при помощи рекуперации тепла из горячей нефти, включающая теплообменные средства для переноса тепла от горячей воды из трубопровода теплопереноса, к жидкости, протекающей в нагревательном контуре обогрева зданий.

Новым является то, что трубопровод теплопереноса также замкнут в дополнительный контур, который снабжен циркуляционным насосом, дополнительными теплообменными средствами для переноса тепла от горячей нефти системы подготовки нефти к воде дополнительного контура, технологической емкостью, сообщенной с канализацией через регулируемую блоком управления задвижкой, и датчиком, контролирующим изменения состава воды в дополнительном контуре, установленным перед емкостью по направлению потока воды и соединенным технологически с блоком управления, при этом контур обогрева зданий снабжен сливом, сообщенным с канализацией через регулируемую своим блоком управления дополнительной задвижкой, и дополнительным датчиком, контролирующим изменения состава воды в контуре обогрева зданий, установленным перед сливом по направлению потока воды и соединенным технологически с блоком управления.

На чертеже изображена схема системы отопления.

Система отопления зданий при помощи рекуперации тепла из горячей нефти включает теплообменные средства 1 для переноса тепла от горячей воды из трубопровода теплопереноса 2, к жидкости, протекающей в нагревательном контуре 3 обогрева зданий 4. Трубопровод теплопереноса 2 также замкнут в дополнительный контур, который снабжен циркуляционным насосом 5, дополнительными теплообменными средствами 6 для переноса тепла от горячей нефти системы подготовки нефти 7 по нефтепроводу 8 к воде теплопровода теплопереноса 2 дополнительного контура. Теплопровод теплопереноса 2 дополнительного контура также снабжен технологической емкостью 9, сообщенной с канализацией 10 через регулируемую блоком управления 11 задвижкой 12, и датчиком 13, контролирующим изменения состава воды в теплопроводе теплопереноса 2 дополнительного контура. Датчик 13 установлен перед емкостью 9 по направлению потока воды и соединенным технологически с блоком управления 11. Контур 3 обогрева зданий 4 снабжен сливом 14, сообщенным с канализацией 10 через регулируемую своим блоком управления 15 дополнительной задвижкой 16, и дополнительным датчиком 17, контролирующим изменения состава воды в контуре 3 обогрева зданий 4, установленным перед сливом 14 по направлению потока воды и соединенным технологически с блоком управления 15. Жидкость в контуре 3 перекачивается дополнительным циркуляционным насосом 18.

Конструктивные элементы и технологические соединения, не влияющие на работоспособность системы, на чертеже не показаны или показаны условно.

Система отопления работает следующим образом.

Предварительно анализируют с какого участка (не показан) системы подготовки нефти 7 необходимо нефтепроводом 8 направлять подогретую нефть на дополнительные теплообменные средства 6 (теплообменники), чтобы добиться максимального съема тепловой энергии без изменения качества подготовки нефти. Нефть после дополнительных теплообменных средств 6 подается на выход с установки (не показана) системы подготовки нефти 7, а нагретая от горячей нефти в дополнительных теплообменных средствах 6 пресная вода протекает под действием циркуляционного насоса 5 в трубах теплопереноса 2 дополнительного контура (контур теплоносителя), проходя также через теплообменные средства 1. Дополнительный контур снабжен технологической емкостью 9 для улавливания и удаления нефти в случае ее попадания в трубопровод теплопереноса 2 при нарушении целостности теплообменных средств 6. В трубопроводе теплопереноса 2 дополнительного контура циркуляционным насосом 5 поддерживается давление превышающее давление в нефтепроводе 8 для снижения вероятности попадания нефти из дополнительных теплообменных средств 6 в случае нарушения его целостности. Также в трубах теплопереноса 2 проводят мониторинг изменения состава воды датчиком 13, установленным после дополнительных теплообменных средств 6 перед технологической емкостью 9. В случае обнаружения изменения состава воды (попадание нефти) датчик 13 подает сигнал на блок управления 11, который открывает задвижку 12 для сброса нефти из верхнего слоя воды (с нефтью) технологической емкости 9 в канализацию 10 и останавливает работу циркуляционного насоса 5 до устранения неполадок. Для непрерывной работы системы отопления могут использоваться двойные дополнительные теплообменные средства 6, тогда при обнаружении датчиком 13 нефти в пресной воде первый работающий теплообменник 6 отключают, а дублирующий 6 – после сброса нефти из технологической емкости 9 включают в работу до устранения неполадок в первом теплообменнике 6, не останавливая на долго и не позволяя сильно остыть трубам теплопереноса 2 дополнительного контура. Прокачиваемая своим насосом 18 жидкость (чаще всего техническую воду) контура 3, проходя через теплообменные средства 1 нагревается и переносит тепло для обогрева зданий 4. Появление нефти в контуре 3 маловероятно, но так как производится отопление в том числе и жилых помещений 4, то для защиты людей от вредного воздействия паров углеводородов, находящихся в нефти, контру 3 оборудован сливом 14. Для исключения попадания нефти в контур 3 (в случае неполадок датчика 13 труб теплопереноса 2) он снабжен дополнительным датчиком 17, контролирующим изменения состава воды. Дополнительный датчик 17 подает сигнал на свой блок управления 15, который открывает задвижку 16 для сброса нефти из контура 3 в канализацию 10 по сливу 14 и останавливает работу насоса 18 до устранения неполадок. Для непрерывной работы контура 3 могут использоваться двойные теплообменные средства 1 (теплообменники), тогда при обнаружении датчиком 17 нефти в воде первый работающий теплообменник 1 отключают, а дублирующий 1 – после сброса нефти из контура 3 включают в работу до устранения неполадок в первом теплообменнике 1, не позволяя сильно остыть воде в трубах контура 3. Система дублирования теплообменных средств 1 и 6 известна, и авторы на нее не претендуют.

Пример конкретного выполнения.

Проверка работоспособности системы проводилась на объектах Северо-Альметьевского промышленного узла.

В установках системы подготовки нефти 7 производительностью до 500 м³/час определили, что наименьшее влияние на технологический процесс подготовки будет «съем» тепловой энергии после ректификационной колонны (не показана), откуда нефть по нефтепроводу 8 с температурой 140 – 165 °С, расходом 10 – 15 м³/час и давлением до 0,15 МПа направили на дополнительные теплообменные средства 6 (рекуперативные спиральные теплообменники), где произвели нагрев промежуточного теплоносителя (пресной воды) до 90°С, перекачиваемого по трубам теплопереноса 2 циркуляционным насосом 5 с давлением 0,2 – 0,3 МПа. Аварийных ситуаций с проникновением нефти в трубы теплопереноса 2 не наблюдалось. Для проверки работоспособности системы сброса было добавлен 0,2 л нефти в дополнительный контур. В результате: после подачи сигнала датчиком 13 блок управления 11 открыл задвижку 12, из технологической емкости было сброшено в канализацию 10 до 2,5 л воды с нефтью из верхнего слоя, циркуляционный насос 5 остановился, в дополнительных теплообменных средствах 6 с первого теплообменника произошло переключение на резервный, циркуляционный насос 5 запустился в работу через 12 мин., и дополнительный контур заработал в штатном режиме, сигналов с датчика 13 больше не поступало. При этом температура в трубах теплопереноса 2 снизилась на 4 °С. Пресная вода, проходя через теплообменные средства 1 (теплообменники пластинчатого типа), нагревала техническую воду контура 3 до температуры 75 – 80 °С, которая прокачивалась насосом 18 и подавалась в здания 4 для их нагрева. Аварийных ситуаций с проникновением нефти в контур 3 не наблюдалось. Для проверки работоспособности сброса 14 было добавлен 0,1 л нефти в контур 3. В результате: после подачи сигнала датчиком 17 блок управления 11 сразу открыл задвижку 16, из контура 3 по сбросу 14 до 1,5 л воды было сброшено в канализацию 10, насос 18 остановился, в теплообменных средствах 1 с первого теплообменника произошло переключение на резервный, насос 18 запустился в работу через 4 мин., и контур 3 заработал в штатном режиме, сигналов с дополнительного датчика 17 больше не поступало. При этом температура в контуре 3 снизилась не более 1 °С. Данная система отопления зданий 4 проработает без сбоев и позволила полностью перейти на автономный режим работы без использования внешних источников тепла. Использование пресной умягченной воды в качестве теплоносителя практически полностью исключило образование накипи в теплообменных средствах 6 и 1, значительно увеличивая их срок службы.

Предлагаемая система отопления зданий при помощи рекуперации тепла из горячей нефти позволяет поддерживать необходимую температуру теплоносителя – горячей воды для отопления зданий, увеличивает срок службы и исключает нарушение состава воды в контуре теплоносителя и в контуре отопления зданий за счет контроля датчиками состава воды в этих контурах.