Результат интеллектуальной деятельности: КОНДЕНСАЦИОННАЯ КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к энергетике, жилищно-коммунальному хозяйству и может быть использовано в теплоэнергетических установках, работающих на газовом топливе.

Известна котельная установка [Патент РФ №2127398, 26.04.1996, F22D 1/36], содержащая снабженный дутьевым вентилятором и дымососом котел, параллельно подключенный своими подводящей и отводящей линиями к греющим трактам тепловой сети, воздушный декарбонизатор, контактный экономайзер, сборник конденсата которого соединен с подводящей линией котла через сборный бак декарбонизатора и атмосферный деаэратор. Установка снабжена трубопроводами, соединяющими всасывающий короб дутьевого вентилятора котла с патрубками отводов выпаров воздушного декарбонизатора и атмосферного деаэратора, часть выпара которого направлена в канал уходящих дымовых газов по трубопроводу, подключенному в газоход между котлом и экономайзером. Теплосъем из конденсационного теплообменника-утилизатора осуществляют водой, подаваемой на горячее водоснабжение (ГВС), увлажнение дутьевого воздуха осуществляют выпаром декарбонизатора.

Недостатками данного изобретения являются следующие факторы:

Использование воды ГВС для теплосъема находит ограниченное применение в связи с необходимостью выполнения 4-х трубной системы теплоснабжения от котельной (две трубы - прямая и обратная вода отопления и еще две трубы - прямая и обратная вода ГВС). В настоящее время, как правило, системы теплоснабжения от котельных выполняются 2-х трубными, а вода ГВС приготавливается у потребителей в квартальных теплопунктах, либо в индивидуальных теплопунктах (ИТП) на каждый дом, блочных теплопунктах (БТП). Кроме того, расход воды ГВС крайне неравномерен как в течение суток, так и года, что приводит к неравномерности и неполноте теплосъема от продуктов сгорания топлива отопительного котла.

Использование выпара декарбонизатора для увлажнения дутьевого воздуха приводит к повышенному содержанию инертного углекислого газа в дутьевом воздухе, что снижает экономичность котельной установки.

Известна система утилизации низкопотенциалыюго тепла с использованием тепловых насосов [Турлайс Д., Жигурс А., Церс А., Плискачев С. Утилизация низкопотенциального тепла с использованием тепловых насосов для повышения эффективности комбинированной выработки энергии. Новости теплоснабжения.: Издательство „Новости теплоснабжения". - №10. 2009], в которой для утилизации части теплоты охлаждающей воды когенерационного энергоблока (КЭ), сбрасываемой в градирнях в атмосферу, был использован абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос (АБТН).

Охлаждающая вода КЭ с температурой 45°С поступает в испаритель АБТН, где охлаждается до 29°С и направляется обратно в КЭ. В абсорбер и конденсатор АБТН последовательно подается и нагревается обратная вода теплосети от температур 40-63°С до 58-82,2°С в зависимости от температур наружного воздуха. Дальнейший нагрев обратной сетевой воды после АБТН до необходимой температуры осуществляется в водогрейном котле. В качестве греющей среды в генераторе АБТН используется водяной пар с давлением 6-7 бар от парового котла, редуцируемого до 4-х бар на входе в АБТН. При затратах 3 МВт тепловой энергии АБТН вырабатывает 5 МВт тепла, из которых 2 МВт составляет утилизированное тепло системы охлаждения энергоблока.

Недостатками данной системы являются:

1. Необходимость иметь несколько источников теплоты:

- утилизируемой низкопотенциалыюй теплоты систем охлаждения когенерационного энергоблока;

- греющей теплоты из парового котла;

- высокопотенциальной теплоты для догрева воды теплосети после АБТН, в данном случае, водогрейный котел.

2. Ограничение выработки теплоты в АБТН в зависимости от расхода и температуры воды системы охлаждения КЭ, работающего в основном для выработки электроэнергии и технологически, напрямую, не связанного с выработкой тепловой энергии в АБТН.

3. Ограничение выработки теплоты в АБТН в зависимости от режимов работы водогрейного и парового котлов. Водогрейный котел летом не работает, а качество пара от парового котла на собственные нужды, от которого пар поступает на АБТН, и качество пара на турбине энергоблока разное, что делает невозможным их замещение при остановке парового котла на собственные нужды.

В отличие от вышеприведенного примера использования АБТН, заявляемая конденсационная установка с АБТН является компактной и полностью технологически замкнутой единой установкой.

Наиболее близким изобретением к заявленному устройству является котельная установка [Патент РФ №214206, 24.06.1998, F22B 33/18], содержащая паровой котел, дымосос, термический деаэратор питательной воды с патрубком отвода выпара к основному газоходу перед теплообменником-утилизатором, водяной экономайзер, конденсационный поверхностный теплообменник-утилизатор, охлаждаемый сырой подпиточной водой, поверхностный теплообменник для нагрева воды теплосети

Недостатками этой котельной установки являются:

- низкая энергетическая эффективность вследствие ограниченного теплосъема в конденсационном теплообменнике-утилизаторе из-за ограниченного расхода и температуры сырой подпиточной воды, а в некоторых случаях и отсутствия необходимости в ней, ввиду достаточности количества конденсата, получаемого из дымовых газов для подпитки котла.

- высокое содержание окислов азота (NO_x) в сбросных продуктах сгорания топлива в атмосферу из котельной установки из-за низкой влажности дутьевого воздуха.

Цель изобретения - повышение экономичности котельной установки, расширение области применения глубокой утилизации теплоты и снижение содержания вредных оксидов азота NO_x в сбросных продуктах сжигания газового топлива.

Указанная цель достигается тем, что согласно изобретению в конденсационной котельной установке, включающей паровой котел с основным газоходом и врезанным в него байпасным газоходом, установленные на основном газоходе котла экономайзер водяной (ЭВ), конденсационный теплообменник-утилизатор теплоты продуктов сгорания топлива (КТУ), дымосос (Д) и дымовую трубу (Тр), а также теплообменник поверхностный (ТО), термический деаэратор питательной воды (ДА) с патрубком отвода выпара в основной газоход, дополнительно устанавливают абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос (АБТН), контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха (УВ) и поверхностный теплообменник-утилизатор продуктов сгорания топлива (ТУ). Контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха (УВ) устанавливают на линии подачи дутьевого воздуха в котел и соединяют с термическим деаэратором питательной воды (ДА) посредством трубопровода подачи деаэрированной питательной воды. Поверхностный теплообменник-утилизатор продуктов сгорания топлива (ТУ) устанавливают на основном газоходе перед КТУ. Установка, выполненная по варианту 1, отличается тем, что испаритель (И) АБТН трубопроводами соединен с конденсационным теплообменником-утилизатором теплоты продуктов сгорания топлива (КТУ) и поверхностным теплообменником-утилизатором продуктов сгорания топлива (ТУ), образуя циркуляционный контур охлаждающей среды, приводимой в движение циркуляционным насосом охлаждающей среды (Н2), генератор (Г) АБТН трубопроводами соединен с экономайзером водяным (ЭВ), образуя циркуляционный контур греющей среды, приводимой в движение циркуляционным насосом греющей среды (Н3), а абсорбер (А) и конденсатор (КД) АБТН последовательно соединены трубопроводом нагреваемой обратной воды теплосети с теплообменником поверхностным (ТО). Установка, выполненная по варианту 2, отличается тем, что испаритель (И) АБТН трубопроводами соединен с конденсационным теплообменником-утилизатором теплоты продуктов сгорания топлива (КТУ) и поверхностным теплообменником-утилизатором продуктов сгорания топлива (ТУ), образуя циркуляционный контур охлаждающей среды, приводимой в движение циркуляционным насосом охлаждающей среды (Н2), генератор (Г) АБТН снабжен врезанным в основной топливопровод перед котлом топливопроводом подачи газового топлива и врезанным в основной газоход между котлом (К) и экономайзером водяным (ЭВ) газоходом отвода продуктов сгорания топлива, а также соединен воздухопроводом с контактным теплообменником-увлажнителем дутьевого воздуха (УВ), а абсорбер (А), конденсатор (КД) АБТН и экономайзер водяной (ЭВ) последовательно соединены трубопроводом нагреваемой обратной воды теплосети с теплообменником поверхностным (ТО).

На фиг.1 показана схема конденсационной котельной установки с абсорбционным бромистолитиевым тепловым насосом (АБТН) (Вариант 1), выполненным с обогревом генератора теплотой конденсации части водяного пара из котла (с давлением 5-6 МПа (абс)) и непосредственно физической теплотой продуктов сгорания топлива после котла.

На фиг.2 показана схема конденсационной котельной установки с АБТН (Вариант 2), выполненным с обогревом генератора теплотой сжигания газового топлива (огневым) и непосредственно физической теплотой продуктов сгорания топлива после котла.

Где:

АБТН - абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос; А - абсорбер АБТН; Г - генератор АБТН; Д - дымосос; ДА - термический деаэратор питательной воды; И - испаритель АБТН; К - котел; КД - конденсатор АБТН; КТУ - контактный конденсационный теплообменник-утилизатор продуктов сгорания топлива; H1 - насос питательной воды; Н2 - насос циркуляционный охлаждающей среды; Н3 - насос циркуляционный греющей среды; ТО - теплообменник поверхностный; Тр - дымовая труба; ТУ - поверхностный теплообменник-утилизатор продуктов сгорания топлива; УВ - контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха; ЭВ - экономайзер водяной; Ш1, Ш2 - шиберы; 1 - газоход основной; 2 - газоход байпасный; 3 - патрубок отвода выпара из ДА; 4 - трубопроводы циркуляционной греющей среды; 5 - трубопроводы циркуляционной охлаждающей среды; 6 - трубопровод отвода избыточного конденсата, образующегося в КТУ; 7 - трубопровод отвода конденсата из ТО; 8 - трубопровод подачи деаэрированной питательной воды в котел; 9 - трубопровод подачи деаэрированной питательной воды на УВ; 10 - трубопровод подачи пара на ДА; 11 - трубопровод подачи пара на ТО; 12 - трубопровод подачи обратной воды теплосети; 13 - трубопровод подачи прямой воды теплосети; 14 - топливопровод подачи газового топлива в АБТН; 15 - воздухопровод подачи увлажненного воздуха в АБТН; 16 - газоход отвода продуктов сгорания топлива из АБТН; 17 - воздухопровод подачи увлажненного воздуха в котел.

Конденсационная котельная установка, выполненная по варианту 1, фиг.1, включает паровой, либо водогрейный котел К с основным газоходом 1 и врезанным в него перед шибером Ш1 байпасным газоходом 2 с шибером Ш2, расположенные на основном газоходе 1 котла водяной экономайзер ЭВ охлаждения дымовых газов до 150-160°С, поверхностный теплообменник-утилизатор ТУ охлаждения части (около 80%) продуктов сгорания топлива до 80-90°С, контактный конденсационный теплообменник-утилизатор КТУ для глубокого охлаждения продуктов сгорания топлива до 30-40°С, дымосос Д и дымовую трубу Тр, также включает абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос АБТН, испаритель И которого соединен трубопроводами 5 с КТУ и ТУ, образуя циркуляционный контур охлаждающей среды, приводимой в движение насосом циркуляционным охлаждающей среды Н2, генератор Г которого соединен трубопроводами 4 с экономайзером водяным ЭВ, образуя циркуляционный контур греющей среды, приводимой в движение насосом циркуляционным греющей среды Н3, через абсорбер А и конденсатор КД которого проведен трубопровод 12 нагреваемой обратной воды теплосети, замыкающийся на ТО, термический деаэратор питательной воды ДА с трубопроводом отвода выпара 3, который связан с циркуляционным контуром охлаждающей среды посредством трубопровода 6 отвода избыточного конденсата из КТУ, с котлом посредством трубопровода 8 подачи деаэрированной питательной воды в котел с помощью насоса питательной воды H1 и посредством трубопровода 10 подачи пара из котла в ДА, контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха УВ, соединенный с термическим деаэратором питательной воды ДА посредством трубопровода 9 подачи деаэрированной воды, с котлом посредством трубопровода 17 подачи увлажненного дутьевого воздуха в котел, теплообменник поверхностный ТО с трубопроводом 13 подачи прямой воды теплосети, соединенный с котлом посредством трубопровода 11 подачи пара на ТО, с конденсатором КД АБТН посредством трубопровода 12 нагреваемой обратной воды теплосети, с термическим деаэратором питательной воды ДА посредством трубопровода 7 отвода конденсата из ТО.

Конденсационная котельная установка, выполненная по варианту 2, фиг.2, включает паровой, либо водогрейный котел К с основным газоходом 1 и врезанным в него перед шибером Ш1 байпасным газоходом 2 с шибером Ш2, расположенные на основном газоходе 1 котла водяной экономайзер ЭВ, поверхностный теплообменник-утилизатор ТУ, контактный конденсационный теплообменник-утилизатор КТУ, дымосос Д и дымовую трубу Тр, также включает абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос АБТН, испаритель И которого соединен трубопроводами 5 с КТУ и ТУ, образуя циркуляционный контур охлаждающей среды, приводимой в движение насосом циркуляционным охлаждающей среды Н2, генератор Г которого оснащен газоходом 14 подачи газового топлива, врезанным в основной газоход перед котлом, газоходом 16 отвода продуктов сгорания топлива из АБТН, врезанным в основной газоход 1 между котлом и водяным экономайзером ЭВ, абсорбер А, конденсатор КД которого, а также ЭВ соединены трубопроводом 12 подачи нагреваемой обратной воды теплосети в ТО, термический деаэратор питательной воды ДА с трубопроводом отвода выпара 3, который связан с циркуляционным контуром охлаждающей среды посредством трубопровода 6 отвода избыточного конденсата из КТУ, с котлом посредством трубопровода 8 подачи деаэрироаванной питательной воды в котел с насосом питательной воды H1 и посредством трубопровода 10 подачи пара из котла в ДА, контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха УВ, соединенный с термическим деаэратором питательной воды ДА посредством трубопровода 9 подачи деаэрированной воды, с котлом посредством воздухопровода 17 подачи увлажненного дутьевого воздуха в котел, с генератором АБТН посредством воздухопровода 15 подачи увлажненного дутьевого воздуха в АБТН и топливопровода 14 подачи газового топлива в АБТН, газоход отвода продуктов сгорания топлива из АБТН, врезанный в основной газоход между котлом и водяным экономайзером, теплообменник поверхностный ТО с трубопроводом 13 подачи прямой воды теплосети, соединенный с котлом посредством трубопровода 11 подачи пара на ТО, с ЭВ и конденсатором КД АБТН посредством трубопровода 12 нагреваемой обратной воды теплосети, с термическим деаэратором питательной воды ДА посредством трубопровода 7 отвода конденсата из ТО.

Котельная установка, выполненная по варианту 2, отличается от котельной установки, выполненной по варианту 1, тем, что из схемы установки, фиг.2, исключен циркуляционный контур греющей среды с циркуляционным насосом греющей среды Н2, вместо него последовательно через абсорбер Л, конденсатор КД АБТН и ЭВ проведен трубопровод 12 нагреваемой обратной воды теплосети, который замкнут на теплообменнике поверхностном ТО, а генератор АБТН оснащен топливопроводом 14 подачи газового топлива, врезанным в основной топливопровод перед котлом, и газоходом 16 отвода продуктов сгорания топлива, врезанным в основной газоход между котлом и водяным экономайзером, а также генератор АБТН посредством воздухопровода 15 соединен с контактным теплообменником-увлажнителем дутьевого воздуха УВ.

Работа котельной установки (вариант 1), показанной на фиг.1, осуществляется следующим образом.

Продукты сгорания топлива после котла К проходят водяной экономайзер ЭВ, охлаждаются до 150-160°С и затем разделяются на два потока. Около 80% газов направляются по основному газоходу и через шибер Ш1 поступают в поверхностный теплообменник-утилизатор дымовых газов ТУ. Остальная часть газов (20%) направляется в байпасный газоход. В ТУ дымовые газы охлаждаются до температуры 80-90°С и далее поступают в конденсационный теплообменник-утилизатор дымовых газов КТУ, где происходит глубокое охлаждение продуктов сгорания до 30-40°С, при этом происходит конденсация части водяных паров, что позволяет полезно использовать как физическую теплоту дымовых газов, так и скрытую теплоту конденсации части содержащихся в них водяных паров. Скрытая теплота конденсации водяных паров в КТУ передается охлаждающей воде циркуляционного контура охлаждающей среды. Таким образом, в теплообменниках-утилизаторах ТУ и КТУ происходит отбор как физической теплоты охлаждения дымовых газов, так и скрытой теплоты конденсации большей части содержащихся в них водяных паров, включая теплоту охлаждения и конденсации выпара, поступающего из деаэратора ДА по трубопроводу отвода выпара 3.

Охлажденные продукты сгорания после КТУ смешиваются с проходящими по байпасному газоходу неохлажденными продуктами сгорания и при температуре 65-70°С отводятся дымососом Д через дымовую трубу Тр в атмосферу.

Конденсат водяных паров из циркуляционного контура охлаждающей среды через трубопровод 6 направляют в термический деаэратор питательной воды ДА с трубопроводом отвода выпара 3, откуда после деаэрации большую часть деаэрированной воды подают с помощью насоса H1 по трубопроводу 8 на подпитку котла либо теплосети, меньшую часть по трубопроводу 9 - в контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха УВ.

Контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха УВ устанавливают на линии подачи дутьевого воздуха в котельную установку с целью снижения содержания вредных оксидов азота (NOx), образующихся при горении топлива в топке котла и выбрасываемых с продуктами сгорания после охлаждения через дымовую трубу в атмосферу.

Установлено, что с увеличением содержания водяного пара в дутьевом воздухе с 0,01 до 0,03 кг/кг сухого воздуха содержание оксидов азота в продуктах сгорания в топке снижается в 2-3 раза (Рациональное использование газа в энергетических установках: Справочное пособие / Р.Б. Ахмедов, О.Н. Брюханов, А.С. Иссерлини др. - Л.: Недра. Ленингр. Отделение, 1990).

Таким образом, увлажнение дутьевого воздуха осуществляется деаэрированной и подогретой водой.

Охлажденные продукты сгорания после КТУ смешивают с неохлажденными продуктами сгорания, проходящими через байпасный газоход 2 с шибером Ш2, подсушивают и при температуре около 70°С дымососом Д отводят через дымовую трубу Тр в атмосферу. Теплота, отобранная в теплообменниках-утилизаторах КТУ и ТУ, передается охлаждающей воде, циркулирующей с помощью насоса Н2 по трубопроводам 5 циркуляционного контура охлаждающей среды, от которой в испарителе И АБТН отбирается и передается в абсорбере А к нагреваемой обратной воде теплосети, поступающей по трубопроводу 12. В генератор Г АБТН по трубопроводам 4 циркуляционного контура греющей среды с помощью насоса Н3 подается и отводится греющая вода из экономайзера водяного ЭВ. Теплота греющей воды в цикле работы АБТН передается в конденсаторе КД обратной воде теплосети, поступающей туда после подогрева в абсорбере А. При этом через абсорбер А и конденсатор КД абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса АБТН по трубопроводу 12 проходит нагреваемая обратная вода теплосети. Происходит передача утилизированной в генераторе и испарителе АБТН теплоты дымовых газов обратной сетевой воде на более высоком, трансформированном температурном уровне в 2-х трубной системе теплоснабжения. Это позволяет стабилизировать температуру охлаждающей поверхностный ТУ и конденсационный КТУ теплообменники-утилизаторы циркуляционной среды, поддерживать ее постоянно на уровне 35-40°С независимо от режимов работы котла, исключить необходимость в сырой воде либо воде ГВС с низкими начальными температурами, как частные случаи.

Окончательный догрев обратной воды до температуры прямой воды осуществляют в поверхностном теплообменнике ТО за счет теплоты конденсации пара из котла, поступающего по трубопроводу 11, либо окончательный догрев осуществляется в водогрейном котле (если вместо парового котла установлен водогрейный котел). После ТО прямую воду направляют потребителю по трубопроводу 13. Конденсат пара из ТО по трубопроводу 7 направляют в деаэратор ДА. Также в деаэратор ДА по трубопроводу 10 направляют часть пара из котла К.

Отличие в работе котельной установки (вариант 2), схема которой показана на фиг.2, следует из ее конструктивных особенностей. В котельной установке, фиг.2, обогрев генератора Г АБТН осуществляют теплотой сжигания газового топлива, подаваемого по топливопроводу 14. Воздух на сжигание газового топлива подают в генератор АБТН после контактного теплообменника-увлажнителя дутьевого воздуха УВ по воздухопроводу 15. Продукты сжигания газового топлива из генератора АБТН по трубопроводу 16 подают в газоход 1 котла перед водяным экономайзером ЭВ. Обратную воду теплосети с температурой 40-70°С по трубопроводу 12 последовательно нагревают в абсорбере А и конденсаторе КД АБТН, затем направляют в водяной экономайзер ЭВ для дальнейшего нагрева, откуда по трубопроводу 4 подают в поверхностный теплообменник ТО для догрева. Из поверхностного теплообменника ТО по трубопроводу 13 прямую воду теплосети направляют к потребителю. Остальные узлы установки функционируют так же, как у котельной установки, схема которой показана на фиг.1.

Поскольку в АБТН осуществляется обратный, холодильный цикл, то температура циркулирующей охлаждающей теплообменники - утилизаторы воды может быть задана в пределах от плюс 7°С до плюс 35-40°С, это позволяет расширить область применения систем глубокого охлаждения и утилизации теплоты не только в котельных установках, но и в других теплоэнергетических установках сжигания газового топлива.

Снижение содержания вредных окислов азота NO_x, образующихся при горении топлива в топке котла в 2-3 раза, достигается путем повышения влагосодержания дутьевого воздуха в контактном (циклонно-пенном, центробежно-барботажном) увлажнителе воздуха до 0,03 кг/кг и выше подачей в аппарат деаэрированного, подогретого конденсата.

Таким образом, достигается заявленный технический результат - повышение экологичности, надежности и экономичности работы котельной установки.