Результат интеллектуальной деятельности: Комбинированная тепло- и электрогенерирующая установка

Изобретение относится к энергетике и может быть применено для обеспечения автономности и экономичности в системах энергоснабжения на базе районных и квартальных тепловых станций (РТС и КТС).

Известна тепло- и электрогенерирующая установка (см. Лапир М.А. Экологически чистые энергогенерирующие комплексы на базе газотурбинных надстроек водогрейных котлов РТС // Новости теплоснабжения, №1, 2002, с. 41-46), состоящая из водогрейного котла РТС, подключенного к контуру сетевой воды, включающему тракт первичной горячей сетевой воды, связанный с тепловыми потребителями, и тракт обратной сетевой воды, связанный с насосом сетевой воды, и энергоустановки.

Недостатком энергоустановки является низкий КПД в начале и конце отопительного периода, обусловленный привязкой к температурам первичной и обратной сетевой воды, которые близки друг к другу в этот период года, и, следовательно, источник и сток тепловой энергии имеют малую величину разности температур Δt.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является комбинированная тепло- и электрогенерирующая установка, которая состоит из водогрейного котла РТС, контура сетевой воды, включающего тракт первичной горячей сетевой воды, связанный с тепловыми потребителями, и тракт обратной сетевой воды, связанный с насосом, и энергоустановки на низкокипящем рабочем теле, включающей в паросиловой контур парогенератор, турбину с электрогенератором, питательный насос и конденсатор, запорно-регулирующие задвижки (см. патент RU №2300636, БИ №07, 2009).

Недостатком данной установки является ее малая топливная экономичность и маневренность. Другим недостатком является ограниченная автономность и надежность энергоустановки в период перебоев с поставкой топлива.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение экономичности энергоустановки, маневренности, надежности и автономности энергоустановки при возможных перебоях с поставками топлива на РТС.

Технический результат достигается тем, что комбинированная тепло- и электрогенерирующая установка, состоящая из водогрейного котла районной тепловой станции, подключенного к контуру сетевой воды, включающему тракт первичной горячей сетевой воды, связанный с потребителями, и тракт обратной сетевой воды, связанный с насосом сетевой воды, и энергоустановки на низкокипящем рабочем теле, включающей в паросиловой контур парогенератор, турбину с электрогенератором, питательный насос и конденсатор, запорно-регулирующие задвижки, снабжена дополнительным контуром, включающим поле солнечных коллекторов, насос, теплообменник-подогреватель рабочего тела и регулирующий вентиль, причем теплообменник-подогреватель рабочего тела включен в паросиловой контур энергоустановки последовательно, горячим выходом присоединен к парогенератору, а холодным входом - к выходу питательного насоса, а поле солнечных коллекторов выполнено в виде последовательно соединенных сборок плоских и вакуумных солнечных коллекторов, при этом выход каждого из плоских коллекторов подключен соответственно к входу каждого из вакуумных коллекторов, вход сборки плоских коллекторов через насос и регулирующий вентиль подключен к холодному выходу теплообменника-подогревателя, а выход сборки вакуумных коллекторов подключен к горячему входу теплообменника-подогревателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемой комбинированной тепло- и электрогенерирующей установки.

Комбинированная тепло- и электрогенерирующая установка содержит водогрейный котел 1 районной тепловой станции, подключенный к контуру сетевой воды, включающему тракт 2 первичной горячей сетевой воды, связанный с тепловыми потребителями 3, и тракт 4 обратной сетевой воды, связанный с насосом 5 сетевой воды, энергоустановку на низкокипящем рабочем теле (НКРТ), включающую в паросиловой контур парогенератор 6, турбину 7 с электрогенератором 8, питательный насос 9 и конденсатор 10. Парогенератор 6 через запорно-регулирующие задвижки 11, 12, 13 подключен к тракту 2 первичной горячей сетевой воды, а конденсатор 10 через запорно-регулирующие задвижки 14, 15, 16 подключен к тракту обратной сетевой воды 4. Дополнительные элементы, в том числе поле солнечных коллекторов 17, насос 18, теплообменник-подогреватель рабочего тела 19 и регулирующий вентиль 20, объединены во внешний солнечный контур. Теплообменник-подогреватель рабочего тела 19 последовательно включен в паросиловой контур низкокипящего рабочего тела, горячим выходом присоединен к входу парогенератора 6, а холодным входом - к напорной стороне питательного насоса 9. Поле солнечных коллекторов 17 состоит из последовательно соединенных в сборки плоских солнечных коллекторов 21 (в нижней ступени сборки) и вакуумных коллекторов 22 (в верхней ступени сборки).

Энергоустановка работает следующим образом. Горячая вода из водогрейного котла 1 поступает на парогенератор 6 низкокипящего рабочего тела при открытых запорно-регулирующих задвижках 11 и 13, задвижка 12 при этом закрыта. В парогенераторе 6 осуществляется частичный отбор теплоты на генерацию пара НКРТ. После парогенератора 6 вода поступает к тепловым потребителям 3, где происходит основной отбор теплоты от первичного теплоносителя. Обратная сетевая вода после тепловых потребителей 3 возвращается на водогрейный котел 1 через конденсатор 10 и открытые запорно-регулирующие задвижки 14, 15. Задвижка 16 при этом закрыта. В конденсаторе 10 поверхностного типа обратная вода частично подогревается за счет теплоты конденсации отработанных паров НКРТ, поступивших в него от турбины 7. Конденсат низкокипящего рабочего тела в жидкой фазе поступает на вход питательного насоса 9 и после сжатия подается в теплообменник-подогреватель рабочего тела 19 солнечного контура, где подогревается теплоносителем, поступающим от поля солнечных коллекторов 17. Причем первичной ступенью подогрева теплоносителя являются плоские солнечные коллекторы 21, а вторичной (высокотемпературной) ступенью подогрева - вакуумные солнечные коллекторы 22, где теплоноситель может подогреваться до температуры +140°С за счет солнечной радиации. Горячее НКРТ с выхода теплообменника-подогревателя рабочего тела 19 в жидкой фазе поступает в парогенератор 6, где происходит его испарение за счет теплоты первичной сетевой воды, поступающей в парогенератор 6 от водогрейного котла 1. Насыщенный пар НКРТ поступает на турбину 7, где и производит при расширении полезную работу. Электрогенератором 8 для потребителей РТС генерируется электроэнергия. Паросиловой цикл замыкается.

Отдавший свою теплоту на подогрев НКРТ теплоноситель солнечного контура с выхода теплообменника-подогревателя рабочего тела 19 закачивается насосом 18 в поле солнечных коллекторов 17, где вновь нагревается до заданной температуры. Теплоноситель последовательно нагревается сначала в плоских солнечных коллекторах 21 (в нижней ступени сборки), а затем в вакуумных коллекторах 22 (в верхней ступени сборки). Это позволяет повысить температуру теплоносителя свыше 100°С, что увеличивает эффективность и КПД энергоустановки. Регулировка необходимой температуры нагрева осуществляется с помощью вентиля 20, позволяющего увеличить или уменьшить расход теплоносителя. При малой интенсивности солнечной радиации вентиль 20 прикрывается, и массовый расход теплоносителя уменьшается, сохраняя его заданную температуру. При высокой солнечной радиации вентиль 20 открывается, и в энергоустановку поступает больше тепловой энергии за счет увеличения массового расхода теплоносителя. При этом поток полезной теплоты, полученный извне в течение суток, меняется от нуля (в ночные часы) до номинального значения. Общий суммарный приток теплоты, Q_год, Гкал, полученной энергоустановкой извне за счет солнечной энергии, определяет ее экономичность в отношении снижения годовых затрат топлива, ΔВ_год, т. В период перерывов с подачей топлива солнечная установка может частично компенсировать простой РТС за счет экономного расходования топлива только в ночные часы (когда нет солнца).

Таким образом, снабжение тепло- и электрогенерирующей установки дополнительным контуром, включающим последовательно соединенные плоские и вакуумные коллекторы, насос, теплообменник и регулирующий вентиль, позволяет повысить ее экономичность, снизить годовые затраты ценного органического топлива, повысить автономность, маневренность и надежность теплоснабжения потребителей при перерывах в топливоподаче на РТС. Причем плоские солнечные коллекторы используются в нижней ступени подогрева циркуляционной воды, а вакуумные коллекторы - в верхней.

Изобретение позволяет повысить экономичность энергоустановки, снизить годовые затраты топлива, повысить надежность теплоснабжения потребителей.