Результат интеллектуальной деятельности: Котельная на сжиженном природном газе

Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для выработки тепловой энергии на котельных с использованием сжиженного природного газа (СПГ) в качестве экологически чистого топлива.

Известно об экологической эффективности использования природного газа в энергетических установках. Замена традиционных видов топлива на природный газ позволяет значительно снизить выбросы вредных компонентов дымовых газов (Кириллов Н.Г. СПГ - универсальное энергетическое топливо XXI века// Нефть, газ & СПР, №2, 2004. - стр. 39-43).

Известны котельные, работающие на сжиженном природном газе, доставляемом потребителю криогенными метановозами и хранимым в изотермических хранилища СПГ. После испарения СП на воздухе и подогрева его до положительной температуры с помощью специальных подогревателей газ поступает в топку котельной (Кириллов Н.Г. Сжиженный природный газ: области применения и технологии производства // Холодильный бизнес, №6, 2002. - стр. 8-11). Недостатком такой системы испарения и подогрева газа являются большие металлозатраты на блок воздушных испарителей СПГ, а также значительные энергозатраты на подогрев топливного газа перед подачей в топку котельной установки.

Известно об экономической эффективности применения сжиженного природного газа в системах автономного энергоснабжения удаленных населенных пунктов (Кириллов Н.Г. Методика расчета технико-экономической эффективности применения подземных хранилищ СПГ в системах теплоснабжения населенных пунктов// Газовая промышленность, №5, 2013, стр. 76-82).

Известна система автономного энергоснабжения удаленных объектов и населенных пунктов с использованием сжиженного природного газа, включающая связанные между собой теплоизолированное криогенного хранилища сжиженного природного газа с погружным криогенным насосом, испаритель сжиженного природного газа, газовый двигатель с электрогенератором, котельную станцию и газовый коллектор, из которого одна часть газа направляется в газовый двигатель для производства электроэнергии, а вторая часть испарившегося сжиженного природного газа направляется в котельную станцию, связанной тепловой сеть с насосом с потребителями тепловой энергии, для сжигания природного газа в котельной станции и выработки тепловой энергии (Патент РФ №2570952, опубл. от 20.12.2015, Бюл. №35).

Недостатками данного технического решения является наличие дорогостоящего погружного криогенного насоса, помещенного внутри хранилища сжиженного природного газа, испарение сжиженного природного газа в испарителе за счет теплообмена с отработанными газами газового двигателя через теплообменную поверхность испарителя, что приводит к прямой зависимости работы котельной станции от газового двигателя. Сложность изготовления и обслуживания испарителя сжиженного природного газа с теплообменом от отработанных газов двигателя, необходимость наличия высококвалифицированных специалистов для обслуживания криогенного хранилища сжиженного природного газа с погружным криогенным насосом, и невозможность работы котельной станции при неработающем газовом двигателе ограничивает применение данного технического решения.

Известна котельная на сжиженном природном газе, включающая котельную установку, дымовую трубу, короб отвода дымовых газов, связывающий котельную установку и дымовую трубу, хранилище сжиженного природного газа, соединенный с системой испарения СПГ и подогрева газа перед его подачей в топку котельной установки, при этом система испарения и подогрева газа выполнена в виде двух последовательно расположенных теплообменников, первый из которых, теплообменник-испаритель СПГ, предназначен для испарения (регазификации) сжиженного природного газа, а второй, теплообменник-подогреватель испарившегося сжиженного природного газа, предназначен для подогрева газа, при этом в качестве источника тепловой энергии для газификации сжиженного природного газа в теплообменнике-испарителе СПГ применяется холодильная система, в которой теплоносителем является спирт (Патент РФ №2161754, опубл. от 10.01.2001, Бюл. №1). Хранилище СПГ заполняется сжиженным природным газом от внешнего источника СПГ - автомобиля-метановоза.

Недостатками данного технического решения невысокая эффективность системы газификации сжиженного природного газа и подогрева испарившегося сжиженного природного газа в следствии теплопередачи тепла непосредственно от дымовых газов, находящихся в газовой фазе, и применения дополнительной холодильной системы, а также повышенная опасность и низкая надежность эксплуатации котельной в следствии применения спирта в качестве хладоносителя для холодильной системы, используемой дополнительный источник тепла для газификации сжиженного природного газа.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности газификации сжиженного природного газа и подогрева испарившегося сжиженного природного газа, снижения массогабаритных характеристик теплообменных аппаратов, а также повышении безопасности и надежности эксплуатации котельной с сжиженным природным газом в качестве топлива.

Для достижения этого технического результата котельная на сжиженном природном газе, включающая котельную установку, дымовую трубу, короб отвода дымовых газов, связывающий котельную установку с дымовой трубой, хранилище сжиженного природного газа, соединенное с системой испарения СПГ и подогрева газа перед его подачей в топку котельной установки, при этом система испарения и подогрева газа выполнена в виде двух последовательно расположенных теплообменников, первый из которых, теплообменник-испаритель СПГ предназначен, для испарения сжиженного природного газа, а второй, теплообменник-подогреватель испарившегося сжиженного природного газа, предназначен для подогрева газа перед подачей его в топку котельной установки, снабжена системой промежуточного теплоносителя с циркуляционным насосом и теплоизолированной емкостью с промежуточным теплоносителем, внутри которой размещен теплообменник-испаритель СПГ, теплообменником-нагревателем промежуточного теплоносителя, расположенным в коробе отвода дымовых газов, линией наддува испарившегося сжиженного природного газа, соединяющей газовое пространство хранилища сжиженного природного газа и газовую магистраль, расположенную между теплоизолированной емкостью с промежуточным теплоносителем и теплообменником-подогревателем испарившегося сжиженного природного газа, при этом система промежуточного теплоносителя последовательно проходит через теплообменник-нагреватель промежуточного теплоносителя и теплообменник-подогреватель испарившегося сжиженного природного газа.

Введение в состав котельной на сжиженном природном газе системы промежуточного теплоносителя с циркуляционным насосом и теплоизолированной емкостью с промежуточным теплоносителем, внутри которой размещен теплообменник-испаритель СПГ, теплообменника-нагревателя промежуточного теплоносителя, расположенного в коробе отвода дымовых газов, линии наддува испарившегося сжиженного природного газа, соединяющей газовое пространство хранилища сжиженного природного газа и газовую магистраль, расположенной между теплоизолированной емкостью с промежуточным теплоносителем и теплообменником-подогревателем испарившегося сжиженного природного газа, при этом система промежуточного теплоносителя, последовательно проходит через теплообменник-нагреватель промежуточного теплоносителя и теплообменник-подогреватель испарившегося сжиженного природного газа, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности повышении эффективности газификации сжиженного природного газа и подогрева испарившегося сжиженного природного газа за счет организации передачи тепла сжиженному природному газу от дымовых газов за счет циркуляции промежуточного теплоносителя, который находится в жидкой фазе, что обеспечивает снижение массогабаритных характеристик теплообменника-испарителя СПГ, теплообменника-подогревателя испарившегося сжиженного природного газа и теплообменника-нагревателя промежуточного теплоносителя, расположенного в коробе отвода дымовых газов, а также исключает необходимость применения дополнительных источников тепла в виде холодильной системы со спиртовым хладоносителем, что повышает безопасность и надежность эксплуатации котельной со сжиженным природным газом в качестве топлива.

В качестве промежуточного теплоносителя используется вода.

На фиг. 1 изображена котельная на сжиженном природном газе.

Котельная на сжиженном природном газе, включающая котельную установку 1, дымовую трубу 2, короб отвода дымовых газов 3, связывающий котельную установку 1 с дымовой трубой 2, хранилище сжиженного природного газа 4 с газовым пространством 5. Система испарения СПГ и подогрева газа перед его подачей в топку котельной установки 1 выполнена в виде двух последовательно расположенных теплообменников, первый из которых, теплообменник-испаритель СПГ 6 предназначен для испарения сжиженного природного газа, а второй, теплообменник-подогреватель испарившегося сжиженного природного газа 7, предназначен для подогрева газа перед подачей его в топку котельной установки,

Котельная также снабжена системой промежуточного теплоносителя 8 с циркуляционным насосом 9 и теплоизолированной емкостью с промежуточным теплоносителем 10, внутри которой размещен теплообменник-испаритель СПГ 6, теплообменником-нагревателем промежуточного теплоносителя 11, расположенным в коробе отвода дымовых газов 3, линией наддува испарившегося сжиженного природного газа 12, соединяющей газовое пространство 5 хранилища сжиженного природного газа 4 и газовую магистраль 13, расположенной между теплоизолированной емкостью с промежуточным теплоносителем 10 и теплообменником-подогревателем испарившегося сжиженного природного газа 7. Система промежуточного теплоносителя 8 последовательно проходит через теплообменник-нагреватель промежуточного теплоносителя 11 и теплообменник-подогреватель испарившегося сжиженного природного газа 7.

Котельная на сжиженном природном газе функционирует следующим образом.

Хранилище сжиженного природного газа 4 заполняется сжиженным природным газом от внешнего источника, например, автомобиля-метановоза (на рис. не показан).

Из хранилища СПГ 4 сжиженный природный газ поступает в теплообменник-испаритель СПГ 6, расположенный внутри теплоизолированной емкостью 10 с промежуточным теплоносителем, в качестве которого используется вода. Сжиженный природный газ в теплообменнике-испарителе СПГ 6 нагревается и испаряется за счет теплообмена с теплым промежуточным теплоносителем (водой), циркулирующим по системе промежуточного теплоносителя 8. Для циркуляции воды в системе 8 охлажденная вода из теплоизолированной емкости 10 забирается циркуляционным насосом 9 и подается в теплообменник-нагреватель промежуточного теплоносителя 11, который расположен в коробе отвода дымовых газов 3. В теплообменник-нагреватель промежуточного теплоносителя 11 вода нагревается за счет теплообмена с дымовыми газами, уходящими из котельной установки 1 через дымовую трубу 2.

Затем горячая вода по системе 8 поступает в теплообменник-подогреватель испарившегося сжиженного природного газа 7, где нагревает испарившийся сжиженный природный газ до высокой температуры, перед его подачей в топку котельной установки 1.

После теплообменника-подогревателя испарившегося сжиженного природного газа 7, теплая вода подается в теплоизолированную емкость 10 с промежуточным теплоносителем. Данный круговорот воды по системе промежуточного теплоносителя 8 обеспечивает стабильную и безопасную передачу тепла дымовых газов сжиженному природному газу.

Для обеспечения стабильной подачи сжиженного природного газа из хранилища 4 в теплообменник-испаритель СПГ 6, предусмотрена линия наддува испарившегося сжиженного природного газа 12, соединяющая газовое пространство 5 хранилища сжиженного природного газа 4 и газовую магистраль 13, расположенной между теплоизолированной емкостью с промежуточным теплоносителем 10 и теплообменником-подогревателем испарившегося сжиженного природного газа 7. За счет испарения сжиженного природного газа в теплообменнике-испарителе СПГ 6, давление природного газа растет, и часть его поступает в газовое пространство 5, что обеспечивает постоянное давление в хранилище 4 (при уменьшении уровня СПГ за счет его расхода) необходимое для «выдавливание» СПГ из хранилища 4.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявочных документов:

1. Кириллов Н.Г. СПГ - универсальное энергетическое топливо XXI века// Нефть, газ & СПР, №2, 2004. - стр. 39-43.

2. Кириллов Н.Г. Сжиженный природный газ: области применения и технологии производства // Холодильный бизнес, №6, 2002. - стр. 8-11.

3. Кириллов Н.Г. Методика расчета технико-экономической эффективности применения подземных хранилищ СПГ в системах теплоснабжения населенных пунктов// Газовая промышленность, №5, 2013, стр. 76-82.

4. Патент РФ №2570952, опубл. от 20.12.2015, Бюл. №35.

5. Патент РФ №2161754, опубл. от 10.01.2001, Бюл. №1 - прототип.