Тепловой пункт с системой рекуперации избыточного магистрального давления
Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах централизованного теплоснабжения. Тепловой пункт с системой рекуперации избыточного магистрального давления содержит линию перепуска давления, смонтированную на обратном трубопроводе за теплообменным аппаратом параллельно выходной магистральной задвижке посредством двух технологических задвижек и включающую динамический насос, причем ротор динамического насоса, работающего в турбинном режиме, кинематически связан с ротором электропривода циркуляционного насоса системы отопления, присоединенной к теплосети по независимой схеме. Достигается повышение энергоэффективности функционирования теплового пункта и его надежности при аварийном отключении электропитания циркуляционных насосов системы отопления за счет преобразования энергии избыточного магистрального давления теплоносителя из тепловой сети в механическую энергию ротора насоса.
Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована в системах централизованного теплоснабжения.
Известны тепловые пункты (ТП) двухтрубных водяных систем централизованного теплоснабжения с независимой схемой присоединения местных систем отопления, содержащие прямой и обратный магистральные трубопроводы тепловой сети, между которыми включены последовательно регулирующий клапан и водоподогреватель (теплообменный аппарат - ТА), а также контур системы отопления, в который включены последовательно циркуляционный насос (ЦН) с электроприводом и ТА (см., например, свод правил по проектированию и строительству СП41-101-95 "Проектирование тепловых пунктов"). Характерной особенностью водяных систем централизованного теплоснабжения является значительная протяженность магистральных трубопроводов, доставляющих теплоноситель потребителям. Для преодоления большого гидравлического сопротивления магистрали и гарантированной доставки теплоносителя самым удаленным потребителям приходится создавать значительное давление на входе в магистраль. В результате большинство потребителей, кроме самых удаленных от тепловой станции, получают теплоноситель под избыточным для работы ТП давлением, которое вынуждено дросселируется регулирующим клапаном. Таким образом в рассматриваемых ТП энергия избыточного давления теплоносителя при дросселировании потока безвозвратно теряется на регулирующих клапанах. К тому же такие ТП не обладают достаточной надежностью, т.к. при аварийном отключении электропитания ЦП не могут обеспечить циркуляцию теплоносителя в системе отопления.
Также известны ТП двухтрубных водяных систем централизованного теплоснабжения с независимой схемой присоединения местных систем отопления, в которых последовательно с регулирующим клапаном и ТА устанавливаются устройства, преобразующие энергию избыточного магистрального давления в электрическую энергию. Наиболее близким аналогом является система рекуперации избыточного давления магистральных сетей водо- и теплоснабжения, содержащая линию перепуска давления, смонтированную на прямом трубопроводе перед регулирующим клапаном и включающую в себя динамический насос с генератором электрического тока (RU 2239752 C1, F24D 17/00, 22.12.2003). В этой системе динамический насос работает в турбинном режиме за счет энергии избыточного магистрального давления, а генератор электрического тока может быть скоммутирован с сетью потребителя через инвертор (преобразователь напряжения), что дает возможность обеспечить автономное питание электропривода ЦН системы отопления при аварийном отключении его штатного электропитания.
Однако ТП с такой системой не обладает достаточной энергоэффективностью и надежностью функционирования при аварийном отключении штатного электропитания ЦН, т.к. в цепи "генератор - привод ЦН" имеют место значительные потери электрической энергии, а вероятность безотказной работы этой цепи низка из-за большого количества последовательно соединенных элементов.
Задачей полезной модели является повышение энергоэффективности функционирования теплового пункта и его надежности при аварийном отключении электропитания циркуляционных насосов системы отопления.
Для решения этой задачи тепловой пункт с системой рекуперации избыточного магистрального давления содержит линию перепуска давления, смонтированную на обратном трубопроводе за теплообменным аппаратом параллельно выходной магистральной задвижке посредством двух технологических задвижек и включающую динамический насос, причем ротор динамического насоса, работающего в турбинном режиме, кинематически связан с ротором электропривода циркуляционного насоса системы отопления, присоединенной к теплосети по независимой схеме (через теплообменный аппарат).
Тепловой пункт имеет контроллер, электрически связанный своим управляющим выходом с исполнительным устройством - электроприводом запорно-регулирующего клапана, смонтированного в линии перепуска давления параллельно динамическому насосу.
Тепловой пункт имеет как минимум два датчика давления, электрически связанные своими выходами с входами контроллера и установленные в прямом трубопроводе теплового пункта перед регулирующим клапаном и в обратном трубопроводе за теплообменным аппаратом.
Техническим результатом является обеспечение бесперебойной работы циркуляционного насоса системы отопления при аварийном отключении его электропитания и значительное снижение потребления электроэнергии электроприводом циркуляционного насоса в штатном режиме работы за счет преобразования энергии избыточного магистрального давления теплоносителя из тепловой сети в механическую энергию ротора насоса.
Описание осуществления полезной модели поясняется ссылками на фигуры.
На фиг.1 представлен фрагмент схемы типового теплового пункта с независимым присоединением системы отопления, не оснащенного системой рекуперации избыточного магистрального давления.
На фиг.2 представлен фрагмент схемы теплового пункта с независимым присоединением системы отопления, оснащенного системой рекуперации избыточного магистрального давления согласно наиболее близкому аналогу.
На фиг.3 представлен фрагмент схемы теплового пункта с независимым присоединением системы отопления, оснащенного системой рекуперации избыточного магистрального давления, установленной согласно заявляемой полезной модели.
На фиг.4 представлена схема исполнения теплового пункта с системой рекуперации избыточного магистрального давления согласно заявляемой полезной модели.
ТП с независимым присоединением системы отопления к двухтрубной системе централизованного теплоснабжения, схема которого показана на фиг.1, включает в себя последовательно расположенные по потоку теплоносителя входную задвижку 1, прямой трубопровод 2, регулирующий клапан 3, теплообменный аппарат 4, обратный трубопровод 5 и выходную задвижку 6, а также присоединенный через теплообменный аппарат 4 контур системы отопления с циркуляционным насосом 7 и его электроприводом 8. На фиг.1 также показана эпюра давлений в магистралях ТП. Для нормальной работы ТП требуется номинальный перепад давлений 
Рном
,13
0,15 МПа на линии "регулирующий клапан 3 - теплообменный аппарат 4". Если перепад давлений между прямой и обратной магистралями теплосети значительно больше указанного значения, то на регулирующем клапане 3 образуется избыточный перепад давлений Ризб. Избыточный перепад давлений в такой системе не используется, что снижает ее энергоэффективность. Кроме того питание привода 8 циркуляционного насоса 7 осуществляется от внешней электросети, что делает ТП полностью зависимым от работоспособности последней.
ТП с независимым присоединением системы отопления к двухтрубной системе централизованного теплоснабжения, схема которого показана на фиг.2, имеет более высокую энергоэффективность по сравнению с рассмотренным ранее, т.к. в нем избыточный перепад давлений Ризб (избыточная гидравлическая энергия) в линии перепуска давления (рекуперации) преобразуется в полезную электрическую энергию посредством динамического насоса 9, работающего в турбинном режиме, и генератора. Более того, в таком ТП полученная электроэнергия при аварийном отключении внешней электросети может быть использована для автономного привода ЦН 7 через инвертор. Вместе с тем такая схема электропитания привода ЦН имеет низкий КПД: КПД генератора средней мощности 
г не превышает 85%, КПД инвертора (преобразователя напряжения) и не превышает 87%, а КПД асинхронного электропривода насоса м средней мощности не превышает 90%. Таким образом суммарный КПД цепи "генератор - привод ЦН" =г×и×м не превышает 66%. Кроме того такая цепь имеет невысокую надежность. Например, при вероятности безотказной работы равной 0,95 для каждого элемента цепи с учетом того, что в варианте с генератором переменного тока инвертор должен иметь последовательно связанные выпрямитель и преобразователь напряжения, суммарная вероятность безотказной работы всей цепи составит не многим более 0,77.
В заявленном ТП с независимым присоединением системы отопления к двухтрубной системе централизованного теплоснабжения, фрагмент схемы которого показан на фиг.3, линия перепуска давления (рекуперации) с динамическим насосом 9 смонтирована также как в наиболее близком аналоге на магистральном трубопроводе теплосети (см. фиг.2), но на обратном трубопроводе 5. Это позволяет снизить температурные нагрузки, действующие на конструкцию динамического насоса 9, т.е. повысить его надежность. Кроме того, в отличие от аналога, ротор динамического насоса 9 кинематически связан не с генератором электрического тока, а с ротором электропривода 8 циркуляционного насоса 7. Это позволило исключить из схемы электрическую цепь "генератор - привод ЦН", имеющую низкий КПД и недостаточную надежность.
Тепловой пункт с системой рекуперации избыточного магистрального давления (фиг.4) согласно изобретению содержит линию перепуска давления, смонтированную на обратном трубопроводе 5 за теплообменным аппаратом 4 параллельно выходной магистральной задвижке 6 посредством двух технологических задвижек 10 и включающую динамический насос 9, причем ротор динамического насоса, работающего в турбинном режиме, кинематически связан с ротором электропривода 8 циркуляционного насоса 7 системы отопления, присоединенной к теплосети по независимой схеме. Тепловой пункт имеет контроллер 11, своим управляющим выходом электрически связанный с исполнительным устройством - электроприводом запорно-регулирующего клапана 12, смонтированного в линии перепуска давления параллельно динамическому насосу 9. Тепловой пункт имеет как минимум два датчика давления 13 и 14, электрически связанные своими выходами с входами контроллера 11 и установленные в прямом трубопроводе 2 перед регулирующим клапаном 3 и в обратном трубопроводе 5 за теплообменным аппаратом 4.
Тепловой пункт работает следующим образом. При закрытой выходной магистральной задвижке 6 и открытых технологических задвижках 10 весь поток теплоносителя проходит через линию перепуска давления, распределяясь между насосом 9 и запорно-регулирующим клапаном 12. Насос 9 работает в турбинном режиме и крутящий момент с его ротора передается посредством вала электропривода 8 на ротор циркуляционного насоса 7. В свою очередь насос 7 обеспечивает циркуляцию вторичного теплоносителя в системе отопления через теплообменный аппарат 4 вне зависимости от наличия или отсутствия электропитания на приводе 8. Таким образом обеспечивается заявленный технический результат - бесперебойная работа циркуляционного насоса системы отопления при аварийном отключении его электропитания.
Выходная мощность на валу насоса 9 может быть недостаточной для полного удовлетворения закона регулирования отпуска тепла потребителям. Тогда в штатном режиме работы теплового пункта (при наличии электропитания) электропривод 8 восполнит нехватку энергии на насосе 7, подпитываясь от внешней электросети. В случае избытка мощности на валу насоса 9 электропривод 8 самопроизвольно перейдет в режим генерации электрического тока и уже сам будет подпитывать внешнюю электросеть. Таким образом обеспечивается заявленный технический результат - значительное снижение потребления электроэнергии электроприводом циркуляционного насоса в штатном режиме работы теплового пункта.
Запорно-регулирующий клапан 12, являясь исполнительным устройством, обеспечивающим дозированный перепуск теплоносителя мимо насоса 9, позволяет контроллеру 11, получающему информацию от датчиков давления 13 и 14, управлять режимом работы насоса 9 в зависимости от наличия и величины избыточного перепада давлений на основном оборудовании теплового пункта (на линии "регулирующий клапан 3 - теплообменный аппарат 4"). Технологические задвижки 10 необходимы для полного отключения системы рекуперации при ремонтных работах.
1. Тепловой пункт с системой рекуперации избыточного магистрального давления, содержащий линию перепуска давления, смонтированную на обратном трубопроводе за теплообменным аппаратом параллельно выходной магистральной задвижке посредством двух технологических задвижек и включающую динамический насос, причем ротор динамического насоса, работающего в турбинном режиме, кинематически связан с ротором электропривода циркуляционного насоса системы отопления, присоединенной к теплосети по независимой схеме.
2. Тепловой пункт по п.1, отличающийся наличием контроллера, электрически связанного своим управляющим выходом с исполнительным устройством - электроприводом запорно-регулирующего клапана, который смонтирован в линии перепуска давления параллельно динамическому насосу.
3. Тепловой пункт по п.2, отличающийся тем, что имеет как минимум два датчика давления, электрически связанные своими выходами с входами контроллера и установленные в прямом трубопроводе теплового пункта перед регулирующим клапаном и в обратном трубопроводе за теплообменным аппаратом.
