Система тепло-электроснабжения потребителей с геотермальной энергоустановкой со схемой двухконтурного регулирования

Полезная модель относится к области энергетики, в частности, к установкам электро- и теплоснабжения на базе термальных подземных вод. Технический результат, на достижение которого направлена настоящая полезная модель, заключается в повышении экономичности системы тепло- электроснабжения потребителей, включающей бинарную энергетическую установку (БЭУ), например геотермальную ТЭЦ, и пиковые энергетические установки (ПЭУ), например дизельные генераторы, за счет максимального использования геотермального тепла, добываемого из недр для производства электроэнергии и тепла. Указанный технический результат достигается за счет того, что в системе тепло-электроснабжения потребителей с геотермальной энергоустановкой со схемой двухконтурного регулирования, содержащей ПЭУ и БЭУ, состоящую из добычной скважины 1, соединенной трубопроводом 2 с сепаратором 3 геотермальной среды, сепаратор 3 соединен с трубопроводами для подвода отсепарированной воды к теплообменнику предварительного нагрева 8 теплоносителя БЭУ и к теплообменнику системы теплоснабжения 10, а также паропроводом для подвода отсепарированного пара к испарителю 9 БЭУ, при этом БЭУ, генерирующая электрическую энергию, состоит из паровой турбины 11 с генератором 12, рекуператора 13, конденсатора 5, циркуляционного насоса 7, теплообменника 8 предварительного нагрева теплоносителя и испарителя 9, на трубопроводе для подвода отсепарированной воды к теплообменнику 8 системы теплоснабжения установлен трехходовой клапан 4 для регулирования подачи геотермальной воды в контур теплообменника и теплосеть путем обеспечения возможности разделения отсепарированной воды на два регулируемых потока. Трехходовой клапан 4 соединен одним трубопроводом с теплообменником 8 предварительного нагрева БЭУ, а вторым трубопроводом - с дополнительно установленным на трубопроводе для подвода отсепарированной воды к теплообменнику 8 системы теплоснабжения узлом смешения 6, соединенным трубопроводом с теплообменником 8 предварительного нагрева БЭУ. Геотермальная установка снабжена системой регулирования, включающей два независимых контура: контур регулирования отпуска тепла включает регулятор температуры 15, вырабатывающий управляющий сигнал на трехходовой клапан 4 и соединенный с датчиком температуры t₁, установленным после узла смешения 6 и с датчиком температуры наружного воздуха t_н.в., Контур регулирования отпуска электрической энергии состоит из регулятора электрической мощности системы 16 (центральный регулятор), а также регулятора электрической мощности БЭУ 18 и регулятора электрической мощности ПЭУ 17, при этом на центральный регулятор поступают сигналы по текущей электрической мощности всех генерирующих установок (БЭУ и ПЭУ), а также фактическое задание на электрическую нагрузку, и, в зависимости от изменения фактической нагрузки потребителей, центральный регулятор формирует соответствующий управляющий сигнал на регулятор электрической мощности ПЭУ (до исчерпания их диапазона регулирования), при этом сохраняя прежнее задание на электрическую мощность БЭУ, которая зависит от тепловой нагрузки БЭУ, или снижая электрическую мощность БЭУ в случае снижения нагрузки потребителей и исчерпания диапазона регулирования ПЭУ. Использование предложенной геотермальной установки энергоснабжения потребителей с системой двухконтурного регулирования позволит обеспечить повышение экономичности энергоснабжения потребителей за счет максимального использования геотермального тепла, добываемого из недр, для производства электроэнергии и тепла.

Полезная модель относится к области энергетики, в частности, к системам теплоснабжения с установками электро- и теплоснабжения на базе термальных подземных вод.

Известна геотермальная установка энергоснабжения потребителей, содержащая дизельные генераторы и геотермальную бинарную ТЭЦ, состоящую из добычной скважины, соединенной трубопроводом с сепаратором геотермальной среды, при этом сепаратор соединен с трубопроводами для подвода отсепарированной воды к теплообменнику предварительного нагрева теплоносителя бинарной энергетической установки (БЭУ) и к теплообменнику системы теплоснабжения, а также паропроводом для подвода отсепарированного пара к испарителю БЭУ, при этом БЭУ, генерирующая электрическую энергию, состоит из паровой турбины с генератором, рекуператора, конденсатора, циркуляционного насоса, теплообменника предварительного нагрева теплоносителя и испарителя, при этом на трубопроводе для подвода отсепарированной воды к теплообменнику системы теплоснабжения установлен трехходовой клапан для регулирования подачи геотермальной воды в теплообменник предварительного нагрева и теплообменник теплосети путем обеспечения возможности разделения отсепарированной воды на два регулируемых потока, при этом трехходовой клапан соединен одним трубопроводом с теплообменником предварительного нагрева БЭУ, а вторым трубопроводом - с дополнительно установленным на трубопроводе для подвода отсепарированной воды к теплообменнику системы теплоснабжения узлом смешения, соединенным трубопроводом с теплообменником предварительного нагрева БЭУ (полезная модель RU 112749, кл. F24J 3/08, дата подачи заявки 19.08.2011 г., дата публикации 20.01.2012 г).

Недостатком известной геотермальной установки энергоснабжения потребителей является неполное использование потенциала геотермальной воды в большом диапазоне времени в году из-за отсутствия автоматического регулирования температуры воды, направляемой в систему теплоснабжения, в зависимости от температуры наружного воздуха, что приводит к большой потере тепла в течение отопительного и особенно летнего периода, когда геотермальная вода сливается из теплообменника первого контура системы теплоснабжения с высокой температурой. Таким образом, утилизируется тепло, которое в случае автоматического регулирования могло бы быть направлено на выработку электроэнергии. Кроме того, недостатком известной геотермальной установки являются высокие нагрузки пиковых энергетических установок (ПЭУ), например дизельгенераторов, и большой расход топлива ПЭУ, например дизельного топлива.

Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение тепловой экономичности системы тепло- электроснабжения с геотермальной энергоустановкой и интегрального эффекта всей генерации за счет максимально возможного использования геотермального тепла, добываемого из недр, для производства электрической энергии и тепла, а при снижении тепловой нагрузки - для дополнительного объема производства электроэнергии. Кроме того, технический результат направлен на снижение нагрузки ПЭУ и экономии топлива ПЭУ, например дорогого привозного дизельного топлива.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в системе тепло-электроснабжения потребителей с геотермальной энергоустановкой со схемой двухконтурного регулирования, содержащей пиковые энергоустановки (ПЭУ), например дизельные генераторы, и геотермальную бинарную энергоустановку (БЭУ), например геотермальную бинарную ТЭЦ, состоящую из добычной скважины, соединенной трубопроводом с сепаратором геотермальной среды, при этом сепаратор соединен с трубопроводами для подвода отсепарированной воды к теплообменнику предварительного нагрева теплоносителя БЭУ и к теплообменнику системы теплоснабжения, а также паропроводом для подвода отсепарированного пара к испарителю БЭУ, при этом БЭУ, генерирующая электрическую энергию, состоит из паровой турбины с генератором, рекуператора, конденсатора, циркуляционного насоса, теплообменника предварительного нагрева теплоносителя и испарителя, при этом на трубопроводе для подвода отсепарированной воды к теплообменнику системы теплоснабжения установлен трехходовой клапан для регулирования подачи геотермальной воды в контур теплообменника и теплосеть, путем обеспечения возможности разделения отсепарированной воды на два регулируемых потока, при этом трехходовой клапан соединен одним трубопроводом с теплообменником предварительного нагрева БЭУ, а вторым трубопроводом - с дополнительно установленным на трубопроводе для подвода отсепарированной воды к теплообменнику системы теплоснабжения узлом смешения, соединенным трубопроводом с теплообменником предварительного нагрева БЭУ, согласно полезной модели, система энергоснабжения потребителей снабжена системой двухконтурного регулирования, включающей два независимых контура: контур регулирования отпуска тепла и контур регулирования отпуска электрической энергии, при этом контур регулирования отпуска тепла включает регулятор температуры, вырабатывающий управляющий сигнал на трехходовой клапан и соединенный с датчиком температуры, установленным после узла смешения и с датчиком температуры наружного воздуха, а контур регулирования отпуска электрической энергии состоит из регулятора электрической мощности системы (центрального регулятора), регуляторов электрической мощности БЭУ и регулятора электрической мощности ПЭУ, при этом на центральный регулятор поступают сигналы по текущей электрической мощности всех генерирующих установок (БЭУ и ПЭУ), а также фактическое задание на электрическую нагрузку, и, в зависимости от изменения фактической нагрузки потребителей, центральный регулятор формирует соответствующий управляющий сигнал на регулятор электрической мощности ПЭУ (до исчерпания их диапазона регулирования), при этом сохраняя прежнее задание на электрическую мощность БЭУ, которая зависит от тепловой нагрузки, или снижая электрическую мощность БЭУ в случае снижения нагрузки потребителей и исчерпания диапазона регулирования ПЭУ.

На чертеже показана технологическая схема предлагаемой системы тепло-электроснабжения потребителей с геотермальной энергоустановкой, включающая схему двухконтурного регулирования тепловой и электрической нагрузки.

Рассматривается обеспечение потребителей какого-нибудь района теплом и электрической энергией. В качестве основного энергоисточника, вырабатывающего тепло в виде горячей воды и электроэнергию, выступает БЭУ (геотермальная ТЭЦ). В качестве ПЭУ (пиковых источников электричества) выступают дизельгенераторы или другие электрогенерирующие установки на жидком топливе.

Система энергоснабжения потребителей содержит БЭУ, включающую добычную скважину 1, трубопроводы 2, сепаратор 3, трехходовой клапан 4, воздушный конденсатор 5, узел смешения 6, циркуляционный насос 7 (БЭУ), теплообменник предварительного нагрева 8 (БЭУ), испаритель 9 (БЭУ), теплообменник системы теплоснабжения 10, паровую турбину 11 (БЭУ), генератор 12 (БЭУ), рекуператор 13 (БЭУ), и пиковые электрогенерирующие установки (ПЭУ), например, дизельгенераторы 14.

БЭУ снабжена системой регулирования, включающей два независимых контура: контур регулирования отпуска тепла включает регулятор температуры 15, вырабатывающий управляющий сигнал на трехходовой клапан 4 и соединенный с датчиком температуры t₁, установленным после узла смешения 6 и с датчиком температуры наружного воздуха t_н.в, контур регулирования отпуска электрической энергии состоит из регулятора электрической мощности системы (центрального регулятора) 16, на который поступают сигналы по текущей мощности всех генерирующих установок (БЭУ 11 и ПЭУ 14), регуляторов электрической мощности 17 ПЭУ и регулятора электрической мощности 18 БЭУ.

Из добычной скважины 1 внутрипластовая геотермальная смесь пара и воды направляется по трубопроводу 2 к сепаратору 3. В сепараторе 3 геотермальная смесь разделяется на пар и воду, пар направляется в испаритель 9 БЭУ, а отсепарированная вода поступает по трубопроводу к трехходовому регулирующему клапану 4, где разделяется на два потока: один поток идет в теплообменник предварительного нагрева 8 теплоносителя БЭУ, а второй поток отсепарированной воды поступает по трубопроводу к узлу смешения 6, где смешивается с отдавшим свое тепло в теплообменнике 8 первым потоком отсепарированной воды. Изменяя соотношения расходов отсепарированной воды по потокам, можно получить необходимую температуру смеси воды после узла смешения. Поток воды после смешения направляется по трубопроводам в теплообменник системы теплоснабжения 10, где нагревается обратная сетевая вода контура системы теплоснабжения, а отдавшая свое тепло геотермальная вода закачивается в инжекционную скважину или сливается в систему канализации.

БЭУ представляет собой замкнутый контур, в котором циркулирует низкокипящий теплоноситель, например пентан, бутан и т.д. Бинарная энергетическая установка состоит из паровой турбины 11 с генератором 12, рекуператора 13, конденсатора 5, циркуляционного насоса 7, теплообменника 8 и испарителя 9. Жидкий низкокипящий теплоноситель циркуляционным насосом 7 прокачивается через рекуператор 13, который выполняет функцию конденсатора паровой турбины 11. Нагретый в рекуператоре теплоноситель поступает далее последовательно в теплообменник 8 и испаритель 9, где он нагревается, испаряется, перегревается и затем поступает через регулирующий клапан на вход паровой турбины 11. Вырабатываемая БЭУ электроэнергия направляется по линии электропередачи (ЛЭП) к потребителям электрической энергии.

За счет регулирования температуры геотермальной воды после узла смешения 6, которое достигается изменением положения трехходового регулирующего клапана 4, достигается максимально возможное полезное использование потенциала исходной геотермальной воды, при этом обеспечивается необходимая температура греющего теплоносителя в теплообменнике 8, а остальной потенциал геотермальной смеси используется для выработки электроэнергии.

В зависимости от сезона (отопительный или летний) осуществляется регулирование температуры t₁=f(tн.в.), где t₁ - температура смеси геотермальной воды, а tн.в.- температура наружного воздуха, и в канализацию сбрасывается геотермальная вода с минимальной температурой.

В результате использования полного потенциала геотермальной воды обеспечивается не только регулирование температуры t ₁ в зависимости от tн.в., но и достигается максимально возможная выработка электроэнергии. Величина увеличения мощности БЭУ за счет дополнительного использования тепла геотермальной воды может увеличиваться от 0 до 50% в отопительный период и до 50% в летний период. В результате этого на соответствующую величину разгружаются пиковые источники электрогенерации.

Система регулирования геотермальной установки энергоснабжения потребителей имеет два независимых контура: контур регулирования отпуска тепла для покрытия нагрузки тепловых потребителей (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение) и контур регулирования отпуска электрической энергии для покрытия электрических нагрузок потребителей.

Контур регулирования отпуска тепла от БЭУ включает в себя трехходовой регулирующий клапан 4 и регулятор температуры 15. Регулирование отпуска тепла происходит следующим образом: поскольку используется качественное регулирования тепла (расход теплоносителя остается постоянным), то регулирование отпуска тепла сводится к регулированию температуры геотермальной воды, поступающей в теплообменник 10, то есть t₁. Регулятор температуры 15, получив сигналы от датчика температуры геотермальной воды t₁ после узла смешения 6 и температуры наружного воздуха tн.в., вырабатывает управляющий сигнал на регулирующий клапан 4, который изменяет соотношение потока воды, поступающего в теплообменник 8, и потока воды, проходящего транзитом к узлу смешения 6. Изменение расходов будет происходить до тех пор, пока не установится температура воды после смешения t_1i =t_зад.i, соответствующая t_н.в.i. При низких температурах наружного воздуха, когда нужна повышенная температура t_1i, большая часть расхода отсепарированной воды проходит транзитом до точки смешения, а меньшая часть поступает в теплообменник 8. При повышении температуры наружного воздуха требуется соответственно снижать температуру t_1i, что достигается соответствующим снижением расхода воды прямотока и увеличением расхода воды в теплообменник 8.

Контур регулирования электрической мощности предназначен для регулирования электрической мощности геотермальной установки энергоснабжения в соответствии с фактической нагрузкой потребителей (N_Э.Ф.) и состоит из регулятора электрической мощности системы 16 (центральный регулятор), а также регулятора электрической мощности БЭУ 18 и регулятора электрической мощности ПЭУ 17.

На центральный регулятор 16 поступают сигналы по текущей электрической мощности всех генерирующих установок (БЭУ 11 и ПЭУ 14).

В зависимости от изменения фактической электрической нагрузки потребителей в момент времени i формируется задание на изменение электрической мощности генераторов электроэнергии N_зд.i, которое поступает на центральный регулятор 16. В зависимости от величины N_зд.i, центральный регулятор 16 формирует соответствующие управляющие сигналы на регуляторы электрической мощности ПЭУ 17 (до исчерпания их диапазона регулирования), при этом, при превышении электрической мощности БЭУ над нагрузкой потребителей, величина электрической мощности БЭУ определяется величиной тепловой нагрузки, т.е. определяется регулятором температуры 15 и не управляется регулятором нагрузки энергосистемы. Центральный регулятор воздействует на БЭУ только в аварийных ситуациях в энергосистеме или при превышении электрической мощности БЭУ нагрузки потребителей (при полностью остановленных дизельгенераторах).

Таким образом, использование геотермальной установки энергоснабжения потребителей с системой регулирования позволит повысить тепловую экономичность БЭУ и интегрального эффекта всей генерации за счет максимально возможного использования геотермального тепла, добываемого из недр для производства электроэнергии и тепла, а также снизить нагрузки ПЭУ и уменьшить расход топлива. Использование предложенной геотермальной установки энергоснабжения потребителей позволит обеспечить повышение экономичности энергоснабжения потребителей за счет максимального использования геотермального тепла, добываемого из недр, для производства электроэнергии и тепла.

Система тепло-электроснабжения потребителей с геотермальной энергоустановкой со схемой двухконтурного регулирования, содержащая пиковые энергоустановки (ПЭУ), например дизельные генераторы, и геотермальную бинарную энергоустановку (БЭУ), например геотермальную бинарную ТЭЦ, состоящую из добычной скважины, соединенной трубопроводом с сепаратором геотермальной среды, при этом сепаратор соединен с трубопроводами для подвода отсепарированной воды к теплообменнику предварительного нагрева теплоносителя БЭУ и к теплообменнику системы теплоснабжения, а также паропроводом для подвода отсепарированного пара к испарителю БЭУ, при этом БЭУ, генерирующая электрическую энергию, состоит из паровой турбины с генератором, рекуператора, конденсатора, циркуляционного насоса, теплообменника предварительного нагрева теплоносителя и испарителя, при этом на трубопроводе для подвода отсепарированной воды к теплообменнику системы теплоснабжения установлен трехходовой клапан для регулирования подачи геотермальной воды в контур теплообменника и теплосеть, путем обеспечения возможности разделения отсепарированной воды на два регулируемых потока, при этом трехходовой клапан соединен одним трубопроводом с теплообменником предварительного нагрева БЭУ, а вторым трубопроводом - с дополнительно установленным на трубопроводе для подвода отсепарированной воды к теплообменнику системы теплоснабжения узлом смешения, соединенным трубопроводом с теплообменником предварительного нагрева БЭУ, отличающаяся тем, что система энергоснабжения потребителей снабжена системой двухконтурного регулирования, включающей два независимых контура: контур регулирования отпуска тепла и контур регулирования отпуска электрической энергии, при этом контур регулирования отпуска тепла включает регулятор температуры, вырабатывающий управляющий сигнал на трехходовой клапан и соединенный с датчиком температуры, установленным после узла смешения и с датчиком температуры наружного воздуха, а контур регулирования отпуска электрической энергии состоит из регулятора электрической мощности системы (центрального регулятора), регуляторов электрической мощности БЭУ и регулятора электрической мощности ПЭУ, при этом на центральный регулятор поступают сигналы по текущей электрической мощности всех генерирующих установок (БЭУ и ПЭУ), а также фактическое задание на электрическую нагрузку, и, в зависимости от изменения фактической нагрузки потребителей, центральный регулятор формирует соответствующий управляющий сигнал на регулятор электрической мощности ПЭУ (до исчерпания их диапазона регулирования), при этом сохраняя прежнее задание на электрическую мощность БЭУ, которая зависит от тепловой нагрузки, или снижая электрическую мощность БЭУ в случае снижения нагрузки потребителей и исчерпания диапазона регулирования ПЭУ.