СВЕРХДАЛЬНЯЯ ТРАНСПОРТИРОВКА ТЕПЛОТЫ

Особенность каталитических процес­сов заключается в возможности транспор­тировки продуктов разложения по общему трубопроводу, что существенно упрощает систему транспорта энергоносителя. При каталитических методах система дальней транспортировки остается двухтрубной, как и при традиционном теплоносителе — воде.

Основная сложность каталитических процессов состоит в необходимости специ­альной каталитической установки для пре­вращения продуктов разложения в исход­ный продукт.

В качестве одной из таких систем может быть рассмотрена система транспортиров­ки теплоты в химически связанном состоя­нии (рис. 3.17), базирующаяся на реакции паровой конверсии метана [84, 136].

Газ метан СН₄ и водяной пар Н₂О, подведен­ные к реактору /, при температуре около 400 °С вступают в химическую реакцию, которая закан­чивается при температуре около 800 °С. В ре­зультате реакции

СН₄ + Н₂О = СО + ЗН₂. (3.1)

образуется смесь водорода Н₂ и оксида угле­рода СО.

На этот процесс паровой конверсии затрачи­вается значительное количество теплоты, подво­димое к реактору извне 21. В качестве теплоис­точника для процесса конверсии может быть ис­пользована теплота сжигания органического то­плива или внутриядерная энергия. Удельный расход теплоты на процесс конверсии составля­ет 206 ГДж/моль = 12,8 кДж/кг СН₄.

Полученная в реакторе 1 высокотемператур­ная газовая смесь водорода Н₂ и оксида углерода СО проходит через регенеративный теплообмен­ник 2, в котором она охлаждается, отдавая теп­лоту исходным продуктам (метану и водяному пару), которые подогреваются до температуры около 400 °С.

Охлажденная газовая смесь СО + ЗН₂ после регенеративного теплообменника проходит че­рез парогенератор низкого давления 3 и регене­ративный подогреватель питательной воды 4, где, отдавая теплоту, охлаждается до 40—50 °С. При необходимости после регенеративного по­догревателя питательной воды может вклю­чаться дополнительный охладитель газовой смеси, из которого теплота отводится в окру­жающую среду.

Рис. 3.17. Принципиальная схема дальней транспортировки теплоты в химически связанном состоянии

1— реактор конверсионный; 2 — регенеративный газо-газовый теплообменник; 3 — котел низкого давления; 4 — газоводяной регенеративный подогреватель питательной воды; 5 — химводоочистка; 6 — питательный насос; 7 — метанатор; 8 — котел повышенного давления; 9 — теплофикационная паровая турбина; 10 — элек­трогенератор; 11 — теплофикационный подогреватель; 12 — газовый подогреватель сетевой воды; 13 — водо­отделитель; 14 — питательный насос; 15 — газовый компрессор; 16 — электропривод компрессора; 17 — обратная линия теплосети; 18— подающая линия теплосети; 19 — отвод воды в систему технического водо­снабжения; 20 — трубопроводы дальнего транспорта теплоты в химически связанном состоянии; 21 — подвод высокопотенциальной теплоты

Холодная газовая смесь (СО + ЗН₂) транс­портируется по газопроводу 20 в район тепло­снабжения. Транспортировка газа осуществляет­ся под действием перепада давлений, создавае­мого компрессором 15 аналогично транспор­тировке природного газа.

В районе теплоснабжения газовая смесь по­ступает в специальный аппарат — метанатор 7, где снова превращается в смесь метана СН₄ и во­дяного пара Н₂О. Реакция сопровождается выде­лением теплоты при температуре около 600 °С.

Полученная в метанаторе горячая смесь ме­тана и водяного пара поступает в парогенератор 5, в котором за счет использования физической теплоты газовой смеси вырабатывается водяной пар энергетических параметров. Пар поступает в теплофикационную турбоустановку 9, в которой комбинированным методом вырабатываются электроэнергия и теплота. Отработавший пар из турбоустановки 9 поступает в теплофикаци­онный подогреватель 11, где, конденсируясь, отдает теплоту сетевой воде. Конденсат насосом 14 подается в парогенератор 8.

Смесь метана и водяного пара после пароге­нератора проходит через теплообменник 12, где используется для дополнительного подогрева сетевой воды.

Вода, выделившаяся из парогазовой смеси в процессе ее охлаждения в парогенераторе 8 и теплообменнике 12, отводится с помощью водо­отделителя 13 в систему технического водоснаб­жения 19. Осушенный метан возвращается по обратному газопроводу 20 к источнику теплоты.

Таким образом, теплота высокого потенциа­ла, подведенная к конверсионному реактору 1, превращается в нем в основном в химическую энергию. Эта химическая энергия в виде газовой смеси водорода Н₂ и оксида углерода СО переда­ется по сверхдальнему теплопроводу 20 в район теплопотребления. В метанаторе 7, размещен­ном в районе теплопотребления, химическая энергия превращается в теплоту повышенного потенциала и используется для комбинирован­ной выработки электрической энергии и теплоты низкого потенциала, используемой для тепло­снабжения.

Рассматриваемая система создает возмож­ность выработки электрической энергии и теп­лоты без непосредственного сжигания топлива в городах. В процессе работы системы метан не расходуется, а только циркулирует в замкнутом контуре: конверсионный реактор — газопровод СО + ЗН₂ — метанатор — газопровод СН₄ — конверсионный реактор.

Основные преимущества системы даль­ней транспортировки теплоты в химически связанном состоянии по сравнению с двух­трубной водяной системой теплоснабжения:

1) возможность передачи теплоты на большие расстояния (100 км и более) прак­тически без потерь в окружающую среду;

2) упрощение конструкции дальних трубопроводов и снижение их стоимости благодаря отсутствию тепловой изоляции и компенсаторов температурных деформа­ций, а также увеличению пропускной спо­собности по теплоте примерно втрое по сравнению с водяной двухтрубной систе­мой при трубопроводах одного и того же диаметра.

Основные недостатки рассматриваемой системы:

1) усложнение и удорожание теплоис­точников;

2) снижение удельной комбинирован­ной выработки электрической энергии.

Возможно также создание некаталити­ческих систем транспорта теплоты в хими­чески связанном состоянии, основанных на использовании эндотермических реак­ций разложения растворов (на источнике теплоты) и экзотермических реакций их синтеза (в районах теплового потребле­ния). В этих системах теплота на источни­ке (ТЭЦ или котельной) затрачивается на выпаривание летучего вещества из раство­ра. После охлаждения растворенное веще­ство и растворитель раздельно (по отдель­ным трубопроводам) транспортируются в район теплоснабжения.

После выделения энергии растворения в процессе синтеза растворенного вещества и растворителя восстановленный раствор возвращается по обратному трубопроводу к источнику теплоты. Системы, основан­ные на некаталитических методах, являют­ся, как правило, трехтрубными.

По двум подающим трубопроводам рас­творенное вещество и растворитель транс­портируются от источника теплоты в район теплоснабжения. По обратному трубопро­воду восстановленный раствор транспорти­руется из района теплоснабжения к источ­нику теплоты. В качестве таких растворов могут быть использованы Са(ОН)₂, MgCO₃, Mg(OH)₂, (NH₄)₂C0₃ и др.

3.6. ВЫБОР ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И СИСТЕМЫТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Выбор теплоносителя и системы тепло­снабжения определяется техническими и экономическими соображениями и зави­сит главным образом от типа источника те­плоты и вида тепловой нагрузки. Рекомен­дуется максимально упрощать систему теп­лоснабжения. Чем система проще, тем она дешевле в сооружении и надежнее в экс­плуатации. Наиболее простые решения дает применение единого теплоносителя для всех видов тепловой нагрузки.

Если тепловая нагрузка района состоит только из отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, то при теплофикации при­меняется обычно двухтрубная водяная сис­тема. В тех случаях, когда кроме отопления, вентиляции и горячего водоснабжения в районе имеется также небольшая техноло­гическая нагрузка, требующая теплоты по­вышенного потенциала, при теплофикации рационально применение трехтрубных водяных систем. Одна из подающих линий системы используется для удовлетворения нагрузки повышенного потенциала.

В тех случаях, когда основной тепловой нагрузкой района является технологическая нагрузка повышенного потенциала, а сезон нал тепловая нагрузка невелика, в качестве теплоносителя применяется обычно пар.

При выборе системы теплоснабжения и параметров теплоносителя учитываются технические и экономические показатели по всем элементам: источнику теплоты, се­ти, абонентским установкам. Энергетиче­ски вода выгоднее пара. Применение мно­гоступенчатого подогрева воды на ТЭЦ по­зволяет повысить удельную комбинирован­ную выработку электрической и тепловой энергии, благодаря чему возрастает эконо­мия топлива. При использовании паровых систем вся тепловая нагрузка покрывается обычно отработавшим паром более высоко­го давления, отчего удельная комбиниро­ванная выработка электрической энергии снижается.

Основные преимущества воды как теп­лоносителя по сравнению с паром:

1) большая удельная комбинированная выработка электрической энергии на базе теплового потребления;

2) сохранение конденсата на ТЭЦ, что имеет особенно важное значение для элек­тростанций высокого давления;

3) возможность центрального регулиро­вания однородной тепловой нагрузки или определенного сочетания разных видов на­грузки при одинаковом отношении расчет­ных нагрузок у абонентов, что упрощает местное регулирование;

4) более высокий КПД системы тепло­снабжения вследствие отсутствия в або­нентских установках потерь конденсата и пара, имеющих место в паровых системах;

5) повышенная аккумулирующая спо­собность водяной системы.

Основные недостатки воды как тепло­носителя:

1) больший расход электроэнергии на перекачку сетевой воды по сравнению с ее расходом на перекачку конденсата в паро­вых системах;

2) большая «чувствительность» к ава­риям, так как утечки теплоносителя из па-

3) ровых сетей вследствие значительных удельных объемов пара во много (примерно 20—40) раз меньше, чем в водяных систе­мах (при небольших повреждениях паро­вые сети могут продолжительно оставаться в работе, в то время как водяные системы требуют остановки);

4) большая плотность теплоносителя и жесткая гидравлическая связь между всеми точками системы.

По условиям удовлетворения теплового режима абонентских установок, определяе­мого средней температурой теплоносителя в абонентских теплообменниках, вода и пар могут считаться равноценными теплоноси­телями. Только в особых случаях, когда пар используется непосредственно для техно­логического процесса (обдувка, пропарка и т.д.), он не может быть заменен водой.

При теплоснабжении от котельных пар применяется и при тепловых нагрузках низ­кого потенциала.

Серьезное значение имеет правильный выбор параметров теплоносителя. При теп­лоснабжении от котельных рационально, как правило, выбирать высокие параметры теплоносителя, допустимые по условиям техники транспортировки теплоты по сети и использования ее в абонентских установ­ках. Повышение параметров теплоносителя приводит к уменьшению диаметров тепло­вой сети и снижению расходов по перекачке (при воде). При теплофикации необходимо учитывать влияние параметров теплоноси­теля на экономику ТЭЦ.

Выбор водяной системы теплоснабже­ния закрытого или открытого типа зависит главным образом от условий водоснабже­ния ТЭЦ, качества водопроводной воды (жесткости, коррозионной активности, окисляемости) и располагаемых источни­ков низкопотенциальной теплоты для горя­чего водоснабжения.

Обязательным условием как для откры­той, так и для закрытой систем теплоснаб­жения является обеспечение стабильного качества горячей воды у абонентов в соот­ветствии с ГОСТ 2874—73 «Вода питье­вая». В большинстве случаев качество ис­ходной водопроводной воды предопределя­ет выбор системы теплоснабжения.

Преимущественное применение каж­дой из рассматриваемых систем тепло­снабжения определяется следующими по­казателями исходной водопроводной во­ды. При закрытой системе: индекс насы­щения J > - 0,5; карбонатная жесткость Ж_к < 7 мг-экв/л; (Cl + SO₄) < 200 мг/л; пер-манганатная окисляемость не регламенти­руется.

При открытой системе: перманганатная окисляемость О < 4 мг/л; индекс насыще­ния, карбонатная жесткость, концентрация хлорида и сульфатов не регламентируются.

При повышенной окисляемости (О > 4 мг/л) в застойных зонах открытых систем тепло­снабжения (радиаторы отопительных уста­новок и др.) развиваются микробиологиче­ские процессы, следствие которых — суль­фидное загрязнение воды. Так, вода, отби­раемая из отопительных установок для го­рячего водоснабжения, имеет неприятный сероводородный запах.

По энергетическим показателям и по на­чальным затратам современные двухтруб­ные закрытые и открытые системы тепло­снабжения являются в среднем равноцен­ными. По начальным затратам открытые системы имеют некоторые экономические преимущества при наличии на ТЭЦ источ­ников мягкой воды, не нуждающейся в во-доподготовке и удовлетворяющей санитар­ным требованиям к питьевой воде. При ис­пользовании открытых систем вода для го­рячего водоснабжения отбирается из тепло­вой сети, что, с одной стороны, разгружает сеть холодного водопровода и создает в ря­де случаев дополнительные экономические преимущества, а с другой — часто вынуж­дает подводить к ТЭЦ магистральные водо­воды, что увеличивает капитальные затра­ты.

По эксплуатационным расходам открытые системы несколько уступают закрытым в связи с дополнительными затратами на водоподготовку. В эксплуатации открытые системы сложнее закрытых из-за неста­бильности гидравлического режима тепло­вой сети, усложнения санитарного контро­ля плотности системы.

При дальней транспортировке теплоты в районах с относительно большой нагруз­кой горячего водоснабжения при наличии вблизи ТЭЦ или котельной источников во­ды, удовлетворяющей санитарным требова­ниям, экономически оправдано применение открытой системы теплоснабжения с одно­трубным (однонаправленным) транзитом и двухтрубной распределительной сетью.

При суперсверхдальней транспортиров­ке теплоты на расстояние порядка 100— 150 км и более целесообразно проверить экономичность применения химотермической системы передачи теплоты, т.е. транс­портировки теплоты в химически связан­ном состоянии.

Контрольные вопросы и задания

1) Сравните водяные и паровые системы цен­трализованного теплоснабжения. Каковы их преимущества и недостатки?

2) Чем объясняется преимущественное приме­нение при теплофикации в России водяной системы теплоснабжения?

3) Сравните закрытые и открытые системы те­плоснабжения. Каковы их преимущества и недостатки? Область целесообразного при­менения каждой системы.

4) Назначение подпиточного устройства на ис­точнике теплоты в системе водяного тепло­снабжения?

5) По какому импульсу или параметру регули­руется подача подпиточных насосов?

6) Каково значение групповых тепловых под­станций в водяных тепловых сетях? Укажи­те преимущества и недостатки систем тепло­снабжения с групповыми тепловыми под­станциями.

7) Особенности зависимой и независимой схем присоединения теплопотребляющих устано­вок абонентов к водяной тепловой сети? Области целесообразного применения каждой из них.

8) Объясните назначение смесительных уст­ройств в узлах присоединения отопительных установок к тепловой сети. Типы применяе­мых смесительных устройств.

9) Каковы преимущества и недостатки струй­ного смесителя (элеватора) в узле присоеди­нения отопительной установки к водяной те­пловой сети?

10) Приведите схемы включения аккумуляторов горячей воды в абонентских установках при закрытой и открытой системах теплоснабже­ния и объясните принцип их работы.

11) Приведите схемы параллельного и двухсту­пенчатого последовательного присоедине­ния на абонентском вводе горячего водо­снабжения и отопительной установки. В чем заключаются преимущества и недостатки двухступенчатой последовательной схемы по сравнению с параллельной?

12) Какие параметры, характеризующие режим работы отопительной установки, использу­ются для группового или местного регулиро­вания отопительной нагрузки?

13) При какой структуре тепловой нагрузки це­лесообразно использовать трехтрубные во­дяные системы теплоснабжения?

14) Какие преимущества дает присоединение отопительной установки и установки горяче­го водоснабжения к водяной тепловой сети по принципу связанного регулирования?

15) При какой структуре городской тепловой на­грузки возможно применение однотрубной (однонаправленной) транзитной транспор­тировки теплоты в открытых системах теп­лоснабжения?

16) Укажите основные пути совершенствования системы сбора и возврата конденсата. Како­вы особенности закрытой системы сбора и возврата конденсата?

17) Приведите основную особенность системы сверхдальней транспортировки теплоты в химически связанном состоянии.

18) Опишите основные процессы системы сверхдальней транспортировки теплоты в химически связанном состоянии на базе кон­версии метана.