Теплоэлектростанция

 

Использование: в энергетике для выработки на теплоэлектростанциях преимущественно для сельского населения и небольших поселков. Сущность изобретения: ТЭЦ имеет топку 1, в которую подается с помощью архимедова винта 23 уголь из бункера 2, находящегося над топкой 1, и сжатый воздух от компрессора 8 - под колосники топки 1. При этом воздух проходит между кирпичной кладкой 11 топки 1, нагреваясь от последней, и стальным герметичным кожухом 13. Из топки 1 раскаленные газы поступают через патрубок 21 с клапаном в паровые камеры, в которые через форсунки впрыскивается вода, превращаясь в пар. Парогазовая смесь под большим давлением поступает через сопло в кольцевую трубу 5 с водой, преобразуя давление парогазовой струи и кинетическую энергию потока воды, которая вращает гидротурбину с электрогенератором. Избыток горячей воды, прошедшей через гидротурбину, из кольцевой трубы 5 поступает в отстойник и далее в теплотрассу к потребителю теплоты, при этом в кольцевую трубу 5 поступает холодная вода из бака или из теплотрассы. Горячая парогазовая смесь, отдав воде в кольцевой трубе 5 свою тепловую и кинетическую энергию, а также дымовые газы и кислотные компоненты удаляются из кольцевой трубы в вытяжную трубу. 4 ил.

Изобретение относится к теплоэлетростанциям преимущественно для сельского населения и небольших поселков.

Аналогами изобретения являются теплоэлектроцентрали ТЭЦ, работающие на угле, мазуте и природном газе и предназначены для снабжения электроэнергией и теплом городского населения. Для сельского населения и поселков аналогичных устройств нет, по этой причине за прототип принята ТЭЦ, работающая на угле, т. е. на том же топливе, на котором работает предлагаемая ТЭЦ, как на наименее дефицитном и наиболее доступном для снабжения населения на наибольшей площади страны.

Основным недостатком ТЭЦ является большой срок строительства и ввода в эксплуатацию, приобретающий особо большое значение в условиях надвигающегося на страну энергетического кризиса. Существенным недостатком ТЭЦ является также необходимость больших капитальных затрат на строительство ТЭЦ, которые замораживаются на весь срок строительства и на пусковой эксплуатационный период, что также приобретает особо отрицательное значение в связи с острым дефицитом финансовых и материальных средств.

Необходимость создания для ТЭЦ теплотрасс большой протяженности снижает общий КПД эксплуатации ТЭЦ, а использование угля в качестве топлива отрицательно сказывается на воздушном бассейне города и вынуждает применять дорогостоящие устройства на дымоочистке.

К тому же применение ТЭЦ для сельского населения и небольших поселков не может быть признано экономически оправданным из-за несоответствия.

В качестве прототипа предлагаемой теплоэлектростанции Кашеваров принято устройство по авт.св. СССР 1539343, F 01 K 23/06, 1990. Однако оно имеет ряд недостатков, исключающих целесообразность его применения для небольших поселков, колхозов и фермерских хозяйств из-за сложности устройства в эксплуатации, больших капитальных и эксплуатационных затрат и невозможности изготовления и ремонта техническими средствами, которыми располагают районные мастерские, колхозы и фермеры.

КПД и эффективность прототипа будет зависеть от конструктивного решения весьма сложных и длинных связей многочисленных агрегатов между собой и результативности их взаимного функционирования. Учитывая неизбежные тепловые потери в агрегатах и в связывающих их трубопроводах, а также применение газовых и паровых турбин (имеющих КПД, равный 30%) КПД всей парогазовой установки будет менее 25% Предлагаемая теплоэлектростанция может быть рекомендована для строительства и эксплуатации малых потребителей электрической и тепловой энергии, которыми являются большинство сельских поселков, сел, деревень, колхозов и фермерских хозяйств и которые могут иметь необходимое техническое оборудование для ее изготовления, эксплуатации и ремонта.

На фиг.1 показана центральная часть предлагаемой ТЭЦ, вертикальный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 сечение В-В на фиг.1.

ТЭЦ имеет топку 1, бункер 2 для угля, емкость 3 с водой, камеры 4 смешения, кольцевую трубу 5, гидротурбину 6 с электрогенератором 7, компрессор 8, аккумуляторы 9, отстойник 10.

Топка 1 имеет куполообразную кирпичную кладку 11 из огнеупорного кирпича с колосниковой решеткой 12, на которой производится горение угля, и куполообразный стальной герметичный кожух 13. Кожух 13 отделен от кирпичной кладки 11 воздушным зазором, через который проходит сжатый воздух из кольцевой трубки 14, перфорированной отверстиями, к поддувалу 15, находящемуся под колосниковой решеткой 12. К кольцевой трубке 14 подсоединена трубка 16, идущая от компрессора 8. Поддувало имеет дверцу (не показана) для выемки золы, факельную форсунку 17, электросвечи 18 и воздуховоды 19, идущие от воздушного зазора 20. По боковым сторонам топки имеются патрубки 21 с клапанами 22, установленные в трех направлениях от вертикальной оси топки 1 под углом в 120^о друг к другу. В верхней части купола топки 1 имеется отверстие, через которое в топку 1 подается уголь с помощью архимедова винта 23 из бункера 2. Вращение винта 23 производится с помощью электродвигателя с редуктором 24. Стальной герметичный кожух 13, а также камеры 4, труба 5, патрубки 21, отстойник 10 и выходящая из него теплотрасса 25 имеют термоизоляционное покрытие 26, изображенное крестовой штриховкой, предназначенное для уменьшения тепловых потерь. Бункер 2 представляет собой стальной баллон с наружным термоизоляционным покрытием, помещенный в емкость 3 с водой. В верхней части бункера 2 находится горловина, герметично перекрываемая стальной дверцей 27. В бункер 2 введен патрубок 28, отходящий от трубки 16 со сжатым воздухом и защищенный стальным колпаком 29 с мелкими отверстиями.

Гидротурбина 6 соединена с электрогенератором 7 валом 31, а компрессор 8 соединен с электрогенератором 7 и электродвигателем 32 через муфты 33 и 34 сцепления.

Камера смешения 4 имеет теплоинерционную металлическую вертикальную перегородку 35, которая закреплена на верхней части камеры 4, но не доходит до ее нижней и боковых сторон. По обе стороны перегородки 35 установлены форсунки 36 с патрубками 37, идущими от водяного насоса 33. Камера 4 имеет горловину 39, соединенную с эжектирующим устройством в виде кольцевого зазора 40 между расширенной частью кольцевой трубы 5 и патрубком 41, являющимся продолжением трубы 5 лишенного термоизоляционного покрытия 26. После прохождения через турбину 6 избыток воды, образовавшийся в результате конденсации пара в кольцевой трубе 5, проходит через кран 42 в отстойник 10.

Температуpа воды в кольцевой трубе перед гидротурбинной 6 поддерживается в пределах 96-98^оС в результате соответствующего открытия крана 42 и добавления в трубу 5 через трубку 43 недостающего количества воды из бака 3, с которым соединена трубка 43. Кран 42 связан с системой регулирования, получающей электросигналы от термопары, установленной в трубе 5 между гидротурбиной 6 и краном 42.

Работа ТЭЦ начинается с включения компрессора 8 при отключенной муфте 33 сцепления и включенной муфте 34 сцепления, соединяющей вал электромотора 32 и с валом компрессора 8. Электромотор 32 работает от электроэнергии аккумулятора 9. После 2-3 мин работы компрессора на щитке управления проверяются показания давления воздуха в поддувале 15 и бункере 2, которые определяются по манометрам, установленным в этих емкостях с целью контроля работы ТЭЦ, а также чтобы удостовериться, что дверцы поддувала 15 и бункера 2 закрыты с необходимой степенью герметичности. Затем одновременно включается горелка 17, свечи 18, электродвигатель с редуктором 24 и клапаном 22. В горелку 17 подается бензин, который воспламеняется от искры свечи 18 и горит в виде факела 2-3 мин, в течение которых начинается устойчивое горение угля на решетке 12. Устройство горения в топке 1 приводит во вращение гидротурбину 6, после чего подача бензина в горелку 17 прекращается, включается cцепление муфты 33 электрогенератора 7 с компрессором 8 и выключается сцепление муфты 34, а электромотор 32 отключается от аккумулятора 9.

В установившемся режиме работы ТЭЦ в топку 1 с помощью архимедова винта 23 регулярно подается уголь с заданной скоростью, регулируемой скоростью вращения электродвигателя с редуктором 24. В результате горения угля температура газов (продуктов горения) устанавливается в 1000-1500^оС, а объем этих газов увеличивается в 4-6 раз при постоянном давлении воздуха, создаваемом компрессором 8, по сравнению с объемом воздуха, подаваемым через кольцевую трубку 14 и воздушный зазор 20 в поддувало 15.

Раскаленные газы через патрубок 21 при открытом клапане 22 проходят через камеру 4 в эжектирующее устройство образованное элементами 40-41, и часть тепловой энергии затрачивается на нагрев термоинерционной перегородки 35 и металлического корпуса камеры 4. Периодически клапан 22 закрывается, а в камеру 4 через форсунку 36 впрыскивается такая порция воды, что при ее испарении температура газов и пара понижается на 150-200^оС, а давление возрастает в 2 раза объем парогазовой смеси, проходящей через эжектирующее устройство, образованное элементами 40-41, возрастает более, чем в 2 раза. Парогазовая струя устремляется через горловину 39 и в зазор 40 между патрубком 41 и уширенной частью кольцевой трубы 5, увлекая воду в направлении стрелок, показанных на фиг.2, к турбине 6. При этом увеличивается скорость движения воды на участке трубы 5 за патрубком 41, а объем воды с газом и паром увеличивается. В этом процессе пар конденсируется в воду, отдавая скрытую теплоту его образования, газы частично растворяются в воде, отдавая ей свои кислотные компоненты и теплоту в количестве, определяемом их теплоемкостью, массой и понижением температуры до температуры воды, которая от этого процесса нагревается. Клапан 22 каждой камеры 4 находится в открытом положении в 5-10 раз большее время, чем в закрытом положении. Когда клапан 22 открыт, через камеру 4 в эжектирующее устройство проходят горячие газы из топки, нагревая массивную медную перегородку 35, в которой аккумулируется часть тепловой энергии горячих газов. В момент закрытия клапана 22 на перегородку 35 из форсунок 36 выпрыскивается вода, которая превращается в пар за счет ранее аккумулированной тепловой энергии перегородки 35, повышая давление в камере 4 и увеличивая объем парогазовой струи, проходящей через эжектирующее устройство. В момент падения давления парогаза в камере 35 до величины давления газов в топке 1 клапан 22 открывается и наступает второй цикл работы камеры, подобный вышеизложенному. Кинетическая энергия газов и пара, выходящих через эжектирующее устройство в воду, передается воде в кольцевой трубе 5, выполняющей роль контура формирования и подачи рабочего тела воды в гидротурбину 6, преобразующую эту энергию в механическую энергию вращения электрогенератора 7, вырабатывающего электроэнергию.

В предлагаемой конструкции ТЭЦ предусмотрена большая степень использования тепловой энергии работы всех ее механизмов. Так, в кольцевую трубу 14 поступает уже теплый сжатый воздух от компрессора 8 в результате работы этого компрессора. Проходя от трубки 14 через воздушный зазор 20 в поддувало 15 через отверстия 19, он еще нагревается от кирпичной кладки 11, проходя через колосниковую решетку 12 к горящему на ней углю он уже будет иметь температуру в несколько сот градусов. При этом он охлаждает все части устройства, через которые он проходит, повышая срок их безремонтной работы. Тепловая энергия, затраченная на образование пара, в виде скрытой теплоты парообразования возвращается воде в трубе 5 в результате обратного превращения (конденсации) пара в воду.

Энергия, затрачиваемая компрессором 8 на сжатие воздуха, в значительной мере возвращается в виде кинетической энергии воды, проходящей через гидротурбину 6, и далее в виде электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором 7, который вращается гидротурбиной 6.

Таким образом, потери энергии, создаваемой теплотворной способностью угля, в данном устройстве сведен к минимуму и КПД устройства по выработке тепла и электроэнергии около 0,9, т.е. существенно выше, чем на лучших ТЭЦ большой мощности. Существенным также является то, что теплотрасса предлагаемой ТЭЦ в несколько раз короче, чем известные теплотрассы благодаря размещению ТЭЦ в центре небольшого поселка, использующего тепло и электроэнергию. Следовательно, теплопотери и электропотери на тепло-электротрассах будут в несколько раз меньше и стоимость самих трасс, приходящихся на 1 кВт передаваемой энергии, будет меньше, чем у известных ТЭЦ большой мощности.

Работа предлагаемой ТЭЦ может быть ограничена дневным временем без существенных затрат времени и энергии на запуск предлагаемой станции утром, после того, как она будет остановлена на ночное время, в течение которого нет необходимости в выработке электроэнергии и тепла. Остановка всех устройств предлагаемой станции производится включением тока, вырабатываемым электрогенератором 7.

После выключения электротока и спуска давления сжатого воздуха в трубке 16 до атмосферного открываются дверцы бункера 2 и поддувала 15 и производится загрузка бункера 2 каменным углем (с помощью ленточного транспортера) и удаления золы из поддувала 15 на своей ленточный транспортер. Кроме того, производится удаление осадков из отстойника 10 запуском ленточного транспортера и зарядка емкости 3 водой с известью или другой щелочью для придания воде щелочности с целью лучшего улавливания кислотных компонентов продуктов сжигания угля и получения нейтральной реакции воды, поступающей в отстойник 10 и далее в теплотрассу 25.

Формула изобретения

ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, содержащая имеющий камеры смешения контур формирования и подачи рабочего тела на турбину с электрогенератором, имеющую выход дымовых газов топку с подсоединенными к ней системами подачи угля и воздуха, последняя из которых выполнена с компрессором, подсоединенную к контуру формирования и подачи рабочего тела теплотрассу и систему отвода продуктов сгорания, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит отстойник, система подачи угля выполнена в виде размещенного в емкости с водой бункера с углем, имеющего на выходе архимедов винт, при этом емкость с бункером размещена над топкой, а бункер подсоединен к последней посредством архимедова винта, топка выполнена со стенками из кирпичной кладки с размещением в нижней части колосниковой решетки и герметичным кожухом, установленным с зазором относительно кирпичной кладки, причем зазор сообщен с внутренней полостью топки под колосниковой решеткой и в верхней части топки - с выходом компрессора системы подачи воздуха, при этом выход компрессора дополнительно подключен к бункеру системы подачи угля, контур формирования и подачи рабочего тела выполнен в виде горизонтально расположенной заполненной водой кольцевой трубы с равномерно размещенными внутри нее эжектрирующими устройствами, подсоединенными через камеры смешения к выходу дымовых газов топки, причем камеры смешения имеют форсунки, подсоединенные к емкости с водой системы подачи угля, турбина выполнена в виде гидравлической турбины и размещена внутри кольцевой трубы с герметичным выводом ее вала наружу, а система отвода продуктов сгорания выполнена в виде вертикально размещенного устройства, подключенного к верхней части кольцевой трубы за турбиной, при этом кольцевая труба за турбиной своей нижней частью через отстойник подсоединена к теплотрассе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4