Автономная парогенераторная когенерационная энергоустановка

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и преобразователей энергии прямого цикла (например, двигателей внутреннего сгорания, двигателей Стирлинга), предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла. Достигаемый технический результат - повышение КПД установки в целом и снижение массогабаритных характеристик установки. При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 4, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 в рубашку охлаждения 3 подается вода от внешних потребителей тепла 8 по линии возврата 9. Нагретая охлаждающая жидкость из рубашки охлаждения 3 поступает частично в парогенератор 5, через который проходит магистраль отработанных газов 2. Пар высокого давления из парогенератора 5 поступает в пароводяной насос-подогреватель 6, перемешивается с водой, поступающей из линии 15, образуя воду с высокой температурой и давлением. За счет давления происходит подача горячей воды по магистрали 10 внешним потребителям тепла 8 и дальнейшая циркуляция воды в магистралях 11, 12, 15. Для регулирования направления и расхода воды по различным магистралям предусмотрены обратный клапан 17 и регулирующие клапаны 13, 16, 20. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и преобразователей энергии прямого цикла (например, двигателей внутреннего сгорания, двигателей Стирлинга), предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла.

Известно, что для быстрого запуска и устойчивой работы дизелей температура охлаждающей воды должна быть не менее 50 градусов Цельсия ("Наука и жизнь"//Научн.-популяр. журнал//, М., Изд. "Правда", N 4, 1984, стр. 56).

Известна комбинированная установка на основе двигателя Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линиями подачи топлива и теплообменником для подогрева жидкости, через который проходят высокотемпературные газы двигателя Стирлинга, при этом нагретая жидкость передается во внешние магистрали (Заявка ЕПВ N 9457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-65, N 5, 1993, стр. 13). Однако данная установка имеет сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора.

Известно устройство силовой установки, содержащей двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с валом потребителя мощности через соединительную муфту, и утилизационную паротурбинную установку с контуром циркуляции рабочего тела, включающим паровую турбину, конденсатор, питательный насос, парогенератор, размещенный в магистрали выпуска высокотемпературных отработанных газов ДВС. (Авторское свид. N 1677360/ Бюллетень изобретений N 34 от 15.4.91 г., стр. 141-142). Однако данное устройство не предназначено для выработки тепловой энергии для теплоснабжения внешних потребителей.

Известно устройство пароводяного насоса-подогревателя (ПНП), предназначенного для применения в различных промышленных технологиях с использованием пара, совмещающего в себе функции подогревателя и насоса одновременно. Применение ПНП позволяет существенно сократить расход электроэнергии на собственные нужды и уменьшить массогабаритные характеристики теплообменных аппаратов ("Энергия Петербурга"/ газета/, N 5 (11), от 25.05.99 г.). Однако ранее пароводяной насос-подогреватель в когенерационных установках не применялся.

Известно устройство когенерационной установки, предназначенной для одновременного получения электроэнергии и тепла, включающей с себя двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, контур охлаждения двигателя, отопительный контур (система теплоснабжения с потребителями тепла), систему теплообменников, обеспечивающую передачу тепла охлаждающей жидкости двигателя и высокотемпературных отработанных газов в отопительный контур, и щит управления ("Строительное обозрение" //Журнал качества//, СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр. 16-17). Однако поскольку контур охлаждения двигателя и отопительный контур представлены в виде независимых замкнутых контуром, то приходится вводить в установку дополнительное оборудование, для их взаимосвязи, и дополнительный циркуляционный насос.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД установки в целом за счет уменьшения энергозатрат на собственные нужды и снижении массогабаритных характеристик установки.

Для достижения этого технического результата автономная парогенераторная когенерационная энергоустановка, включающая в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель внутреннего сгорания или двигатель Стирлинга) с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему внешнего теплоснабжения с потребителями тепла, снабжена теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, а также, замкнутой системой магистралей, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла и состоящей из магистрали пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, магистрали горячей воды, идущей от пароводяного насоса-подогревателя к потребителям тепла, магистрали возврата охлажденной воды, идущей от потребителей тепла и разделяющейся на линию, идущую к рубашке охлаждения двигателя с регулирующим клапаном и насосом, и линию, идущую к пароводяному насосу-подогревателю с регулирующим клапаном, обратным клапаном и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, магистрали отвода охлаждающей двигатель воды, идущей от рубашки охлаждения двигателя и соединяющейся с линией, идущей к пароводяному насосу-подогревателю, после обратного клапана на ней, при этом магистраль отвода охлаждающей двигатель воды имеет перемычку с регулирующим клапаном, соединяющую эту магистраль с парогенератором, а магистраль отработанных газов двигателя проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

Введение в состав автономной парогенераторной когенерационной энергоустановки теплообменника-утилизатора высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненного в виде парогенератора, пароводяного насоса-подогревателя и теплообменника-утилизатора низкотемпературных отработанных газов двигателя, а также замкнутой системы магистралей с регулирующими клапанами, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности объединения контура охлаждения двигателя и отопительного контура в единую замкнутую систему, обеспечивающую комплексное использование остаточного тепла отработанных газов двигателя и теплоты системы охлаждения двигателя для теплоснабжения внешних потребителей тепла, а также выработки пара высокого давления с целью его дальнейшего использования для замены сетевых насосов и теплообменных аппаратов.

На чертеже изображена автономная парогенераторная когенерационная установка.

Автономная когенерационная электроустановка включает в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель внутреннего сгорания) 1 с линией отработанных газов 2 и рубашкой охлаждения 3, электрогенератор 4, расположенный на одном валу с двигателем 1, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов, выполненный в виде парогенератора 5, пароводяной насос-подогреватель 6, теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 7, потребителей тепла 8, а также замкнутую систему магистралей, состоящую из магистрали пара высокого давления 9, идущей от парогенератора 5 к пароводяному насосу-подогревателю 6, магистрали горячей воды 10, идущей от пароводяного насоса-подогревателя 6 к потребителям тепла 8, магистрали возврата охлажденной воды 11, идущей от потребителей тепла 8 и разделяющейся на линию 12, идущую к рубашке охлаждения 3 двигателя 1 с регулирующим клапаном 13 и повышающим давление насосом 14, и линию 15, идущую к пароводяному насосу-подогревателю 6 с регулирующим клапаном 16, отработанным клапаном 17 и теплообменником-утилизатором низкотемпературных обработанных газов 7, магистрали отвода охлаждающей двигатель воды 18, идущей от рубашки охлаждения 3 и соединяющейся с линией 15, при этом магистраль отвода охлаждающей двигатель воды 18 имеет перемычку 19 с регулирующим клапаном 20, соединяющую магистраль 18 с парогенератором 5, а магистраль отработанных газов 2 двигателя 1 последовательно проходит сначала через парогенератор 5, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 7.

Автономная парогенераторная когенерационная установка работает следующим образом.

При работе двигатель 1 производит энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 4, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 в рубашку охлаждения 3 подается с помощью насоса 14 вода от внешних потребителей тепла 8 по магистрали 11 и линии 12 с температурой порядка 50-70 градусов Цельсия. Охладив двигатель 1, нагретая охлаждающая жидкость из рубашки охлаждения 3 по магистрали 18 поступает частично в парогенератор 5 через перемычку 19 для производства пара высокого давления за счет теплообмена с высокотемпературными отработанными газами, идущими от двигателя 1 по магистрали 2, и частично в линию 15 магистрали 11, где смешивается с охлажденной водой, идущей от потребителей тепла 8, предварительно ее нагревая. Затем эта вода по линии 15 поступает в теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 7, где вода дополнительно нагревается остаточным теплом низкотемпературных газов, поступающих из парогенератора 5. Из теплообменника-утилизатора 7 вода поступает в пароводяной насос-подогреватель 6, в который одновременно из парогенератора 5 по магистрали 9 поступает пар высокого давления. В пароводяном насосе-подогревателе 6 за счет особой конструкции и эффекта смешивания двухфазных парожидкостных сред происходит увеличение давления, интенсивное перемешивание пара и воды с последующим получением горячей воды с высокой температурой (100 градусов Цельсия) и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 10 внешним потребителям тепла 8 и дальнейшая циркуляция воды в магистралях 11, 12, 15. Для регулирования направления и расхода воды по различным магистралям предусмотрены обратный клапан 17 и регулирующие клапана 13, 16, 20.

Источники информации 1. "Наука и жизнь" //Научн.-популяр. журнал//, М., Изд "Правда", N 4, 1984, стр. 56.

2. Заявка ЕПВ N 0457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-65, N 5, 1993, стр. 13.

3. Авторское свид. N 1677360. Бюллетень изобретений N 34 от 15.04.91 г., стр. 141-142.

4. "Энергетика Петербурга"//газета//, N 5 (11), от 25.05.99 г.

5. "Строительное обозрение" //Журнал качества//, Спб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр. 16-17 - прототип.

Формула изобретения

Автономная парогенераторная когенерационная энергоустановка, включающая в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель внутреннего сгорания или двигатель Стирлинга) с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему внешнего теплоснабжения с потребителями тепла, отличающаяся тем, что снабжена теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, а также замкнутой системой магистралей, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла и состоящей из магистрали пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, магистрали горячей воды, идущей от пароводяного насоса-подогревателя к потребителям тепла, магистрали возврата охлажденной воды, идущей от потребителей тепла и разделяющейся на линию, идущую к рубашке охлаждения двигателя с регулирующим клапаном и насосом, и линию, идущую к пароводяному насосу-подогревателю с регулирующим клапаном, обратным клапаном и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, магистрали отвода охлаждающей двигатель воды, идущей от рубашки охлаждения двигателя и соединяющейся с линией, идущей к пароводяному насосу-подогревателю, после обратного клапана на ней, при этом магистраль отвода охлаждающей двигатель воды имеет перемычку с регулирующим клапаном, соединяющую эту магистраль с парогенератором, а магистраль отработанных газов двигателя проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1