Автономная комбинированная установка для одновременного производства электроэнергии и тепла

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, касается преобразователей энергии прямого цикла (например, двигателей внутреннего сгорания, двигателей Стирлинга) и предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла. Достигаемый технический результат - повышение КПД и снижение массогабаритных характеристик установок в целом. 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 предусмотрен контур охлаждения 17, связанный через теплообменник 12 с системой внешнего теплоснабжения. Вода из магистрали возврата 11 частично поступает в парогенератор 5, через который проходит магистраль отработанных газов 2, и частично в пароводяной насос-подогреватель 6. 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 этого давления происходят подача горячей воды по магистрали 10 внешним потребителям тепла 8 и дальнейшая циркуляция воды в магистралях 11, 13, 15. Для регулирования направления и расхода воды по магистралям предусмотрены регулирующие клапаны 14, 16. 1 ил.

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

Известна комбинированная установка на основе двигателя Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линиями подачи топлива и теплообменником для подогрева жидкости, через который проходят высокотемпературные отработанные газы двигателя Стирлинга, при этом нагретая жидкость передается во внешние магистрали (заявка ЕПВ N 0457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-65, N 5, 1993, стр. 13). Однако данная установка имеет сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора, а также она не предназначена для выработки пара.

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 (авт. св. N 1677360. БИ N 34 от 15.04.91 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 ("Энергетика 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 в 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 данное устройство не предполагает выработку пара и использования его для сокращения потребления электроэнергии на собственные нужды.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение КПД установки за счет уменьшения энергозатрат на собственные нужды и снижение массогабаритных характеристик комбинированной установки в целом.

Для достижения этого технического результата автономная комбинированная установка для одновременного производства электроэнергии и тепла, 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, контур охлаждения двигателя, связанный через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, 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 с теплообменником, идущей от потребителей тепла и разделяющей на линию с регулирующим клапаном, идущую в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, идущую к пароводяному насосу-подогревателю, при этом магистраль возврата охлажденной воды связана с контуром охлаждения двигателя через теплообменник, а магистраль отработанных газов двигателя последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

Введение в состав автономной комбинированной установки для одновременного производства электроэнергии и тепла теплообменника-утилизаторам 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 комплексного использования остаточного тепла отработанных газов двигателя и теплоты контура 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 в системе теплоснабжения.

На чертеже изображена автономная комбинированная установка для одновременного производства электроэнергии и тепла.

Автономная комбинированная установка 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, потребители 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 с теплообменником 12, идущей от потребителей тепла 8 и разделяющейся на линию 13 с регулирующим клапаном 14, идущую в парогенератор 5, и линию 15 с регулирующим клапаном 16 и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов 7, идущую к пароводяному насосу-подогревателю 6, контур охлаждения 17 двигателя 1, проходящий через рубашку 3, с насосом 18, связанный с магистралью 11 через теплообменник 12. Магистраль отработанных газов 2 двигателя 1 последовательно проходит сначала через парогенератор 5, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 7.

Автономная комбинированная установка для одновременного производства электроэнергии и тепла работает следующим образом.

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 с помощью насоса 18 вода из контура охлаждения 17. Охладив двигатель 1, нагретая охлаждающая жидкость из рубашки охлаждения 3 поступает в теплообменник 12, где охлаждается за счет теплообмена с возвратной водой внешней системы теплоснабжения. Возвратная охлажденная вода по магистрали 11 от потребителей 8, проходя через теплообменник 12, разделяется на линию 13, идущую в парогенератор 5 для производства пара высокого давления за счет теплообмена с высокотемпературными отработанными газами, идущими от двигателя 1 по магистрали 2, и линию 15, идущую через теплообменник-утилизатор 7, где вода дополнительно нагревается остаточным теплом низкотемпературных отработанных газов, поступающих из парогенератора 5 в пароводяной насос-подогреватель 6. 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 происходят увеличение давления, интенсивное перемешивание пара и воды и последующее получение горячей воды с высокими температурой (до 100^oC) и давлением. За счет этого давления происходят подача горячей воды по магистрали 10 внешним потребителям тепла 8 и дальнейшая циркуляция воды в магистралях 11, 13, 15.

Для регулирования направления и расхода воды по магистралям предусмотрены регулирующие клапаны 14, 16.

Источники информации 1. Заявка ЕПВ N 0457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск B-65, N 5, 1993, стр. 13.

2. Авт. св. N 1677360. БИ N 34 от 15.04.91 г., стр. 141-142.

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

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

Формула изобретения

Автономная комбинированная установка для одновременного производства электроэнергии и тепла, 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, контур охлаждения двигателя, связанный через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, 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 с теплообменником, идущей от потребителей тепла и разделяющейся на линию с регулирующим клапаном, идущую в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, идущую к пароводяному насосу-подогревателю, при этом магистраль возврата охлажденной воды связана с контуром охлаждения двигателя через теплообменник, а магистраль отработанных газов двигателя последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1