Теплоэнергетическая установка

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и преобразователей энергии прямого цикла (например, двигателей Стирлинга или двигателей внутреннего сгорания), 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 установки в целом. При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 3, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 предусмотрен контур охлаждения 20, связанный через теплообменник 14 с системой внешнего теплоснабжения. Вода из магистрали возврата 13 частично поступает в парогенератор 4, через который проходит магистраль отработанных газов 23, и частично в пароводяной насос-подогреватель 8. Пар высокого давления из парогенератора 4 сначала поступает в теплообменник-подогреватель пара 5, затем расширяется в паровой турбине 6 с получением электроэнергии в генераторе 7 и подается в пароводяной насос-подогреватель 8, перемешивается с водой, поступающей из линии 18, образуя воду с высокой температурой и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 12 внешним потребителям тепла 10 и дальнейшая циркуляция воды в магистралях 13, 15, 18. Для регулирования направления и расхода воды по магистралям предусмотрены регулирующие клапаны 16, 19 и обратный клапан 17. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и преобразователей энергии прямого цикла (например, двигателей Стирлинга или двигателей внутреннего сгорания), 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 B-65, N 5, 1993, стр. 13). Однако в данной установке не предусмотрено получение 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 (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.

Известен способ регенеративного подогрева питательной воды в струйном подогревателе, включающий в себя подачу пара в турбогенератор, отбор пара из турбогенератора, отвод в конденсатор, подачу конденсата из конденсатора и пара, отобранного из турбогенератора, в струйный аппарат с конденсацией пара в струйном аппарате и нагревом, за счет этого конденсата, с последующей подачей подогретого конденсата в диаэратор и далее в котел-парогенератор (Патент РФ N 2115831, Бюл. N 20 до 20.07.98 г.).

Известно устройство пароводяного насоса-подогревателя (ПНП), предназначенного для применения в различных промышленных технологиях с использованием пара, совмещающего в себя 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 тепла, 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 ("Отопительное обозрение"//Журнал качества//, СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр. 16 - 17). Однако данное устройство не предполагает выработку пара и использование его для сокращения потребления электроэнергии на собственные нужды.

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

Для достижения этого технического результата теплоэнергетическая установка, включающая в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель Стирлинга или двигатель внутреннего сгорания) 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, а также замкнутую системой магистралей, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла и выработку электроэнергии, состоящей из магистрали пара высокого давления, идущей от парогенератора, через теплообменник-подогреватель пара и паровую турбину с электрогенератором на одном валу, 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 и обратным клапанами, 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 проходит сначала через теплообменник-подогреватель пара, парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

Введение в состав теплоэнергетической установки теплообменника-утилизатора высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненного в виде парогенератора, а также замкнутой системы магистралей, в состав которых входят пароводяной насос-подогреватель, теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя, теплообменник-подогреватель пара, паровая турбина с электрогенератором и регулирующие клапаны, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла и выработку электроэнергии, 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 получения электроэнергии, замены сетевых насосов и теплообменных аппаратов в системе теплоснабжения.

На чертеже изображена теплоэнергетическая установка.

Теплоэнергетическая установка включает в себя преобразователь прямого цикла (двигатель) 1, линию отработанных газов 2, электрогенератор 3, расположенный на одном валу с двигателем 1, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов, выполненный в виде парогенератора 4, теплообменник-подогреватель пара 5, паровую турбину 6 с электрогенератором 7 на одном валу, пароводяной насос-подогреватель 8, теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 9, потребителей тепла 10, а также замкнутую систему магистралей, состоящую из магистрали пара высокого давления 11, идущей от парогенератора 4 через теплообменник-подогреватель пара 5, паровую турбину 6 к пароводяному насосу-подогревателю 8, магистрали горячей воды 12, идущей от пароводяного насоса-подогревателя 8 к потребителям тепла 10, магистрали возврата охлажденной воды 13 с теплообменником 14, идущей от потребителей тепла 10 и разделяющейся на линию 15 с регулирующим клапаном 16 и обратным клапаном 17, идущую в парогенератор 4, и линию с регулирующим клапаном 19 и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов 9, идущую к пароводяному насосу-подогревателю 8, контур охлаждения 20 двигателя 1 с насосом 21, связанного с магистралью 13 через теплообменник 14. Магистраль отработанных газов 2 двигателя 1 последовательно проходит сначала через теплообменник-подогреватель пара 5, парогенератор 4, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 9.

Теплоэнергетическая установка работает следующим образом.

При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 3, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 насосом 21 подается вода из контура охлаждения 20. Охладив двигатель 1, нагретая охлаждающая жидкость поступает в теплообменник 14, где охлаждается за счет теплообмена с возвратной водой внешней системы теплоснабжения, идущей по магистрали 13. Возвратная охлажденная вода по магистрали 13 от потребителей 10, проходя через теплообменник 14, разделяется на линию 15, идущими в парогенератор 4 для производства пара высокого давления за счет теплообмена с высокотемпературными отработанными газами, идущих от двигателя 1 по магистрали 2, и линию 18, идущую через теплообменник-утилизатор 9, где вода дополнительно нагревается остаточным теплом низкотемпературных отработанных газов, поступающих из парогенератора 4, в пароводяной насос-подогреватель 8. Одновременно из парогенератора 4 по магистрали 11 в пароводяной насос-подогреватель 8 поступает пар высокого давления. Предварительно пар из парогенератора 4 поступает в теплообменник-подогреватель пара 5, где пар перегревается с повышением давления, а затем расширяется в паровой турбине 6 с выработкой электроэнергии в генераторе 7. В пароводяном насосе-подогревателе 8 за счет конструкции и эффекта смешивания двухфазных парожидкостных сред происходит увеличение давления, интенсивное перемешивание пара и воды с последующим получением горячей воды с высокой температурой (до 100 градусов Цельсия) и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 12 внешним потребителям тепла 10 и дальнейшая циркуляция воды в магистралях 13, 15, 18.

Для регулирования направления и расхода воды по магистралям предусмотрены регулирующие клапаны 16, 19 и обратный клапан 17.

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

2. Авторское свид. N 1677360. Бюллетень изобретений N 34 от 15.4.91 г., стр. 141 - 142.

3. Патент РФ N 2115831. Бюл. N 20 от 20.07.98 г.

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

Теплоэнергетическая установка, включающая в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель Стирлинга или двигатель внутреннего сгорания) 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, а также замкнутой системой магистралей, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла и выработку электроэнергии, состоящей из магистрали пара высокого давления, идущей от парогенератора через теплообменник-подогреватель пара и паровую турбину с электрогенератором на одном валу 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 и обратным клапанами, 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 проходит сначала через теплообменник-подогреватель пара, парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1