Когенерационная модульная теплоэлектростанция с двс и дополнительным горелочным устройством

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения. Предлагаемая теплоэлектростанция (ТЭС) включает по меньшей мере одну двигатель-генераторную установку преимущественно с ДВС жидкостного охлаждения, а также по меньшей мере одну электровентиляторную установку (для воздухоснабжения ДГУ). Модуль образуют двигатель-генераторная и электровентиляторная установки, помещенные в общий теплоизолированный кожух, который со стороны генератора, предпочтительно вдоль его оси, имеет воздухозаборник, а с противоположной стороны - нагнетательный трубопровод. Воздуховпускной и газовыпускной тракты ДВС выведены наружу кожуха. Другой структурной частью ТЭС служит "тепловая колонна", образованная котлом-утилизатором с подключенной к его газовому входу смесительной камерой, в головной части которой установлено ДГУ, присоединенное к входному устройству. К другому входному устройству камеры подключен газовыпускной тракт ДВС. Нагнетательный трубопровод модуля подключен к воздушному входу ДГУ через распределительное устройство, имеющее кинематическую связь с дозирующим органом топливоподачи в ДГУ. Распределительное устройство подключено также по меньшей мере к одному дополнительному потребителю горячего воздуха, в качестве которого могут быть использованы смесительная камера "тепловой колонны", водовоздушный теплообменник в системе горячего водоснабжения, вентиляционная система здания и др. Эти потребители включаются в работу на долевых режимах работы ДГУ. Предложенное техническое решение устройства модуля позволяет практически полностью подавить радиационные потери ДВС, генератора и "тепловой колонны" и повысить кпд ТЭС до уровня 90-95%. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к когенерационным модульным теплоэлектростанциям (ТЭС) преимущественно жилищно-бытового назначения с ДВС и дополнительным горелочным устройством.

Известна когенерационная модульная ТЭС [международная заявка (WO) 87/03933 по МКИ 4 F 02 G 5/00 от 02.07.87 г.], содержащая двигатель-генераторную установку с силовым генератором и поршневым ДВС, имеющим воздуховпускной и газовыпускной тракты. В последнем размещен котел-утилизатор. Модуль образует перечисленное и другое оборудование, помещенное в герметичный теплоизолированный кожух с выведенными наружу газо-воздушными трактами. Дополнительного горелочного устройства модуль не содержит.

Кожух почти доверху заполнен жидким теплоносителем, циркуляция которого через отверстия в кожухе по контуру потребителей тепловой энергии обеспечивает возможность эффективного использования выделяемой тепловой энергии, включая излучение через поверхности ДВС и генератора, что повышает общий КПД до 5-7 пунктов.

В другом конструктивно подобном техническом решении [международная заявка (WO) 88/03989 по МКИ 4 F 02 G 5/04 от 20.06.88 г.] вместо заполнения жидкостью объема кожуха в модуле применен жидкостный теплообменник, подключенный к рубашке охлаждения ДВС и к внешнему контуру потребителей тепловой энергии, а все свободное пространство кожуха вокруг ДВС заполнено теплопоглощающим материалом.

Наиболее существенным недостатком обоих известных решений является их пониженная относительная тепловая мощность (соотношение номинальных значений тепловой электрической мощностей когенерационной ТЭС с ДВС), не превышающая 1,2-1,6.

В то же время известно [Борецкий Б.М., Власов Л.И. Сопоставительный анализ базовых показателей когенерационных теплоэлектростанций с различными системами теплопроизводства. "Двигателестроение", С. -Пб., 2000 г., 3, с. 13-15] , что когенерационные ТЭС для жилищно-бытовых нужд по меньшей мере на территориях России должны иметь повышенное соотношение номинальных значений тепловой и электрической мощностей на уровне 2,5-4,5, что достигается наилучшим образом применением в ТЭС с ДВС дополнительного горелочного устройства, установленного перед котлом-утилизатором.

Известна когенерациониая модульная ТЭС [заявка ФРГ 3805690 по МКИ 4 F 02 G 5/04 от 31.08.89], содержащая по меньшей мере одну двигатель-генераторную установку с силовым генератором и поршневым ДВС с воздуховпускным и газовыпускным трактами, электровентиляторную установку и "тепловую колонну".

"Тепловая колонна" образованна из котла-утилизатора с подключенной к его газовому входу смесительной камерой, которая имеет входные устройства, к одному из которых присоединено дополнительное горелочное устройство (ДГУ), а к другому газовыпускной тракт ДВС. ДГУ имеет дозирующий орган топливоподачи и воздушный вход, сообщенный с электровентиляторной установкой. Перед воздушным входом ДГУ установлен водовоздушный теплообменник, включенный в систему жидкостного охлаждения ДВС. Модуль образует собственно двигатель-генераторная установка.

Такое техническое решение, принятое за прототип, позволяет получать в ТЭС высокие значения относительной тепловой мощности, причем теплота охлаждающей ДОС жидкости, передаваемая потребителям, полностью или частично поступает из котла-утилизатора за счет переноса ее в воздушный поток, нагнетаемый в ДГУ "тепловой колонны".

Недостатком известной ТЭС является пониженный полный КПД за счет радиационных потерь ДВС и генератора.

Целью изобретения является повышение эффективности когенерационной ТЭС с ДВС и дополнительным горелочным устройством.

Указанная цель достигается тем, что в ТЭС использована по меньшей мере одна двигатель-генераторная установка с силовым генератором и поршневым ДВС с воздухо-впускным и газо-выпускным трактами, а также "тепловая колонна", образованная по меньшей мере одноступенчатым котлом-утилизатором с подключенной к его газовому входу смесительной камерой и дополнительным горелочным устройством, присоединенным к входному устройству смесительной камеры. К другому входному устройству камеры подключен газовыпускной тракт ДВС.

ДГУ имеет дозирующий орган топливоподачи и воздушный вход, сообщенный по меньшей мере с одной электровентиляторной установкой, в основном предназначенной для воздухоснабжения ДГУ.

Отличается когенерационная ТЭС тем, что модуль образуют двигатель-генераторная и электровентиляторная установки, помещенные в общий теплоизолированный кожух, который со стороны генератора, предпочтительно вдоль его оси, имеет воздухозаборник, а с противоположной стороны - нагнетательный трубопровод. Воздуховпускной и газовыпускной тракты ДВС выведены наружу кожуха.

Нагнетательный трубопровод через распределительное устройство, кинематически связанное с дозирующим органом топливоподачи в ДГУ, подключен к воздушному входу ДГУ и по меньшей мере одному дополнительному потребителю горячего воздуха. Этим обеспечивается, в частности, возможность стабилизации производительности вентиляторной установки при переменной мощности ДГУ и стабилизации режима обдува двигатель-генераторной установки.

Существенно важной особенностью предлагаемой ТЭС является возможность высокоэффективного использования в модуле ДВС как жидкостного, так и воздушного охлаждения.

В модуле могут использоваться электровентиляторные установки как осевого, так и центробежного (улиточного) типов.

Осевой вентилятор целесообразно размещать в воздухосборнике кожуха и использовать в тех случаях, когда в помещении ТЭС необходимо постоянно действующее отопление, обеспечиваемое излучением "тепловой колонны".

Для необслуживаемых ТЭС, где отопление может быть востребовано лишь периодически и кратковременно, целесообразно использовать в модуле центробежный вентилятор, установленный у торца ДВС, противоположного генератору, и подключенный выходом улитки к нагнетательному трубопроводу.

Создаваемое в таком модуле разрежение позволяет регенерировать излучение "тепловой колонны", если ее поместить в собственный кожух с одним открытым в атмосферу торцом, а другим торцом с помощью трубопровода подключенным к внутренней полости модуля вблизи входа вентилятора. Трубопровод должен быть снабжен клапаном для регулировки потоков и возможности "включения" отопления помещения ТЭС. Для обеспечения максимального нагрева всасываемого вентилятором воздуха целесообразно также применение регулируемого дроссельного клапана в воздухозаборнике кожуха модуля. Такая ТЭС потенциально обладает наивысшей эффективностью использования энергии топлива для нужд потребителей комбинированной энергии среди всех известных когенерационных ТЭС, т.к. воздушная ламинизированная завеса под кожухом обладает наилучшими теплоизолирующими свойствами по сравнению с жидким или твердым наполнением пустот под кожухом (как предложено в аналогах).

В качестве дополнительного потребителя горячего воздуха может использоваться смесительная камера, подключенная одним или более дополнительным входным устройством к распределительному устройству нагнетательного трубопровода. Такое подключение, в частности, необходимо для разбавления высокотемпературных продуктов сгорания ДГУ в периоды регламентных остановов ДВС. При нормальной работе ТЭС целесообразен ввод воздуха на конечных участках смесительного устройства для дожигания газообразных продуктов неполного сгорания топлива.

В качестве дополнительного потребителя горячего воздуха может использоваться также водовоздушный теплообменник, установленный в качестве по меньшей мере преднагревателя холодной воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) от ТЭС.

Наконец, в качестве дополнительного потребителя горячего воздуха может использоваться вентиляционная система здания, внутри которого встроена ТЭС.

В случае комплектования ТЭС несколькими предлагаемыми модулями все нагнетательные трубопроводы подключают к одному общему распределительному устройству, а газовыпускные тракты ДВС - к входным устройствам смесительной камеры.

На фиг. 1 показана принципиальная схема когенерационной одномодульной ТЭС, выполненной в отапливаемом варианте с ДВС жидкостного комбинированного охлаждения с осевым вентилятором.

На фиг. 2 показана принципиальная схема когенерационной одномодульной ТЭС, выполненной в неотапливаемом варианте с ДВС жидкостного охлаждения за счет потребителей тепловой энергии.

Двигатель-генераторная установка с ДВС 1 жидкостного охлаждения, спаренного с силовым генератором 2 и электровентиляторная установка 3 или 4, помещенные в теплоизолированный кожух 5 или 6, образуют модуль 7 или 8.

Котел-утилизатор 9 с подключенной к его газовому входу смесительной камерой 10 и дополнительным горелочным устройством 11 образуют "тепловую колонну" 12. ДГУ 11 подключено к входному устройству 13, а к другому входному устройству 14 подключен газовыпускной тракт 15 ДВС 1, выведенный наружу кожуха 5 или 6.

Кожух 5 или 6 имеет соосный с генератором 2 воздухозаборник 16 или 17, причем в воздухозаборнике 16 установлен вентилятор 3. На противоположном торце кожуха 5 или 6 присоединен нагнетательный трубопровод 18 или 19, причем входное отверстие трубопровода 19 состыковано с выходным отверстием улитки центробежного вентилятора 4.

Нагнетательный трубопровод 18 или 19 присоединен к распределительному устройству 20, которое имеет газовую связь с воздушным входом 21 ДГУ 11 и кинематическую связь с дозирующим органом топливоподачи 22 в ДГУ 11.

Водогрейный котел-утилизатор 9 включен в циркуляционный контур 23 отопления потребителей. В обратной магистрали 24 контура 23 установлен теплообменник жидкостного охлаждения 25, включенный в контур 26 циркуляции жидкости через рубашку охлаждения 27 ДВС 1.

В исполнении ТЭС по варианту фиг.1 к рубашке охлаждения 27 параллельно теплообменнику 25 через систему клапанов 28 подключен теплообменник воздушного охлаждения 29, встроенный внутрь кожуха 5.

В нагнетательной магистрали 30 контура 23 установлен водоводяной теплообменник 31 системы ГВС 32. Водозабор 33 в систему ГВС 32 осуществляется через водовоздушный теплообменник 34, подключенный трубопроводом 35 к распределительному устройству 20.

В исполнении ТЭС по варианту фиг.2 "тепловая колонна" 12 помещена в кожух 36, один из торцов которого открыт в атмосферу, а другой связан трубопроводом 37 с клапаном 38 с внутренней полостью кожуха 6 вблизи вентилятора 4.

Пунктирными линиями показаны связи распределительного устройства 20 с различными участками смесительной камеры 10.

Работает предлагаемая ТЭС следующим образом.

При максимальной тепловой нагрузке ТЭС производительность вентилятора 3 или 4 соответствует максимально необходимому воздухоснабжению ДГУ 11 с некоторым избытком, необходимым для дополнительного ввода воздуха в смесительную камеру 10 перед котлом-утилизатором 9. Распределительное устройство 20 при этом отсекает всех прочих потребителей воздуха. Этим обеспечивается минимальность потерь на привод вентилятора. Радиатор 29 на фиг.1 с помощью клапанов 28 отключен от рубашки охлаждения 27 ДВС 1.

Тепловые потоки от ДВС 1 и ДГУ 11 через теплообменники 9 и 25 поступают в отопительный контур 23, часть теплоты из которого через теплообменник 31 подается на ГВС.

Поток всасываемого через воздухозаборник 16 или 17 внутрь кожуха 5 или 6 воздуха в низкоскоростном слаботурбулентном (возмущения от плохообтекаемых тел) режиме вначале обтекает (охлаждая) генератор 2, а затем ДВС 1. По мере движения воздушная завеса прогревается и снижается перепад температур между ДВС 1 (охлаждающей жидкостью в рубашке 27) и воздухом, что снижает интенсивность радиации ДВС.

В результате создается аддитивный эффект, сопровождающийся уменьшением расхода топлива в ДГУ 11 и обусловленный предварительным подогревом воздуха, поступающего в ДГУ 11 из нагнетательного трубопровода 18 или 19, и ростом доли теплоты, выносимой из ДВС1 охлаждающей жидкостью и передаваемой потребителям через теплообменник 25.

Потери через теплоизолированные стенки кожуха 5 или 6 ничтожно малы как вследствие постепенного по длине модуля 7 или 8 прогрева воздушной завесы вблизи стенок кожуха, так и вследствие низких значений коэффициента теплоотдачи от воздуха к стенкам.

При снижении отопительной нагрузки в контуре 23 автоматически уменьшается топливоподача в ДГУ 11 с помощью дозирующего органа 22 и пропорционально уменьшается подача воздуха на вход 21 с помощью распределительного устройства 20, которое одновременно сообщает трубопровод 35 с нагнетательным трубопроводом 18 или 19, включая тем самым в работу водовоздушный теплообменник 34 для ГВС. При этом снижается (вплоть до нулевой) нагрузка на теплообменник 31, что обуславливает дополнительный эффект уменьшения расхода топлива в ДГУ 11.

В варианте исполнения ТЭС согласно фиг.1 допускается полное отключение отопительного контура 23 (при выключенном ДГУ 11), если к рубашке охлаждения 27 ДВС 1 вместо теплообменника 25 подключить встроенный радиатор 29 с помощью системы клапанов 28. Потребителем теплоты охлаждения ДВС 1 (потребителем горячего воздуха) в этом случае может быть теплообменник 34 в системе ГВС, а также вентиляционная система здания (не показана).

Комплектация оборудования ТЭС по варианту фиг.2 не предназначена для все сезонной работы, а служит для необслуживаемой работы в отопительный период в неотапливаемом помещении. "Тепловая колонна" 12, все элементы которой теплоизолированы и имеют на поверхности температуру не ниже 80^oС, окруженная с соответствующим зазором кожухом 36, который подключен к кожуху 6 модуля 8, позволяет максимально нагреть воздух, поступающий от вентилятора 4 в ДГУ 11 (и другим устройствам) и сократить потребление топлива. Для проведения регламентных работ на такой ТЭС включают отопление помещения путем перекрытия клапана 38. Для настройки экономичной работы ТЭС без собственного отопления в дополнение к клапану 38 целесообразно использовать регулируемый дроссельный клапан (не показан) в воздухозаборнике 17 кожуха 6 модуля 8.

Кожух 5 или 6 модуля 7 или 8, а также кожух 36 могут иметь съемные панели для свободного доступа к устройствам, подлежащим регламентному обслуживанию или замене в ходе эксплуатации.

Предложенное простое техническое решение устройства модуля для когенерационной ТЭС с ДВС и дополнительным горелочным устройством позволяет повысить полный кпд ТЭС на 5...7 пунктов до уровня 90...95%.

Формула изобретения

1. Когенерационная модульная теплоэлектростанция с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и дополнительным горелочным устройством, содержащая по меньшей мере одну двигатель-генераторную установку с силовым генератором и поршневым ДВС с воздуховпускным и газовыпускным трактами, по меньшей мере одну электровентиляторную установку и тепловую колонну, образованную по меньшей мере одноступенчатым котлом-утилизатором с подключенной к газовому входу смесительной камерой, имеющей входные устройства, к одному из которых подключен газовыпускной тракт ДВС, а к другому - дополнительное горелочное устройство с дозирующим органом топливоподачи и воздушным входом, сообщенным с электровентиляторной установкой, отличающаяся тем, что модуль образуют двигатель-генераторная и электровентиляторная установки, помещенные в общий теплоизолированный кожух, который со стороны генератора, предпочтительно вдоль его оси, имеет воздухозаборник, а с противоположной стороны - нагнетательный трубопровод, подключенный с помощью распределительного устройства к воздушному входу дополнительного горелочного устройства и по меньшей мере к одному дополнительному потребителю, вход воздуховпускного тракта ДВС выведен наружу кожуха, а распределительное устройство кинематически связано с дозирующим органом топливоподачи.

2. Когенерационная модульная теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве электровентиляторной установки использован осевой вентилятор, встроенный в воздухозаборник кожуха.

3. Когенерационная модульная теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве электровентиляционной установки использован центробежный вентилятор, установленный позади ДВС таким образом, что выход улитки вентилятора состыкован с нагнетательным трубопроводом.

4. Когенерационная модульная теплоэлектростанция по п. 3, отличающаяся тем, что "тепловая колонна" помещена в кожух, один торец которого открыт в атмосферу, а другой подключен трубопроводом к внутренней полости модуля вблизи входа вентилятора.

5. Когенерационная модульная теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного потребителя использована смесительная камера "тепловой колонны".

6. Когенерационная модульная теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного потребителя применен водовоздушный теплообменник.

7. Когенерационная модульная теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного потребителя использована вентиляционная система здания.

8. Когенерационная модульная теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что при ее комплектовании несколькими указанными модулями все нагнетательные трубопроводы подключены к одному общему распределительному устройству, а газовыпускные тракты ДВС подключены к входным устройствам смесительной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2