УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ТЕПЛА

Предполагаемая полезная модель относится к энергетическому машиностроению, в частности, к области малой энергетики.
Известен газоэжекторнотурбинный агрегат для получения электроэнергии и холода (см. журнал «Конверсия в машиностроении», №1, 2003, с.42-45, рис.1). В нем в качестве рабочего тела используется сжатый воздух, который направляется в высоконапорный вход эжектора. Низконапорный вход эжектора через турбину соединен с атмосферой. Турбина по валу соединена с электрогенератором.
Агрегат позволяет получать электроэнергию и холодный воздух (на выходе эжектора). Недостатком агрегата является ограниченность его применения, поскольку он может использовать в качестве рабочего тела только сжатый воздух.
Известно установка для охлаждения воздуха помещения (Патент на полезную модель №35668, с приоритетом от 15.10.2003 г.). В нем турбина с приводимым ей водяным насосом и эжектор размещены в помещении. Сжатый воздух охлаждаясь охлаждает воздух помещения.
Установка обладает лучшей экономичностью, однако она также может использовать только сжатый воздух в качестве рабочего тела и не вырабатывает электроэнергию.
Недостаток этих решений устранен в универсальной установке снижения давления рабочей среды (Патент РФ на полезную модель №15205 от 26.04.2000 г.), принятой в качестве прототипа. Установка содержит источник горючего газа высокого давления, эжектор с высоконапорным и низконапорным входами, турбину с потребителем мощности в виде воздушного компрессора, потребитель газовоздушной смеси и кран. Высоконапорный вход эжектора соединен через кран с источником горючего газа. Низконапорный вход эжектора соединен через турбину с атмосферой. Выход эжектора соединен с потребителем газовоздушной смеси.
Установка позволяет использовать не только воздух, но и другой газ высокого давления, например, природный газ. Однако расположение турбины и эжектора вне помещения может приводить в холодный период года к:
- обмерзанию проточной части турбины и снижению ее к.п.д.,
- недопустимо низкой температуре опорных узлов установки с ухудшением смазки подшипников,
- образованию газгидрата на выходе из эжектора, что ухудшает надежность и экономичность установки.
В основу полезной модели положено решение задачи повышения надежности расширения диапазона применимости установки посредством выработки тепловой и механической энергии из горючих газообразных отходов разных видов и использованием ее при необходимости в отдаленных и труднодоступных местах в относительно небольших объемах.
Поставленная задача решается тем, что установка содержит источник газообразного топлива высокого давления, турбину и механически связанный с турбиной, по крайней мере, один потребитель мощности, эжектор с высоконапорным и низконапорным входами, потребитель газовоздушной смеси и кран. Высоконапорный вход эжектора подключен через кран к источнику газообразного топлива. Турбина входом связана с атмосферой, а выходом - с низконапорным входом эжектора. Выход эжектора подсоединен к потребителю газовоздушной смеси.
Новым в полезной модели является то, что установка дополнительно содержит помещение, водонагревательный котел с входом горячего газа и входом и выходом воды, потребитель тепла, подогреватель помещения, запорнорегулирующие краны и подкачивающее устройство. Потребитель газовоздушной смеси выполнен в виде камеры сгорания. Эжектор с высоконапорным и низконапорным входами, турбина с потребителем мощности и подогреватель помещения размещены в помещении. Выход камеры сгорания соединен с входом горячего газа водонагревательного котла. Вход воды водонагревательного котла соединен с выходами потребителя тепла и подогревателя помещения. Выход воды водонагревательного котла через подкачивающее устройство и запорнорегулирующие краны связан с входами потребителя тепла и подогревателя помещения.
При такой конструкции установки:
- наличие помещения и размещение в нем турбины, эжектора с высоконапорным и низконапорным входами и подогревателя помещения позволяет подавать на вход турбины и в низконапорный вход эжектора воздух повышенной температуры, что повышает механическую энергию, подаваемую потребителю мощности, и повышает надежность работы установки;
- водонагревательный котел с входом горячего газа, входом и выходом воды позволяет подогревать воду в котле за счет тепла, поступающего из камеры сгорания и направлять его потребителю тепла, что повышает экономичность установки;
- подогреватель помещения позволяет обеспечивать в помещении температуру воздуха, большую, чем в окружающей среде, что увеличивает энергию, получаемую потребителем мощности при том же расходе газообразного топлива, а также повышает надежность работы установки;
- запорнорегулирующие краны позволяют регулировать температуру в помещении и количество тепла, поступающее к потребителю тепла, что позволяет более рационально тратить газообразное топливо для получения требуемых потребителями количеств тепла и энергии;
- подкачивающее устройство обеспечивает циркуляцию воды, обеспечивающую надежность подачи тепла к потребителю тепла и подогревателю помещения.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Потребитель мощности может быть выполнен в виде электрогенератора.
Потребитель мощности может быть выполнен в виде компрессора. Потребитель мощности может быть выполнен в виде водяного насоса. Водонагревательный котел может быть выполнен в виде котла погружного нагрева воды.
Источник газообразного топлива может содержать природный газ, в частности, источником газообразного топлива может быть магистраль природного газа высокого давления.
Источник газообразного топлива может содержать газ, генерируемый из твердого топлива, например из дерева.
Источник газообразного топлива может содержать газ из отходов нефтеперерабатывающего производства.
Источник газообразного топлива может содержать газ из отходов химического производства.
Источник газообразного топлива может содержать газ из отходов мусороперерабатывающего производства.
Подкачивающее устройство может быть выполнено в виде насоса.
Все приведенные признаки расширяют потребительские свойства установки.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача.
Разработана конструктивная схема установки для получения электроэнергии и тепла. Расширен диапазон применимости установки посредством выработки тепловой и механической энергии из газообразных отходов разных видов и использование ее при необходимости в отдаленных и труднодоступных местах в относительно небольших объемах.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения и последующего описания схемы, приведенной на чертеже.
Установка для получения электроэнергии и тепла (см. фиг) содержит источник газообразного топлива высокого давления 1, турбину 2 и механически связанный с турбиной 2, по крайней мере, один потребитель мощности 3, эжектор 4 с высоконапорным 5 и низконапорным 6 входами, потребитель газовоздушной смеси 7 и кран 8. Высоконапорный вход 5 эжектора 4 подключен через кран 8 к источнику газообразного топлива 1. Турбина 2 входом связана с атмосферой, а выходом - с низконапорным входом 6 эжектора 4. Выход эжектора 4 подсоединен к потребителю газовоздушной смеси 7. Установка дополнительно содержит помещение 9, водонагревательный котел 10 с входом горячего газа 11 и входом 12 и выходом воды 13, потребитель тепла 14, подогреватель помещения 15, запорнорегулирующие краны 16, 17 и подкачивающее устройство 18. Потребитель газовоздушной смеси 7 выполнен в виде камеры сгорания 7, эжектор 4 с высоконапорным 5 и низконапорным 6 входами, турбина 2 с потребителем мощности 3 и подогреватель помещения 15 размещены в помещении. Выход камеры сгорания соединен с входом горячего газа 11 водонагревательного котла 10. Вход воды 12 водонагревательного котла 10 соединен с выходами потребителя тепла 14 и подогревателя помещения 15. Выход воды 13 водонагревательного котла 10 через подкачивающее устройство 18 и запорнорегулирующие краны 16 и 17 связан с входами потребителя тепла 14 и подогревателя помещения 15.
Установка для получения электроэнергии и тепла работает следующим образом.
Перед запуском установки краны 16 и 17 открыты и включено подкачивающее устройство 18. Открывается кран 8 и газообразное топливо из источника 1 через кран 8 и высоконапорный вход 5 поступает в эжектор 4, где за счет разряжения подсасывает через турбину 2 и низконапорный вход 6 нагретый воздух из помещения 9 с атмосферным давлением. Образующийся из-за разрежения перепад давления на турбине 2 раскручивает ее, образуется работа на валу, которая передается потребителю мощности 3. В эжекторе 4 происходит смешение газообразного топлива и воздуха с образованием горючей смеси, которая направляется в камеру сгорания 7. В камере сгорания 7 горючая смесь поджигается и образуется горячий газ, поступающий через вход 11 в водогрейный котел 10, где он нагревает воду. Нагретая в водогрейном котле 10 вода через выход воды 13, подкачивающее устройство 18 и краны 16 и 17 поступает к потребителю тепла 14 и подогревателю помещения 15, откуда через вход 12 охлажденная вода вновь поступает в водогрейный котел 10 - так осуществляется циркуляция воды в установке.
Регулируя краном 8 расход газообразного топлива осуществляется изменение величины мощности, подаваемой потребителю 3, и располагаемого тепла, которое могут получить потребитель тепла 14 и подогреватель помещения 15.
Регулируя кранами 16 и 17 расходы воды можно обеспечить оптимальное распределение тепла между потребителем тепла 14 и подогревателем помещения 15.
Предлагаемое техническое решение может найти полезное применение при модернизации котельных установок (КУ), работающих на природном газе (ПГ) с давлением около 0.2-0.25 МПа. Такой уровень давления ПГ в типичных случаях достигается при использовании газорегуляторных пунктов (ГРП) с входным давлением природного газа равном 0.6 МПа. При модернизации КУ часть расхода ПГ с давлением 0.22 МПа можно использовать для дополнительного получения электричества и тепла.
Расчеты показывают, что можно достичь величины мощности электрогенератора, механически связанного с турбиной, равной 1 кВт и тепловой мощности равной 1 МВт, при разрежении воздуха за турбиной равном 0.03 МПа, при следующих величинах параметров:
- полное давление ПГ на входе в высоконапорный вход эжектора - 0.22 МПа,
- полное давление газовоздушной смеси на выходе из эжектора - 0.11 МПА,
- массовый расход ПГ - 0.025 кг/с,
- температура воздуха в помещении - 288 К,
- температура воздуха за турбиной - 265 К,
- расход воздуха через турбину - 0.05 кг/с.
Необходимо отметить, что газовоздушная смесь имеет избыточное давление (против атмосферного) равное ≈7 кПа, что достаточно для преодоления гидравлического сопротивления магистрали от эжектора до водогрейного котла с погружным нагревом воды и преодоления столба водяного слоя высотой 0.3 м. Кроме того, газовоздушная смесь уже частично (на 12%) подготовлена для гомогенного сжигания, так как требуется дополнительно около 90% расхода воздуха.
Широкое внедрение предлагаемой полезной модели в народное хозяйство позволяет повысить уровень надежности работы котельных установок и их эффективность.