ЭНЕРГОГЕНЕРАТОР

Заявляемая полезная модель относится к области энергетики и используется для выработки тепловой и электрической энергии.
Из уровня техники известен энергогенератор (В.А. Шварц Конструкция газотурбинных установок. Изд. Машиностроение М. 1970, УДК 621.438.004. Стр. 89, рис. 51.), содержащий газотурбинный привод, соединительную муфту, понижающий редуктор, синхронный или асинхронный генератор, работающий с постоянной частотой 50 Гц. Как вариант осуществления данного энергогенератора возможно размещение газотурбинного привода, редуктора и генератора на отдельных рамах
Указанный аналог обладает рядом недостатков. В частности, к недостаткам данного аналога относится ограниченность режимов его эксплуатации, а именно: максимально эффективное КПД обеспечивается только при одном, номинальном режиме работы с определенной мощностью. Это связано с тем, что присутствующий в конструкции аналога асихронный или синхронный генератор работает с максимальным КПД только в номинальном режиме работы, т.е. при определенных постоянных оборотах, или с постоянной расчетной частотой вращения вала, обеспечивающей выходное напряжение постоянной частоты 50 Гц. Как следствие этого, при изменении нагрузки (изменении мощности газотурбинного привода) происходит изменение числа оборотов вала генератора, что приводит к значительному снижению КПД системы. Для оптимизации такого режима работы необходимо обеспечение возможности эффективной работы генератора с переменной частотой вращения вала. Тогда максимально эффективный КПД системы будет достигаться при различных режимах работы газотурбинного привода, т.е. в широком диапазоне мощностей, что означает повышение эффективности работы энергогенератора в целом. Кроме того, упомянутый аналог заявляемого энергогенератора характеризуется наличием редуктора, который является весьма дорогостоящим элементом и требует, в частности, наличия системы его смазки
Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью, состоит в повышении эффективности работы энергогенератора, оптимизации его эксплуатационных характеристик при выработке тепловой и электрической энергии.
Заявляемая полезная модель отличается от указанного выше аналога прежде всего тем, что содержит генератор с переменной частотой вращения вала генератора, позволяющий работать с максимальным КПД при широких диапазонах значения выдаваемой мощности газотурбинного привода. Этим обеспечивается повышение КПД энергоустановки в диапазоне мощностей от 0 до 100% номинальной мощности при работе с переменными нагрузками, за счет использования в связке с газотурбинным приводом генератора с переменной частотой вращения вала. Таким образом, по сравнению с аналогом обеспечивается более высокая эффективность работы газотурбинного привода при работе с изменяемой частотой вращения турбины, так как энергогенератор работает с меньшим диапазоном частот вращения вала генератора, при котором не вырабатывается электроэнергия из-за того, что происходит отключение генератора. Соответственно, в заявляемой полезной модели обеспечивается более широкий диапазон мощностей, при котором не происходит отключение генератора, и эффективность работы генератора существенно повышается.
На Фиг. 1 схематически представлена конструкция традиционного энергогенератора, используемая в упомянутом аналоге. Конструкция включает в себя следующие основные элементы: газотурбинный привод 1, редуктор 2, генератор 3, распределительное устройство (РУ) 4 и систему автоматизированного управления (САУ) 5. Работа такого энергогенератора осуществляется следующим образом. Вращательное движение газотурбинного привода 1 посредством понижающего редуктора 2 передается генератору 3, который вырабатывает электроэнергию с постоянной частотой 50 Гц, передаваемую через распределительное устройство потребителям. Управление работой всех элементов конструкции осуществляется посредством системы САУ 5. Данная система САУ обеспечивает работу энергогенератора в требуемом режиме. Как отмечалось выше, данная конструкции работает с максимальной эффективностью только в номинальном режиме работы, т.е. при определенной постоянной расчетной частоте вращения вала, обеспечивающей выходное напряжение постоянной частоты 50 Гц. Во всех других режимах работы КПД энергогенератора достаточно низкий.
Из уровня техники известны также аналоги энергогенератора, в которых редуктор отсутствует (Проектные решения тепловых электростанций Под редакцией проф. В.И. Теличенко Изд. Ассоциация строительных вузов М. 2010 г. стр. 96-98). Заявляемый энергогенератор также характеризуется отсутствием понижающего редуктора. При этом газотурбинный привод и генератор соединены напрямую, через соединительную муфту, и расположены на единой раме. Этим обеспечивается повышение эффективности работы энергогенератора за счет снижения потерь в элементах энергогенератора и упрощения его конструкции ввиду отсутствия одного из элементов первого аналога - редуктора. Отсутствия конструктивного элемента в виде редуктора позволяет исключить потери в редукторе. Исключается и дополнительный узел стыковки между редуктором и генератором, а также потери на работу системы смазки редуктора. Однако одного только отсутствия редуктора и расположения газовой турбины и генератора на единой раме не достаточно для решения поставленной технической задачи, так как, несмотря на некоторое упрощение конструкции по сравнению с энергогенератором, представленным на Фиг.1, режимы эффективной работы энергогенератора будут обеспечиваться в таком устройстве только в очень узком диапазоне частот, соответствующих частоте генерируемого тока 50 Гц. Заявляемая полезная модель позволяет преодолеть это ограничение за счет дополнительных преобразователей частоты путем включения в функциональную схему устройства конвертора, преобразующего переменный ток в постоянное напряжение, и инвертора, преобразующего постоянное напряжение в напряжение с постоянной частотой 50 Гц.
Схема заявляемой полезной модели представлена на Фиг.2. Работа заявляемого энергогенератора осуществляется следующим образом: вращательное движение газотурбинного привода 1 передается непосредственно генератору 2, соединенному с газотурбинным приводом напрямую через соединительную муфту 6. Возможность такого соединения обеспечивается тем, что газотурбинный привод 1 и генератор 3 располагаются на единой раме. Существенным признаком заявляемого энергонгенератора является то, что генератор 3 характеризуется переменной частотой вращения. Таким образом, переменная частота вращения газотурбинного привода непосредственно приводит к переменной частоте вращения генератора 3. Генератор 3 осуществляет выработку высокочастотного переменного тока, который преобразуется конвертором 7 в постоянное напряжение. Это постоянное напряжение, в свою очередь, преобразуется инвертором 8 в напряжение с постоянной частотой 50 Гц для последующей его передачи в электрическую сеть к потребителю через распределительное устройство (РУ) 4. Управление работой всех элементов конструкции осуществляется посредством системы САУ 5. При этом в заявляемом энергогенераторе обеспечивается максимальное КПД в широких диапазонах мощностей в силу переменной частоты вращения генератора, расположенного на единой раме с газотурбинным приводом.
В силу особенностей конструкции заявляемой полезной модели дополнительно решаются следующие технические задачи:
- повышение маневренности при переменных нагрузках потребителя за счет использования непосредственного соединения газотурбинного привода 1 и генератора 3 с переменной частотой вращения посредством их расположения на единой раме;
- снижение габаритов и веса установки в целом, малое время пуска и перехода с одного режима работы на другой;
- удешевление конструкции энергогенератора за счет исключения из нее весьма дорогостоящего редуктора.
Хотя настоящая полезная модель была описана на примере конкретных вариантов ее осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данной полезной модели, не выходящие за границы объема ее правовой охраны, определяемого прилагаемой формулой.