ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована для выработки электроэнергии из твердого топлива, содержащего ископаемый уголь.
Известна электростанция, содержащая газогенератор, выполненный с возможностью получения горючего газа из водоугольной смеси, газотурбинный двигатель, выполненный с возможностью работы на смеси горючего газа и метана, электрический генератор, выполненный с возможностью приведения в действие газовой турбиной /см., например, патент РФ №2126891, кл. F 01 К 13/00, опуб. 27.02.99/.
К недостаткам известной электростанции можно отнести потери энергии в газогенераторе, связанные с удалением влаги из водоугольной смеси.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является электростанция, содержащая газогенератор, выполненный с возможностью получения горючего газа из содержащего ископаемый уголь твердого топлива, газотурбинный двигатель, выполненный с возможностью приведения в действие посредством сжигания горючего газа, электрический генератор, выполненный с возможностью приведения в действие посредством газотурбинного двигателя /см., например, Манушкин Э.А.Газовые турбины: Проблемы и перспективы. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с. 94/.
Недостатком известной электростанции является то, что она имеет низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено низким коэффициентом полезного действия газовой турбины.
В предлагаемой электростанции повышен коэффициент полезного действия.
Технический результат достигается за счет того, предлагаемая электростанция, содержащая газогенератор и электрический генератор, снабжена газовым двигателем, выполненным с возможностью приведения в действие посредством сжигания полученного в газогенераторе горючего газа. При этом газогенератор выполнен с возможностью получения горючего газа из твердого топлива, содержащего по меньшей мере один из следующих ископаемых углей:
антрацит, бурый уголь, каменный уголь. Кроме ископаемого угля твердое топливо может содержать по меньшей мере одно негорючее вещество. Также предлагаемая электростанция может содержать котлы-утилизаторы для утилизации тепловой энергии горючего газа и отходящих газов газового двигателя.
Известно, что на электростанциях для приведения в действие электрического генератора применяют газотурбинный двигатель, который работает на горючем газе, полученном путем газификации твердого топлива /см., например, Манушкин Э.А. Газовые турбины: Проблемы и перспективы. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с. 94/. Однако газотурбинные двигатели имеют относительно невысокий коэффициент полезного действия, который обычно не превышает 28% /см., например, Елизаров Д.П. Теплоэнергетические установки электростанций. - М.: Энергоиздат, 1982, с. 14/. Соответственно коэффициент полезного действия электростанции, содержащей газогенератор, газотурбинный двигатель и электрический генератор, не превысит 20-21%. Благодаря созданию газовых двигателей (мощность которых может составлять от
десятков киловатт до десятков мегаватт), имеющих высокую степень сжатия, становится возможным в составе оборудования электростанций эффективно применять газовые двигатели при использовании низкокалорийного газа (например, горючего газа, получаемый путем газификации твердого топлива) в качестве их топлива. Коэффициент полезного действия современных газовых двигателей в широком диапазоне нагрузок составляет 38-40% /Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С., Ксенофонтов С.И. Газовые и газодизельные двигатели. - М.: ВНИИЭгазпром, с. 3/. Поэтому благодаря применению газового двигателя коэффициент полезного действия предлагаемой электростанции значительно повышается.
Относительно термина «газотурбинный двигатель» необходимо отметить, что в пределах настоящего описания термин «газотурбинный двигатель» употреблен в рамках терминологии принятой в /см., например, Политехнический словарь /Под редакций А.Ю.Ишлинского. М.: Советская энциклопедия. - 1989, с. 107/, согласно которой термин «газотурбинный двигатель» распространяется также на объем понятия «газотурбинная установка», которое иногда используют в технической литературе по отношению к двигателям с газовыми турбинами.
Схема предлагаемой электростанции приведена на фиг.1. Предлагаемая электростанция содержит: газогенератор 1, выполненный с возможностью получения горючего газа из содержащего ископаемый уголь твердого топлива; газовый двигатель 3, выполненный с возможностью приведения в действие посредством сжигания горючего газа; электрический генератор 6, выполненный с возможностью приведения в действие посредством газового двигателя 3; устройство 2, выполненное с возможностью перемещения твердого топлива со склада; дробилку 4, выполненную с возможностью измельчения твердого топлива; грохот 5, выполненный с возможностью сортировки твердого
топлива; бункер 7 для твердого топлива; устройство 8, выполненное с возможностью сушки твердого топлива; теплообменник 9, выполненный с возможностью нагрева воздуха; устройство, выполненное с возможностью подачи в газогенератор 1 смеси, содержащей воздух и пар, которое содержит паропровод 29, воздухопровод 30 и вентилятор 10; устройство 11, выполненное с возможностью очистки горючего газа от механических примесей, которое выполнено в виде пылеуловителя; котел-утилизатор 12, выполненный с возможностью генерирования пара; газгольдер 13; устройство 14, выполненное с возможностью снижения концентрации в горючем газе смолы; устройство 15, выполненное с возможностью снижения концентрации в горючем газе по меньшей мере одного вещества, содержащего серу; устройство 16, выполненное с возможностью осушки горючего газа; газодувку 17; ресивер 18; трубопровод 19; систему управления (выполненную с возможностью поддержания необходимых значений напряжения на зажимах электрического генератора 6 и частоты тока) в виде устройства 20, выполненного с возможностью поддержания требуемой скорости вращения газового двигателя 3; котел-утилизатор 21, выполненный с возможностью нагрева воды; выход 22 для отходящих газов газового двигателя 3; устройство 23, выполненное с возможностью сжигания избыточного количества горючего газа; механическую передачу и/или муфту 24; предохранительный клапан 25, выполненный с возможностью предотвращения распространения взрыва; коммутационный аппарат 26, выполненный с возможностью подключения электрического генератора 6 к электрической сети и/или по меньшей мере одному устройству, выполненному с возможностью потребления электрической энергии, причем коммутационный аппарат 26 выполнен в комплекте с защитой от недопустимых режимов работы электростанции и защитой от
поражения электрическим током человека; паровую турбину 27; электрический генератор 28.
Предлагаемая электростанция работает следующим образом. Устройство 2 для перемещения топлива со склада обеспечивает подачу необходимого количества твердого топлива, содержащего ископаемый уголь, со склада в дробилку 4 для измельчения этого твердого топлива. Твердое топливо может содержать ископаемый уголь, например, в виде антрацита, или в виде каменного угля, или в виде бурого угля. Твердое топливо может содержать, например, смесь не менее двух следующих ископаемых углей: антрацита, каменного угля или бурого угля. Также твердое топливо может содержать по меньшей мере одно негорючее вещество. В дробилке 4 осуществляют измельчение кусков твердого топлива. После дробилки 4 твердое топливо поступает в грохот 5 для сортировки твердого топлива. Куски твердого топлива, имеющие требуемые размеры поступают в бункер 7, а куски твердого топлива, размеры которых превышают требуемые, повторно поступают в дробилку 4. Из бункера 7 необходимое количество твердого топлива поступает в устройство 8 для сушки твердого топлива. Устройство 8 для сушки твердого топлива может быть конструктивной частью газогенератора 1. Также данное устройство может быть установлено на газогенераторе 1 или в нем с тем, чтобы использовать тепловую энергию, выделяющуюся в газогенераторе 1, для удаления влаги из твердого топлива. Твердое топливо из устройства 8 для сушки твердого топлива поступает в газогенератор 1. В газогенераторе 1 осуществляется газификация твердого топлива. То есть в газогенераторе 1 из содержащего ископаемый уголь твердого топлива получают горючий газ (в технической литературе горючий газ, получаемый в газогенераторе, иногда называют генераторным газом). Газификацию твердого топлива в газогенераторе 1 могут осуществлять при давлении
выше атмосферного. В газогенераторе 1 газификацию твердого топлива осуществляют в присутствии паровоздушной смеси (то есть смеси, содержащей пар и воздух). Газогенератор 1 могут сконструировать таким образом, чтобы осуществлять газификацию твердого топлива в присутствии воздуха. Или газогенератор 1 могут выполнить с возможностью газификации твердого топлива в присутствии пара или с возможностью газификации твердого топлива в присутствии обогащенного кислородом воздуха. Ввиду того, что температура в газогенераторе 1 может достигать 900-1200°С и выше, то часть горючего газа может быть получена путем пиролиза твердого топлива.
Паровоздушная смесь поступает в газогенератор 1 следующим образом. Воздух из вентилятора 10 поступает в теплообменник 9 для нагрева воздуха. Теплообменник 9 выполнен с возможностью утилизации тепловой энергии горючего газа и/или с возможностью утилизации тепловой энергии отходящих газов газового двигателя 3 (не показано). После прохождения теплообменника 9 воздух направляют в воздухопровод 30, в который также через паропровод 29 вводят пар, поступающий из котла-утилизатора 12. Или пар могут получать, например, в котле-утилизаторе (не показано), который выполнен с возможностью утилизации тепловой энергии отходящих газов газового двигателя 3. Полученную таким образом паровоздушную смесь подают в газогенератор 1 через предохранительный клапан 25, выполненный с возможностью предотвращения распространения взрыва. В том случае, если газификацию осуществляют в присутствии обогащенного кислородом воздуха, то вместо теплообменника 9 для нагрева воздуха могут применять теплообменник, выполненный с возможностью нагрева обогащенного кислородом воздуха.
В состав горючего газа входят окись углерода, водород и азот, кроме этих компонентов в состав горючего газа могут входить метан (а также
3
3
другие углеводороды), двуокись углерода, сероводород, кислород и другие вещества. Теплотворная способность горючего газа, получаемого в газогенераторе 1, относительно невысокая. Например, если газификацию твердого топлива осуществляют в присутствии воздуха (то есть, когда применяют воздушное дутье), то теплотворная способность горючего газа составляет 800-1100 ккал/м. Например, если газификацию твердого топлива осуществляют в присутствии паровоздушной смеси (то есть, когда применяют паровоздушное дутье), то теплотворная способность горючего газа составляет 900-1500 ккал/м.
Конструкцию газогенератора 1 могут выполнить таким образом, чтобы производить газификацию твердого топлива в стационарном слое. Или конструкцию газогенератора 1 могут выполнить таким образом, чтобы производить газификацию твердого топлива в кипящем слое. Если газогенератор 1 выполнен с кипящим слоем, то в нем дутье подают с такой скоростью, что горячие частицы твердого топлива не лежат неподвижно в слое, а непрерывно совершают в нем движение. Также возможен вариант выполнения газогенератора 1, когда его выполняют со взвешенным слоем. Если газогенератор 1 выполнен со взвешенным слоем, то в нем дутье подают снизу вверх таким образом, чтобы препятствовать падению частиц твердого топлива, подаваемых в верхнюю часть газогенератора 1. Полученный в газогенераторе 1 горючий газ на выходе газогенератора 1 может содержать механические примеси, концентрацию которых в горючем газе снижают в устройстве 11, выполненным в виде пылеуловителя. Горючий газ на выходе газогенератора 1 может иметь температуру около 500-600°С. Тепловую энергию горючего газа могут утилизировать с использованием котла-утилизатора 12, в котором тепловую энергию горючего газа, поступающего из газогенератора 1, утилизируют, получая пар. Котел-утилизатор 12 выполнен с возможностью сообщения (например, через
устройство 11) с выполненным в газогенераторе 1 выходом для горючего газа. Если котел-утилизатор 12 не применяют, то для охлаждения выходящего из газогенератора горючего газа могут применять теплообменник (не показан), выполненный с возможностью охлаждения горючего газа, например, в виде теплообменника, выполненного с возможностью передачи тепловой энергии горючего газа в окружающую среду. Или теплообменник для охлаждения горючего газа могут выполнить в виде трубопровода без теплоизоляции.
После понижения температуры горючий газ поступает через трубопровод 19, выполненный из коррозионностойких материалов, в устройство 14, в котором обеспечивают снижение процентного содержания в горючем газе смолистых веществ. Горючий газ из устройства 14 поступает через трубопровод, выполненный из коррозионностойких материалов, в устройство 15, в котором обеспечивают снижение концентрации серосодержащих веществ, например, сероводорода. Из устройства 15 горючий газ поступает в устройство 16, в котором снижают концентрацию влаги в горючем газе. Отметим, что вместо устройства 16, выполненным с возможностью осушки горючего газа может быть установлен скруббер (не показан), в котором орошают горючий газ водой. В таком скруббере обеспечивается охлаждение горючего газа, очистка горючего газа от механических примесей и осушка горючего газа. Горючий газ после устройства 16 поступает в газодувку 17, которая обеспечивает подачу горючего газа. Газодувка 17 может быть выполнена в виде вентилятора или компрессора. Из газодувки 17 горючий газ поступает в ресивер 18. Горючий газ также могут накапливать в газгольдере 13 в тот период времени, когда газовый двигатель 3 работает с неполной нагрузкой, а избыток горючего газа могут сжигать в устройстве 23, выполненным с возможностью сжигания избыточного количества горючего газа. Из
ресивера 18 и/или газгольдера 13 горючий газ поступает в газовый двигатель 3. Газовый двигатель 3 выполнен с возможностью приведения в действие посредством сжигания горючего газа. Сжигание горючего газа в газовом двигателе 3 (например, мощностью не менее 100 кВт) осуществляют с воздухом, который используют в качестве окислителя. Для воспламенения смеси горючего газа и воздуха газовый двигатель 3 выполнен с искровой системой зажигания.
Отходящие газы, образующиеся при сжигании горючего газа в газовом двигателе 3, через выход 22 для отходящих газов поступают в котел-утилизатор 21. В котле-утилизаторе 21 тепловую энергию отходящих газов (температура которых на выходе газового двигателя 3 может составлять около 350-450°С) передают нагреваемой воде. Вместо котла-утилизатора 21, выполненного с возможностью нагрева воды, могут установить котел-утилизатор, выполненный, с возможностью получения пара, в котором тепловую энергию отходящих газов утилизируют, получая пар. Газовый двигатель 3 приводит в действие электрический генератор 6, выполненный в виде электрической машины. Вал газового двигателя 3 выполнен с возможностью соединения с валом электрического генератора 6 посредством механической передачи (и/или муфты) 24. Электрический генератор 6 может быть выполнен в виде синхронного генератора или асинхронного генератора. Электрический генератор 6 вырабатывает электрическую энергию, которую генерируют в электрическую сеть и/или используют для приведения в действие устройств, потребляющих электрическую энергию в процессе работы. Для получения необходимых значений напряжения на зажимах электрического генератора и частоты тока применяют систему управления, которая может содержать, например, устройство 20, выполненное с возможностью поддержания требуемой скорости вращения газового двигателя 3, и/или, например, устройство
3
3
3
3
(не показано), обеспечивающее регулирование электрического генератора 6 (например, регулятор возбуждения электрического генератора, выполненного в виде синхронного генератора). Коммутационный аппарат 26 применяют для подключения электрического генератора 6 к электрической сети и/или к устройству, выполненному с возможностью потребления электрической энергии. Защита от недопустимых режимов работы предлагаемой электростанции и/или защита от поражения человека электрическим током могут входить в состав коммутационного аппарата 26 или могут быть выполнены, например, в виде комплектных изделий. Дополнительно электрическую энергию могут производить, например, направляя пар, полученный в котле-утилизаторе 12, в паровую турбину 27, посредством которой приводят в действие электрический генератор 28. Пример. Электростанция состоит из газогенератора, в котором осуществляют газификацию твердого топлива, содержащего каменный уголь; газового двигателя и электрического генератора, вал которого соединен с валом газового двигателя. Коэффициент полезного действия электростанции составляет 30%. Твердое топливо, содержащее каменный уголь, подают в газогенератор в количестве 800 кг/час. Теплотворная способность твердого топлива составляет 5250 ккал/кг. Коэффициент полезного действия газогенератора составляет 80%. Из 1 кг твердого топлива в газогенераторе (используя паровоздушное дутье) получают 3,5 м горючего газа, теплотворная способность которого составляет 1200 ккал/м. В таких условиях производительность газогенератора составит 2800 м/час горючего газа, содержащего окись углерода, водород и азот. При подаче 2800 м/час полученного горючего газа в газовый двигатель его мощность составит ≈1560 кВт, а полезная мощность на зажимах электрического генератора, приводимого в действие газовым двигателем составит ≈ 1461 кВт.