ТРАНСПОРТАБЕЛЬНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Полезная модель относится к области энергетики, более конкретно, к транспортабельным энергоустановкам для комплексной выработки электроэнергии и тепла и может найти применение при создании мини-теплоэлектростанций мощностью от нескольких десятков до сотен кВт для тепло- и электроснабжения автономных потребителей, не подключенных к централизованным сетям, в частности, удаленных или малодоступных населенных пунктов, в геологоразведке и др.
Известна дизель-электростанция, содержащая силовое оборудование, вентилятор и водо-воздушный радиатор, установленные в контейнере с возможностью транспортировки (см. патент РФ №44751, бюл. 9, 2005 г.).
К недостаткам известной установки можно отнести отсутствие системы использования тепла уходящих газов для целей водяного теплоснабжения потребителей.
\\ekotenn.kiew.ua\kogen.htm
Наиболее близким техническим решением к предложенному является транспортабельная энергоустановка, содержащая силовой агрегат, нагруженный на электрогенератор, средства для отбора и утилизации тепла системы охлаждения, включающие внешний теплообменный контур, замкнутый на потребитель тепла и систему управления, смонтированные на несущей раме с возможностью транспортировки (см. Газопоршневые когенерационные установки DEUTZ AG - Германия, производство ПП «Экотерм», http  - прототип).
Известная энергоустановка для комбинированного получения тепловой и электрической энергии выполнена на базе газопоршневого двигателя внутреннего сгорания и работает на природном газе в широком диапазоне мощностей. Установка содержит силовой агрегат, бойлер сетевой воды, пиковый котел и другие системы для электро- и теплоснабжения потребителей. В случае электрической мощности от десятков до нескольких сотен кВт возможно транспортируемое или контейнерное исполнение известной энергоустановки. При этом предполагается, что уровень потребления тепловой и электрической энергии постоянен в течение суток и соответствует номинальному режиму работы мини-ТЭЦ.
К недостаткам известного устройства следует отнести снижение его эффективности при неравномерных суточных, сезонных и пиковых нагрузках.
Решаемой задачей является создание эффективной и сравнительно простой транспортабельной энергоустановки (мини-ТЭЦ) мощностью от нескольких десятков до сотен кВт для комплексного тепло- и электроснабжения, преимущественно, автономных потребителей, не подключенных к централизованным сетям. Дополнительно ставится задача повышения коэффициента использования топлива, надежности энергоснабжения и сокращения затрат на энергоресурсы местных систем теплоснабжения при оптимальных объемах выработки электрической и тепловой энергии с учетом суточных и сезонных графиков нагрузок.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в транспортабельной энергоустановке, содержащей силовой агрегат, нагруженный на электрогенератор, средства для отбора и утилизации тепла системы охлаждения, включающие внешний теплообменный контур, замкнутый на теплообменник потребителя тепла и систему управления, смонтированные на несущей раме с возможностью транспортировки, согласно полезной модели, внешний теплообменный контур энергоустановки содержит последовательно соединенные рекуперативные теплообменники, первый вода - вода, для отбора тепла из рубашки охлаждения силового агрегата, второй вода - масло, для отбора тепла из маслосистемы агрегата, третий вода - продукты сгорания, для отбора тепла уходящих газов, и бак - аккумулятор нагретой воды, причем контур включает байпасные линии для независимого отключения первого, второго теплообменников и бака - аккумулятора нагретой воды, а также дополнительные байпасные линии для отключения штатных радиаторов системы охлаждения силового агрегата и третьего теплообменника по линии продуктов сгорания, кроме того, внешний теплообменный контур содержит циркуляционные насосы для подачи нагретой воды в бак -аккумулятор и в теплообменник потребителя тепла, а силовой агрегат энергоустановки выполнен на базе дизельного двигателя с пониженной степенью сжатия для работы на природном газе.
Такое выполнение энергоустановки позволяет решить поставленные задачи за счет гибкой системы переключения теплообменников и бака -аккумулятора нагретой воды при учете изменяющихся факторов и режимов использования конкретным потребителем тепловой и электрической энергии.
Энергоустановка, выполненная в соответствии с полезной моделью на указанные мощности, включает, кроме силового агрегата и электрогенератора, достаточно малогабаритные теплообменники и трубопроводную арматуру. Указанные компоненты сравнительно просто разместить на общем основании или в контейнере, пригодном для транспортировки к удаленным автономным потребителям, не подключенным к централизованным сетям.
Эффективность предложенной энергоустановки и повышение коэффициента использования топлива, по сравнению с известными устройствами того же назначения, обеспечиваются при оптимальных объемах выработки электрической и тепловой энергии с учетом суточных, пиковых и сезонных графиков нагрузок, то есть в реальных условиях энергоснабжения. Надежность функционирования установки при этом повышается за счет использования агрегатов и узлов, обладающих значительным межремонтным ресурсом. Выбор мощности энергоблока осуществляется с учетом гарантированного электроснабжения электроприемников основной категории, горячего водоснабжения потребителя в неотопительный период и частично - в отопительный сезон.
На фиг.1 представлена принципиальная схема транспортабельной энергоустановки.
Установка электрической мощностью 200 кВт содержит силовой агрегат 1, нагруженный на электрогенератор 2. Средства для отбора и утилизации тепла системы охлаждения силового агрегата 1 включают внешний теплообменный контур 3, замкнутый на теплообменник 4 потребителя тепла и систему управления (не показана), смонтированные на несущей раме (не показана) с возможностью транспортировки энергоустановки. Внешний теплообменный контур 3 энергоустановки содержит последовательно соединенные рекуперативные теплообменники, первый вода - вода 5, для отбора тепла из рубашки охлаждения силового агрегата 1, второй вода - масло 6, для отбора тепла из маслосистемы агрегата 1, третий вода - продукты сгорания 7, для отбора тепла уходящих газов, и бак - аккумулятор 8 нагретой воды. При этом контур 3 включает байпасные линии 9, 10, 11 для независимого отключения, соответственно, первого, второго теплообменников и бака - аккумулятора нагретой воды, а также дополнительные байпасные линии 12, 13, 14 для отключения, соответственно, штатных радиаторов водяной и масляной систем охлаждения силового агрегата 1 и третьего теплообменника 7 по линии продуктов сгорания.
Внешний теплообменный контур 3 по линии воды, нагретой в теплообменнике 4 потребителя, содержит напорный бак 15. Циркуляционные насосы 16, 17 предназначены для подачи нагретой воды в теплообменник 4 потребителя и в бак - аккумулятор 8 при работе в режиме переменных нагрузок. Силовой агрегат 1 энергоустановки выполнен на базе дизельного двигателя с пониженной степенью сжатия для работы на природном газе. Позициями 18, 19, 20, 21, 22, 23 обозначены вентили, соответственно, управляемые автоматически или вручную для смены режимов работы энергоустановки в зависимости от условий энергопотребления. Поз. 24 обозначена труба для отвода газообразных продуктов сгорания.
В качестве силового агрегата 1 в транспортабельной энергоустановке используется дизельный двигатель ЯМЗ - 240 Ярославского моторного завода, переоборудованный для работы на газовом топливе. Для использования в предложенной энергоустановке в конструкции данного двигателя выполнены следующие изменения. С целью уменьшения степени сжатия изменена конструкция головки блока цилиндров газообразного топлива, установлены свечи зажигания, контроллер, катушки зажигания и датчики положения вала. Для подачи газа в воздушный коллектор установлены газовые редукторы, смесители, заслонки и электромагнитный привод с контроллером управления и датчиком оборотов. Указанные изменения в конструкции силового агрегата (на схеме не показаны) необходимы для обеспечения независимой работы энергоустановки от поставок жидкого топлива. В предложенном варианте исполнения установки используется электрогенератор LSA 46.2 L6, первый теплообменник вода-вода ТП 14-29, второй теплообменник вода-масло ТП 14-33, третий теплообменник вода - продукты сгорания ТТ 52 - 200, теплообменник потребителя тепла БК - 7 - А и циркуляционные насосы производительностью 14 и 21 куб.м\час.
Работа энергоустановки осуществляется следующим образом.
Энергоустановку указанной комплектации доставляют на площадку удаленного потребителя железнодорожным или автомобильным транспортом после чего подключают к системе газоснабжения и имеющимся тепловым и электрическим сетям. Запуск установки осуществляют при температуре окружающего воздуха не ниже 8 градусов тепла. После прогрева силового агрегата 1 без нагрузки или с минимальной нагрузкой 20 кВт, включают внешний теплообменный контур 3, замкнутый на теплообменник 4 потребителя тепла.
Включение контура 3 осуществляют после прогрева силового агрегата 1 до 85 - 90°С после чего вводят полную электрическую нагрузку 200 кВт. После запуска агрегата 1 включается автоматически циркуляционный насос 16, обеспечивая необходимый расход воды через теплообменники 4,5,6,7. Нагретая в теплообменниках 5,6 вода поступает, в зависимости от температуры агрегата 1, либо на вход теплообменника 7, либо через открытый вентиль 19 и циркуляционный насос 16 на вход теплообменника 4. Таким образом обеспечивается рабочий тепловой режим агрегата 1 в диапазоне температур 70-95°С. При перегреве воды внешнего контура 3 более 95 С автоматически включается привод на закрытие заслонки подачи выхлопных газов в теплообменник 7 и одновременно на открытие заслонки байпаса 14 для выброса отработанных газов в трубу 24. Температура воды на входе в теплообменник 5 должна быть не более 70°С, в противном случае включается штатная система охлаждения силового агрегата 12, 13. При температуре воды на входе в теплообменник 5, равной 70 С, и при работе установки с номинальной электрической нагрузкой при заданном расходе воды через теплообменники 4, 5, 6, 7 установки, обеспечивается прогрев воды внешнего контура 3 до температуры 95°С. Байпасные линии 9, 10, предназначены, соответственно, для отключения из системы внешнего контура 3 теплообменников 5 и 6. Линия байпаса 11 предназначена для подключения бака - аккумулятора 8 в режиме минимума тепловой нагрузки потребителя, линии байпасов 12, 13 предназначены для подключения штатной системы охлаждения агрегата 1 в случае превышения температуры воды в контуре 3 на входе в теплообменник 5 более 70°С. Внешний теплообменный контур 3 по линии воды, нагретой в теплообменнике 4 потребителя, содержит напорный бак 15, обеспечивающий бесперебойную подачу питательной воды в систему водоснабжения потребителя. Циркуляционные насосы 16, 17 обеспечивают подачу нагретой воды в теплообменник 4 потребителя и в бак - аккумулятор 8 при работе в режиме переменных нагрузок.
Предложенная транспортабельная энергоустановка разработана в ОИВТ РАН и предназначена в одном из вариантов для применения в жилом поселке Специальной астрофизической обсерватории РАН, расположенной в горах Западного Кавказа. В настоящее время электроснабжение поселка осуществляется от остродифицитной сети Карачаевочеркесскэнерго, а теплоснабжение - от местной котельной на привозном жидком топливе. Предстоящий перевод котельной на природный газ и острая необходимость повышения надежности энергоснабжения поселка обусловили создание предложенной транспортабельной энергоустановки на указанные параметры.