АВТОНОМНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использовано на электрических станциях, промышленных предприятиях и в отопительных котельных. В частности, полезная модель касается конструкции установки по получению высокопотенциальных газообразных продуктов сгорания горючего топлива для целей их дальнейшего использования и преобразования в другие виды энергии. Такая установка может рассматриваться в качестве автономного энергетического модуля, который можно устанавливать на отдельной площадке в местах, к которым затруднен централизованный подвод энергоносителя.
В настоящее время автономные источники энергии строятся либо на использовании ДВС с присоединенным к нему генератором электрического тока, либо на использовании ветровых установок, обеспечивающих привод вращения ротора генератора электрического тока. В первом случае, установка не обладает достаточной мощностью и не является экономичной, так как ДВС в постоянном режиме работы расходует чрезвычайно большое количество светлых нефтепродуктов. Во втором случае, получение электрической энергии полностью зависит от погодных условий, что не позволяет рассматривать такой способ получения энергии как стабильный.
Известна комбинированная установка на основе двигателя Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линиями подачи топлива и теплообменником для подогрева жидкости, через который проходят высокотемпературные отработанные газы двигателя Стирлинга, при этом нагретая жидкость передается во внешние магистрали (заявка ЕПВ №0457399). Данная установка имеет сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора.
Известно устройство силовой установки, содержащей двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с валом потребителя мощности через соединительную муфту и утилизационную паротурбинную установку с контуром циркуляции рабочего тела, включающим паровую турбину,
конденсатор, питательный насос, парогенератор, размещенный в магистрали выпуска высокотемпературных отработанных газов ДВС (SU №1677360).
Известно устройство когенерационной установки, предназначенной для одновременного получения электроэнергии и тепла, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, контур охлаждения двигателя, отопительный контур (система теплоснабжения с потребителями тепла), систему теплообменников, обеспечивающую передачу тепла охлаждающей жидкости двигателя и высокотемпературных отработанных газов в отопительный контур, и щит управления ("Строительное обозрение" //Журнал качества//, СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр.16-17). Однако данное устройство обладает недостаточной эффективностью при достаточно повышенном расходе топлива.
В связи с этим появляются проекты создания небольших энергетических установок типа ТЭЦ, которые позволили бы гарантировано обеспечить электрической энергией небольшие районы, подключение которых к централизованной системе энергораспределения нецелесообразно экономически.
Например, известна экономичная тепловая электростанция (ЭТЭ) состоит из: котельной установки, в которой последовательно смонтированы теплообменники паросиловой установки (ПСУ), газотурбинного двигателя твердого топлива (ГТДТТ), аммиачной турбины. В состав ЭТЭ входят паровая турбина, аммиачная турбина, воздушная турбина теплового насоса, воздушный компрессор ГТДТТ и воздушный компрессор теплового насоса. Все турбины и воздушные компрессоры смонтированы на одном валу, причем через дисковые муфты можно отключать тепловой насос и выключать генератор электрического тока и наоборот отключать генератор электрического тока и включать тепловой насос при выработке тепла и холода. Способ работы ЭТЭ заключается в том, что горячие газы ГТДТТ после воздушной турбины ГТДТТ подаются в топку котла, причем тепло, поглощаемое теплообменником ПСУ в сумме с теплом, поглощаемым
теплообменником ГТДТТ больше тепла, подводимого в топку котельной установки с угольной пылью, кроме того, тепло конденсации паров воды используется для парообразования жидкого аммиака (RU №2099653, F25В 29/00, опубл. 1997.12.20).
Недостатком данной энергетической установки ее конструктивная сложность, большие габариты и необходимость в большом количестве топлива. Сложность представляет также монтаж такой ТЭЦ по месту и ее наладка.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по использованию детонационного способа цикличного сгорания топлива для получения газовых потоков заданного давления и использования их в качестве рабочего тела для газовой турбины, являющейся элементом вращения генератора электрического тока. При этом задача также решается тем, что энергетическая установка представляет собой модульный вариант исполнения, который можно транспортировать в собранном виде и который представляет собой энергетическую единицу, наращиванием количества которых можно сформировать энергетический блок требуемой мощности.
Достигаемый при этом результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик, упрощении монтажа при создании модульных вариантов наращиваемой мощности, а также повышении экологичности. Так же технический результат заключается в повышении экономичности при получении и преобразовании электрической, тепловой и других видов энергии в энергетических установках путем низкозатратного получения высокопотенциальной тепловой энергии в виде горячих газов под давлением посредством детонационного сжигания газовой смеси в периодически действующем аппарате, называемом газогенератором.
Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что в автономном энергетическом модуле, содержащем устройство получения газовой смеси под давлением для дальнейшего преобразования тепловой энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, связанного с генератором электрического тока,
устройство получения газовой смеси под давлением представляет собой оснащенную устройством по воспламенению топливной смеси камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную через управляемый клапан с, по крайней мере, одним ресивером и с устройством удаления продуктов сгорания из камеры, с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру топлива, с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии, а устройства преобразования тепловой энергии горячих газов под давлением в механическую энергию вращения вала представляют собой двигатели внутреннего сгорания, полости цилиндров которых сообщены через выпускные клапана с магистралью отвода газов, а через впускные клапана с указанным ресивером.
Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что в автономном энергетическом модуле, содержащем устройство получения газовой смеси под давлением для устройства преобразования тепловой энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, связанного с генератором электрического тока, устройство получения газовой смеси под давлением представляет собой оснащенную устройством по воспламенению топливной смеси камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную, по крайней мере, через один управляемый клапан с, по крайней мере, одним ресивером и с устройством удаления продуктов сгорания из камеры, с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру топлива, с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии, а устройства преобразования тепловой энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала представляет собой по крайней мере один цилиндр с поршнем, связанным кинематически с валом для его привода и снабженным выпускным клапаном для отвода газов и впускным клапаном для подачи в полость цилиндра газа под давлением из ресивера.
Устройства преобразования энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала может представлять собой, например, два цилиндра с поршнем каждый, связанным кинематически с общим для этих цилиндров валом для его привода, и снабжено газораспределительным устройством, выполненным с функцией открытия впускного клапана одного цилиндра при открытом выпускном клапане другого цилиндра, (вариант исполнения двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания).
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - блок-схема автономного энергетического модуля.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция модульной энергетической установки, относящейся к категории повышенной экономичности при получении и преобразовании электрической, тепловой и других видов энергии в энергетических установках путем низкозатратного получения высокопотенциальной тепловой энергии за счет получения горячих газов под давлением посредством детонационного сжигания газовой смеси, по крайней мере, в одном периодически действующем аппарате, называемом газогенератором.
Энергетическая установка (фиг.1), которая рассматривается как законченный автономный энергетический модуль, смонтированный на базовой площадке-основании, содержит устройство получения газовой смеси под давлением для устройства преобразования тепловой энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, связанного, например, с генератором электрического тока или иным потребителем (насос, компрессор и т.д.) (не показан).
В данном модуле устройство получения газовой смеси под давлением (газогенератор) представляет собой камеру 1 детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную через управляемый клапан 2 с ресивером 3 (низкого давления или высокого давления).
Указанная камера 1 так же сообщена с устройством 4 удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательным устройством 5 дозированной подачи в камеру 1 окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии.
Детонирующий эффект горения газовых смесей в сотни раз превышающий энерговыделения в отличие от обычного горения горючих газов в среде окислителя или кислорода, находящегося в атмосферном воздухе, в предлагаемом газогенераторе носит управляемый характер.
Конструктивное выполнение газогенератора позволяет обеспечить получение горячих газов под давлением в форме и состоянии удобном для их дальнейшего использования в энергетических установках и аппаратах.
Газогенератор может быть выполнен в виде сосуда или камеры сгорания, работающей под давлением. В газогенераторе устройство 4 удаления продуктов сгорания из камеры предназначено для удаления оставшихся под небольшим избыточным давлением продуктов сгорания и выполнено в виде вакуум-насоса или другого аппарата, например, эжектора, до уровня разрежения, исключающего наличие в газогенераторе остатков окислителя. Устройство 6 дозированной подачи в камеру 1 топлива предназначено для подачи в газогенератор сгорания жидкого топлива (или смеси топлив) и выполнено в виде насоса с механической распыляющей форсункой. Устройство 5 дозированной подачи в камеру 1 окислителя выполнено в виде нагнетательного устройства в виде компрессора по подаче в газогенератор окислителя в виде кислорода атмосферного воздуха, либо насоса, если окислитель находится в жидком состоянии, с дозатором, обеспечивающим за один раз подачу на более 10% от необходимого количества окислителя для создания детонационных условий сгорания. Управляемый клапан 2 (сбросный клапан) обеспечивают освобождение камеры 1 газогенератора от
образовавшихся продуктов сгорания до избыточного давления, соответствующее давлению в ресивере. Управляемый клапан 2 выполнен в виде пружинного клапана и срабатывает при установленном давлении, обеспечивая целостность газогенератора и эвакуацию горячих продуктов сгорания в ресивер 3, рассчитанный на соответствующее давление. Свечи 7 зажигания, обеспечивают воспламенение топливно-окислительной смеси в процессе цикла подачи окислителя в камеру газогенератора.
Управление исполнительными механизмами газогенератора обеспечивается АСУ ТП (блок-схема не приводится, так как не относится к существу заявленного предложения).
Газогенератор предлагаемой конструкции работает по принципу периодически действующего аппарата, использующего и преобразующего детонирующий эффект сжигания топливной смеси в среде окислителя в форме и состоянии удобном для дальнейшего преобразования энергии горячих продуктов сгорания в электрическую и тепловую энергию.
В качестве камеры сгорания, обеспечивающей детонационное сгорание топливной смеси от воспламенения, и выполненной со свечами, устройством удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательными устройствами дозированной подачи в камеру топливной смеси (топлива) и окислителя можно использовать известные решения детонационных камер и установок, описанных в SU №840441, F23R 7/00, опубл. 1979. SU №1464626, F23R 7/00, опубл. 1987, RU №1706282, F23R 7/00 опубл. 1995.11.27 (на газообразном топливе), RU №2026514, F23R 7/00, F02C 5/00, опубл. 1995.01.09 (на жидком топливе и жидком окислителе).
Ресивер 3 сообщен через управляемый клапан и/или блок регулируемой подачи газа под давлением с устройством преобразования энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, которое может представлять собой, например двигатель внутреннего сгорания, полости цилиндров которых сообщены через выпускные клапана с магистралью отвода газов, а через впускные клапана с указанным ресивером. В данном случае для подвода и отвода газов в цилиндры используется впускная и выпускная
системы двигателя, а газораспределительный механизм этого же двигателя обеспечивает управление открытием и закрытием клапанов цилиндров.
В общем случае, устройство преобразования энергии газов под давлением во вращение вала может представлять собой по крайней мере один цилиндр с поршнем, связанным кинематически с валом для его привода (вращения или возвратно-поступательного движения) и снабженным выпускным клапаном для отвода газов и впускным клапаном для подачи в полость цилиндра газа под давлением из ресивера.
Например, это устройство может представлять собой два цилиндра 8 с поршнем 9 каждый, связанным кинематически с общим для этих цилиндров валом 10 для его привода (вращения), и снабжено газораспределительным устройством, выполненным с функцией открытия впускного клапана 11 одного цилиндра при открытом выпускном клапане 12 другого цилиндра.
Энергетическая установка (фиг.1) представляет собой законченный модуль, смонтированный на базовой площадке, который можно в собранном виде транспортировать на место установки в заданный регион мобильными транспортными средствами. Такой модуль может быть перемещен в разобранном состоянии и собран а кратчайшие сроки на месте размещения базовой площадки. Так как такой модуль выполнен из набора самостоятельно функционирующих узлов (двигатель внутреннего сгорания или модель, похожая по конструкции на такой двигатель, генератор электрического тока или насос, газогенератор, ресивер), то их сборка представляет собой операцию настройки системы в соответствии с рекомендациями.
Автономная энергетическая установка (модуль) функционирует следующим образом.
Запуск начинается с подачи жидкого топлива в камеру сгорания, находящуюся под разряжением, после закрытия отсечного клапана топлива в камеру 1 подается окислитель и одновременно включается свеча зажигания 7. Воспламенение топливно-окислительного заряда в камере сгорания приводит к мгновенному возрастанию как температуры газов, так и давления их в камере сгорания 1. Открывается сбросный клапан 2 в режиме заданного
алгоритма работы, в результате чего происходит заполнение ресивера газом до заданного уровня давления (в принципе таких ресивером может быть несколько, равно как и камер может быть несколько, работающих либо на один ресивер или на отдельные ресиверы, сообщенные с двигателем внутреннего сгорания через коммутационное устройство 13 пневмораспределитель). Происходит процесс истечения газов из упомянутой камеры с падением напора среды. Включается вакуум-насос и в полости камеры возникает разрежение. Так процесс повторяется до создания в ресивере уровня требуемого давления. При достижении в ресивере заданного давления газ под давлением подается посредством газораспределительного механизма в двигатель, открывается впускной клапан первого цилиндра, газ под давлением поступает в полость цилиндра, и поршень перемещается вниз (режим рабочего хода). Перемещение поршня вниз приводит к преобразованию его поступательного движения во вращение вала двигателя (например, посредством кривошипно-шатунного механизма). В момент перемещения поршня вниз в первом цилиндре, во втором цилиндре поршень перемещается вверх (выпускной клапан этого цилиндра открыт). В момент открытия выпускного клапана первого цилиндра открывается впускной клапан второго цилиндра, и газ под давлением из ресивера поступает в полость второго цилиндра. Отработанные газы из полости первого цилиндра поступают в отводную магистраль двигателя и утилизируются (например для обогрева определенного потребителя). Перемещение поршня второго цилиндра виз так же приводит к вращению вала двигателя, связанного с генератором электрического тока.
Данный пример функционирования энергетической установки является одним из возможных алгоритмов работы установки, который описан в рамках данной заявки исключительно для понимания существа заявленной полезной модели.
Если представленную на фиг.1 энергетическую установку считать энергетической модульной единицей, например, с выходной мощностью на генераторе электрического тока 1 МВт, то для увеличения выходной
мощности до 3 МВт достаточно на базовой площадке смонтировать три таких газогенератора. Количество однотипных модулей может наращиваться или уменьшаться в зависимости от потребностей. Таким образом, как вариант исполнения, энергетическая установка может состоять из по крайней мере двух энергетических модулей, электрически выходы генераторов электрического тока которых соединены параллельно, а каждый модуль выполнен в соответствии с исполнением модуля по первому примеру, описанному в отношении фиг.1.
Что касается утилизации остаточной тепловой энергии исходящих газов, то они могут использоваться в качестве источника тепла для целей отопления и горячего водоснабжения.
Настоящая полезная модель промышленно применима, может быть реализована с использованием технологий, используемых при изготовлении газотурбинных установок и двигателей внутреннего сгорания.