Автономная энергохолодильная система специального фортификационного сооружения, предназначенная для работы в режиме полной изоляции
AUTONOMOUS ENERGY-FREEZING SYSTEM OF SPECIAL FORTIFICATION STRUCTURE INTENDED FOR OPERATION IN COMPLETE ISOLATION MODE

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например для специальных фортификационных сооружений.
Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющие собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (двигателя) и преобразователя обратного цикла (холодильной машины), предназначенных для совместного производства электрической энергии и холода за счет энергии высокотемпературного источника теплоты. Энергохолодильные системы могут создаваться на основе различных типов преобразователей, причем двигатель служит для получения электрической энергии, а холодильная машина - для получения холода. Для нормального функционирования двигателя и холодильной машины от них необходимо отводить тепло (1 и 2 законы термодинамики), и ввиду отсутствия связи с атмосферой, это низкопотенциальное тепло должно аккумулироваться и складироваться внутри объекта. Поэтому охлаждение преобразователей осуществляется за счет теплоаккумулирующего вещества (ТАВ), в качестве которого выступает вода, при температуре около + 4°С, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для хранения холодной воды и воды аккумулировавшей тепло от двигателя и холодильной машины. Недостатком является то, что хотя структурно-функциональное объединение двигателя и холодильной машины позволяет сократить потребление ТАВ, за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники двигателя и холодильной машины, однако и в этом случае запасы ТАВ составляют значительный процент от объема объекта в целом (Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992.- 240 с.).
Известны структурные решения теплоотведения от энергосистемы с автономной электростанцией на основе газовой турбины, с целью обеспечения минимального удельного расхода охлаждающей жидкости. Это требование имеет решающее значение как для установок, размещенных в районах с острым дефицитом охлаждающей жидкости, так и для автономных систем, не допускающих использование внешних источников для отвода остаточного тепла (Солдатов В.А. Термодинамический анализ параметров изолированной энергосистемы с минимальным потреблением хладагента на основе газотурбинной схемы преобразования энергии. М., 1988 - С. 25-37).
Однако из данного источника не ясно как решается вопрос снятия тепловой нагрузки с потребителей, используется ли пассивная или активная система теплоотведения внутри объекта.
Известна принципиальная схема энергохолодильной системы для специального фортификационного сооружения, содержащая автономную электростанцию на основе дизеля замкнутого цикла на синтез-газе и холодильной машины (машину Вюлемье-Такониса), работа которой осуществляется за счет отработавших газов дизеля, а также емкость с окислителем (жидким кислородом) (Патент РФ №2088864, опубл. от 27.08.97, Бюл. №24). Однако работа дизеля на синтез-газе с внешним смесеобразованием приводит к снижению КПД.
Известна автономная (работающая без потребления атмосферного воздуха) энергетическая установка, включающая в себя двигатель (двигатель Стирлинга), емкости для хранения горючего (дизельного топлива) и окислителя (жидкого кислорода), причем емкость с окислителем выполнена в виде теплоизолированного бака, обеспечивающим минимальный уровень поглощения тепла от окружающей среды (Батырев А.Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. СПб., "Судостроение", 1994. - стр. 216-217).
Недостатком данного технического решения является то, что в процессе работы установки образуются отработанные газы, состоящие в основном из различных окислов, которые необходимо удалять из объекта, что приводит к демаскирующему эффекту.
Известны способы мокрой очистки отходящих газов горения (СНиП2.01.28-85. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Пособие по проектированию. -М.: ЦИТП Госстроя СССР №1990, дата введения 1984.07.15, дата актуализации теста документа 2008-10-01).
Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей - это образование больших объемов жидких химически грязных отходов. Поэтому если не предусмотрены система хранения жидких отходов, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, т.е. из атмосферы в водоемы.
Известны способы мокрой очистки отходящих газов горения, в которых вода используется для отделения дисперсной или газообразной примеси от отработанных газа, при этом улавливаются аэрозоли и хорошо растворимые в воде газы. Простейшими аппаратами для мокрой очистки являются контактные теплообменники (например, скрубберы) - полые вертикальные колонны круглого или прямоугольного сечения. Колонна орошается водой, которая разбрызгивается через форсунки, обеспечивая хороший массообмен между очищаемым газом и жидкостью (Патент РФ №2475295, опубл. от 20.02.2013, Бюл. №5).
Известна автономная энергохолодильная система специального фортификационного сооружения, предназначенная для работы в режиме полной изоляции, содержащая автономную электростанцию, включающую в себя двигатель и электрогенератор, холодильную машину, систему кондиционирования воздуха специального фортификационного сооружения, связанную с холодильной машиной контуром теплоносителя с насосом, емкость с горючим и линию подачи горючего в двигатель автономной электростанции, емкость с окислителем и линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, хранилище технической воды, из которого техническая вода подается по трубопроводам для охлаждения двигателя автономной электростанции и холодильной машины, при этом хранилище технической воды расположено в нижней части специального фортификационного сооружения (Патент РФ №2620698, опубл. от 29.05.2017, Бюл. №16).
Однако в данном техническом решении не решена проблема сбора и утилизации внутри специального фортификационного сооружения отработанных газов двигателя автономной электростанции в режиме полной изоляции, исключающей выброс отработанных газов за пределы СФС, а также недостатком является низкая эффективность использования холодильного потенциала технической воды в виду отсутствия возможности регулирования и перенаправления потоков воды, идущих на охлаждения холодильной машины и двигателя автономной электростанции.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности использования холодильного потенциала технической воды, сокращении объемов хранилища технической воды и окислителя при сохранении срока режима полной изоляции, а также сбор и утилизация внутри специального фортификационного сооружения отработанных газов двигателя автономной электростанции, исключающих их выброс за пределы специального фортификационного сооружения в режиме полной изоляции.
Для достижения данного технического результата автономная энергохолодильная система специального фортификационного сооружения, предназначенная для работы в режиме полной изоляции, содержащая автономную электростанцию, включающую в себя двигатель и электрогенератор, холодильную машину, систему кондиционирования воздуха специального фортификационного сооружения, связанную с холодильной машиной контуром теплоносителя с насосом, емкость с горючим и линию подачи горючего в двигатель автономной электростанции, емкость с окислителем и линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, хранилище технической воды, из которого техническая вода подается по трубопроводам для охлаждения двигателя автономной электростанции и холодильной машины, при этом хранилище технической воды расположено в нижней части специального фортификационного сооружения, снабжена хранилищем технической воды, выполненным в виде теплоизолированного железобетонного резервуара, разделенного теплоизолирующей перегородкой на две емкости, одна из которых, емкость для хранения чистой холодной технической воды, другая, емкость для сбора нагретой грязной технической воды, линией подачи воды с циркуляционным насосом из емкости для хранения чистой холодной технической в холодильную машину и двигатель автономной электростанции, разделяющейся после циркуляционного насоса на два трубопровода, один из которых, трубопровод, идущий на охлаждение холодильной машины, другой, трубопровод, идущий на охлаждение двигателя автономной электростанции, на каждом из этих трубопроводов установлены регулируемые вентили, при этом трубопровод, идущий на охлаждение холодильной машины, после выхода из холодильной машины соединяется с трубопроводом, идущим на охлаждение двигателя автономной электростанции, контактным теплообменником для очистки отработанных газов двигателя автономной электростанции технической водой, линией подачи отработанных газов от двигателя автономной электростанции в контактный теплообменник, линией подачи нагретой технической воды от двигателя автономной электростанции в контактный теплообменник, линией слива нагретой грязной технической воды из контактного теплообменника в емкость для сбора нагретой грязной технической воды, а также линией подачи очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, при этом линия подачи очищенных отработанных газов из контактного теплообменника присоединяется к линии подачи окислителя через эжектор, установленный на линии подачи окислителя в двигатель.
позволяет получить новое свойство, заключающееся
Введение в состав автономной энергохолодильной системы специального фортификационного сооружения, предназначенной для работы в режиме полной изоляции, хранилища технической воды, выполненного в виде теплоизолированного железобетонного резервуара, разделенного теплоизолирующей перегородкой на две емкости, одна из которых, емкость для хранения чистой холодной технической воды, другая, емкость для сбора нагретой грязной технической воды, линии подачи воды с циркуляционным насосом из емкости для хранения чистой холодной технической в холодильную машину и двигатель автономной электростанции, разделяющейся после циркуляционного насоса на два трубопровода, один из которых, трубопровод, идущий на охлаждение холодильной машины, другой, трубопровод, идущий на охлаждение двигателя автономной электростанции, установка на каждом из этих трубопроводов регулируемых вентилей, при этом трубопровод, идущий на охлаждение холодильной машины, после выхода из холодильной машины соединяется с трубопроводом, идущим на охлаждение двигателя автономной электростанции, контактного теплообменника для очистки отработанных газов двигателя автономной электростанции технической водой, линии подачи отработанных газов от двигателя автономной электростанции в контактный теплообменник, линии подачи нагретой технической воды от двигателя автономной электростанции в контактный теплообменник, линии слива нагретой грязной технической воды из контактного теплообменника в емкость для сбора нагретой грязной технической воды, а также линии подачи очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, при этом линия подачи очищенных отработанных газов из контактного теплообменника присоединяется к линии подачи окислителя через эжектор, установленный на линии подачи окислителя в двигатель,  в возможности первоначально подачи части холодной воды для охлаждения холодильной машины, а затем, эту часть направить на охлаждение двигателя автономной электростанции, что обеспечивает повышение эффективности использования холодильного потенциала технической воды и сокращении объемов хранилища технической воды при сохранении срока периода полной изоляции, а также сбор отработанных газов двигателя автономной электростанции и их контакт с теплой технической водой, поступающей из двигателя автономной электростанции, в контактном теплообменнике, за счет данного контакта происходит взаимодействие между отработанными газами и тепловой водой в результате которого происходит очистка отработанных газов от окислов углерода, азота, серы, сажи и других вредных компонентов, которые образуют с водой химически грязные жидкие соединения, это позволяет использовать очищенные отработанные газа в качестве добавки к окислителю и приводит к сбору и утилизации внутри специального фортификационного сооружения отработанных газов двигателя автономной электростанции, исключающих выброс отработанных газов за пределы СФС в режиме полной изоляции, а также приводит к уменьшению расхода окислителя и объема емкости хранения окислителя.
На фиг. 1 изображена автономная энергохолодильная система специального фортификационного сооружения, предназначенная для работы в режиме полной изоляции.
Автономная энергохолодильная система специального фортификационного сооружения, предназначенная для работы в режиме полной изоляции, размещена в подземном специальном фортификационном сооружении 1 и содержит автономную электростанцию, включающую двигатель 2 и электрогенератор (на рис. не показан), холодильную машину 3, систему кондиционирования воздуха 4 специального фортификационного сооружения 1, связанную с холодильной машиной 3 контуром теплоносителя 5 с насосом 6, емкость с горючим 7 и емкость с окислителем 8, хранилище технической воды, выполненное в виде теплоизолированного железобетонного резервуара, разделенного теплоизолирующей перегородкой 9 на две емкости, одна из которых, емкость для хранения чистой холодной технической воды 10, а другая, емкость для сбора нагретой грязной технической воды 11.
Хранилище технической воды, состоящее из емкостей 10 и 11, расположено в нижней части специального фортификационного сооружения 1.
В состав автономной энергохолодильной системы также входит линия подачи воды 12 с циркуляционным насосом 13 из емкости для хранения чистой холодной технической 10 в холодильную машину 3 и двигатель 2 автономной электростанции, разделяющаяся после циркуляционного насоса 13 на два трубопровода, один из которых, трубопровод 14 идет на охлаждение холодильной машины 3, другой, трубопровод 15 идет на охлаждение двигателя 2 автономной электростанции, при этом трубопровод 14 после выхода из холодильной машины 3 соединяется с трубопроводом 15. На трубопроводах 14 и 15 установлены регулируемые вентили, соответственно, 16 и 17.
В состав автономной энергохолодильной системы также входит контактный теплообменник 18, предназначенный для очистки отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции технической водой. В контактный теплообменник 18 входит линия подачи отработанных газов 19 от двигателя 2 автономной электростанции и линия подачи нагретой технической воды 20 от двигателя 2 автономной электростанции. Из контактного теплообменника 18 выходит линия слива нагретой грязной технической воды 21, по которой производят сброс грязной воды из контактного теплообменника 18 в емкость для сбора нагретой грязной технической воды 11, а также линия подачи очищенных отработанных газов 22, которая присоединяется к линии подачи окислителя 23 через эжектор 24, установленный на линии подачи окислителя 23 в двигатель 2.
Горючее поступает из емкости с горючим 7 в двигателе 2 автономной электростанции по линии подачи горючего 25.
Автономная энергохолодильная система специального фортификационного сооружения, предназначенная для работы в режиме полной изоляции, функционирует следующим образом.
В повседневном режиме эксплуатации специального фортификационного сооружения 1 все системы жизнеобеспечения и технологическое оборудование работают за счет электроснабжения от внешней централизованной сети.
При применении вероятным противником высокоточного оружия, внешнее электроснабжение и подача атмосферного воздуха в специальное фортификационное сооружение 1 может быть прекращено из-за разрушений вокруг сооружения 1. В этом случае специальное фортификационное сооружение 1 начинает работать без связи с атмосферным воздухом за счет автономной энергохолодильной системы, работающей в режиме полной изоляции, и запасов материальных сред (горючего, окислителя и технической воды), заблаговременно запасенных внутри специального фортификационного сооружения 1.
В режиме полной изоляции энергоснабжение специального фортификационного сооружения 1 обеспечивается работой двигателя 2 автономной электростанции.
Для обеспечения работы двигателя 2 автономной электростанции 2 в режиме полной изоляции, в двигатель 2 по линиям 23 и 25 подаются, соответственно, окислитель и горючие из емкостей 8 и 7, соответственно.
В режиме полной изоляции термостатирование специального фортификационного сооружения 1 обеспечивается работой холодильной машины 3 и связанной с ней через контур теплоносителя 5 с насосом 6 системой кондиционирования воздуха 4.
Для нормального функционирования двигателя 2 и холодильной машины 3 по линии подачи воды 12 циркуляционным насосом 13 обеспечивается подача технической воды из емкости чистой холодной технической воды 10. При этом линии подачи воды 12 после циркуляционного насоса 13 разделяется на два трубопровода, один из которых, трубопровод 14 идет на охлаждение холодильной машины 3, другой, трубопровод 15 идет на охлаждение двигателя 2 автономной электростанции, при этом трубопровод 14 после выхода из холодильной машины 3 соединяется с трубопроводом 15. На трубопроводах 14 и 15 установлены регулируемые вентили, соответственно, 16 и 17.
Такое разделение линии подачи воды 12 дает возможность использования воды, идущей на охлаждения холодильной машины 3, в дальнейшем для охлаждения двигателя 2 автономной электростанции. Данное обстоятельство обусловлено тем, что в конденсаторе холодильной машины 3, согласно второго закона термодинамики, охлаждающая техническая вода нагревается до температуры не более 30°С, а в двигатель 2 автономной электростанции (например, дизель) охлаждающая вода может подаваться с температурой до 80°С, то есть имеется возможность использования холодильного потенциала воды после охлаждения холодильной машины 3. Такая схема подачи воды, а также использование регулируемых вентилей 16 и 17, позволяет регулировать потоки воды через трубопроводы 14 и 15, что обеспечивает повышение эффективности использования холодильного потенциала технической воды и сокращении объема емкости для хранения чистой холодной технической 10 при сохранении срока периода полной изоляции.
Контактный теплообменник 18 предназначен для очистки отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции технической водой. Для этого в контактный теплообменник 18 входит линия подачи отработанных газов 19 от двигателя 2 автономной электростанции и линия подачи нагретой технической воды 20 от двигателя 2 автономной электростанции.
В контактном теплообменнике 18 происходит контакт отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции с теплой технической водой, поступающей из двигателя 2 автономной электростанции по линии 20. В результате данного контакта происходит взаимодействие между отработанными газами и тепловой водой, в результате которого происходит очистка отработанных газов от окислов углерода, азота, серы, сажи и других вредных компонентов, которые образуют с водой химически грязные жидкие соединения.
Из контактного теплообменника 18 выходит линия слива теплой химически грязной технической воды 21, по которой производят сброс грязной воды из контактного теплообменника 18 в емкость для сбора нагретой грязной технической воды 11.
Очистка отработанных газов позволяет использовать очищенные отработанные газы в качестве добавки к окислителю, для этого по линии подачи очищенных отработанных газов 22 очищенные отработанные газы подаются в линии подачи окислителя 23 через эжектор 24, установленный на линии подачи окислителя 23 в двигатель 2. За счет более высокого давления в емкости с окислителем 8, эжектор 24 обеспечивает подсос очищенных отработанных газов из газовой полости контактного теплообменника 18 в линию подачи окислителя 23.
Горючее поступает из емкости с горючим 7 в двигатель 2 автономной электростанции по линии подачи горючего 25.
Включение в состав автономной энергохолодильной системы контактного теплообменника 18 позволяет использовать очищенные отработанные газы в качестве добавки к окислителю и приводит к сбору и утилизации внутри специального фортификационного сооружения 1 отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции, исключающих выброс отработанных газов за пределы специального фортификационного сооружения в режиме полной изоляции, а также приводит к уменьшению расхода окислителя и объема емкости хранения окислителя.
Источники информации:
1. Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992. - 240 с.
2. Солдатов В.А. Термодинамический анализ параметров изолированной энергосистемы с минимальным потреблением хладагента на основе газотурбинной схемы преобразования энергии. М., 1988 - С. 25-37.
3. Патент РФ №2088864, опубл. от 27.08.97, Бюл. №24.
4. Батырев А.Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. СПб., "Судостроение", 1994. - стр. 216-217.
5. СНиП2.01.28-85. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Пособие по проектированию. -М.: ЦИТП Госстроя СССР №1990, дата введения 1984.07.15, дата актуализации теста документа 2008-10-01.
6. Патент РФ №2475295, опубл. от 20.02.2013, Бюл. №5.
.
7. Патент РФ №2620698, опубл. от 29.05.2017, Бюл. №16 - прототип