МАНЕВРЕННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к области электроэнергетики, более конкретно к регулированию нагрузки генерирующих мощностей, когда переменная часть графика потребления электроэнергии перекрывается не за счет изменения режимов работы генерирующих энергоблоков, а за счет изменения режимов работы потребителей электроэнергии.
Эффективным средством поддержки баланса генерации и потребления электрической энергии является управление режимами потребления. Возможность изменений режимов потребление обеспечивается наличием определенной категории потребителей - регуляторов, которые предусматривают временные отключения электропитания. Такие маневренные энергетические системы эксплуатируются в режиме аккумулирования энергии в периоды провалов электрических нагрузок энергосистемы (периоды ночных провалов), а также в режиме управления региональным диспетчером по «прерывчатому» графику энергообеспечения. В качестве потребителей - регуляторов могут использоваться установки, например, гидродинамического нагревания жидкости (гидродинамические тепловые генераторы), разработанные авторами полезной модели.
Такие энергетические системы с синхронным приводом теплового генератора с регулированиями возбуждения также эффективны в качестве синхронных компенсаторов реактивной мощности. Экономическая целесообразность регулирования потребления электроэнергии с аккумулированием энергии в периоды провалов нагрузки поясняется разной стоимостью электроэнергии по периодам суток и дней недели (зональные тарифы).
Известна энергетическая система на базе энергетической установки модульного типа с тепловым генератором (http://maul.samara.ru/~tehnip/new.html.), которая включает жидкостный аккумулятор тепла, контур нагревания жидкости и контур потребления нагретой жидкости, соединенные с жидкостным аккумулятором тепла, тепловой генератор с приводом, включенный в контур нагревания жидкости.
Жидкость из аккумулятора тепла подают по контуру нагревания жидкости в тепловой генератор, где осуществляется ее нагревание. Жидкость после нагревания поступает в аккумулятор тепла, потом снова подается в тепловой генератор, что позволяет быстро достичь рабочей температуры. При достижении заданной температуры контур нагревания жидкости автоматически перекрывается. Горячая жидкость циркулирует по контуру потребления
нагретой жидкости с возможностью прохождения через систему потребления тепла. При снижении температуры жидкости в аккумуляторе тепла снова включается в работу тепловой генератор, который компенсирует снижение температуры.
Общими признаками известного решения и заявляемого решения являются: маневренная энергетическая система, которая включает жидкостный аккумулятор тепла, контур нагревания жидкости и контур потребления нагретой жидкости, соединенные с жидкостным аккумулятором тепла, тепловой генератор с приводом, включенный в контур нагревания жидкости.
В указанной энергетической системе недостаточно используются возможности взаимных превращений электрической и тепловой энергии с получением тепла, холода, с переводом низкопотенциальной тепловой энергии в высокопотенциальную энергию, что ограничивает возможности повышения коэффициента полезного действия энергетической системы.
Наиболее близким решением (прототипом) является маневренная энергетическая система (патент Украины на полезную модель №6402, МПК F 25 B 29/00, H 02 J 15/00, приоритет от 21.07.2004), которая включает двухфазный жидкостный аккумулятор тепла, выполненный с возможностью образования паровой и жидкостной зоны, контур нагревания жидкости и контур потребления нагретой жидкости, соединенные с жидкостным аккумулятором тепла, тепловой генератор с приводом, включенный в контур нагревания жидкости, паросиловой контур, соединенный с паровой зоной жидкостного аккумулятора тепла и включающий последовательно соединенные преобразователь энергии пара в механическую энергию и конденсатор, выполненный с возможностью подключения к системе потребления тепла.
Для использования известной энергетической системы совместно с установками на возобновляемых источниках энергии обязательным условием является их беспрерывный режим работы, а основной проблемой являются резкие колебания соотношения между поступлением, накоплением и передачей энергии. В результате того, что этот процесс является случайным, часто возникают ситуации разбалансировки между накоплением и потреблением энергии, поступающей от возобновляемых источников энергии. Жидкостный аккумулятор тепла в такие периоды становится переполненным (давление и температура становятся критичными) и вследствие этого, нарушается баланс поступления и перераспределения энергии и, таким образом, нарушается непрерывность процесса работы энергетической системы.
Для повышения эффективности потребления энергии энергетическая система включает двухфазный жидкостный аккумулятор тепла, в котором имеется возможность
образования паровой и жидкостной зоны, а также дополнительный паросиловой контур, который может работать как автономно, так и параллельно с контурами нагревания и потребления нагретой жидкости для передачи энергии, как в виде тепловой, так и в виде других видов энергии, например, механической или электрической.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: маневренная энергетическая система, включающая двухфазный жидкостный аккумулятор тепла, выполненный с возможностью образования паровой и жидкостной зоны, контур нагревания жидкости и контур потребления нагретой жидкости, соединенные с жидкостным аккумулятором тепла, тепловой генератор с приводом, включенный в контур нагревания жидкости, паросиловой контур, соединенный с паровой зоной жидкостного аккумулятора тепла и включающий последовательно соединенные преобразователь энергии пара в механическую энергию и конденсатор, выполненный с возможностью подключения к системе потребления тепла.
В энергетической системе, выбранной в качестве прототипа, как и в упомянутом выше аналоге, недостаточно используются возможности взаимных превращений электрической и тепловой энергии с получением тепла, холода, с переводом низкопотенциальной тепловой энергии в высокопотенциальную энергию, что ограничивает возможности повышения коэффициента полезного действия энергетической системы.
В основу полезной модели поставленная задача усовершенствования маневренной энергетической системы, в которой за счет конструктивных особенностей обеспечивается более полное использование взаимных преобразований электрической и тепловой энергии, чем достигается повышение коэффициента полезного действия энергетической системы.
Поставленная задача решается тем, что маневренная энергетическая система, включающая двухфазный жидкостный аккумулятор тепла, выполненный с возможностью образования паровой и жидкостной зоны, контур нагревания жидкости и контур потребления нагретой жидкости, соединенные с жидкостным аккумулятором тепла, тепловой генератор с приводом, включенный в контур нагревания жидкости, паросиловой контур, соединенный с паровой зоной жидкостного аккумулятора тепла и включающий последовательно соединенные преобразователь энергии пара в механическую энергию и конденсатор, выполненный с возможностью подключения к системе потребления тепла, согласно полезной модели, система дополнительно содержит пароэжекторную холодильную установку, подключенную к входу преобразователя энергии пара в механическую энергию, теплообменник, первичный контур которого включен в контур потребления нагретой жидкости, и тепловые насосы, один из которых подключен к вторичному контуру теплообменника,
а второй к выходу конденсатора, при этом в качестве привода использован электрический двигатель.
Указанные признаки составляют сущность полезной модели.
Между совокупностью существенных признаков заявляемой маневренной энергетической системы и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, которая поясняется следующим.
Общий коэффициент полезного действия маневренной энергетической системы состоит из коэффициентов полезного действия электрической энергии, коэффициента полезного действия тепловой энергии и коэффициента полезного действия энергии холода. Повышение общего коэффициента полезного действия обеспечивается за счет расширения полноты использования взаимных преобразований электрической, тепловой энергии и энергии холода.
Использования в маневренной энергетической системе электрического двигателя в качестве привода теплового генератора обеспечивает повышение коэффициента полезного действия электрической энергии благодаря возможности регулирования потребления электрической энергии в периоды провалов нагрузок.
Вследствие введения тепловых насосов, которые позволяют получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет использования переноса энергии тепла низкотемпературного источника к теплоносителю с более высокой температурой, соответственно в контуре потребления нагретой жидкости и на выходе паросилового контура повышаются коэффициенты полезного действия тепловой энергии.
Кроме того, коэффициент полезного действия повышается также за счет использования пароэжекторной холодильной установки, которая соединена с паровой зоной жидкостного аккумулятора тепла.
Высокая маневренность энергетической системы достигается за счет автономности работы всех контуров, что обеспечивается с помощью традиционных элементов и узлов регулировочной арматуры, а также, чем счет традиционных систем автоматического регулирования.
Совокупность признаков, приведенная в формуле полезной модели, в полной мере обеспечивает возможность достижения поставленной задачи.
Ниже приводится описание предложенной маневренной энергетической системы со ссылками на рисунок, на котором изображена общая схема маневренной энергетической системы.
Маневренная энергетическая система в соответствии с рисунком содержит электрический двигатель 1, который непосредственно или через распределительную систему
управления (не показана) соединяется с электрической сетью. В качестве двигателей 1 могут использоваться любые известные типы двигателей как постоянного, так и переменного тока, в том числе синхронные, асинхронные и прочие.
Электрический двигатель 1 имеет механическое соединение с тепловым генератором 2, например, гидродинамическим кавитационного типа, в котором нагревание жидкости осуществляется путем преобразования энергии жидкости (эффект кавитации) в тепловую энергию. Холодная жидкость подается в жидкостный аккумулятор тепла 3 через вход 4 теплового генератора 2 из магистрали подачи холодной жидкости 5. Для циркуляции жидкости маневренная энергетическая система имеет два контура. Первый контур нагревания жидкости состоит из регулировочных вентилей 7 и 8, входа 4 и выхода 6 теплового генератора 2 и регулировочного вентиля 9 и замкнут на жидкостном аккумуляторе тепла 3. Второй контур потребления нагретой жидкости состоит из регулировочных вентилей 10 и 11 и теплообменника 12, который имеет первичный контур 13, подключенный в контур потребления нагретой жидкости, и вторичный контур 14, подключенный к тепловому насосу 15, который выполнен с возможностью подключения к системе потребления тепла. Первичный контур 13 подключен последовательно к регулировочным вентилям 16 и 17. Вход и выход контура потребления нагретой жидкости подключены к жидкостному аккумулятору тепла 3.
Для регулирования циркуляции жидкости, как по первому, так и по второму контурам установлены регулировочные вентили 18 и 19, которые соединяют контур нагревания жидкости и контур потребления нагретой жидкости.
Для подачи нагретой жидкости к выходу 20 потребителям, например, для бытовой потребности (душ, ванна и прочее) к точке соединения регулировочных вентилей 10, 11 и 18 подключен регулировочный вентиль 21.
Жидкость в аккумуляторе тепла 3 с помощью теплового генератора 2, например, гидродинамического кавитационного типа может нагреваться до температуры 350°С. Жидкостный аккумулятор тепла 3 двухфазный, имеет жидкостную зону, которая располагается в нижней части жидкостного аккумулятора тепла 3 и паровую зону, которая располагается в верхней части аккумулятора тепла 3. Пар имеет возможность циркулировать по паросиловому контуру, вход которого подключен к паровой зоне жидкостного аккумулятора тепла 3.
Паросиловой контур состоит из регулировочного вентиля 22, преобразователя энергии пара 23 в механическую энергию. Выход преобразователя энергии пара 23 в механическую энергию подключен к входу первичного контура конденсатора 24, выход которого через регулировочный вентиль 25 соединен с регулировочным вентилем 17, подключенным
к жидкостному аккумулятору тепла 3. Вторичный контур 26 подключен к тепловому насосу 27, для подачи тепла к потребителям. К паровой зоне жидкостного аккумулятора тепла 3 через регулировочный вентиль 28 подключенный контур холодильной установки, которая выполнена в виде пароэжекторной холодильной установки 29 для обеспечения потребителей холода.
Контур холодильной установки в случае необходимости перенастраивается в режим работы теплового насоса для получения дополнительного количества пара, который подается через пароструйный смеситель (не показан) на преобразователь энергии пара 23 в механическую энергию для дальнейшего получения электрической энергии.
Для согласования работы контура нагревания жидкости, контура потребления нагретой жидкости и паросилового контура, последний через регулировочный вентиль 25 подключен к контуру нагревания жидкости через регулировочный вентиль 19 и к контуру потребления нагретой жидкости (точка соединения регулировочных вентилей 16, 17 и 19).
Для передачи технологического пара к потребителям (выход 30) установлен регулировочный вентиль 31, подключенный к входу замкнутого паросилового контура.
Пароэжекторная холодильная установка 29 состоит из эжектора 32, испарителя 33, блока потребления холода 34 насосов 35 и 36, конденсатора 37, вентиля 38, регулирующего температуру, и регулировочных вентилей 39, 40 и 41. Вход эжектора 32 через регулировочный вентиль 28 подключен к паровой зоне жидкостного аккумулятора тепла 3 и к паровой зоне испарителя 33, а выход через регулировочный вентиль 39 соединен с конденсатором 24, через регулировочный вентиль 40 - с входом преобразователя пара 23 в механическую энергию, а через регулировочный вентиль 41 - с конденсатором 37.
Испаритель 33 включен в замкнутый контур, который соединяет жидкостную зону испарителя 33 с его паровой зоной. Для ускорения процесса испарения в контуре может быть установленный насос 35. Выход конденсатора 37 через насос 36 подключен к потребителям холодной воды, а через вентиль 38, который регулирует температуру, к жидкостной зоне испарителю 33.
Для получения дополнительного количества пара выход горячей жидкости конденсатора 24 через регулировочный вентиль 42 соединен с паровой зоной испарителя 33.
Для обеспечения принудительной циркуляции горячей воды используют пароэжекторные насосы 43.
Тепловой генератор 2, например, гидродинамический кавитационного типа, имеет соосное механическое соединение с электрическим двигателем.
Маневренная энергетическая система работает следующим образом.
При использовании, например, в качестве привода 1 синхронного двигателя с регулированным возбуждением маневренная энергетическая система может использоваться в качестве эффективного синхронного компенсатора, который значительно снижает потери электрической энергии и повышает ее качество. При этом синхронный двигатель работает в режиме двигателя с реактивным емкостным током при перевозбуждении, или индуктивным током, который отстает по отношению к напряжению сети при недовозбуждении. Наиболее актуальным в данном случае является компенсация реактивной мощности в распределительных сетях, где сосредоточены главные резервы снижения потерь.
Подключения электрического двигателя 1 к электрической сети обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую энергию вращения вала. Механическая энергия вала электрического двигателя 1 передается на соединенный с ним вал теплового генератора 2 и приводит последний во вращение. Жидкость из магистрали подачи холодной воды 5 подается в жидкостный аккумулятор тепла 3 через вход 4 теплового генератора 2 соответственно через регулировочный вентиль 8.
Нагретая жидкость из выхода 6 теплового генератора 2 через регулировочный вентиль 9 поступает в жидкостный аккумулятор тепла 3, а потом через регулировочные вентили 7 и 8 снова подается на вход 4 теплового генератора 2, что позволяет быстро достичь заданной рабочей температуры (до 350°С). Для автоматизации процесса нагревания применяется блок управления (не показан), позволяющий автоматически включать и отключать установку.
Жидкость в жидкостном аккумуляторе тепла 3 при достижении температуры больше 100°С распределяется на две зоны жидкостную и паровую. Нагретая жидкость под давлением через регулировочные вентили 10 и 11 циркулирует по контуру потребления нагретой жидкости с прохождением через первичный контур 13 теплообменника 12 и через регулировочные вентили 16, 19 и 8 к входу 4 теплового генератора 2. Пар из верхней части (зоны) жидкостного аккумулятора тепла 3 под давлением подается по замкнутому паросиловому контуру через регулировочный вентиль 22 к преобразователю энергии пара 23 в механическую энергию, расширяется и подается в первичный контур конденсатора 24. Тепловая энергия вторичного контура 26 конденсатора 24 передается через тепловой насос 27 к системе потребления тепла.
Тепловые насосы 15 и 27 обеспечивают передачу тепловой энергии от низкотемпературной среды (вторичные контуры 14 и 26 соответственно теплообменника 12 и конденсатора 24) к теплоносителю, пригодному для отопления и горячего водоснабжению с температурой 50-70°С.
В качестве пароэжекторной холодильной установки 29 может быть использована холодильная пароконденсационная машина.
Холодильный цикл пароэжекторной холодильной установки включает следующие этапы:
1 - пар из паровой зоны теплового аккумулятора 3 через регулировочный вентиль 28 поступает в сопло эжектора 32, где расширяется;
2 - в эжекторе 32 и в испарителе 33 устанавливается пониженное давление;
3 - в испарителе 33 за счет испарения происходит охлаждения воды, которая подается через насос 35 к потребителю холода 34;
4 - пар из испарителя 33, а также рабочий пар эжектора 32 поступает в конденсатор 37, где конденсируется, с выделением тепла, которое передается потребителям.
Охлажденный конденсат пара через регулировочные вентили 25, 19 и 8 передается к входу 4 теплового генератора 2 и дальше через выход 6 теплового генератора 2 и регулировочный вентиль 9 к жидкостному аккумулятору тепла 3 (когда тепловой генератор 2 работает) или через регулировочные вентили 25 и 17 к жидкостному аккумулятору тепла 3 непосредственно (когда тепловой генератор 2 не работает). Расширение пара вызывает вращение вала преобразователя энергии пара 23 в механическую энергию, например, турбины, которая передается к потребителям механической энергии, или, например, к электрогенератору для получения электрической энергии и передачи ее потребителям в наиболее выгодные периоды, например, ночью. Остатки пара через регулировочный вентиль 31 подаются к потребителям технического пара (выход 30).
Данная маневренная энергетическая система, используя преобразования различных видов энергии, обеспечивает повышение коэффициента полезного действия энергетической системы.