СИСТЕМА СОВМЕСТНОГО ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ КОТЛА
SYSTEM FOR JOINT PRODUCTION OF HEAT AND ELECTRIC ENERGY FOR A BOILER

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложенное изобретение относится к системе совместного производства тепловой и электрической энергии для котла.
В частности, предложенное изобретение относится к системе совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, например, для котла бытового применения или для парогенераторного котла.
Как известно, в стандартном бытовом котле для производства горячей воды топливо (жидкое или газообразное) сжигается с воздухом (с окисляющим компонентом) обычно при комнатной температуре (при температуре Tamb окружающей среды). В общем случае котел содержит теплоизолированную камеру сгорания, в которую вставлен основной теплообменник, в котором рабочая жидкость, которую нужно нагреть, как правило, вода, протекает при температуре в диапазоне от 15°С до 80°С.
Известны системы совместного производства тепловой и электрической энергии, используемые с котлами, например, описанная в заявке на патент CN 105222203, в которой описано нагревательное устройство, содержащее парогазовое устройство совместного производства тепловой и электрической энергии.
Тем не менее, известные устройства совместного производства тепловой и электрической энергии для котлов не оптимизированы для гражданского и бытового применения, а также громоздки и дороги. Более того, в известных устройствах совместного производства тепловой и электрической энергии, когда посредством сжигания подается фиксированная мощность, производство тепловой энергии связано с производством электрической энергии так, что их соотношение не может быть изменено. Как следствие данного ограничения при увеличении только части тепловой энергии необходимо увеличить подаваемую энергию, и в результате также увеличится производство электрической энергии. Таким образом, в известных устройствах количество вырабатываемой тепловой энергии связано с количеством вырабатываемой электрической энергии.
Решение, в котором предпринята попытка решить указанные проблемы, раскрыто в заявке на патент DE 102009057100, в которой раскрыто электрическое устройство совместного производства тепловой и электрической энергии для небольших жилых блоков, содержащее газовую турбину, компрессор и генератор. Турбодетандер газовой турбины, компрессор и генератор расположены на общем валу. Газ для подшипника вала доводится до положительного давления компрессором. Рабочий газ это инертный газ, такой как гелий.
Решение указанной проблемы описано в патенте GB 1309589, в котором раскрыт способ использования энергии топочных газов, возникающих в установках каталитического крекинга. Энергия получается из топочных газов, возникающих при восстановлении катализатора в установке крекинга, с помощью подачи воздуха для регенерации с помощью компрессора, пропускания топочных газов через циклон к турбине, сжигания СО в газах в каталитическом котле, работающем на СО, ниже по потоку после турбины, и нагревания избыточного воздуха из компрессора в котле, работающем на СО, и смешивания указанного нагретого воздуха с топочными газами выше по потоку от циклона. Тепло, оставшееся в топочных газах, может быть использовано для создания пара перед поступлением газов в дымовую трубу.
Проблема данного решения состоит в том, что произведенная энергия не может быть отрегулирована и не может разделяться на электрическую часть и тепловую часть изменяемым образом.
Целью предложенного изобретения является создание системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, которая рекуперирует тепло топочных газов для преобразования его в электрическую энергию и в тепловую энергию, обеспечивая возможность изменения в соответствии с потребностями соотношения между частью, преобразовываемой в электрическую энергию, и частью, предназначенной для производства тепловой энергии, таким образом, поддерживая постоянный общий выход на максимальном значении и обеспечивая преодоление ограничений известных технических решений.
Кроме того, целью предложенного изобретения является создание эффективной, экономичной и не громоздкой системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла.
Наконец, целью предложенного изобретения является создание системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, которая обеспечивает возможность производства тепловой энергии и, при необходимости, электрической энергии, поддерживая постоянный общий выход.
В соответствии с изобретением предложено устройство совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, как заявлено в п. 1.
Для лучшего понимания предложенного изобретения исключительно в качестве неограничивающего примера далее описан предпочтительный вариант выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает блок-схему первого варианта выполнения системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла в соответствии с изобретением;
Фиг. 2 изображает блок-схему второго варианта выполнения системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла в соответствии с изобретением;
Со ссылкой на чертежи показано устройство 200, 300 в соответствии с изобретением.
Система 200, 300 совместного производства тепловой и электрической энергии для котла содержит котел 201, 301, выполненный с возможностью нагревания воды, предпочтительно для бытового использования, и содержащий внутри камеру 201а, 301а сгорания жидкого или газообразного топлива; компрессор 204, 304; теплообменник 202, 302 для обмена тепловой энергией между топочными газами, образующимися в камере 201а, 301а, и текучей средой, выходящей из компрессора 204, 304; газовую турбину работающую на текучей среде, сжатой и нагретой теплообменником 202, 302; генератор 205, 305 тока и преобразователь 1, 206, 306 тока, соединенный с газовой турбиной 203, 303, выполненный с возможностью выработки электрической энергии; и основной теплообменник 207, 307 с передачей тепла от топочных газов к воде, расположенный за теплообменником 202, 302 и выполненный с возможностью рекуперации оставшейся части тепловой энергии, которая вырабатывается при сгорании в камере 201а, 301а сгорания, содержится в топочных газах и не поглощена в теплообменнике 202, 302.
Кроме того, система 200, 300 перед газовой турбиной 203, 303 содержит обходной клапан 210, 310, выполненный с возможностью регулировки части потока сжатой и нагретой текучей среды, поступающей в газовую турбину 203, 303 и предназначенной для выработки электрической энергии. Оставшийся поток текучей среды для рекуперации содержащейся в нем тепловой энергии смешивается с потоком, выходящим из газовой турбины 203, 303 и направляется в теплообменник 209, 309 в системах 200, 300.
В соответствии с одним аспектом изобретения открытием и закрытием обходного клапана 210, 310 управляет электронный блок управления в зависимости от текущих тепловых и электрических потребностей. Такой электронный блок управления также управляет количеством топлива, сжигаемого в камере 201а, 301а сгорания, таким образом, чтобы избежать превышения выработки тепловой и электрической энергии по сравнению с текущей потребностью.
Согласно одному аспекту изобретения, в дополнение к обходному клапану 210, 310, система 200, 300 содержит также турбину с изменяемой геометрией, которая, в свою очередь, приводится в действие с помощью электронного блока управления.
Согласно одному аспекту изобретения теплообменник 202 представляет собой теплообменник с передачей тепла от топочных газов к воздуху в устройстве 200 и теплообменник с передачей тепла от топочных газов к газообразной текучей среде в устройстве 300. Теплообменник 202, 302 выполнен с возможностью поглощения по меньшей мере 5% тепловой энергии топочных газов для обеспечения их прохождения через основной теплообменник 207, 307 при температуре, превышающей или равной 320°С.
Преимущественно, предложенная система 200, 300 обеспечивает возможность использования совместного производства тепловой и электрической энергии даже в тех в ситуациях, когда потребление электроэнергии по отношению к расходу топлива (выраженное в кВт⋅ч) для отопления составляет менее 30%, то есть:
0,30≥(кВт⋅ч электроэнергии)/(кВт⋅ч тепла).
Кроме того, преимущественно, система 200, 300 может использоваться с конденсационным или обычным котлом, маленьким или большим, путем внесения соответствующих изменений.
На Фиг. 1 и 2 показаны первый и второй вариант выполнения системы 200 и 300 совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, содержащей котел 201, 301, содержащий камеру 201а, 301а сгорания жидкого или газообразного топлива, теплообменник 202, 302 с передачей тепла от топочных газов к воздуху, соединенный с камерой 201а, 301а сгорания, и основной теплообменник 207, 307 с передачей тепла от топочных газов к воде, расположенный последовательно с теплообменником 202, 302; компрессор 204, 304 для сжатия окружающего воздуха и для направления его в теплообменник 202, 302; и газовую турбину 203, 303 с открытым циклом внешнего сгорания, термически питаемую теплообменником 202, 302 и соединенную с камерой 201а, 301а сгорания.
В результате расположения теплообменника 202, 302 внутри котла, преимущественно, система 200, 300 поглощает часть тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании, преобразует ее в электрическую энергию и рекуперирует часть тепловой энергии, потерянной при таком преобразовании.
Например, в жилых помещениях, где используется бытовой котел, соотношение между электрическими кВт⋅ч и тепловыми кВт⋅ч составляет ≤0,10, то есть средняя потребность в электрической энергии в жилых помещениях в течение одного года приблизительно равна 10% от потребности в газе, используемом для отопления (выражается в кВт⋅ч). Таким образом, при таких условиях теплообменник 202, 302 будет поглощать 10% тепловой энергии топочных газов, обеспечивая, в случае котла для бытового использования, их прохождение через основной теплообменник 207, 307 при температуре не более 350°С, а при температуре около 325°С.
В соответствии с изобретением, преимущественно, основной теплообменник 207, 307 с передачей тепла от топочных газов к воде выполнен с возможностью рекуперации тепла, содержащегося в топочных газах.
В соответствии с изобретением, преимущественно, часть тепловой энергии, предпочтительно более 70% энергии, произведенной камерой 201а, 301а сгорания, но не переданной в теплообменник 202, 302 с передачей тепла от топочных газов к воздуху, будет передаваться посредством топочных газов в основной теплообменник 207, 307 для нагревания воды.
В соответствии с одним аспектом изобретения генератор 205, 305 тока, генерирующий постоянный (DC) или переменный (АС) ток, и преобразователь 206, 306 тока, будь то преобразователь DC/DC постоянного тока, преобразователь DC/AC постоянного тока в переменный или преобразователь АС/АС переменного тока в переменный, выполнен с возможностью производства электрической энергии в соответствии с техническими характеристиками электрической сети.
Во время работы компрессор 204, 304 сжимает воздух, взятый из окружающей среды, и направляет его в теплообменник 202, 302 с передачей тепла от топочных газов к воздуху, в котором воздух получает часть тепловой энергии, вырабатываемой камерой 201а, 301а сгорания в котле 201, 301. Нагретый таким образом воздух поступает в турбину 203, 303, где он расширяется, генерирует энергию, которую генератор 205, 305 (постоянного DC или переменного АС тока) и преобразователь 206, 306 тока преобразуют в электрическую энергию в соответствии с техническими характеристиками электрической сети.
В соответствии с одним аспектом изобретения воздух, выходящий из турбины 203, 303, смешивается с воздухом для горения в котле 201, 301.
Преимущественно, остаточная тепловая энергия воздуха, выходящего из турбины 203, 303, рекуперируется для увеличения температуры воздуха для горения, подаваемого в камеру 201а, 301а сгорания котла 201, 301, смешиванием или непосредственно в 201, 301 для обеспечения достижения высоких температур.
Преимущественно, система 200, 300 обеспечивает возможность получения выработки механической энергии с помощью газовой турбины 203, 303 с открытым циклом и, таким образом, электрической энергии с помощью генератора 205, 305 и преобразователя 206, 306, остаточная тепловая мощность которого рекуперируется в котле совместно с теплом, присутствующим в текучей среде, которая, возможно, была перенаправлена с помощью обходного клапана 210, 310. Таким образом, общая эффективность системы 200, 300 остается аналогичной тепловой эффективности классического котла, но при современном производстве применяемой электрической энергии.
Преимущественно, система 200, 300 вырабатывает электрическую энергию в процентах, превышающих 5% от подаваемой мощности, обеспечивая возможность совместного производства тепловой и электрической энергии даже в ситуациях, когда потребность в тепловой энергии (в форме воды или пара) и потребность в электрической энергии сильно разбалансированы в сторону тепловой энергии.
Преимущественно, поддерживая постоянной общую эффективность, как количество используемого топлива, так и часть выработки электроэнергии могут быть отрегулированы с помощью обходного клапана 210, 310 в пользу выработки тепловой энергии, внося соответствующие изменения в циркуляцию воздуха в турбине с помощью обходного клапана 210, 310 или не подключая генератор к электрической сети.
Система 200, 300 содержит дополнительный теплообменник 209, 309, выполненный с возможностью рекуперации остаточной тепловой энергии текучей среды, выходящей из турбины 203, 303, и, возможно, текучей среды, отведенной обходным клапаном 210, 310, и с возможностью предварительного нагрева воды, которая должна быть нагрета и которая поступает в основной теплообменник 207, 307.
В частности, система 200 включает дополнительный теплообменник 209 с передачей тепла от воздуха к воде, с которым соединена турбина 203, которая в системе 200 является турбиной 203 с замкнутым циклом внешнего сгорания. В данном случае воздух, выходящий из турбины 203, также смешивается с воздухом, отводимым обходным клапаном 210, с его остаточной тепловой энергией, подается в теплообменник 209, где он отдает тепловую энергию непосредственно воде, которая должна быть нагрета в котле.
Преимущественно, дополнительный теплообменник 209, 309 обеспечивает возможность предварительного нагрева воды и, таким образом, сокращения времени ожидания нагрева воды до желаемой температуры при выходе из котла. В то же время воздух охлаждается и доводится до температуры, которая также может быть ниже температуры окружающей среды, например, для забора компрессором 204. Таким образом, турбинный цикл становится замкнутым циклом с общей эффективностью турбинного/котельного блока близкой к первому варианту выполнения с преимуществом, заключающемся в более быстром нагреве воды и в возможности использования воздуха в турбинной установке с минимальным давлением, превышающим атмосферное давление, для получения меньших общих размеров с той же выходной мощностью или более высокими рабочими характеристиками турбины и, таким образом, с большей выработкой электрической энергии (причем всегда оставаясь в указанном выше процентном диапазоне производительности).
При работе, в системе 200 компрессор 204 сжимает воздух и направляет его в теплообменник 202, где воздух получает часть тепловой мощности, выработанной камерой 201а сгорания в котле 201. Воздух, нагретый таким образом, поступает с потоком, отрегулированным обходным клапаном 210, в турбину 203, где он расширяется, производя энергию, которую генератор 205 (постоянного DC или переменного АС тока) и преобразователь 206 тока преобразуют в электрическую энергию.
В соответствии со вторым вариантом выполнения предложенного изобретения, показанным на Фиг. 2, в компрессор 304 вместо воздуха поступает инертная газообразная текучая среда, отличающаяся более эффективными для целей выполняемой функции характеристиками по сравнению с характеристиками воздуха.
В соответствии с одним аспектом изобретения газовая турбина 303 представляет собой турбину с замкнутым циклом внешнего сгорания, соединенную с камерой 301а сгорания, а дополнительный теплообменник 309 представляет собой теплообменник с передачей тепла от газообразной текучей среды к воде, расположенный на выходе турбины 303, так что остаточная тепловая энергия передается в теплообменник 309.
Таким образом, система 200, 300 совместного производства тепловой и электрической энергии для котла в соответствии с изобретением обеспечивает регулируемый предварительный нагрев воды и, таким образом, сокращение времени ожидания достижения требуемой температуры воды при выходе из котла.
Преимущественно, в соответствии с изобретением система характеризуется выбросами выхлопных газов, аналогичными выбросам котла, таким образом, они очень низкие по сравнению с выбросами, возникающими в других устройствах, вырабатывающих электрическую энергию.
Дополнительное преимущество системы в соответствии с изобретением заключается в ее конструктивной простоте и легкости выполнения с любой мощностью и с возможностью распространения в большом масштабе.
Дополнительное преимущество предложенной системы заключается в более быстром нагреве воды и обеспечении возможности использования инертного газа благодаря тому, что инертный газ одновременно охлаждается и доводится до температуры, которая может быть даже ниже комнатной температуры, для возвращения в компрессор.
Еще одно преимущество предложенной системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла заключается в том, что при той же вырабатываемой мощности она имеет меньшие размеры и более высокие рабочие характеристики турбины и, таким образом, обеспечивает повышенную выработку электрической энергии.
Наконец, ясно, что, описанная и проиллюстрированная в настоящем описании система совместного производства тепловой и электрической энергии для котла может быть модифицирована и изменена без выхода за пределы объема предложенного изобретения, заявленного в прилагаемой формуле изобретения.