АВТОНОМНАЯ КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ НА ТОПЛИВНОЙ ЩЕПЕ

Полезная модель относится к области автономной энергетики и когенерационных установок с двигателями внешнего сгорания, например, двигателями, работающими по циклу Стирлинга.
Из существующего уровня техники известна когенерационная установка с двигателем Стирлинга на местном топливе, включающая в себя двигатель Стирлинга с камерой сгорания, систему охлаждения двигателя Стирлинга, электрогенератор, соединенный с валом двигателя Стирлинга, газогенератор, соединенный магистралью генераторного газа с камерой сгорания двигателя Стирлинга, теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов (Патент РФ №2300654, Бюл. №16, 10.06.2007).
Недостатками данного технического решения являются:
предложенный состав оборудования когенерационной установки не обеспечивает высокой экономичности при пуске, останове и изменении нагрузки; не обеспечивает маневренности и высокого качества вырабатываемой электрической энергии при переходных режимах; устройство не предполагает автономности, отсутствует аккумулирование энергии.
Технический результат - повышение КПД когенерационной установки в целом и, в особенности, при работе на переходных режимах, повышение автономности, повышение надежности энергоснабжения и качества вырабатываемой электрической энергии, расширение функциональности когенерационной установки.
Указанный технический результат достигается тем, что заявленная автономная когенерационная установка с двигателем внешнего сгорания на топливной щепе, имеющая в своем составе двигатель Стирлинга с камерой сгорания и холодильником, систему охлаждения двигателя Стирлинга, имеющую в своем составе насос и теплообменник-охладитель, систему внешнего теплоснабжения потребителя тепловой энергии, имеющую в своем составе сетевой насос, теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов, который является последней ступенью подогрева воды системы внешнего теплоснабжения и теплообменник первой ступени подогрева воды системы внешнего теплоснабжения, через который система внешнего теплоснабжения связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга, газогенератор, соединенный магистралью генераторного газа с газовой горелкой камеры сгорания двигателя Стирлинга, магистраль отработанных газов, электрогенератор переменного напряжения; содержит накопительный бункер топливной щепы, шнековый питатель, транспортирующий щепу из накопительного бункера топливной щепы в газогенератор, газгольдер представляющий собой сосуд для хранения сжатого генераторного газа, соединенный с магистралью генераторного газа параллельно двумя газопроводами, первым газопроводом «газогенератор-газгольдер» через обратный клапан, компрессор и теплообменник-охладитель генераторного газа, вторым газопроводом «газгольдер-горелка» через регулирующий клапан и обратный клапан, циклон для очистки генераторного газа, через который газогенератор соединен с магистралью генераторного газа, компрессор для сжатия и нагнетания генераторного газа в газгольдер, теплообменник-охладитель генераторного газа, который является второй ступенью подогрева воды системы внешнего теплоснабжения, коробку механических передач, которая обеспечивает передачу механической энергии между валом двигателя Стирлинга, валом маховика и валом электрогенератора переменного напряжения, выпрямитель напряжения, который соединен токопроводом с электрогенератором переменного напряжения и аккумулятором электроэнергии, инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное напряжение с заданными параметрами качества электрической энергии, электрический двигатель постоянного тока, запитанный от аккумулятора электроэнергии и являющийся приводом для маховика, маховик, который служит аккумулятором механической энергии, производимой двигателем Стирлинга, при этом маховик является «супермаховиком» в вакуумной камере вращения на магнитной подвеске, рекуператор в котором передается тепловая энергия уходящих дымовых к атмосферному воздуху, подаваемому с помощью вентилятора к газовой горелке камеры сгорания двигателя Стирлинга и через регулирующий клапан к газогенератору, вентилятор нагнетающий атмосферный воздух через теплообменник-охладитель системы охлаждения двигателя Стирлинга в накопительный бункер топливной щепы по воздухопроводу, при этом дымовые газы из магистрали отработанных газов также направляются в накопительный бункер топливной щепы для осуществления процесса сушки щепы, газопровод «газгольдер-газогенератор», по которому топливный газ, находящийся под давлением в газгольдере, подается через регулирующий клапан в газогенератор, при его начальном запуске, газопровод «до потребителя», по которому топливный газ направляется внешнему потребителю из газгольдера через регулирующий клапан, вывода электрической энергии постоянного напряжения и вывода электрической энергии переменного напряжения, по которым внешнему потребителю передается выработанная когенерационной установкой электроэнергия.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема автономной когенерационной установки с двигателем внешнего сгорания на топливной щепе;
Автономная когенерационная установка с двигателем внешнего сгорания на топливной щепе состоит из двигателя Стирлинга 1 с камерой сгорания 2 и холодильником 3, системы охлаждения двигателя Стирлинга 4, имеющую в своем составе насос 5 и теплообменник-охладитель 6, систему внешнего теплоснабжения 7 потребителя тепловой энергии 8, имеющую в своем составе сетевой насос 9, теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов 10, который является последней ступенью подогрева воды системы внешнего теплоснабжения 7 и теплообменник первой ступени подогрева воды 11 системы внешнего теплоснабжения 7, через который система внешнего теплоснабжения 7 связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга 4, газогенератора 12, соединенного магистралью генераторного газа 13 с газовой горелкой 14 двигателя Стирлинга 1, магистрали отработанных газов 15, электрогенератора переменного напряжения 16, накопительного бункера топливной щепы 17, шнекового питателя 18, транспортирующего щепу из накопительного бункера топливной щепы 17 в газогенератор 12, газгольдера 19 представляющего собой сосуд для хранения сжатого генераторного газа, соединенный с магистралью генераторного газа 13 параллельно двумя газопроводами, первым газопроводом «газогенератор-газгольдер» 13a через обратный клапан 20, компрессор 21 и теплообменник-охладитель генераторного газа 22, вторым газопроводом «газгольдер-горелка» 13b через регулирующий клапан 23 и обратный клапан 24, циклона 25 для очистки генераторного газа, через который газогенератор 12 соединен магистралью генераторного газа 13, компрессора 21 для сжатия и нагнетания генераторного газа в газгольдер 19, теплообменника-охладителя генераторного газа 22, который является второй ступенью подогрева воды системы внешнего теплоснабжения 7, коробки механических передач 26, которая обеспечивает передачу механической энергии между валом двигателя Стирлинга 1, валом маховика 27 и валом электрогенератора переменного напряжения 16, выпрямителя напряжения 28, который соединен токопроводом с электрогенератором переменного напряжения 16 и аккумулятором электроэнергии 29, инвертора 30, преобразующего постоянное напряжение в переменное напряжение с заданными параметрами качества электрической энергии, электрического двигателя постоянного тока 31, запитанного от аккумулятора электроэнергии 29 и являющегося приводом для маховика 27, который служит аккумулятором механической энергии, производимой двигателем Стирлинга, рекуператора 31 в котором передается тепловая энергия уходящих дымовых к атмосферному воздуху, подаваемому с помощью вентилятора 32 к газовой горелке 14 камеры сгорания 2 двигателя Стирлинга 1 и через регулирующий клапан 23b к газогенератору 12, вентилятора 34 нагнетающого атмосферный воздух через теплообменник-охладитель 6 системы охлаждения двигателя Стирлинга 4 в накопительный бункер топливной щепы 17 по воздухопроводу 35, при этом дымовые газы из магистрали отработанных газов 15 также направляются в накопительный бункер топливной щепы 17 для осуществления процесса сушки щепы, газопровода «газгольдер-газогенератор» 13c, по которому топливный газ, находящийся под давлением в газгольдере 19, подается через регулирующий клапан 23b в газогенератор 12, при его начальном запуске, газопровода «до потребителя» 13d, по которому топливный газ направляется внешнему потребителю из газгольдера 19 через регулирующий клапан 23d, вывода электрической энергии постоянного напряжения 36 и вывода электрической энергии переменного напряжения 37, по которым внешнему потребителю передается выработанная когенерационной установкой электроэнергия.
Автономная когенерационная установка с двигателем внешнего сгорания на топливной щепе работает следующим образом:
Запуск установки начинается с загрузки твердым топливом накопительного бункера топливной щепы 17, в котором в процессе хранения щепа подсушивается дымовыми газами из магистрали отработанных газов 15 и нагнетаемым вентилятором 34 атмосферным воздухом, нагретым в охладителе 6. Далее из накопительного бункера топливной щепы 17, щепа подается с помощью шнекового питателя 18 в газогенератор 12, в котором происходит газификация твердого топлива. Растопка и прогрев газогенератора до необходимой температуры осуществляется сжиганием топливного газа, который подается по газопроводу «газгольдер-газогенератор» 13c из газгольдера 19, при этом расход газа регулируется регулирующим клапаном 23c. Воздух необходимый для горения топлива и процесса термического разложения твердого топлива в газогенератор подается с помощью вентилятора 32 через регулирующий клапан 23b. Воздух перед подачей в газогенератор нагревается в рекуператоре 31, который является первым теплообменником-утилизатором по ходу движения уходящих дымовых газов двигателя.
Генераторный газ, полученный в газогенераторе, сначала проходит очистку в циклоне 25, далее поступает в магистраль генераторного газа 13, из которой в зависимости от режима работы установки он может быть направлен на сжигание в горячем состоянии с помощью газовой горелки 14 в камере сгорания 2 двигателя Стирлинга и по трубопроводу «газогенератор-газгольдер» 13a с помощью компрессора 21 через охладитель 22 и обратный клапан 20 в газгольдер 19. В зависимости режима работы установки может быть различной производительность газогенератора по выработке топливного газа и моментальным потреблением его двигателем Стирлинга, поэтому в случае избытка генераторный газ охлаждается в теплообменнике охладителе 22, сжимается компрессором 21 и аккумулируется в газгольдере 19. Если же мгновенное потребление генераторного газа двигателем Стирлинга 1 превышает в данный момент производительность газогенератора, то аккумулированный газгольдером 19 и находящийся под давлением топливный газ будет дополнительно подаваться на горелку 14 по газопроводу «газгольдер-горелка» 13b через регулирующий 23a и обратный 24 клапаны. Таким образом обеспечивается маневренность двигателя Стирлинга. Кроме того, избыток генераторного газа может подаваться внешнему потребителю через регулирующий клапан 23d по газопроводу 13d.
Двигатель Стирлинга 1 имеет систему охлаждения 4, основное назначение которой это охлаждение холодильника 3. Система охлаждения 4 заполнена охлаждающей жидкостью (к примеру, водой), которая циркулирует по замкнутому контуру с помощью насоса 5 и охлаждается последовательно сначала в теплообменнике первой ступени подогрева воды 11 системы внешнего теплоснабжения 7, затем в охладителе 6. Таким образом происходит утилизация тепловой энергии системы охлаждения двигателя Стирлинга.
Подпиточная и обратная Сетевая вода системы внешнего теплоснабжения 7 после предварительного подогрева в теплообменнике первой ступени подогрева воды 11 поступает в теплообменник-охладитель генераторного газа 22, который является второй ступенью подогрева воды. Далее сетевым насосом 9 через теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов 10, который является последней ступенью подогрева воды, горячая вода подается внешнему потребителю тепловой энергии 8.
Механическая энергия, вырабатываемая двигателем Стирлинга 1, передается с вала через коробку механических передач 26 к электрогенератору переменного напряжения 16. С целью повышения качества вырабатываемой электроэнергии переменное напряжение, вырабатываемое электрогенератором 16, выпрямляется с помощью выпрямителя 28 и преобразуется с помощью инвертора 30 в переменное с заданными параметрами качества электрической энергии. Также предусмотрена возможность аккумулирования электрической энергии с помощью электроаккумулятора 29. Таким образом, электроаккумулятор 29 обеспечивает постоянную нагрузку на электрогенераторе, аккумулирует избыток вырабатываемой электроэнергии, а также компенсирует изменение внешней нагрузки. Аккумулированная электроэнергия позволяет производить автономный запуск всей когенерационной установки. При запуске раскрутка вала двигателя Стирлинга осуществляется от вращающегося маховика 27 либо с помощью стартера - электродвигателя постоянного тока 31, запитанного от аккумулятора 29, который раскручивает маховик 27.
Выработанная когенерационной установкой электроэнергия передается внешнему потребителю с помощью вывода электрической энергии постоянного напряжения 36 и вывода электрической энергии переменного напряжения 37.