Электрогенерирующий комплекс "СКАТ"
POWER-GENERATING COMPLEX "SKAT"

Исследуемый объект относится к устройствам, предназначенным для производства электроэнергии, за счет преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании любого вида топлива, в электрическую по принципу органического цикла Ренкина.
Электрогенерирующий комплекс «СКАТ» может применяться в системах малой распределенной энергетики в качестве автономного источника электроэнергии для электроснабжения вдольтрассовых объектов магистральных газопроводов, нефтепроводов и конденсатопроводов, таких как средства электрохимической защиты (ЭХЗ), телемеханики и связи (ТМ и С), охранные системы и пр., а также для электрогенерации и утилизации тепла выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Область применения - теплоэнергетика, нефтегазовая промышленность.
Заявляемое изобретение необходимо для частичного покрытия потребностей промышленных объектов топливно-энергетического, металлургического, лесопромышленного и агропромышленного комплексов в электрической мощности и приводит к повышению энергетической независимости топливно-энергетического, металлургического, лесопромышленного и агропромышленного комплексов.
Из уровня техники известны электрогенерирующие комплексы компаний «ORMAT», «InfinityTurbine», «Turboden», работающие на основе органического цикла Ренкина. Энергогенерирующим агрегатом является турбодетандер-генератор, являющийся динамической машиной и работающим при высоких частотах вращения. Одними из недостатков этих энергогенерирующих установок являются низкий КПД, обусловленный большими потерями энергии динамических машин с высокой частотой вращения, отсутствие распределения функций электрогенерирующего комплекса на отдельные системы для решения задач повышения надежности и энергоэффективности всего комплекса в целом, отсутствие подачи азота для сохранения физико-химических свойств термомасла, отсутствие надежного автоматического управления и регулирования и пр.
Из уровня техники известен также электрогенерирующий комплекс, или замкнутая энергосистема, основанный на органическом цикле Ренкина (см. патент RU 2502880 С2, кл. F01K 25/08, опубл. 27.12.2013 - выбран за прототип), включающий котел (топку) с дымовой трубой, силовой модуль (состоящий из перегревателя, турбины, генератора), воздушный охладитель, промежуточный контур рабочей текучей среды для передачи тепла от котла к силовому модулю, основной контур рабочей текучей среды силового модуля для выработки электроэнергии, дополнительный контур рабочей текучей среды для отвода тепла от силового модуля к воздушному охладителю.
Недостатками известной из прототипа энергосистемы является отсутствие распределения функций электрогенерирующего комплекса на отдельные системы для решения задач повышения надежности и энергоэффективности всего комплекса в целом, отсутствие подачи азота для сохранения физико-химических свойств рабочей текучей среды в баке ее хранения (слива, дренажа), отсутствие надежного автоматического управления и регулирования. В прототипе осуществлен только один замкнутый контур, что снижает КПД энергосистемы и не позволяет наиболее полно преобразовать тепловую энергию в электрическую. В прототипе не решена задача полного сгорания топлива в котле, не решена задача дренажа и загрузки промежуточного, основного и дополнительного контура, не решена задача наиболее приближенного к теоретическому циклу Ренкина, не решены задачи эффективного распределения электроэнергии, автоматического управления и регулирования, что отражается на эффективности работы энергосистемы.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности электрогенерирующего комплекса, повышения КПД установки в целом, повышении безопасности и автоматизации процесса преобразования энергии. В настоящем изобретении благодаря замкнутому основному контуру с фреоном термодинамический цикл наиболее приближен к теоретическому циклу Ренкина, наиболее эффективен. Три независимых замкнутых контура - вспомогательный, основной и дополнительный - каждый решают свои определенные задачи с большей эффективностью, чем один общий цикл. Распределение функций электрогенерирующегого комплекса происходит по отдельным системам и модулям, что также сказывается на повышении надежности и эффективности всего комплекса в целом. В заявляемом изобретении решаются задачи полного сгорания топлива в котле, задачи сохранения свойств рабочей текучей среды замкнутых контуров, задачи дренажа и загрузки промежуточного, основного и дополнительного контуров, задачи получения наиболее приближенного к теоретическому циклу Ренкина, задачи эффективного распределения электроэнергии, автоматического управления и регулирования, что в итоге приводит к повышению эффективности электрогенерирующего комплекса, повышению КПД установки в целом, повышению безопасности и автоматизации процесса преобразования энергии.
Согласно изобретению, электрогенерирующий комплекс включает котел с дымовой трубой, силовой модуль, воздушный охладитель, промежуточный контур рабочей текучей среды для передачи тепла от котла к силовому модулю, основной контур рабочей текучей среды силового модуля для выработки электроэнергии, дополнительный контур рабочей текучей среды для отвода тепла от силового модуля к воздушному охладителю.
Технический результат достигается благодаря тому, что согласно изобретению, промежуточный контур представляет собой замкнутый контур с рабочей текучей средой в виде диатермического масла, состоящий из термомаслянного модуля, системы дренажа и загрузки термомаслянного модуля, системы подачи азота в расширительный бак для сохранения физико-химических свойств диатермического масла; котел с дымовой трубой включает систему топливоподачи для регулируемой подачи газа к горелочному устройству и систему дымоудаления для отвода продуктов сгорания от котла; дополнительный контур представляет собой замкнутую систему охлаждения с рабочей текучей средой в виде водно-гликолевого раствора и включает систему дренажа и загрузки системы охлаждения; силовой модуль представляет собой замкнутую систему, в которой осуществляется органический цикл Ренкина, с рабочей текучей средой в виде фреона и включает испаритель, детандер, генератор, рекуператоры, конденсатор, насос, причем детандер выполнен спиральным объемного типа, с возможностью передачи крутящего момента на вал генератора для выработки электроэнергии; при этом электрогенерирующий комплекс включает систему распределения электроэнергии для функционирования электрогенерирующего комплекса и выработки электроэнергии внешнему потребителю и систему автоматического управления и регулирования.
Электрогенерирующий комплекс может быть установлен на единой раме в виде контейнера.
Как вариант, спиральный детандер состоит из корпуса, подвижной спирали, неподвижной спирали и вала.
Как вариант, термомаслянный модуль включает в себя котел, группу циркуляционных насосов, расширительный бак, систему трубопроводов, трубопроводную арматуру и щиты управления.
Как вариант, система дренажа и загрузки термомаслянного модуля выполнена с возможностью дренажа трубопроводной системы под действием силы тяжести в дренажный бак, приема азота из системы подачи азота, принудительного дренажа бака с помощью насоса, загрузки системы из дренажного бака и загрузки системы из внешней емкости.
Как вариант, система подачи азота выполнена с возможностью подачи азота из азотного баллона в расширительный бак при давлении ниже заданного в реле давления и сброса азота из расширительного бака в систему дренажа и загрузки термомаслянного модуля при давлении выше заданного в реле давления.
Как вариант, система топливоподачи включает в себя горелку, газовую рампу, расходомер газа, фильтр, шаровой запорный кран, термозапорный клапан.
Как вариант, система дымоудаления включает в себя дымовую трубу в виде теплоизолированного газовыхлопного трубопровода из нержавеющей стали с горизонтальным участком, выходящим наружу из контейнера электрогенерирующего комплекса, где он врезан под углом 45° во внешний вертикальный газовыхлопной трубопровод на высоте от уровня дна контейнера, причем в верхней точке внешнего газовыхлопного трубопровода смонтирован зонт, а в нижней точке внешнего газовыхлопного трубопровода смонтирован конденсатоотводчик.
Как вариант, система охлаждения включает в себя конденсатор, циркуляционный насос, сухой охладитель, расположенный на крыше контейнера электрогенерирующего комплекса, расширительный бак мембранного типа, систему трубопроводов, запорную арматуру, датчики контрольно-измерительных приборов и автоматики.
Как вариант, система дренажа и загрузки системы охлаждения включает в себя бак, загрузочный насос, систему трубопроводов и запорную арматуру.
Как вариант, силовой модуль дополнительно включает в себя датчики контрольно-измерительных приборов и автоматики, систему трубопроводов и запорно-регулирующую арматуру.
Как вариант, система распределения электроэнергии включает в себя щиты управления котла, управления силового модуля, агрегатный распределительный щит, электрически связанные с элементами систем, модулей и контуров электрогенерирующего комплекса, охранно-пожарную сигнализацию, источник бесперебойного питания, трансформаторы тока, счетчики электроэнергии.
Как вариант, система автоматического управления и регулирования включает в себя подсистему ввода-вывода сигналов, сетевую подсистему, подсистему математических и логических вычислений, подсистему визуализации, подсистему архивирования, подсистему отчетов и подсистему предупредительной, аварийной сигнализации и событий.
В отличии от аналогов, в электрогенерирующем модуле с внешним подводом энергии применяется спиральный детандер, относящийся к машинам объемного типа с низкой частотой вращения, что позволяет осуществлять прямую передачу механической энергии в генератор, без редукторов и зубчатых передач, с использованием недорогого надежного генератора. Применение безмасляного спирального детандера позволяет повысить КПД установки по сравнению с аналогами.
Основными элементами электрогенерирующего комплекса «СКАТ» являются котел-утилизатор, запорная арматура, теплообменные аппараты, расширительный бак, циркуляционный насос диатермического масла, силовой блок, воздушный конденсатор, испаритель, вспомогательные системы, детандер, которые будут далее раскрыты в описании изобретения.
Изобретение поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана T-S диаграмма органического цикла Ренкина, на фиг. 2 показана блок-схема электрогенерирующего комплекса, на фиг. 3 показан вид сбоку варианта электрогенерирующего комплекса, на фиг. 4 показан вид спереди варианта электрогенерирующего комплекса, на фиг. 5 показан вид сверху варианта электрогенерирующего комплекса, на фиг. 6 показан общий вид силового модуля электрогенерирующего комплекса с котлом, на фиг. 7 показана гидравлическая схема термомаслянного модуля, на фиг. 8 показана гидравлическая схема системы дренажа и загрузки термомаслянного модуля, на фиг. 9 показана газовая схема системы подачи азота, на фиг. 10 показана газовая схема системы топливоподачи, на фиг. 11 показана гидравлическая схема силового модуля, на фиг. 12 показана гидравлическая схема системы охлаждения и системы дренажа и загрузки системы охлаждения, на фиг. 13 показана схема системы дымоудаления, на фиг. 14 показана блок-схема системы распределения электроэнергии, на фиг. 15 показана функциональная схема система автоматического управления и регулирования, на фиг. 16 показан вариант конструкции спирального детандера.
Электрогенерирующий комплекс «СКАТ» относится к тепловым машинам, работающим по замкнутому термодинамическому циклу (органическому циклу Ренкина) с внешним подводом тепловой энергии. В качестве рабочего тела в контуре силового модуля используется фреон, например марки R-245fa. Органический цикл Ренкина - это замкнутый термодинамический цикл, где подвод и отвод тепла происходит при изменении агрегатного состояния рабочего тела. На фигуре 1 представлена T-S диаграмма органического цикла Ренкина.
Рабочее тело в жидком состоянии сжимается до рабочего давления в насосе (процесс 3-4). Затем к рабочему телу подводится тепловая энергия от выхлопных газов при постоянном давлении (процесс 4-1). При подводе теплоты рабочее тело изменяет свое агрегатное состояние из жидкого в газообразное (процесс испарения 5-6). Затем рабочее тело расширяется в спиральном детандере с выработкой механической энергии (процесс 1-2) и от него отводится тепло. В процессе отвода тепла рабочее тело изменяет свое агрегатное состояние из газообразного в жидкое (процесс конденсации 2-3). Часть отводимой энергии для повышения эффективности рекуперируется внутри цикла. Полученная механическая энергия превращается в электрическую посредством генератора.
Блок-схема электрогенерирующего комплекса представлена на фиг. 2. В качестве внешнего источника тепла используется тепло, выделяемое в процессе горения любого вида топлива, например, такого как (в качестве неограничивающего примера) природный газ, в котле 8. Под любым видом топлива подразумевается любое топливо, известное из уровня техники: либо газообразное топливо в виде газа, такого как природный газ, сжиженный газ и т.п., либо жидкое топливо, такое как мазут, дизельное топливо и т.п., либо твердое топливо, такое как уголь, дрова и т.п. Для передачи (подвода) тепла от продуктов сгорания к силовому модулю 9 используется промежуточный контур 11 с высокотемпературным теплоносителем - диатермическим маслом, например DOWTHERM Q. Для отвода тепла от силового модуля 9 и рассеивания его в атмосферу используется дополнительный промежуточный контур 12 с водно-гликолевым раствором. Отвод тепла может осуществляться посредством сухой градирни 10.
В результате в электрогенерирующем комплексе имеется три контура: контур диатермического масла 11; основной контур силового модуля 9, в котором осуществляется органический цикл Ренкина, или контур органической среды (ORC-контур); и водно-гликолиевый контур 12 (фиг. 2). Контур силового модуля (ORC-контур) предназначен для выработки электроэнергии для потребителя 7. Водно-гликолевый контур 12 предназначен для отвода теплоты от ORC-контура, выделяемой при конденсации рабочего тела, и рассеивания его в атмосферу.
Общий вид электрогенерирующего комплекса «СКАТ» представлен на фиг. 3-5. Общий вид силового модуля 9 электрогенерирующего комплекса с котлом 16 представлен на фиг. 6.
На фиг. 3-5 показан один из возможных вариантов компоновки электрогенерирующего комплекса в трех видах: на фиг. 3 - вид сбоку, на фиг. 4 - вид спереди, на фиг. 5 - вид сверху. Электрогенерирующий комплекс состоит из силового модуля 9, воздушного охладителя 15 (например, в виде сухой градирни 10, как на фиг. 2), котла 16 с дымовой шахтой 17, контейнеров 18, 19 (или одного контейнера 18, например, высотой 6 м).
Электрогенерирующий комплекс выполнен в виде блока полной заводской готовности со смонтированным на единой раме 20 и обвязанным технологическим оборудованием, приборами и датчиками автоматики и контроля.
Электрогенерирующий комплекс включает в себя несколько систем:
- термомаслянный модуль (ТММ);
- система дренажа и загрузки ТММ;
- система подачи азота;
- система топливоподачи;
- силовой модуль (ORC-контур);
- система охлаждения (СО);
- система дренажа и загрузки СО;
- система дымоудаления;
- система распределения электроэнергии;
- система автоматического управления и регулирования.
Термомаслянный модуль (ТММ) предназначен для передачи тепловой энергии, выделившейся в результате сгорания топлива в силовой модуль. ТММ является замкнутой циркуляционной системой. Гидравлическая схема ТММ представлена на фиг. 7.
На фиг. 7 позициями обозначены: 9 - силовой модуль, 16 - котел, 21 - щит управления котла, 22 - щит управления силового модуля, 23 - агрегатный распределительный щит, 24 - испаритель, 25 - указатель уровня, 26, 27 - реле уровня, 28-31 - датчики температуры, 32 - термостат, 33 - термометр, 34 - дифференциальный прессостат, 35, 36 - манометр, 37-52 - клапаны (из них 45, 46, 47 - игольчатые клапаны, 41, 42, 43 - обратные клапаны, 44 - автоматический воздухоотводный клапан), 53, 54 -фильтры, 55 - расширительный бак, 56, 57 - циркуляционные насосы, 58 - электрическая связь, 59 - трубопровод, 60 - клапан трехходовой с электроприводом, 61 - сильфонный компенсатор, 62 - фланцевое соединение, 63 - трубопровод с теплоизоляцией, 64 - дренажный трубопровод.
ТММ состоит из котла 16, группы циркуляционных насосов 56, 57, расширительного бака 55, системы трубопроводов и трубопроводной арматуры и щитов управления 21, 22, 23.
1
3
4
4
При номинальной работе электрогенерирующего комплекса термомасло с температурой 120°С при помощи циркуляционного насоса 56(57) подается в котел 16, где, проходя через трубный пучок, нагревается до температуры +150°С от дымовых газов. Далее термомасло подается в испаритель 24 силового модуля 9, где охлаждается до температуры 120°C и снова подается посредством циркуляционных насосов 56, 57 в котел для нагрева. Для регулирования теплового потока, передаваемого от теплоносителя в испарителе 24 используется трехходовой клапан разделительного типа 60. Для компенсации температурного расширения теплоносителя в систему встроен расширительный бак 55 объемом 100 л. Объем бака подобран таким образом, чтобы в холодном состоянии уровень теплоносителя в баке составлял /, а при максимальной рабочей температуре - /.
Для компенсации теплового расширения трубопроводов и изоляции трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры от вибрации, возникающей при работе циркуляционных насосов, установлены осевые компенсаторы сильфонного типа 61. Для очистки теплоносителя от механических примесей на входе в насосы установлены фильтры-грязевики сетчатые 53, 54. Для гидравлической изоляции насосов установлены запорные клапаны 37-40. Для дренирования системы используются клапаны 48-52.
Для удаления воздуха из трубопроводной системы установлены клапаны 43 и 47. Для повышения надежности системы в ТММ установлены два циркуляционных насоса 56, 57 в «параллель». Режим работы насосов: один в работе + один в резерве. Переключение насосов осуществляется автоматически каждые 4 часа (время переключения насосов может быть изменено). В случае выхода из строя одного из насосов, второй насос будет работать постоянно.
В ТММ предусмотрены следующие предупредительно-аварийные защиты:
- по предельной температуре теплоносителя на выходе из котла (термостат 32);
- по перепаду давления теплоносителя на входе и выходе котла (дифференциальный прессостат 34);
- по максимальному и минимальному уровню теплоносителя в расширительном баке (реле давления 26, 27).
При срабатывании любой из этих защит контроллер генерирует команду на останов горелки.
Система дренажа и загрузки ТММ предназначена для осуществления дренажа трубопроводной системы и ее загрузки термомаслом. Гидравлическая схема системы дренажа и загрузки ТММ представлена на фиг. 8. На фиг. 8 позициями обозначены: 23 - агрегатный распределительный щит, 43 - клапан обратный запорно-невозвратый, 48-52 - запорные клапаны, 58 - электрическая связь, 62 - фланцевое соединение, 64 - дренажный трубопровод, 65 - переход, 66 - гибкое соединение, 67 - дренажная емкость, 68 - электромагнитный клапан, 69, 70 - кран шаровой, 71 - трехходовой шаровой кран, 72, 73 - обратный клапан, 74 - фильтр, 75 - насос, 76 - заливная горловина. Система дренажа и загрузки выполняет следующие функции:
- дренаж трубопроводной системы под действием силы тяжести («самотеком») в дренажный бак 67;
- прием азота из системы подачи азота;
- принудительный дренаж бака с помощью насоса 75;
- загрузка системы из дренажного бака 67;
- загрузка системы из внешней емкости.
Дренаж трубопроводной системы в бак осуществляется из всех нижних точек системы с помощью пяти запорных клапанов 48-52. Кроме того, дренажные отверстия предусмотрены в насосах 56, 57. Принудительный дренаж бака осуществляется с помощью переключения запорной арматуры в трубопроводной обвязке насоса 75. Для осуществления принудительного дренажа необходимо повернуть трехходовой шаровой кран 71 в положение «из бака», открыть кран 70 и закрыть запорно-невозвратный клапан 43. Загрузка системы термомаслом осуществляется с помощью переключения запорной арматуры в трубопроводной обвязке насоса 75. Для осуществления загрузки системы из внешнего бака необходимо повернуть трехходовой шаровой кран 71 в положение «из бочки», закрыть кран 70 и открыть запорно-невозвратный клапан 43. Загрузка системы из дренажного бака осуществляется с помощью переключения запорной арматуры в трубопроводной обвязке насоса 75. Для этого необходимо повернуть трехходовой шаровой кран 71 в положение «из бака», закрыть кран 70 и открыть запорно-невозвратный клапан 43.
Из-за высокой температуры термомасло при соприкосновении с кислородом, находящимся в воздухе, подвержено окислению, приводящему к потере физико-химических свойств. Для устранения этого эффекта в электрогенерирующем комплексе предусмотрена система подачи инертного газа (азота), которая предназначена для создания азотной подушки в расширительном баке. Газовая схема системы подачи азота представлена на фиг. 9. На фиг. 9 позициями обозначены: 21 - щит управления котла, 23 - агрегатный распределительный щит, 55 - расширительный бак, 58 - электрическая связь, 66 - гибкое соединение, 77 - редуктор давления, 78, 79 - шаровой кран, 80 - обратный клапан, 81, 82 - электромагнитный клапан, 83 - кран шаровой трехходовой, 84 - вентиль угловой, 85 - клапан предохранительный, 86 - клапан редукционный, 87, 88, 89 - реле давления, 90, 91, 92 - манометр, 93 - трубка сильфонная, 94 - бак (сосуд давления) с азотом.
Система подачи азота выполняет следующие функции:
- подачу азота из азотного баллона 94 в расширительный бак 55 при давлении ниже заданного в реле давления 87;
- сброс азота из расширительного бака 55 в систему дренажа и загрузки ТММ при давлении выше заданного в реле давления 88.
При работе электрогенерирующего комплекса вентиль 84, находящийся на баллоне, и шаровой краны 78 и 79 открыты. Электромагнитные клапаны 81 и 82 нормально закрыты. Для редуцирования давления азота на выходе из баллона используется редуктор давления 77. При достижении максимального давления азота, заданного в реле давления 87, открывается электромагнитный клапан 81 и азот стравливается через дренажный бак 67 системы дренажа и загрузки ТММ в атмосферу. При достижении давления ниже максимального давления электромагнитный клапан 81 закрывается. При достижении минимального давления азота, заданного в реле давления 88, открывается электромагнитный клапан 82 и азот поступает из баллона 94 в расширительный бак 55. При достижении давления выше минимального давления электромагнитный клапан 82 закрывается. Для визуального контроля давления используются манометры 90, 91, 92.
В системе предусмотрены следующие противоаварийные защиты:
- релейная защита по предельному давлению в системе (прессостат 89);
- механическая защита по предельному давлению в системе (предохранительный клапан 85).
При срабатывании прессостата 89 контроллер ТММ (щит управления котла 21, см. фиг. .7) генерирует команду на останов горелки. При достижении давления настройки предохранительного клапана открывается клапан 85 и стравливает азот в атмосферу.
Система топливоподачи предназначена для регулируемой подачи газа к горелочному устройству. Газовая схема системы топливоподачи представлена на фиг. 10, где позициями обозначены: 16 - котел, 21 - щит управления котла, 23 - агрегатный распределительный щит, 58 - электрическая связь, 62 - фланцевое соединение, 65 - переход, 66 - гибкое соединение, 95 - газопровод, 96 - газовая горелка, 97 - газовая рампа, 98 - счетчик газовый, 99 - термозапорный клапан, 100 - шаровой кран газовый, 101 - фильтр газовый, 102, 103, 104 - электромагнитный клапан, 105 - воздушная заслонка с сервоприводом, 106 - воздушный вентилятор, 107 - защитная сетка, 108 - газовая форсунка, 109, 110 - реле давления, 111 - электрод розжига, 112 - ионизационный электрод, 113 - датчик давления, 114 - датчик температуры, 115 - струйный датчик расхода газа (расходомерное устройство).
Система топливоподачи состоит из горелки 96, газовой рампы 97, расходомера газа 98, фильтра 101, шарового запорного крана 100, термозапорного клапана 99.
В качестве горелочного устройства используется двухступенчатая газовая горелка 96. Принцип работы горелки следующий. При поступлении команды включить горелку включается вентилятор 106 и подается воздух в камеру сгорания. При достижении минимального давления воздуха (реле давления 109) подается команда на подачу газа (включение электромагнитных клапанов 102-104) и начинается процесс розжига (подача напряжения на электрод розжига 111). При появлении стабильного факела (ионизационный электрод 112) генерируется команда об успешном запуске горелки. При достижении температуры термомасла на 10°С ниже заданной температуры контроллер (значение уставки может быть изменено) генерирует команду на закрытие клапана второй ступени (электромагнитный клапан 103).
На входе в газовую рампу 97 установлен расходомер газа струйного типа 115. Он выполняет функцию учета расхода газа.
На входе в расходомер газа установлен фильтр газовый 101 для очистки газа от механических примесей, шаровой газовый кран 100 для изоляции газовой магистрали от газовой рампы и термозапорный клапан 99 для автоматической изоляции газовой магистрали при пожаре.
Силовой модуль 9 предназначен для выработки электроэнергии. Гидравлическая схема силового модуля представлена на фиг. 11 где позициями обозначены: 22 - щит управления силового модуля, 24 - теплообменный аппарат (испаритель), 58 -электрическая связь, 59 - трубопровод, 61 - сильфонный компенсатор, 62 - фланцевое соединение, 116 - воздушный трубопровод, 117 - генератор, 118 - детандер, 119 - ресивер, 120 - сепаратор, 121, 122, 123 - смотровые стекла, 124 - фильтр-осушитель, 125 - насос, 126 - предохранительный клапан, 127 - электромагнитный клапан, 128 - трехходовой шаровой кран, 129 - клапан Шредера, 130, 131, 132 - теплообменные аппараты, 133, 134 - датчики температуры, 135, 136 - датчики давления, 137 - термостат, 138 - электромагнитный клапан. Рабочим телом в контуре силового модуля служит фреон R245fa. Масса рабочего тела - 40 кг. Силовой модуль состоит из: детандер-генератора 117, 118 спирального типа, повысительного насоса 125, испарителя 24, конденсатора 130, рекуператоров 131 и 132, датчиков КИША, системы трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры.
Фреон в жидком состоянии и при высоком давлении подается в испаритель 24, где под действием термомасла испаряется и подается в детандер, где в процессе расширения вырабатывает механическую энергию на валу генератора. Далее, проходя через рекуператор 131, передает часть тепла фреону в жидком состоянии и подается в конденсатор 130. В конденсаторе под действием охлаждающей жидкости фреон конденсируется и подается в жидком состоянии в насос 125. Насос повышает давление жидкого фреона до давления испарения и, проходя последовательно рекуператоры 132 и 131, подается в испаритель 24. Рекуперация используется для повышения КПД установки (комплекса).
Электромагнитные клапаны 127 служат для управления потоком парообразного фреона (по линии байпаса детандера или через детандер) в процессе старта, работы и останова силового модуля. Электромагнитный клапан 138 служит для предотвращения кавитации насоса 125, возникающей при недостаточной конденсации фреона.
В системе предусмотрены следующие противоаварийные защиты:
- релейная защита по предельной температуре в системе (термостат 137);
- механическая защита по предельному давлению в системе (предохранительные клапаны 126).
Система охлаждения (СО) предназначена для отвода теплоты от силового модуля 9, выделяемой при конденсации рабочего тела, и рассеивании его в атмосферу. Система охлаждения является замкнутой циркуляционной системой. Гидравлическая схема системы охлаждения представлена на фиг. 12. В качестве теплоносителя используется водно-гликолевый раствор, например, может использоваться водный раствор этиленгликоля (50%). Температура замерзания - минус 40°С.Объем системы - 100 л.
На фиг. 12 позициями обозначены: 9 - силовой модуль, 15 - сухой охладитель воздушный, 21 - агрегатный распределительный щит, 22 - щит управления силового модуля, 130 - теплообменный аппарат (конденсатор), 139 - бак дренажный, 140 -расширительный бак, 141 - автоматический воздушный клапан, 142 - фильтр, 143 - циркуляционный насос, 144 - загрузочный насос, 145, 146 - вентилятор, 147, 148, 149 -манометры, 150, 151 - датчики температуры.
Система охлаждения состоит из конденсатора 130, циркуляционного насоса 143, сухого охладителя 15, расширительного бака мембранного типа 140, системы трубопроводов и запорной арматуры, датчиков КИПиА. Циркуляционный насос 143 подает холодный теплоноситель в конденсатор 130 силового модуля 9, где он нагревается от тепловой энергии, выделяемой при конденсации фреона в силовом модуле. Затем теплоноситель подается в сухой охладитель 15, расположенный на крыше контейнера, где посредством теплообмена с воздушным потоком, создаваемым вентиляторами 145 и 146, охлаждается и обратно посредством циркуляционного насоса 143 через конденсатор 130 подается в сухой охладитель 15. Для компенсации температурного расширения теплоносителя в систему встроен расширительный бак мембранного типа 140 объемом 18 л. Для компенсации температурных расширений трубопроводов и демпфирования вибраций, возникающих в результате работы насоса, в системе предусмотрены гибкие сильфонные «подводки». Для гидравлического изолирования участков трубопроводов используются шаровые краны. Для очистки теплоносителя от механических примесей на входе в насос установлен сетчатый фильтр 142. Для предотвращения обратного течения жидкости через насос 143 в момент остановки на выходе из насоса установлен обратный клапан. Для визуального контроля давления на входе в насос 143 и на выходе из насоса и силового модуля 9 установлены манометры 147-149 с изолирующими шаровыми кранами. Для дренажа системы во всех нижних точках предусмотрены дренажные краны. Для удаления воздуха из системы в верхней точке предусмотрен автоматический воздушный клапан 141.
Система дренажа и загрузки СО предназначена для дренажа трубопроводной системы и заполнения ее теплоносителем. Гидравлическая схема системы дренажа и загрузки системы охлаждения представлена на фиг. 12. Система дренажа и загрузки состоит из бака 139, загрузочного насоса 144, системы трубопроводов и запорной арматуры. Для дренажа системы необходимо открыть краны перед баком 139 и весь теплоноситель, находящийся в системе, сольется в дренажный бак 139. Для загрузки системы предназначен насос 144. Насос 144 забирает теплоноситель из бака 139 и подает его в трубопроводную систему. На выходе насос 144 оснащен запорным шаровым краном и обратным клапаном.
Система дымоудаления предназначена для отвода продуктов сгорания от котла 16 в атмосферу. Схема системы дымоудаления представлена на фиг. 13, где позициями обозначено: 16 - котел, 152 - газовыхлопной теплоизолированный трубопровод, 153 - проход газовыхлопного трубопровода через стену, 154 - заглушка, 155 - зонт.
Система дымоудаления спроектирована в виде модульного теплоизолированного газовыхлопного трубопровода 152 внутренним диаметром, например, 180 мм и диаметром теплоизоляции, например, 280 мм. Как вариант, газовыхлопной трубопровод выполнен из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Температура продуктов сгорания может составлять 260-280°С. Газовыхлопной трубопровод на выходе из котла может представлять из себя горизонтальный участок, выходящий через короб в стене 153 контейнера наружу, где врезается под углом 45° во внешний вертикальный газовыхлопной трубопровод высотой 4450 мм от уровня дна контейнера. В верхней точке внешнего газовыхлопного трубопровода смонтирован зонт 155, который предотвращает попадание атмосферных осадков в трубопровод. В нижней точке внешнего газовыхлопного трубопровода смонтирован конденсатоотводчик 154.
Система распределения электроэнергии предназначена для функционирования электрогенерирующего комплекса и выработки/передачи электроэнергии внешнему потребителю 7. Блок-схема системы распределения электроэнергии показана на фиг. 14, где позициями обозначены: 7 - внешний потребитель электроэнергии, 15 - сухой охладитель, 21 - щит управления котла, 22 - щит управления силового модуля, 23 -агрегатный распределительный щит, 56, 57 - циркуляционные насосы ТММ, 60 -трехходовой кран ТММ, 75 - загрузочный насос ТММ, 81, 82, 127, 138 - электромагнитные клапаны, 96 - газовая горелка, 97 - газовая рампа, 125 - повысительный насос силового модуля, 143 - циркуляционный насос СО, 144 - загрузочный насос СО, 145, 146 - вентиляторы сухого охладителя, 156 - щит собственный нужд контейнера, 157 - загрузочное устройство, 158 - панельный ПК, 159 - охранно-пожарная сигнализация, 160 - источник бесперебойного питания, 161 - вентилятор системы вентиляции контейнера, 162 - освещение контейнера, 163 - электрообогрев контейнера, 164 - управляемые воздушные клапаны контейнера, 165-170 - трансформаторы тока, 171, 172 - счетчики электроэнергии.
Система автоматического управления и регулирования содержит прикладное программное обеспечение автоматизированной системы контроля и управления электрогенерирующим комплексом. Система автоматического управления и регулирования предназначена для обеспечения автоматического безаварийного функционирования электрогенерирующего комплекса и предоставляет следующие возможности: поддержание безаварийной работы электрогенерирующего комплекса на всех режимах работы без постоянного обслуживающего персонала; человеко-машинный интерфейс; получение совокупной информации о состоянии и работе технологических узлов и объектов автоматизации; представление информации в виде графических мнемосхем, графиков, таблиц; дистанционное управление режимами работы электрогенерирующего комплекса как от местного, так и от диспетчерского уровня; автоматическое поддержание значений технологических параметров в заданных режимах работы; сигнализация и ведение журнала событий по дискретным сигналам системы, а также предупредительная и аварийная сигнализация при выходе технологических параметров за пределы рабочих границ с регистрацией соответствующих отклонений в журнал событий; индикация и контроль текущего положения исполнительных механизмов; диагностика системы; ведение локального архива по топливным ресурсам, сгенерированной энергии и основным параметрам технологического процесса; предоставление отчетной информации по основным технологическим параметрам и энергоресурсам.
Система автоматического управления и регулирования предназначена для автоматизации следующих видов деятельности в процессе функционирования электрогенерирующего комплекса: мониторинг технологических параметров с привязкой к мнемосхеме технологического процесса; запуск, останов электрогенерирующего комплекса по команде оператора локально или дистанционно; автоматическое отслеживание запуска, останова и штатной работы электрогенерирующего комплекса (в случае возникновения аварийного события, нажатия кнопки экстренного останова или срабатывания смежной системы пожаротушения автоматический аварийный останов электрогенерирующего комплекса); автоматическое отслеживание времени наработки электрогенерирующего комплекса; регулирование технологических параметров в автоматическом режиме; построение графиков изменения значений технологических параметров; ведение архива изменений технологических параметров; управление смежными системами, исполнительными механизмами электрогенерирующего комплекса; ведение журнала предупредительных, аварийных событий системы; диагностика связи; автоматическое или по команде оператора создание отчетов по основным технологическим параметрам и ресурсам.
Система автоматического управления и регулирования подразделяется на следующие подсистемы (см. фиг. 15) с привязкой к выполняемым функциям:
а) подсистема ввода-вывода сигналов решает задачу ввода-вывода сигналов автоматизированной системы (АС) и выполняет следующие функции: ввод в АС аналоговых сигналов технологических параметров и дискретных сигналов состояний от датчиков, исполнительных механизмов и смежных систем; вывод из АС управляющих аналоговых и дискретных сигналов к исполнительным механизмам и смежным системам;
б) сетевая подсистема решает задачи транспорта данных реального времени и архивных данных на уровне протоколов по информационным каналам связи между операторской станцией, УСО, счетчиками, контроллерами, расходомером, смежными системами и диспетчерским уровнем;
в) подсистема математических и логических вычислений решает задачи обработки данных, реализации алгоритмов и мониторинга состояния объектов и выполняет следующие функции: обработка поступающих входных данных, их масштабирование; реализация алгоритмов регулирования технологических параметров; реализация алгоритмов управления и подсчета времени наработки электрогенерирующего комплекса; контроль и управление режимами работы электрогенерирующего комплекса; обработка диагностической информации по состоянию компонентов;
г) подсистема визуализации решает задачи управления установкой оператором, предоставления технологической информации оператору посредством человеко-машинного интерфейса и выполняет следующие функции: представление оперативной технологической информации в виде мнемосхем; представление детализированной информации по технологическому процессу в виде всплывающих окон; управление технологическим процессом оператором посредством диалоговых окон, кнопок, ползунков и т.д.; представление значений параметров в виде текущих или архивных графиков (трендов), в числовом или табличном виде; цветовая, символьная индикация событий системы; предоставление на всех экранах информации по текущей наработке, по текущему состоянию режима работы электрогенерирующего комплекса;
д) подсистема архивирования решает задачи архивирования данных и выполняет следующие функции: сохранение основных технологических параметров в локальную базу данных БД; сохранение сообщений журнала событий АС в локальную БД; бесперебойное хранение значений параметров и сообщений журнала событий в локальной БД в течение заданного времени; предоставление накопленной информации по запросу от подсистемы отчетов и от подсистемы визуализации;
е) подсистема отчетов решает задачи по предоставлению отчетных данных и выполняет следующие функции: подготовка данных для всех видов и типов отчетов АС локально; генерация отчетов в автоматическом режиме или по запросу оператора; хранение отчетов в течение заданного времени локально; предоставление сохраненных отчетов на диспетчерский уровень;
ж) подсистема предупредительной, аварийной сигнализации и событий решает задачи по оповещению оператора об отклонениях от штатного режима работы установки, а также ведение журнала событий. Выполняет следующие функции: генерация сигналов предупредительной, аварийной и событийной направленности относительно контроля границ значений параметров, диагностики, а также состояния системы в целом; цветовая, символьная сигнализация предупредительных сообщений и событий, событий перехода параметра через предупредительные/аварийные границы, состояния компонентов и каналов связи на мнемосхемах; ведение журнала предупредительных/аварийных сообщений и событий; хранение предупредительных/аварийных сообщений и событий в течение заданного времени в БД локально.
На фиг. 16 показан вариант конструкции спирального детандера. Спиральный детандер в основном состоит из корпуса 175, вала 176, передающего крутящий момент валу генератора, подвижной спирали 173 и неподвижной спирали 174. Спиральный детандер выполнен как машина объемного типа и при вращении подвижной спирали 173 относительно неподвижной 174 создаются замкнутые области, в которых расширяется рабочая среда котура силового модуля и приводится во вращение вал 176. Возникающий крутящий момент напрямую передается валу генератора (без преобразовательных механизмов) и вырабатывается электроэнергия с высоким КПД всей установки.
Для работоспособности электрогенерирующего комплекса необходимо обеспечить подачу топлива (как один из вариантов - природного газа). Подключить контейнер к контуру внешнего защитного заземления. Внешние электрические подключения к электрогенерирующему комплексу выполнить в соответствии с проектом подключения. Функционирование электрогенерирующего комплекса является полностью автоматическим. Электрогенерирующий комплекс оснащен всеми необходимыми приборами регулировки, контроля и безопасности, которые позволяют эксплуатировать его без постоянного присутствия персонала. Уровень автоматизации электрогенерирующего комплекса позволяет проводить самодиагностику системы и не требует специальных мер при эксплуатации. Конструкция электрогенерирующего комплекса обеспечивает возможность транспортировки автомобильным и железнодорожным транспортом. Перемещать электрогенерирующий комплекс волоком не разрешается. Электрогенерирующий комплекс транспортируется двумя транспортными местами: контейнер и навесное оборудование. Комплектное оборудование контейнера закреплены внутри изделия в транспортном положении.