КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
COGENERATION PLANT WITH DEEP RECOVERY OF THERMAL ENERGY OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для одновременного производства тепла и электроэнергии при помощи когенерационных установок с двигателем внутреннего сгорания.
Известна энергетическая установка для совместной выработки электрической и тепловой энергии (патент RU №2280777), содержащая электрический генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания, имеющего системы охлаждения моторного масла, охлаждения блока цилиндров, наддува, газовыхлопа, каждая система имеет теплообменник-утилизатор теплоты, при чем система охлаждения моторного масла включена между первым выходом двигателя и его первым входом, система охлаждения блока цилиндров включена между вторым выходом и вторым входом двигателя, система наддува подсоединена к третьему входу двигателя, а система газовыхлопа подсоединена к третьему выходу двигателя, при этом теплообменники-утилизаторы теплоты системы наддува и системы охлаждения моторного масла последовательно включены в систему охлаждения блока цилиндров двигателя, в которую между вторым выходом двигателя и ее теплообменником-утилизатором теплоты включен терморегулирующий клапан, имеющий один вход и два выхода, причем ко второму выходу двигателя подключен вход терморегулирующего клапана, а его первый выход соединен с теплообменником-утилизатором теплоты системы охлаждения блока цилиндров, при этом установка снабжена дополнительным теплообменником, включенным между теплообменниками-утилизаторами теплоты системы наддува и системы охлаждения блока цилиндров, между дополнительным теплообменником и теплообменником-утилизатором теплоты системы наддува включен циркуляционный насос, причем с теплообменником-утилизатором теплоты системы наддува соединен выход циркуляционного насоса, а с дополнительным теплообменником соединен его вход, к которому подключен второй выход терморегулирующего клапана, при этом дополнительный теплообменник снабжен системой принудительного охлаждения с приводом, снабженным блоком управления, соединенным с датчиком температуры системы охлаждения блока цилиндров.
К главным недостаткам энергетической установки для совместной выработки электрической и тепловой энергии следует отнести то, что при выработке ею только электрической энергии, например, в летние месяцы, когда потребность в тепловой энергии отпадает, суммарная эффективность использования теплоты сгорания топлива снижается. Снижение эффективности использования теплоты сгорания топлива энергетической установкой при выработке ею только электрической энергии обусловлено тем, что тепловая энергия охлаждающей жидкости и отработанного газа ее ДВС рассеивается в окружающую среду.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя (патент RU №2630284), содержащая ДВС с электрогенератором, насос системы охлаждения ДВС, систему утилизации теплоты, состоящую из теплообменников-утилизаторов теплоты системы охлаждения ДВС, отработанных газов ДВС, гидролинии, магистраль отработанных газов ДВС, вентили, трехходовой кран, парогенератор водяного пара, циркуляционный насос воды, детандер водяного пара с электрогенератором, испаритель-конденсатор, испаритель хладагента, детандеры пара хладагента с электрогенератором, конденсаторы хладагента, циркуляционные насосы хладагента, гидролинии хладагента, при этом на гидролинии, отводящей охлаждающую жидкость от ДВС, установлен трехходовой кран, первый выход трехходового крана соединен с теплообменником утилизатором теплоты системы охлаждения ДВС, а второй выход трехходового крана соединен с испарителем хладагента, выход из теплообменника-утилизатора теплоты системы охлаждения ДВС и испарителя хладагента соединен со входом насоса системы охлаждения ДВС, выход из которого соединен с ДВС, теплообменники-утилизаторы теплоты системы охлаждения ДВС и отработанных газов ДВС последовательно соединены друг с другом при помощи гидролиний, при этом отработанные газы ДВС по магистралям отработанных газов ДВС подводятся к двум вентилям, первый вентиль обеспечивает движение отработанного газа ДВС к теплообменнику-утилизатору теплоты отработанных газов ДВС и далее в атмосферу, а второй вентиль обеспечивает их движение через парогенератор водяного пара и далее в атмосферу, парогенератор водяного пара при помощи гидролиний последовательно соединен с детандером водяного пара с электрогенератором, испарителем-конденсатором и циркуляционным насосом воды, при этом испаритель-конденсатор при помощи гидролиний хладагента последовательно соединен с первым детандером пара хладагента с электрогенератором, первым конденсатором пара хладагента, первым циркуляционным насосом хладагента, испарителем хладагента, вторым детандером пара хладагента с электрогенератором, вторым конденсатором хладагента и вторым циркуляционным насосом хладагента.
К главным недостаткам вышеупомянутой когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя следует отнести то, что при съеме тепла ДВС и его дальнейшей утилизации используется одноконтурная система охлаждения, не обеспечивающая необходимый теплоотвод, то есть оптимальные температурные режимы работы головки и блока цилиндров ДВС, что снижает показатели эффективности работы ДВС и установки в целом, кроме того использование устройства преобразования утилизированного тепла ДВС и его уходящих газов в электрическую энергию, включающего три дорогостоящих детандера пара, три конденсатора и три электрических генератора, что снижает показатели надежности когенерационной установки.
Задачей настоящего изобретения является создание когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания, обладающей высокой эффективностью и надежностью комбинированной выработки электроэнергии и тепла при различных эксплуатационных режимах, за счет оптимизации системы охлаждения, и следовательно улучшения температурного режима работы, а так же упрощения конструкции системы преобразования утилизированного тепла ДВС и его уходящих газов в электрическую энергию.
Технический результат изобретения заключается в создании когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающей преобразование отходящего тепла ДВС и его уходящих газов в электрическую энергию при реализации термодинамического цикла Ренкина, обладающей высокой эффективностью, надежностью и простотой конструкции, при различных эксплуатационных режимах, за счет глубокой утилизации тепла в летние месяцы при выработке только электрической энергии, использования двухконтурной системы охлаждения ДВС, обеспечивающей необходимые температурные режимы работы головки и блока цилиндров ДВС, снижения количества дорогостоящих турбин с электрогенератором и конденсатора до оной штуки.
Технический результат изобретения достигается за счет того что, когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания содержащая электрогенератор соединенный приводом с ДВС, систему преобразования утилизированного тепла ДВС в электрическую энергию, состоящую из соединенных последовательно по ходу движения теплоносителя трехходового клапана через I ход с паровой турбиной, связанной с электрогенератором, конденсатором и конденсационным насосом, систему утилизации отходящего тепла ДВС, включающую систему утилизации теплоты газовыхлопа ДВС, состоящую из магистрали уходящих газов связывающей теплообменник-турбокомпрессор с парогенератором-утилизатором теплоты уходящих газов и систему охлаждения ДВС, которая включает холодный контур, имеющий последовательно соединенные в замкнутый контур гидролинией, оснащенной электронагревательными элементами, водомасляный теплообменник, теплообменник надувочного воздуха, циркуляционный насос, теплообменник-утилизатор тепла холодного контура системы охлаждения ДВС и горячий контур, имеющий последовательно соединенные гидролинией в замкнутый контур, теплообменник-утилизатор тепла горячего контура, циркуляционный насос соединенный гидролинией, оснащенной электронагревательными элементами, с теплообменником - зарубашечным пространством блока цилиндров и крышками цилиндров ДВС и гидролинией с теплообменником-турбокомпрессором и замкнутый подконтур горячего контура системы охлаждения ДВС, включающий последовательно соединенные гидролинией вентиль, теплообменник-калорифер, циркуляционный насос и теплообменник - зарубашечное пространство блока цилиндров и крышек цилиндров ДВС, при этом система преобразования утилизированного тепла в электрическую энергию дополнительно содержит соединенные последовательно по ходу движения теплоносителя, накопительный резервуар, питательный насос и фильтр, связанный гидролинией с теплообменниками-утилизаторами тепла холодного и горячего контуров системы охлаждения ДВС, а II ход трехходового клапана гидролинией связан с питательным насосом, при чем клапан ограничения давления, подключен гидролинией между выходом питательного насоса и входом в накопительный резервуар.
На фиг. представлена схема когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя.
Когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания состоит из электрогенератора, (на фиг. не обозначен) соединенного приводом (на фиг. не обозначен) с ДВС 1 (например дизельным), системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию и системы утилизации отходящего тепла ДВС 1, включающей систему охлаждения ДВС 1 с холодным и горячим контурами и систему утилизации теплоты газовыхлопа ДВС 1. При этом холодный контур системы охлаждения ДВС 1 имеет, последовательно соединенные гидролинией (на фиг. не обозначена) в замкнутый контур, водомасляный теплообменник 2, теплообменник надувочного воздуха 3, циркуляционный насос 4, теплообменник-утилизатор тепла холодного контура 5 системы охлаждения ДВС 1. При этом гидролиния холодного контура системы охлаждения ДВС 1 оснащена электронагревательными элементами (на фиг. не обозначены) циркулирующего теплоносителя холодного контура (например вода или антифриз). Горячий контур системы охлаждения ДВС 1 имеет, последовательно соединенные гидролинией (на фиг. не обозначена) в замкнутый контур, теплообменник-утилизатор тепла горячего контура 6, циркуляционный насос 7 соединенный гидролинией 8 с теплообменником - зарубашечным пространством блока цилиндров и крышками цилиндров (на фиг. не обозначены) ДВС 1 и гидролинией 9 с теплообменником-турбокомпрессором 10. При этом гидролиния 8 горячего контура системы охлаждения ДВС 1 оснащена электронагревательными элементами (на фиг. не обозначены) циркулирующего теплоносителя горячего контура (например вода или антифриз). Кроме того горячий контур системы охлаждения ДВС 1 имеет замкнутый подконтур, включающий последовательно соединенные гидролинией (на фиг. не обозначена) вентиль 11, теплообменник-калорифер 12, циркуляционный насос 7 и теплообменник - зарубашечное пространство блока цилиндров и крышек цилиндров (на фиг. не обозначены) ДВС 1. Система утилизации теплоты газовыхлопа имеет магистраль уходящих газов 13 связывающую теплообменник-турбокомпрессор 10 с парогенератором-утилизатором теплоты уходящих газов 14. Система преобразования утилизированного тепла в электрическую энергию включает, параллельно соединенные гидролинией (на фиг. не обозначена) в замкнутый контур, теплообменники-утилизаторы тепла холодного 5 и горячего 6 контуров системы охлаждения ДВС 1, соединенные последовательно по ходу движения теплоносителя (например деионизированной воды) с парогенератором-утилизатором теплоты уходящих газов 14 через I ход трехходового клапана 15 с паровой турбиной 16, связанной с электрогенератором (на фиг. не обозначена), конденсатором 17 с водяной системой охлаждения (на фиг. не обозначена), конденсационным насосом 18, накопительным резервуаром 19, питательным насосом 20 и фильтром 21, через II ход трехходового клапана 15 парогенератор-утилизатор теплоты уходящих газов 14 связан с питательным насосом 20. При этом система преобразования утилизированного тепла в электрическую энергию имеет клапан ограничения давления 22, подключенный гидролинией (на фиг. не обозначена) между выходом питательного насоса 20 и входом в накопительный резервуар 19.
Когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
Возможны три варианта режима функционирования:
1) Режим прогрева;
2) Режим выработки только электрической энергии.
3) Режим совместной выработки электрической и тепловой энергии.
Режим функционирования №1
После осуществления пуска ДВС 1, особенно в холодное время года, электрогенератор, соединенный приводом с ДВС 1 переходит в режим работы «Обогрев», (например, предусмотрено на дизель-генераторных установках тепловозов) при этом вырабатываемый им ток направляется в электронагревательные элементы (на фиг. не обозначены) гидролинии 8 горячего контура и гидролинии (на фиг. не обозначена) холодного контура системы охлаждения ДВС 1. При этом электрогенератор (на фиг. не обозначен) паровой турбины 16 не вырабатывает электрическую энергию, горячие газы ДВС 1 по магистрали уходящих газов 13 поступают в парогенератор-утилизатор теплоты уходящих газов 14. В парогенераторе-утилизаторе теплоты уходящих газов 14 теплота горячих газов передается теплоносителю (например деионизированной воде) системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию. В режиме прогрева I ход трехходового клапана 15 закрыт, а II ход открыт, подогретый горячими газами ДВС 1 теплоноситель (например деионизированная вода) системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую, посредством питательного насоса 20, через фильтр 21, поступает в теплообменники-утилизаторы тепла холодного 5 и горячего 6 контуров, где отдает тепло их теплоносителям (например вода или антифриз). Подогретый в теплообменнике-утилизаторе тепла холодного контура 5 теплоноситель (например вода или антифриз), в свою очередь отдает тепло в водомасляном теплообменнике 2 моторному маслу, прогревая ДВС 1, после чего теплоноситель холодного контура заходит в теплообменник надувочного воздуха 3 и посредством циркуляционного насоса 4 возвращается в теплообменник-утилизатор тепла холодного контура 5. Подогретый теплоноситель горячего контура в теплообменнике-утилизаторе тепла горячего контура 6 системы охлаждения ДВС 1, проходя через зарубашечное пространство блока цилиндров, крышки цилиндров (на фиг. не обозначены) ДВС 1 и теплообменник-турбокомпрессор 10, в том числе по гидролинии 9 подогревает ДВС 1 и при закрытом вентиле 11, посредством циркуляционного насоса 7 возвращается в теплообменник-утилизатор тепла горячего контура 6 системы охлаждения ДВС 1. Теплоноситель замкнутого контура системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию, отдавший тепло в теплообменниках-утилизаторах тепла холодного 5 и горячего 6 контуров системы охлаждения ДВС 1, по общей гидролинии (на фиг. не обозначена) поступает обратно в парогенератор - утилизатор теплоты уходящих газов 14. После прогрева ДВС 1, то есть достижения значений температуры теплоносителя горячего контура на входе в теплообменник-утилизатор тепла горячего контура 6 и температуры моторного масла на входе в водомасляный теплообменник 2 холодного контура системы охлаждения ДВС 1, установленных предприятием-изготовителем (например, 75°С и 65°С соответственно) когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания переходит в режим функционирования №2.
Режим функционирования №2
После прогрева ДВС 1 когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания, электрогенератор, соединенный приводом с ДВС 1 переходит в «Тяговый» режим работы, при котором ток, вырабатываемый электрогенератором, соединенным приводом с ДВС 1, поступает потребителю (например, ток, поступающий в обмотки тягового электродвигателя, приводит к появлению на валу якоря вращающего момента, который через тяговый редуктор передается на колесную пару, приводя тепловоз в движение). При этом теплоноситель (например деионизированная вода) замкнутого контура системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию, посредством питательного насоса 20, через фильтр 21, подается в теплообменники-утилизаторы тепла холодного 5 и горячего 6 контуров, где нагревается, охлаждая теплоносители (например вода или антифриз) холодного и горячего контуров системы охлаждения ДВС 1 и ДВС 1 в целом. Охлажденный теплоноситель холодного конура в теплообменнике-утилизаторе тепла холодного контура 5 системы охлаждения ДВС 1, в свою очередь охлаждает в водомасляном теплообменнике 2 моторное масло ДВС 1, далее теплоноситель холодного контура системы охлаждения ДВС 1 заходит в теплообменник наддувочного воздуха 3, охлаждая надувочный воздух, и посредством циркуляционного насоса 4 возвращается в теплообменник - утилизатор тепла холодного контура 5 системы охлаждения ДВС 1. Теплоноситель горячего контура, охлажденный в теплообменнике-утилизаторе тепла горячего контура 6 системы охлаждения ДВС 1, проходя по гидролинии 9 в теплообменник-турбокомпрессор 10 и зарубашечное пространство блока цилиндров и крышки цилиндров (на фиг. не обозначены) ДВС 1, охлаждает ДВС 1 и теплообменник-турбокомпрессор 10. При закрытом вентиле 11 теплоноситель горячего контура из ДВС 1 и теплообменника-турбокомпрессора 10 посредством циркуляционного насоса 7 возвращается в теплообменник-утилизатор тепла горячего контура 6 системы охлаждения ДВС 1. Использование двухконтурной системы охлаждения ДВС 1, обеспечивает необходимые температурные режимы работы головки и блока цилиндров ДВС, что повышает надежность работы ДВС 1. Подогретый в теплообменниках-утилизаторах тепла холодного 5 и горячего контуров 6 теплоноситель замкнутого контура системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию поступает в парогенератор-утилизатор теплоты уходящих газов 14, где превращается в водяной пар. I ход трехходового клапана 15 открыт, а II ход закрыт, при этом из парогенератора-утилизатора теплоты уходящих газов 14 водяной пар поступает в паровую турбину 16, соединенную с электрогенератором (на фиг. не обозначена), где расширяясь, совершает механическую работу с выработкой электрической энергии, которая так же передается потребителю. Возможность преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию, в том числе в летние месяцы, позволяет обеспечить более глубокую утилизацию тепла и повысить эффективность работы когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания. После паровой турбины 16 отработанный водяной пар направляется в конденсатор 17, где конденсируется, переходя в жидкое состояние и конденсационным насосом 18, закачивается в накопительный резервуар 19. Конденсация отработанного водяного пара в конденсаторе 17 осуществляется за счет водяной системы охлаждения конденсатора (на фиг. не обозначена). Конденсат из накопительного резервуара 19, циркуляционным насосом 20 через фильтр 21 подается обратно в теплообменники-утилизаторы тепла холодного 5 и горячего 6 контуров системы охлаждения ДВС 1. Избыточное давление в замкнутом контуре системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию регулируется клапаном ограничения давления 22, через который теплоноситель системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию сбрасывается в накопительный резервуар 19. Использование одной паровой турбины 16 с электрогенератором и одного конденсатора 17 водяного пара позволяет получить упрощенную конструкцию системы преобразования утилизированного тепла ДВС 1 в электрическую энергию, а следовательно и в целом конструкции когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания.
Режим функционирования №3
Работа когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания отличается от режима функционирования №2 тем, что для обеспечения потребителя теплом, например, обогрева кабины машиниста, аккумуляторной комнаты тепловоза, других вагонов и так далее, открывается вентиль 11. В этом случае часть теплоносителя (например воды или антифриза) горячего контура системы охлаждения ДВС 1, через вентиль 11 поступает, в теплообменник-калорифер 12, где, отдав тепло атмосферному воздуху, возвращается в горячий контур системы охлаждения ДВС 1 перед циркуляционным насосом 7.
Предлагаемая когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания может быть установлена как на транспортном средстве, так и в качестве стационарной энерго-генерирующей установки.