Мобильная энергетическая установка на древесном топливе

Полезная модель относится к области автономных источников электроэнергии, в том числе передвижных, может быть использована при создании мобильной электростанции малой мощности, для работы на твердом биотопливе, например, на древесной щепе из порубочных остатков, неделовой древесины или отходах лесопиления.
Из существующего уровня техники известна твердотопливная газотурбинная установка, включающая в себя компрессор, турбину, полезную нагрузку, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания, теплообменник для нагрева воздуха продуктами сгорания, причем компрессор выполнен с входом атмосферного воздуха (Патент РФ № 2545113, Бюл. №9, 27.03.2015).
Недостатками данного технического решения являются:
предложенный состав оборудования твердотопливной газотурбинной установки не обеспечивает высокого коэффициента полезного действия выработки механической (электрической) энергии вследствие потенциально больших потерь энергии с уходящими газами.
Также из существующего уровня техники известна автономная когенерационная установка с внутрицикловым пиролизом твердого углеродсодержащего топлива, включающая сушильный барабан, пиролизер, циклон высокотемпературной механической очистки синтез-газа, охладитель синтез-газа, камеру сгорания угольного остатка и смол, дожимной компрессор синтез-газа, камеру сгорания парогазовой установки, газовую турбину, генератор, осевой компрессор воздуха, котел-утилизатор, паровая турбина, конденсатор водяного пара, питательный насос для организации циркуляции воды в контуре паротурбинной установки, конденсационный теплообменник (Патент РФ № 144013, Бюл. №9, 10.08.2014).
Недостатками данного технического решения являются:
предложенный состав оборудования автономная когенерационная установка с внутрицикловым пиролизом твердого углеродсодержащего топлива не обеспечивает высокой автономности и мобильности энергетической установки вследствие наличия водяного контура; эксплуатация данной энергетической установки требует наличия источника воды, либо наличие запаса воды, что затрудняет эксплуатацию установки в качестве мобильной передвижной энергоустановки; также наличие водяного контура требует хорошей теплоизоляции, наличия ограждающих конструкции либо обогрева для предотвращения замерзания воды, что также ограничивает применением данного изобретения в условиях холодного климата стационарными энергоустановками.
Технический результат - повышение автономности и мобильности энергоустановки на древесном топливе при сохранении высокого коэффициента полезного действия выработки электрической энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что заявленная мобильная энергетическая установка на древесном топливе, имеющая в своем составе бункер щепы, соединенный с помощью шнекового транспортера, имеющего электропривод, с твердотопливным теплогенератором, вентилятор подачи воздуха, дымосос, подающий продукты сгорания в дымовую трубу, регулирующую заслонку на подаче воздуха в теплогенератор, компрессор и электромеханический генератор, приводимые во вращение газовой турбиной, турбину органического цикла Ренкина, приводящую в движение собственный электромеханический генератор, циркуляционный насос низкокипящего рабочего тела, содержит испаритель рабочего тела органического цикла Ренкина, установленный на выходе газообразного рабочего тела из газовой турбины; содержит конденсатор рабочего тела органического цикла Ренкина, установленный после турбины органического цикла Ренкина и охлаждаемый атмосферным воздухом, причем воздух после данного конденсатора направляется в нижнюю часть бункера щепы в качестве сушильного агента; блок преобразования и управления отпуском электроэнергии, электрически связанный с электрогенераторами, аккумулятором электрической энергии и потребителями электроэнергии, регенеративный подогреватель, установленный по греющему теплоносителю после компрессора, а по нагреваемому - после испарителя, подогреватель воздуха, установленный по греющему теплоносителю после регенеративного подогревателя, а по нагреваемому - сразу после вентилятора подачи воздуха, воздухоподогревателя, установленного по греющему теплоносителю на выходе продуктов сгорания из теплогенератора, а по нагреваемому - после подогревателя воздуха, распределительного коллектора, установленного снизу бункера щепы для подачи нагретого воздуха в качестве сушильного агента в бункер щепы, причем нагретый воздух в распределительный коллектор поступает после воздухоподогревателя, а также после конденсатора низкокипящего рабочего тела органического цикла Ренкина.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема Мобильная энергетическая установка на древесном топливе.
Мобильная энергетическая установка на древесном топливе состоит из бункера щепы 1, расположенного снизу бункера шнекового транспортера 2; электропривода 3 шнекового транспортера 2, подающего щепу из бункера со щепой 1 на сжигание в твердотопливный теплогенератор 4, служащий для нагрева рабочего газообразного тела; газовой турбины 5, преобразующей энергию рабочего газообразного тела, полученного в теплогенераторе 4, в механическую энергию; электрогенератора 6, преобразующего механическую энергию вращающейся газовой турбины 5 в электрическую; блока преобразования и управления отпуском электроэнергии 7, получающего электроэнергию с электрогенератора 6 и передающего электроэнергию потребителю и электрическому аккумулятору 8, причем перетоки электрической мощности между электрическим аккумулятором 8 и блоком преобразования и управления отпуском электроэнергии 7 могут идти в обоих направлениях; центробежного компрессора 9 соединенного с валом турбины 5; регенеративного подогревателя 10, греющим теплоносителем которого является отработавшее газообразное рабочее тело газовой турбины 5, а нагреваемым - газообразное рабочее тело после компрессора 9; подогревателя воздуха 11, греющим теплоносителем которого является газообразное рабочее тело на выходе из регенеративного подогревателя 10, а нагреваемым теплоносителем атмосферный воздух, нагнетаемый вентилятором подачи воздуха 12; воздухоподогревателя 13, греющим теплоносителем которого являются продукты сгорания на выходе из твердотопливного теплогенератора 4, а нагреваемым воздух после подогревателя воздуха 11; регулирующей заслонки на подаче воздуха в камеру сгорания теплогенератора 14, установленной на подаче воздуха в теплогенератор 14; дымососа 15, установленного между воздухоподогревателем и дымовой трубой 16; распределительного коллектора 17, установленного перед бункером со щепой 1 на линии подачи в него иззбыточной части воздуха из воздухоподогревателя 13; испарителя низкокипящего рабочего тела органического цикла Ренкина 18, использующего в качестве греющего теплоносителя отработавшие газы турбины 5 и расположенного по ходу газов сразу после газовой турбины 5 перед регенеративным подогревателем 10; циркуляционного насоса 19, установленного перед испарителем 18; турбины органического цикла Ренкина 20, в которой совершается работа расширения низкокипящего рабочего тепла, и установленной после испарителя 18; электрогенератора 21, соединенного с валом турбины 20; конденсатора низкокипящего рабочего тела органического цикла Ренкина 22, установленного после турбины 20 перед циркуляционным насосом 19; вентилятора подачи охлаждающего воздуха 23.
Мобильная энергетическая установка на древесном топливе работает следующим образом.
Запуск установки начинается с загрузки твердым топливом бункера щепы 1. Далее часть щепы с нижней части бункера 1 с помощью шнекового транспортера 2, имеющего электрический привод 3, подается в теплогенератор 4, где происходит сжигание щепы и нагрев рабочего газообразного тела газовой турбины 5. Нагрев происходит путем теплопередачи через теплообменную поверхность теплогенератора 4 от горячих продуктов сгорания к газообразному рабочему телу. В качестве рабочего тела могут использоваться газы или смеси газов, например, гелий или воздух. Нагретое газообразное рабочее тело поступает в турбину 5, где совершает работу расширения и приводит турбину во вращение. Механическая энергия с вала турбины передается к электрогенератору 6, который вырабатывает электрическую энергию. Электроэнергия проходит блок преобразования и управления отпуском электроэнергии и далее поступает в электроаккумулятор 8 и к потребителю.
Газовая турбина также является приводом компрессора 9, который сжимает отработавшее в турбине и охлажденное в регенеративном подогревателе 10 и подогревателе воздуха 11 рабочее тело. Рабочее тело на выходе из компрессора сначала подогревается в регенеративном подогревателе 10, а затем в теплогенераторе 4 и снова подается в газовую турбину 5. Таким образом, рабочий цикл газотурбинной установки закрытого типа замыкается, рабочее тело циркулирует между теплогенератором 4 и турбиной 5.
Воздух для горения топлива подается вентилятором подачи воздуха 12. Этот воздух сначала подогревается в теплообменнике 11 и в воздухоподогревателе 13, затем поступает через регулирующую заслонку 14 в топку теплогенератора 4. В воздухоподогревателе 13 горячие продукты сгорания на выходе из теплогенератора 4 отдают свою теплоту воздуху, а затем удаляются с помощью дымососа 15 через дымовую трубу 16 в атмосферу. Дымовые газы также могут быть направлены в бункер щепы для её сушки.
Для лучшего охлаждения отработавшего в турбине рабочего тела газотурбинной установки воздух вентилятором 12 подается в большем количестве, чем необходимо для полного сгорания щепы в топке, поэтому избыток воздуха удаляется в атмосферу через бункер со щепой 1. Этот теплый воздух подается снизу в бункер со щепой 1 через газовый коллектор 17 и служит сушильным агентом. По мере необходимости свежая порция высушенной щепы из нижней части бункера 1 подается шнековым транспортером 2 в теплогенератор 4 для сжигания.
Для повышения КПД энергоустановки отработавшее в газовой турбине 5 горячее газообразное рабочее тело после турбины попадает в испаритель 18, в котором его теплота используется для испарения низкокипящего рабочего тела контура органического цикла Ренкина. Конденсат низкокипящего рабочего тела подается в испаритель 18 под давлением с помощью насоса 19. Произведенным испарителем пар поступает в турбину органического цикла Ренкина 20, в которой совершает работу расширения. Механическая энергия, выработанная турбиной, передается электрогенератору 21. Электроэнергия с электрогенератора 21 поступает в блок преобразования и управления отпуском электроэнергии 7. Отработавшее в турбине 20 низкокипящее рабочее тело поступает в конденсатор 22. Для охлаждения конденсатора 22 вентилятор 23 обдувает его атмосферным воздухом. Конденсат низкокипящего рабочего с помощью насоса 19 обратно в испаритель 18 и таким образом органический цикл Ренкина замыкается.
Воздух, используемый для охлаждения конденсатора 22, может использоваться для сушки щепы в бункере 1. Для этого нагретый в конденсаторе 22 воздух поступает через распределительный газовый коллектор 17 в бункер со щепой 1.
Производительность энергоустановки регулируется путем изменения количества подаваемого в теплогенератор 4 топлива с помощью шнекового транспортера 2 и воздуха с помощью регулирующей заслонки 14 и вентилятора 12. График производства электроэнергии выравнивается при помощи аккумуляторов электрической энергии.