СУДОВАЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к судовой энергетике, а именно к устройствам, преобразующим тепловую энергию отработавших газов и главного судового котла в электрическую и может быть использована судами рейдового и портового плавания, которые постоянно эксплуатируются на переменных нагрузках при заходе в порт или выходе из порта, подъеме якоря, а также при выполнении грузовых работ с собственными электрическими лебедками или кранами и т.п., обеспечивая требуемой электроэнергией без использования дизель-генератора и валогенератора.
Известна «Электроэнергетическая установка речного судна» [1]. Электроэнергетическая установка содержит главный судовой дизель, валогенератор, дизель-генератор, судовой термоэлектрический генератор (ТЭГ), солнечный термоэлектрический генератор (СТЭГ). Во время эксплуатации дизеля в ясную погоду СТЭГ вырабатывает электроэнергию, а в ночное время - судовой ТЭГ и валогенератор, а во время стоянки кроме СТЭГ включается дизель-генератор. Основным недостатком данной установки является низкий КПД термоэлектрических генераторов. Кроме того, СТЭГ может эффективно работать только в летнее дневное время.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является «Силовая установка на солнечной энергии» [2]. Силовая установка состоит из турбины с низкокипящим веществом, испарителя и конденсатора, при этом рабочее вещество испаряется в испарителе за счет солнечной энергии. Конденсатором является теплообменник, где отработанный пар превращается в жидкость, охладителем может быть любое жидкое или газообразное вещество окружающей среды, постоянно имеющее температуру около 10°С и ниже. В результате всего этого будет обеспечен довольно высокий перепад температур испарения и конденсации рабочего вещества соответственно и довольно высокий КПД преобразования тепловой солнечной энергии.
При работе установки рабочий пар поступает в турбину, где происходит преобразование тепловой энергии в электрическую.
Недостатком данной установки является то, что солнечная энергия не может постоянно обеспечить установку тепловой энергией, особенно в осенне-зимнее, а также в ночное время. Кроме того, на судне существуют трудности по установке устройства использования солнечной энергии.
Заявляемая полезная модель решает задачу создания судовой энергосберегающей установки.
Технический результат достигается тем, что в судовой энергосберегающей установке (СЭУ), содержащей главный судовой дизель, дизель-генератор, утилизационный котел, главный судовой котел, накопительную теплоизолированную емкость, абсорбционную холодильную машину, испаритель, конденсатор, турбину с низкокипящим веществом, в которой испарение рабочего вещества происходит за счет тепловой энергии судовых котлов и накопительной тепловой энергии, поступающей к испарителю через теплоноситель, а конденсация рабочего вещества происходит при помощи охлажденной забортной воды, которая отбирает теплоту у отработавшего пара, превращая его в жидкость, упомянутая энергосберегающая установка содержит контур забортной воды, вход которого подключен к абсорбционной холодильной машине, выход через электронный трехходовой кран связан с конденсатором. Кроме того, установка подключена к накопительной теплоизолированной емкости и к главному судовому котлу, выход которого через блок управления, четырехходовые электронные краны подключен к испарителю.
Таким образом, в СЭУ используется силовая установка, состоящая из турбины с низкокипящим рабочим веществом, испарителя и конденсатора, при этом рабочее вещество испаряется в испарителе за счет утилизации тепловой энергии главной судовой дизельной установки и использования тепловой энергии накопительной емкости и главного судового котла, поступающей в испаритель через теплоноситель, испарение рабочего вещества происходит в теплообменнике, одной полостью которого является испаритель, а в другой полости проходит теплоноситель, нагретый судовыми котлами судовой энергетической установки и накопительной емкости. Конденсатором является другой теплообменник, в одной полости которого проходит отработавший пар, а в другой - охладитель, который отбирает теплоту у отработавшего пара, превращая его в жидкость, охладителем является забортная вода с температурой 7-8°С в осенне-зимнее время, а в весенне-летнее время указанная забортная вода дополнительно охлаждается до температуры 7-8°С в холодильнике абсорбционной холодильной установки данной системы. В результате всего этого будет обеспечен довольно высокий перепад температур испарения и конденсации рабочего вещества соответственно и довольно высокий КПД преобразования тепловой энергии судовых котлов, что приводит к повышению топливной экономичности и КПД судовой энергетической установки.
На фиг. 1 представлена схема судовой энергетической установки (СЭУ), которая содержит: главный судовой дизель 1; утилизационный котел (УК) 2; испаритель 3; абсорбционную холодильную машину (АБХМ) 4; турбину 5; генератор 6; пароперегреватель 7; холодильник 8; потребитель холода 9; датчики температуры (ДТ) 10, 26; теплоизолированную накопительную емкость (THE) 11; электронные четырехходовые краны 12, 13, 14; электронные трехходовые краны 15, 28; электромагнитный клапан (ЭМК) 16; трехходовые краны 17, 29; конденсатор 18; электрические насосы 19, 27; дроссель 20; главный судовой котел (ГСК) 21, дизель-генератор (поз. 22, 23); клинкет 24; вентиль 25; блок управления (БУ) 30; распределитель электроэнергии (главный распределительный щит) 31; блок сравнения (БС) 32, 33; задатчики 34, 35; 36 - переключатель режима СЭУ от дизель-генератора (поз. 22, 23), 37 - переключатель режима СЭУ от главного судового дизеля 1, 38 - переключатель режима СЭУ от ГСК 21; невозвратный клапан 39; каналы теплоносителей 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53; каналы хладоносителя 54, 55, 56, 57, 58; каналы забортной воды 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68; каналы низкокипящего вещества 69, 70, 71, 72, 73, 74; канал отработавших газов (ОГ) 75; каналы подачи выработанной электроэнергии 76, 77, 78; каналы подачи электроэнергии элементам установки 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 95; каналы подачи электрических сигналов 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94.
Электронные трехходовые краны (ЭТК) 15, 28 выполняются согласно патенту №22709223 [3], а электронные четырехходовые краны (ЭЧК) 12, 13, 14 - по патенту №2253024 [4].
Теплоноситель с температурой 95-98°С для испарения низкокипящего вещества циркулирует по замкнутым контурам, которые в зависимости от режимов работы судовой дизельной установки и его температуры поступает из УК 2, THE 11 и ГСК 21.
При длительной остановке главного судового дизеля 1 в осенне-зимнее время работает ГСК 21 и соответственно предлагаемая СЭУ работает от ГСК 21.
В летнее время, когда ГСК 21 не работает, электроэнергию вырабатывает дизель-генератор (поз. 22, 23).
При нерабочем состоянии главного судового дизеля 1 АБХМ 4 работает от ГСК 21. Циркуляционный насос расположен в ГСК 21.
Заявляемая судовая энергосберегающая установка работает следующим образом.
з.в
1. Пусть судно эксплуатируется в летнее время, стоит на якоре, или у причала, соответственно ГСК 21 находится в нерабочем состоянии, судовую электроэнергию вырабатывает дизель-генератор (поз. 22, 23). Т≥8°С. При этом переключатель режима 36 находится в подключенном состоянии, электроэнергия, полученная в дизель-генераторе (поз. 22, 23) по каналу 77 поступает в блок управления 30, который по каналу 78 подает электроэнергию в распределитель электроэнергии 31 и все судовые электропотребители находятся в подключенном состоянии, а СЭУ находится в нерабочем состоянии.
т
з.в
2. Пусть главный судовой дизель 1 приводится в действие - запускается. После пуска главного судового дизеля 1 начинает работать заявляемая энергосберегающая установка, в том числе утилизационный котел 2, при этом открывается вентиль 25. При достижении температуры теплоносителя утилизационного котла 2, например Т≥85°С происходит переключение режима 36 на режим 37 и предлагаемая СЭУ начинает работать. При этом датчик температуры 10 подает сигнал по каналу 88 в БС 32, куда одновременно по каналу 90 поступает сигнал от задатчика 34, а обработанный сигнал по каналу 91 подается в БУ 30, который подает электроэнергию по каналам 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86 и начинают работать электрические насосы 19, 27 и ЭЧК 12, 13, 14 и ЭТК 15, 28 и ЭМК 16. При этом ЭЧК 12 открывает каналы 40, 41, 45; ЭЧК 13 закрывает каналы 48, 47; ЭЧК 14 закрывает каналы 51, 53; ЭТК 15 закрывает канал 50; ЭТК 28 закрывает патрубок канала 65, если Т≥8°С: открывает каналы 62, 63.
В УК 2 происходит нагрев теплоносителя до определенной температуры, например, до 95-98°С, и его передача через канал 40, ЭЧК 12, канал 41, ЭЧК 13, канал 42, испаритель 3, канал 43 и его возвращение по каналу 44 в УК 2, при этом его температура контролируется ДТ 10, циркуляционный насос контура на фиг. 1 не показан, который расположен в УК 2.
Другая часть теплоносителя от УК 2 через ЭЧК 12 по каналу 45 поступает в THE 11 и после теплообмена по каналам 46, 49, ЭТК 15, канал 44 возвращается в УК 2, а по каналам 40, 48 поступает в АБХМ 4 и отработанный теплоноситель по каналу 49, ЭТК 15, канал 44 возвращается в УК 2.
В теплоизолированной накопительной емкости 11 во время работы главного судового дизеля 1 поддерживается 95-98°С.
з.в
з.в
Забортная вода из клинкета 24 по каналу 59 через вентиль 25 и ДТ 26, канал 61 поступает в циркуляционный насос 27, а затем по каналу 62 поступает в ЭТК 28. При этом, если Т≥8°С в БС 33 происходит обработка сигналов, поступающих от ДТ 26 и задатчика 35. Сигнал рассогласования в БС 33 по каналу 94 поступает в БУ 30, который подает электроэнергию по каналу 87 в ЭТК 28, который закрывает патрубок канала 65, открывает канал 63 и забортная вода по каналу 63 поступает в холодильник 8, куда одновременно по каналу 56 поступает хладоноситель от АБХМ 4, где в результате теплообмена забортная вода охлаждается до заданного значения Т≤8°С и охлажденная забортная вода по каналам 64, 65 поступает в конденсатор 18. Циркуляционный насос хладоносителя не показан, он находиться в АБХМ 4. Одновременно в конденсатор 18 по каналу 71 поступает отработанный пар низкокипящего вещества из турбины 5. При этом забортная вода в результате теплообмена в конденсаторе 18 отбирает теплоту от отработанного пара, который превращается в жидкость, а забортная вода по каналу 66 поступает в трехходовой кран 29, который по каналу 67 направляет к судовым потребителям, например на камбуз и т.п., а другая часть по каналу 68 сливается за борт.
АБХМ 4 во время работы главного судового дизеля 1 работает от теплоносителя УК 2 согласно патенту №2466289 [5], теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру, при этом теплоноситель от УК 2 через канал 40, ЭЧК 12, канал 48 поступает в АБХМ 4. Отработанный теплоноситель через канал 49, ЭТК 15, канал 44 возвращается в УК 2.
з.в
т
Низкокипящее рабочее вещество (НРВ), как уже было отмечено выше, в результате теплообмена забортной водой с температурой Т≤8°С, в конденсаторе 18 превращается в жидкость, которая по каналу 72 поступает в циркуляционный насос 19, который повышает давление низкокипящего вещества. Далее по каналу 73 проходит дроссель 20, где начинается кипение и парообразование и в полужидком состоянии по каналу 74 поступает в испаритель 3. Одновременно в испаритель 3 поступает по каналу 42 теплоноситель с температурой Т≥95°С, при этом в результате теплообмена НРВ испаряется. Таким образом, обеспечивается разница температур испарения и конденсации НРВ, что позволяет преобразовать тепловую энергию ОГ с КПД более 10%. Выходя из испарителя 3 полученный пар НРВ проходит канал 69, пароперегреватель 7, установленный на канале 75 отработавших газов, где увеличивается его температура и давление, а далее по каналу 70 поступает в турбину 5 и совершает работу, вал которой связан с генератором 6. Выработанная электроэнергия по каналу 76 поступает в БУ 30, а затем по каналу 78 в распределитель электроэнергии 31. А отработанный пар по каналу 71 поступает в конденсатор 18 и цикл повторяется.
т
При снижении температуры теплоносителя в УК 2 Т≤85°С во время выполнения судном маневров: при подходе к причалам, перестановке барж под погрузку и выгрузку, кратковременных остановках и т.п.сигнал от ДТ 10 по каналу 88 поступает в БС 32, куда одновременно поступает сигнал по каналу 90 от задатчика 34. При этом сигнал рассогласования по каналу 91 поступает в БУ 30, который подает электроэнергию по каналу 82 на ЭЧК 12, закрывается канал 45; по каналу 86 подается электроэнергия на ЭМК 16 и открывается канал 52, а ЭЧК 14 закрывает каналы 43, 51, открывает канал 53. Контур теплоносителя циркулирует через THE 11, канал 52, ЭМК 16, канал 40, ЭЧК 12, канал 41, ЭЧК 13, испаритель 3, канал 43, ЭЧК 14, канал 53 и возвращается в THE 11. Циркуляционный насос не показан, находиться в THE 11.
з.в
3. Судно эксплуатируется в осенне-зимнее время. Т≤8°С, СЭУ переключается на режим 38, при этом сигнал от ДТ 26 по каналу 92 подается в БС 33, куда одновременно по каналу 93 подается сигнал от задатчика 35, при этом сигнал рассогласования по каналу 94 подается в БУ 30, который подачей по каналу 87 электроэнергии на ЭТК 28 закрывает канал 63, открывает канал 65 и забортная вода по каналу 65 поступает в конденсатор 18 и аналогично по вышеописанному алгоритму производится работа данной установки.
4. Судно на длительное время становится на якорь, например в ожидании выгрузки. При этом в зависимости от времени года эксплуатации может быть выполнены два варианта.
1 вариант. Судно эксплуатируется в летнее время, ГСК 21 находиться в выключенном состоянии. В этом случае останавливается главный судовой дизель 1 и одновременно включается переключатель 36 и по каналу 95 подается электроэнергия на дизель-генератор (поз. 22, 23), который запускается. Начинается выработка электроэнергии, которая по каналу 77 подается в БУ 30, а затем по каналу 78 в 31 для питания судовых потребителей.
2 вариант. Судно эксплуатируется в осенне-зимнее время, ГСК 21 находится в рабочем состоянии. При этом заявляемая СЭУ после остановки дизеля 1 будет находиться в рабочем состоянии и соответственно БУ 30 подачей электроэнергии на ЧХК 12, 13, 14 приводится в рабочее состояние и теплоноситель от ГСК 21 поступает в СЭУ. ЧХК 14 закрывает каналы 53, 43 открывает канал 51; ЭЧК 12 закрывает каналы 40, 41, 45; ЭЧК 13 закрывает канал 41. Тогда теплоноситель из ГСК 21 через канал 47, ЭЧК 13, канал 42, испаритель 3, канал 43, ЭЧК 14, канал 51 возвращается в ГСК 21. Одновременно теплоноситель по каналу 48 поступает в АБХМ 4, через канал 49, ЭТК 15 и каналы 50, 51 возвращается в ГСК 21. Циркуляционный насос находится в ГСК 21. Далее предлагаемая энергосберегающая установка работает по вышеуказанному алгоритму.
Таким образом, предлагаемая судовая энергосберегающая установка рейдовых и портовых судов, работающих постоянно на переменных нагрузках утилизируя тепловую энергию отработавших газов главного судового дизеля и главного судового котла позволяет выработать электроэнергию и обеспечить требуемой электроэнергией без использования дизель-генератора и валогенератора, что позволит увеличить топливную экономичность и коэффициент полезного действия судовой энергетической установки.
Источники информации
1. Патент №96550. Россия, МПК В63Н 23/24, F24J 2/00. Судовая электроэнергетическая установка / В.Н. Тимофеев, Д.В. Тимофеев. Опубл. 10.08.2010 в БИ №22.
2. Патент №2184873. Россия, МПК F03G 6/00. Силовая установка на солнечной энергии / А.Ф. Исачкин. Опубл. в БИ 10.07.2002.
3. Патент №22709223. Россия, МПК F01P 7/16. Электрический термостат / В.Н. Тимофеев, Н.П. Кузин, А.Н. Краснов. Опубл. 27.02.06. Бюл. №6.
4. Патент №2253024. Россия, МПК F01P 7/14, 3/20. Устройство для регулирования рабочей температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания / В.Н. Тимофеев, A.M. Поздеев, Л.В. Тимакова. Опубл. в БИ №15 27.05.2005.
5. Патент №2466289. Россия, МПК F02G 005/02, F02B 029/04, F02M 025/07. Система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск / В.Н. Тимофеев, О.К. Безюков, О.В. Клюс, И.Г. Васильева, Д.В. Тимофеев. Опубл. 10.11.2012.