КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА

Предлагаемая полезная модель относится к автономным энергетическим устройствам и предназначена для стабильного обеспечения потребителей электричеством, холодом и теплом гарантированного уровня технических показателей в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха в полевых условиях при наличии заметного ветропотенциала.
Известно, что с повышением температуры атмосферного воздуха снижается степень повышения полного давления и расхода воздуха компрессора ГТЭУ, что снижает выходную мощность ГТЭУ и может привести к недопустимому ограничению электрической мощности, получаемой потребителем.
Известна «Газотурбинная энергетическая установка» (Патент РФ №2354838 от 19.11.2007 г. по заявке №2007142364), содержащая газотурбинную установку с электрогенератором, а также автономный контур с турбогенератором, воздушный компрессор с электроприводом, теплообменники и потребители тепла и холода.
Техническое решение позволяет при повышенной температуре окружающей среды обеспечить гарантированный уровень вырабатываемой мощности электроэнергии или имеется возможность получать холодный воздух, например, для кондиционирования помещений или холодильных камер, а при пониженной температуре атмосферного воздуха обеспечить потребителей тепловой энергией, например, для обогрева помещений. Однако ГТЭУ может работать только при непрерывной подаче топлива.
Известна «Ветроагрегатная система для получения электричества, холода и тепла» (Патент РФ №91743 от 25.11.2009 г. по заявке №200914320), содержащая турбину с электрогенератором, компрессор с ветродвигателем, накопитель воздуха, теплообменник с горячим контуром и холодным контуром с теплоносителем, энергоузел, потребитель тепла, потребитель холода, потребитель электроэнергии и регулировочный кран. При этом накопитель воздуха выполнен в виде гибкой оболочки. Привод выполнен в виде ветродвигателя и связан с компрессором через энергоузел. Компрессор газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - через горячий контур теплообменника с входом накопителя воздуха. Турбина газодинамически входом соединена через регулировочный кран с выходом накопителя воздуха, а выходом - с входом потребителя холода. Холодный контур теплообменника подключен к потребителю тепла. Электрогенератор соединен с потребителем электроэнергии.
Техническое решение позволяет автономно обеспечить потребителя электричеством, холодом и теплом без затрат топлива. Однако стоимость ветроагрегатной системы при высоких уровнях мощности (сопоставимых с ГТЭУ) оказывается чрезмерно большой. Непостоянство же ветропотенциала по времени и ограниченность запасов сжатого воздуха в накопителе ограничивают время обеспечения подачи энергии в нужном количестве.
Технической задачей заявляемого решения является стабильное обеспечение потребителей достаточным количеством электроэнергии, холодом и теплом в отдаленных районах с отсутствием электроснабжения при повышении эффективности и надежности газотурбинной установки.
Поставленная задача решается тем, что комбинированная энергосистема содержит ветродвигатель, агрегатированный с приводимым им через энергоузел компрессор, накопитель воздуха, теплообменник с горячим и холодным контурами, потребитель теплого воздуха, турбодетандер, агрегатированный с приводимым им электрогенератором, и потребитель холодного воздуха, при этом накопитель воздуха выполнен в виде гибкой оболочки, компрессор соединен газодинамически входом с атмосферой, а выходом - через горячий контур теплообменника с входом накопителя воздуха, турбодетандер соединен газодинамически входом с выходом накопителя воздуха, а выходом с входом потребителя холодного воздуха, вход и выход холодного контура теплообменника соединены между собой через потребитель теплого воздуха.
Новым в полезной модели является то, что система дополнительно содержит газотурбинную установку и магистраль с регулировочным краном, связывающую газодинамически газотурбинную установку с выходом турбодетандера, причем газотурбинная установка состоит из газогенератора и силового блока, при этом газогенератор включает компрессор газогенератора, камеру сгорания и турбину газогенератора, соединенных газодинамически последовательно между собой, где турбина и компрессор также механически связаны между собой, а силовой блок состоит из турбины блока и механически связанного с ней электрогенератора блока, при этом магистраль соединена с газотурбинной установкой через вход компрессора газогенератора, а выход турбины газогенератора связан с атмосферой через турбину силового блока.
Газотурбинная установка обеспечивает поддержание потребного уровня подачи электроэнергии потребителям при значительном изменении температуры окружающей среды.
Магистраль позволяет подводить холодный воздух на вход компрессора газогенератора для увеличения мощности газотурбинной установки при повышенном уровне температуры окружающей среды.
Регулировочный кран позволяет изменять подачу холодного воздуха потребителю холодного воздуха в зависимости от его потребности.
Газогенератор обеспечивает выработки тепловой мощности для питания силового блока.
Силовой блок, используя энергию выходящего из газогенератора горячего газа повышенного давления, создает в турбине блока механическую энергию, которая используется электрогенератором блока для выработки электроэнергии, отдаваемой потребителям.
Комбинированная энергосистема может содержать выключающее устройство (например, муфту сцепления), которое позволяет облегчить запуск газогенератора газотурбинной установки за счет уменьшения момента инерции вращающихся частей.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача. Разработана конструктивная схема энергосистемы для экономичной и постоянной по времени суммарной выработки электроэнергии, холода и тепла в условиях отсутствия внешнего электроснабжения и значительного изменения температуры окружающей среды.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания и работы комбинированной энергосистемы для получения электричества, холода и тепла со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1-3, где на фиг.1 изображена схема энергосистемы, на фиг.2-3 - варианты модернизации схемы энергосистемы.
Комбинированная энергосистема для получения электричества, холода и тепла содержит (фиг.1) ветродвигатель 1, агрегатированный с приводимым им через энергоузел 2 компрессор 3, накопитель воздуха 4, теплообменник 5 с горячим 6 и холодным 7 контурами, потребитель теплого воздуха 8, турбодетандер 9, агрегатированный с приводимым им электрогенератором 10, и потребитель холодного воздуха 11. При этом накопитель холодного воздуха 4 выполнен в виде гибкой оболочки. Компрессор 3 соединен газодинамически входом с атмосферой, а выходом - через горячий контур 6 теплообменника 5 с входом накопителя воздуха 4. Турбодетандер 9 соединен газодинамически входом с выходом накопителя воздуха 4, а выходом с входом потребителя холодного воздуха 11. Вход и выход холодного контура 7 теплообменника 5 соединены между собой через потребитель теплого воздуха 8.
В соответствии с полезной моделью комбинированная энергосистема дополнительно включает газотурбинную установку 12 и магистраль 13 с регулировочным краном 14, связывающую газодинамически газотурбинную установку 12 с выходом турбодетандера 9. Газотурбинная установка 12 состоит из газогенератора 15 и силового блока 16, при этом газогенератор 15 включает компрессор газогенератора 17, камеру сгорания 18 и турбину газогенератора 19, соединенных газодинамически последовательно между собой, где турбина 19 и компрессор 17 также механически связаны между собой, а силовой блок 16 состоит из турбины блока 20 и механически связанного с ней электрогенератора блока 21, при этом магистраль 13 соединена с газотурбинной установкой 12 через вход компрессора газогенератора 17, а выход турбины газогенератора 19 связан с атмосферой через турбину силового блока 20.
Турбодетандер 9, агрегатированный с приводимым им электрогенератором 10 (фиг.2) может быть механически связан с валом газогенератора 15.
Турбодетандер 9 и электрогенератор 10 (фиг.3) механически связаны между собой через выключающее устройство 22.
Работа комбинированной энергосистемы осуществляется следующим образом.
Воздух (см. фиг.1) из атмосферы (при работе ветродвигателя 1 вкупе с энергоузлом 2) поступает в компрессор 3, где повышается его температура и давление. Далее воздух проходит через горячий контур 6 теплообменника 5, где в холодном контуре 7 отдает тепло хладагенту, идущему к потребителю тепла 8, и охлажденный поступает в накопитель воздуха 4. В накопителе воздуха 4 воздух дополнительно охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и, выходя из него, поступает в Турбодетандер 9. В турбодетандере 9 воздух расширяется, его давление понижается практически до давления окружающей среды, а температура - до величины, существенно меньшей температуры окружающей среды; перепад давления воздуха в турбодетандере 9 создает крутящий момент на ее валу, она начинает вращаться и образующаяся мощность передается механически связанному с ней электрогенератору 10. Холодный воздух из турбодетандера 9 поступает к потребителю холодного воздуха 11 и параллельно через магистраль 13 с регулировочным краном 14 направляется на вход компрессора газогенератора 17, где смешиваясь с атмосферным воздухом понижает его температуру. В газогенераторе 15 воздух сжимается в компрессоре газогенератора 17 и поступает в камеру сгорания 18, где смешиваясь с впрыскиваемым горючим (не показано) образует горючую смесь, которая сгорает. Образовавшийся горячий газ повышенного давления поступает в турбину газогенератора 19, где его давление частично понижается; при этом образуется крутящий момент на валу турбины 19 и образующаяся мощность отдается приводимому турбиной 19 компрессору газогенератора 17. Далее газ поступает в силовой блок 16, где в турбине блока 20 давление его понижается до атмосферного уровня и газ выбрасывается в атмосферу; при этом образуется мощность, отдаваемая механически связанному с турбиной 20 электрогенератору блока 21.
В комбинированной энергосистеме по схеме фиг.2 турбодетандер 9 и механически связанная с ним турбина газогенератора 19 отдают свою мощность электрогенератору 10 и компрессору газогенератора.
В комбинированной энергосистеме по схеме фиг.3 выключающее устройство 22 может механически отключать подвод мощности к электрогенератору 10.
Подсоединение турбодетандера к валу газогенератора позволяет существенно упростить запуск газотурбинной установки, что приводит к повышению ее надежности и экономичности, так как не расходуется дополнительно топливо на осуществление запуска, а запуск производится более плавно, чем вспомогательными силовыми установками. Отключение при этом электрогенератора от турбодетандера убыстряет процесс запуска.
Для примера рассмотрим работу системы со следующими параметрами.
3
1. Объем накопителя сжатого воздуха V=10000 м.
2. В качестве ГТУ рассмотрим ПАЭС-2500 с номинальной мощностью 2.0 МВт.
3. В накопителе давление воздуха снижается от 0.25 до 0.15 МПа.
4. Расход сжатого воздуха из накопителя равен 2.0 кг/с.
5. Температура окружающей среды равна 310 К.
6. Средняя температура воздуха за турбодетандером равна 270 К.
7. Уменьшение температуры воздуха при входе в компрессор газогенератора по сравнению с температурой окружающей среды составляет 4 К.
При этом суммарное приращение мощности развиваемой турбодетандером и ГТУ составляет 200 кВт, что приводит к повышению к.п.д. ГТУ на 10%.
Таким образом, реализация представленного технического решения позволяет выполнить поставленную задачу по стабильному обеспечению потребителя электричеством, холодом и теплом с повышением экономичности и надежности газотурбинной установки за счет использования возможностей ветродвигателя и широкого использования турбодетандера.