Когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя
COGENERATION UNIT WITH DEEP WASTE ENERGY DISPOSAL OF THERMAL ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и предназначено для производства тепловой и электрической энергии при помощи когенерационных установок с двигателем внутреннего сгорания.
Когенерационные установки с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) известны достаточно давно и предназначены для комбинированной выработки тепловой и электрической энергий [Klaus Mollenhauer, Helmut Tshoke. Handbook of Diesel Engines. - Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2010]. В качестве первичного ДВС на указанных выше когенерационных установках могут применяться, например, дизели или газопоршневые двигатели. Для производства тепловой энергии на когенерационных установках с ДВС осуществляется утилизация тепловой энергии его охлаждающей жидкости и отработанного газа при помощи рекуперативных теплообменников. Нагреваемая среда (например, сетевая вода), поступая последовательно в теплообменник-утилизатор теплоты охлаждающей жидкости ДВС и его отработанных газов, утилизирует их тепловую энергию, нагревается и передается далее потребителям тепла. Рассматриваемая когенерационная установка с ДВС имеет один существенный недостаток, а именно низкую эффективность при выработке ею только электрической энергии.
Для повышения эффективности использования теплоты сгорания топлива когенерационной установкой при выработке ею только электрической энергии известен способ утилизации тепловой энергии отработанных газов ее ДВС при реализации термодинамического цикла Ренкина с паровой турбиной, работающей на водяном паре [Klaus Mollenhauer, Helmut Tshoke. Handbook of Diesel Engines. - Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2010]. При реализации вышеуказанного термодинамического цикла Ренкина с применением паровой турбины, работающей на водяном паре, отработанный газ ДВС когенерационной установки поступает в парогенератор. В парогенераторе вырабатывается за счет тепловой энергии отработанного газа ДВС перегретый водяной пар. Образованный в парогенераторе перегретый водяной пар далее расширяется в паровой турбине с совершением механической работы. После паровой турбины отработанный водяной пар поступает в его конденсатор, где за счет отдачи тепловой энергии внешнему теплоносителю конденсируется. После конденсации водяного пара образованная вода насосом подается в ее бак. Из своего бака вода другим насосом подается снова в парогенератор. В итоге все вышеописанные процессы, включая выработку водяного пара, его расширение в паровой турбине, конденсацию представляют собой цикл Ренкина.
К главным недостаткам вышеупомянутой когенерационной установки с ДВС 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 когенерационной установкой при выработке ею только электрической энергии обусловлено тем, что тепловая энергия охлаждающей жидкости и отработанного газа ее ДВС рассеивается в окружающую среду.
Также к недостаткам обозначенного выше способа повышения эффективности использования теплоты сгорания топлива ДВС когенерационных установок при реализации термодинамического цикла Ренкина следует отнести то, что он сам по себе (при термодинамических условиях, характерных для отработанных газов ДВС) является малоэффективным.
Наиболее близкой к предлагаемой является когенерационная установка (выбранная за прототип), состоящая из электрогенератора с приводом от ДВС, имеющего системы: охлаждения моторного масла, блока цилиндров, наддува, газовыхлопа, каждая из которых имеет теплообменник-утилизатор теплоты, при этом 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 [патент РФ №2280777, МПК F02G 5/04, опубл. 27.07.2006. Бюл. №21].
К недостаткам данной когенерационной установки следует отнести то, что при ее работе в летние месяцы (когда нет необходимости в выработке тепловой энергии) тепловая энергия отработанных газов и охлаждающей жидкости рассеивается в окружающую среду. При работе рассматриваемой когенерационной установки только для выработки электрической энергии отработанные газы и охлаждающая жидкость ее ДВС направляются в обход теплообменников-утилизаторов их теплоты. При этом отработавшие газы ДВС выбрасываются в окружающую среду, а охлаждающая жидкость ДВС направляется в воздушный радиатор. В воздушном радиаторе тепловая энергия охлаждающей жидкости ДВС рассеивается потоком воздуха в окружающую среду.
Задачей данного изобретения является создание когенерационной установки с ДВС, обладающей высокой эффективностью при ее работе как при выработке тепловой и электрической энергий, так и на режиме выработки только электрической энергии за счет глубокой утилизации тепловой энергии отработанных газов и охлаждающей жидкости ее ДВС.
Когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя содержит 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 соединены 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.
На фиг. 1 изображена схема когенерационной установки с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя.
Когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя содержит ДВС 1 с электрогенератором, трехходовой кран 2, насос системы охлаждения ДВС 3, теплообменник-утилизатор теплоты системы охлаждения ДВС 4, теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов ДВС 5, вентили 6 и 7, парогенератор водяного пара 8, детандер водяного пара с электрогенератором 9, циркуляционный насос воды 10, испаритель-конденсатор 11, детандеры пара хладагента с электрогенераторами 12, 16, конденсаторы хладагента 13, 17, циркуляционные насосы хладагента 14, 18, испаритель хладагента 15, магистрали отработанного газа 19, 20, гидролинии 21, 22, 27, 28, 29, 30, 31, 32, гидролинии хладагента 23, 24, 25, 26.
Когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя работает следующим образом.
При работе ДВС 1 его электрогенератор вырабатывает электроэнергию, которая предназначена для электрической сети потребителей. Для выработки тепловой энергии когенерационной установкой с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя, например в зимнее время, охлаждающая жидкость ее ДВС трехходовым краном 2 при помощи насоса системы охлаждения ДВС подается в теплообменник-утилизатор теплоты системы охлаждения ДВС. При этом вентиль 7 закрыт, а вентиль 8 открыт. Отработанный газ ДВС направляется по магистрали отработанного газа ДВС 19 и открытый вентиль 6 к теплообменнику-утилизатору теплоты отработанных газов ДВС 5. В теплообменниках-утилизаторах теплоты системы охлаждения ДВС 4 и отработанных газов ДВС 5 теплота передается воде, которая поступает к ним от потребителей тепловой энергии по гидролиниям 27. Причем вода от потребителей тепловой энергии по гидролинии 27 поступает сначала к теплообменнику-утилизатору тепловой энергии системы охлаждения ДВС 4, затем к теплообменнику-утилизатору теплоты отработанных газов ДВС 5 и далее направляется обратно к потребителям тепловой энергии.
Для выработки только электрической энергии когенерационной установкой с глубокой утилизацией тепловой энергией теплового двигателя, например в летнее время, отработанный газ ДВС направляется по магистралям отработанного газа ДВС 19 и 20 к вентилю 7 и далее в парогенератор водяного пара 8. При этом вентиль 7 открыт, а вентиль 6 закрыт. В свою очередь, трехходовой кран 2 направляет охлаждающую жидкость ДВС из гидролинии 28 в гидролинию 30 и далее в испаритель хладагента 15. В парогенераторе водяного пара 8 из воды, которая подводится к нему при помощи циркуляционного насоса воды 10 по гидролиниям 22, теплотой отработанного газа ДВС генерируется перегретый водяной пар. Из парогенератора водяного пара 8 перегретый водяной пар по гидролинии 21 поступает в детандер водяного пара с электрогенератором 9, где, расширяясь, совершает механическую работу с выработкой электрической энергии, которая передается ее потребителям. После детандера водяного пара с электрогенератором 9 отработанный водяной пар по гидролинии 21 направляется к конденсатору-испарителю 11. В конденсаторе-испарителе 11 водяной пар конденсируется до жидкого состояния и по гидролинии 22 поступает обратно к циркуляционному насосу воды 10. Конденсация отработанного водяного пара в конденсаторе-испарителе 11 осуществляется за счет циркуляции через него жидкого хладагента, например фреона. При этом жидкий хладагент к конденсатору-испарителю поступает при помощи циркуляционного насоса хладагента 18 по гидролинии хладагента 26. При конденсации отработанного водяного пара в конденсаторе испарителе 11 за счет энергии, которая при этом выделяется, жидкий хладагент нагревается, испаряется и перегревается. После конденсатора-испарителя 11 перегретый пар хладагента по гидролинии 23 поступает к детандеру пара хладагента с электрогенератором 12, где, расширяясь, совершает механическую работу с выработкой электрической энергии. Выработанная вышеуказанным образом электрическая энергия передается ее потребителям. После детандера пара хладагента с электрогенератором 12 отработанный пар хладагента по гидролинии 23 поступает в конденсатор хладагента 13. В конденсаторе хладагента 13 за счет передачи тепловой энергии потоку воздуха пар хладагента конденсируется. Далее жидкий хладагент по гидролинии 24 циркуляционным насосом хладагента 14 подается в испаритель хладагента 15. В испарителе хладагента 15 за счет тепловой энергии охлаждающей жидкости ДВС хладагент нагревается, испаряется и перегревается. Далее перегретый пар хладагента по гидролинии 25 направляется в детандер пара хладагента с электрогенератором 16. В детандере пара хладагента с электрогенератором пар хладагента расширяется с совершением механической работы и выработке электрической энергии, которая передается ее потребителям. После детандера пара хладагента с электрогенератором 16 отработанный пар хладагента по гидролинии 25 поступает в конденсатор хладагента, где, отдавая теплоту воздуху, конденсируется и далее в жидком виде циркуляционным насосом хладагента 18 по гидролинии 26 подается к конденсатору-испарителю 11, в результате чего вышеописанный цикл замыкается.
Заявленная когенерационная установка с глубокой утилизацией тепловой энергии теплового двигателя может быть использована в качестве теплоэлектроцентрали, производящей тепловую и электрическую энергию для нужд промышленных предприятий или отдельных жилых районов. Применение ее позволит максимально повысить эффективность использования теплоты сгорания топлива.