Энергетическая установка с машинным преобразованием энергии
POWER PLANT WITH MACHINE CONVERSION OF ENERGY

Изобретение относиться к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкциях турбокомпрессорных энергетических установок.
Из технической литературы известно, что достаточно высокую эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую могут обеспечить установки с машинным преобразованием энергии, реализующие замкнутый термодинамический цикл Брайтона, включающий нагрев газообразного рабочего тела, преобразование тепловой энергии в механическую энергию посредством турбокомпрессора, регенерацию тепла оставшегося в рабочем теле после преобразования и отвод остаточного (после регенерации) низкопотенциального тепла из рабочего контура во внешнюю среду (А.А. Гуров, Д.Д. Севрук, Д.Н. Суриков "Конструкция и проектирование жидкостных двигательных установок", изд. "машиностроение", 1980 г., стр. 16). Основной недостаток такой установки обусловлен значительными потерями тепловой энергии за счет отвода низкопотенциального тепла в окружающее пространство, что практически ограничивает ее коэффициент полезного действия (к.п.д.) величиной не более 30%.
Известна схема энергоустановки представленная патентом РФ №2508460 с приоритетом от 10.07.12; в которой, наряду с термодинамическим циклом Брайтона (в основном рабочем контуре) реализуется термодинамический цикл Ренкина (в контуре отвода тепла из основного рабочего контура), в котором, часть отводимого низкопотенциального тепла преобразуется в механическую энергию посредством турбонасосного агрегата, паровая турбина которого дополняет мощность, передаваемую на вал электрогенератора.
Выполненная в соответствии с вышеуказанной схемой и принятая за прототип изобретения энергетическая установка, в состав которой входят: электрогенератор; магистральный контур, реализующий замкнутый термодинамический цикл Брайтона, включающий источник тепла, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, теплообменник-регенератор, теплопередающий тракт теплообменника-парогенератора; и парожидкостной контур, реализующий цикл Ренкина, включающий источник тепла (в виде теплообменника-парогенератора), турбонасосный агрегат с паровой турбиной, кинематически связанный с электрогенератором, и холодильник-конденсатор. Эта установка обеспечивает за счет дополнительной мощности увеличение к.п.д. энергоустановки на 3% по сравнению с аналогом.
Недостаток данной энергоустановки, как и энергоустановки-аналога, заключается в том, что основная часть мощности турбины тратиться на привод компрессора, что обусловлено высокой работой сжатия газообразного рабочего тела с относительно низкой плотностью, при использовании его в цикле Брайтона.
к
т
Так, энергоустановки, выполненные в соответствии с аналогом и прототипом изобретения, реализующие замкнутый термодинамический цикл (цикл Брайтона) с температурой газообразного рабочего тела на входе в турбину 1200 К, на входе в компрессор 400 К, максимальным давлением в контуре 37 ата и расходом через замкнутый контур 3,6 кг/с при уровне достигнутых к настоящему времени к.п.д. компрессора и турбины μ=μ=0,8, имеют следующие мощностные характеристики:
у энергоустановки-аналога мощность компрессора и турбины, соответственно, равны 436 кВт и 527 кВт (затраты мощности турбины на привод компрессора соответственно 82,7%), мощность, поступающая на вал электрогенератора 91 кВт, что при к.п.д. электрогенератора ~0,91 и мощности вырабатываемой им электроэнергии, отбираемой на самопотребление энергоустановки ~10 кВт, обеспечивает выход полезной электрической мощности энергоустановки ~79,5 кВт и ее к.п.д. ~0,1346;
у энергоустановки-прототипа мощность компрессора и суммарная мощность турбин, соответственно, равны 466 кВт и 546 кВт (затраты мощности на привод компрессора и насоса ~79,8%), мощность на валу электрогенератора 110 кВт, полезная мощность ~90 кВт, к.п.д. ~0,1646.
Изобретение направлено на повышение к.п.д. энергоустановки путем уменьшения затрат энергии турбин на привод компрессора.
Результат обеспечивается тем, что теплообменник-парогенератор включен теплопередающим трактом в магистраль газового контура, реализующего термодинамический цикл Брайтона, между источником тепла и турбиной турбокомпрессора, а теплопринимающим трактом - в магистраль парожидкостного контура - на входе в паровую турбину турбонасосного агрегата; при этом в магистраль парожидкостного контура между насосом турбонасосного агрегата и теплообменником-парогенератором последовательно включены теплопринимающими трактами межконтурный теплообменник, теплопередающий тракт которого включен в магистраль между теплообменником-регенератором тепла и теплообменником-холодильником газового контура, и теплообменник-регенератор тепла парожидкостного контура, теплопередающий тракт которого включен в магистраль между выходом турбины турбонасосного агрегата и входом в холодильник-конденсатор.
При таком исполнении энергетической установки суммарные затраты мощностей турбин (располагаемой мощности) на привод компрессора и насоса (потребная мощность) могут быть уменьшены до 37% от их величины за счет уменьшения степени сжатия компрессора с 2,6, как у прототипа, до величины 1,23, достаточной для прокачки газообразного теплоносителя через контур при равенстве мощностей компрессора и турбины, что позволяет (при снижении общего уровня энергобаланса кинематической группы турбокомрессор-электрогенератор-турбонасосный агрегат) за счет мощности паровой турбины, практически полностью поступающей на вращение электрогенератора, увеличить выход полезной электроэнергии энергетической установки и, соответственно, повысить ее коэффициент полезного действия.
На рисунке представлена принципиальная схема предлагаемой энергетической установки.
В состав энергоустановки входят:
- электрогенератор 1;
- замкнутый газовый контур, включающий нагреватель 2, турбокомпрессор 3, соединенный валом через муфту 4 с валом электрогенератора 1, теплообменник-регенератор 5, теплопередающий тракт теплообменника-парогенератора 6 в магистрали между нагревателем 2 и турбиной турбокомпрессора 3, теплопередающий тракт дополнительного межконтурного теплообменника 7 в магистрали на выходе теплопередающего тракта теплообменника-регенератора 5, теплообменник-холодильник 8;
- замкнутый парожидкостной контур, включающий турбонасосный агрегат 9, соединенный валом через муфту 10 с валом электрогенератора 1, теплопринимающий тракт теплообменника-парогенератора 6, теплообменник-регенератор 11, теплопринимающий тракт межконтурного теплообменника 7 в магистрали между насосом турбонасосного агрегата 9 и теплопринимающим трактом теплообменника-регенератора 11, холодильник-конденсатор 12;
- в состав энергоустановки входит также холодильник 13 системы отвода низкопотенциального тепла из газового контура.
При работе энергетической установки в газовом контуре, реализующем замкнутый термодинамический цикл Брайтона, газообразное рабочее тело с выхода компрессора турбокомпрессора 3 поступает теплообменник-регенератор 5, где нагревается за счет теплообмена с отработанным в турбине турбокомпрессора 3 рабочим телом, после чего поступает в нагреватель р 2, где нагревается до максимальной температуры цикла. Из нагревателя 2, высокотемпературное газообразное рабочее тело поступает в теплообменник-парогенератор 6, в котором передает часть тепла рабочему телу парожидкостного контура энергоустановки, после чего направляется в турбину турбокомпрессора 3. В турбине турбокомпрессора 3 тепловая энергия газа преобразуется в механическую энергию, которая полностью или частично компенсирует затраты потребной энергии привода компрессора, а избыток ее через муфту 4 передается электрогенератору 1. Из турбины турбокомпрессора 3 газообразное рабочее тело поступает в теплообменник-регенератор 5, где часть тепловой энергии передается рабочему телу на выходе компрессора турбокомпрессора 3 и, далее, в теплопередающий тракт межконтурного теплообменника 7, где оставшаяся в газообразном теплоносителе (за вычетом низкопотенциального тепла) тепловая энергия передается в парожидкостный контур энергоустановки. Из теплообменника 7 газообразное рабочее тело поступает в теплообменник-холодильник 8, в котором осуществляется теплоотвод оставшегося в нем низкопотенциального тепла в холодильник 13.
При этом параметрической особенностью реализуемого в предлагаемой энергетической установке цикла Брайтона является следующее: потребная и располагаемая мощность турбокомпрессора 3 незначительны и близки по величине, так-как газовый контур обеспечивает лишь теплосъем с нагревателя 2 и передачу тепла в парожидкостной контур теплообменника-парогенератора 6, для чего необходим минимальный (необходимый для преодоления гидросопротивления тракта газового контура) напор компрессора и, соответственно, его минимальная потребная мощность, а передача мощности на вал электрогенератора 1 в основном осуществляется в парожидкостном контуре энергоустановки, реализующем термодинамический цикл Ренкина, где при минимальной потребной мощности насоса, обусловленной высокой плотностью его рабочего тела (в 32…55 раз выше, чем в цикле Брайтона), практически вся мощность турбины турбонасосного агрегата 9 передается на вал электрогенератора 1.
В процессе, реализующим цикл Ренкина при работе энергоустановки, в теплообменнике-парогенераторе 6 за счет поступившего из газового контура тепла происходит испарение оставшейся в теплоносителе жидкой фазы (основная часть ее переходит в парообразное состояние в теплообменнике-регенераторе 11), и подогрев его до максимальной температуры цикла - температуры рабочего тела на входе в турбину турбонасосного агрегата 9. Посредством турбины тепловая энергия перегретого пара преобразуется в механическую энергию, незначительная часть которой расходуется на привод насоса турбонасосного агрегата 9, а основная часть через муфту 10 передается электрогенератору 1, который при вращении ротора преобразует механическую энергию в электрическую энергию. Перегретый пар, с выхода турбины, поступает в теплообменник-регенератор 11, где за счет передаваемого от него тепла происходит подогрев и испарение основной части поступающего из насоса турбонасосного агрегата 9 и подогретого в межконтурном теплообменнике 7 жидкого теплоносителя. После теплообменника-регенератора 11 охлажденное парообразное рабочее тело поступает в холодильник- конденсатор 12, где происходит его конденсация и охлаждение до минимальной температуры цикла Ренкина, после чего жидкое рабочее тело поступает в насос турбонасосного агрегата 9.
Расчетная оценка, проведенная применительно к энергетической установке с расходом газового теплоносителя в цикле Брайтона 3,6 кг/с, параметрами и характеристиками, указанными выше для аналога и прототипа и использованием в парожидкостном контуре воды с расходом ~0,204 кг/с, минимальной температурой цикла Ренкина (на входе в насос турбонасосного агрегата) 400 К; с давлением на входе в насос 4,4 ата, а на выходе из насоса 60 ата, показывает, что при значении коэффициентов полезного действия насоса и турбины турбонасосного агрегата, соответственно, 0,3 и 0,7 (экспериментально подтвержденные величины) возможно достижение коэффициента полезного действия энергоустановки ~0,2, что на ~3,5% выше, чем у прототипа.