ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Техническое решение относится к энергоустановкам, предназначенным для получения тепловой и электрической энергии для энергоснабжения стационарных объектов.
Известны энергоустановки для получения электрической и тепловой энергии, например, из US 4752697, в которых электроэнергия вырабатывается электрогенератором, приводимым поршневым двигателем внутреннего сгорания, а тепловая энергия получается от теплоносителя системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
Потребность питаемых объектов в тепловой и электрической энергии в разные периоды времени различна, а значит, необходимо и сбалансированное вырабатывание тепловой и электрической энергии в каждый момент времени. Это является трудно разрешимой задачей, т.к. вырабатываемая двигателем тепловая энергия находится в зависимости от его мощности - мощности вырабатываемой электроэнергии. Большинство реализованных в настоящее время таких энергоустановок при выработке энергии ориентируется на потребителя электроэнергии. Тепловую же составляющую пытаются использовать в целях отопления или обеспечения горячей водой, а при отсутствии такой возможности просто сбрасывают в систему охлаждения. Это приводит к значительным потерям энергии. Известны разные способы обеспечения сбалансированного вырабатывания тепловой и электрической энергии в зависимости от нужд потребителя.
В патенте US 4686378 предлагается соединение электрогенератора с двигателем внутреннего сгорания через специальный редуктор, обеспечивающий независимость частоты вращения вала электрогенератора от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Это позволяет сделать в определенных пределах независимыми количество вырабатываемой тепловой и электрической энергии. Однако из-за особенностей работы двигателя внутреннего сгорания эти пределы являются весьма узкими.
Как показано в патенте US 5617504, для утилизации избыточной электроэнергии и перевода ее потребителю тепловой энергии в контуре обращения теплоносителя может устанавливаться электрический нагреватель. Однако при таком решении отсутствует утилизация избыточной тепловой энергии.
Наиболее простой схемой утилизации избыточной тепловой энергии, указанной в патенте US 4510756, является ее аккумулирование, путем нагрева большого объема воды. Однако это дает возможность накапливать лишь небольшое количество тепловой энергии для уравновешивания суточного ее потребления. При этом невозможно сбалансировать ее сезонное потребление зимой и летом.
В ряде патентов, например в US 7143589, предлагается избыточную тепловую энергию использовать для получения холода, который использовать в системах кондиционирования. Согласно этому патенту зимой избыточное тепло используется для отопления, а летом - для кондиционирования воздуха. Однако такое распределение энергии не всегда соответствует потребностям обеспечиваемого помещения.
Некоторые изобретатели предлагают избыточное тепло использовать для осуществления химических реакций. Например, в энергоустановке в патенте US 5343699, избыточное тепло используется для получения из топлива синтез-газа. Однако для осуществления химических реакций необходимо высокопотенциальное тепло, источником которого могут служить только отработавшие газы. В то же время температура охлаждающей жидкости, являющейся основным носителем избыточного тепла, в контуре охлаждения двигателя внутреннего сгорания не может превышать 110°С.
Более близким аналогом является показанная в выданном в США патенте US 2051240 энергоустановка для выработки электрической и тепловой энергии, содержащая двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, имеющий привод от двигателя, водонагревательный котел, средства нагрева воды в котле отработавшими газами двигателя, жидкостью системы охлаждения двигателя и электрической энергией, электрическую линию для подачи электрической энергии потребителям электрической энергии, средства для подачи потребителям тепловой энергии от водонагревательного котла. В этой энергоустановке для работы двигателя используется топливо нефтяного происхождения, что существенно повышает стоимость вырабатываемой энергии.
2
Значительное сокращение запасов нефти, служащей сырьем для производства топлив, а также накопление неиспользуемых остатков растительного сырья послужило стимулом для разработки способов получения энергии из биомассы. Одним из наиболее перспективных направлений является получение из биомассы биотоплива, которое можно использовать в традиционных двигателях внутреннего сгорания для выработки электрической и тепловой энергии. Кроме того, растительное происхождение такого биотоплива позволяет организовать циркуляцию углекислого газа СО в природе, тем самым значительно ограничив появление новых объемов этого газа в атмосфере для уменьшения парникового эффекта.
Задача - создание энергоустановки для выработки электрической и тепловой энергии из биомассы с обеспечением утилизации возможного избыточного тепла путем сбалансированной выработки тепловой и электрической энергии в соответствии с требованиями стационарного объекта.
Решение задачи обеспечено тем, что энергоустановка для выработки электрической и тепловой энергии содержит двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, имеющий привод от двигателя, водонагревательный котел, средства нагрева воды в котле отработавшими газами двигателя, жидкостью системы охлаждения двигателя и электрической энергией, аппарат для получения из биомассы пиролизного масла, аппарат для получения из пиролизного масла биотоплива для двигателя, электрическую линию для подачи электрической энергии к указанным аппаратам и потребителям электрической энергии, средства для подачи к аппаратам и потребителям тепловой энергии от водонагревательного котла.
В энергоустановке, охарактеризованной приведенной совокупностью признаков, производится выработка электрической и тепловой энергии из биомассы с обеспечением возможности гибкого варьирования соотношения вырабатываемых электрической и тепловой энергии в зависимости от текущих потребностей. Технологическая цепочка получения энергии из биомассы состоит из этапов получения из биомассы методом быстрого пиролиза масла, получения из пиролизного масла биотоплива, подачи биотоплива в двигатель для выработки тепловой и электрической энергии. При объединении всех элементов в одной энергоустановке, часть вырабатываемой электроэнергии необходимо отводить на осуществление процессов получения пиролизного масла и биотоплива. Т.к. эти процессы происходят при повышенных температурах, избыточная тепловая энергия может поступать на частичное обеспечение этих тепловых затрат, сокращая тем самым потребление технологическим процессом электроэнергии. При преобразовании же избыточной электроэнергии, она может переводиться в тепловую посредством электронагревателя, расположенного в водонагревательном котле.
Средства нагрева воды в котле обработавшими газами двигателя и жидкостью системы охлаждения двигателя и средства для подачи тепловой энергии выполнены в виде теплообменников, установленных в водонагревательном котле.
Созданная энергоустановка для выработки электрической и тепловой энергии содержит двигатель внутреннего сгорания 1, электрогенератор 2, имеющий привод от двигателя 1, водонагревательный котел 3 со средствами нагрева воды в нем жидкостью системы охлаждения двигателя, отработавшими горячими газами двигателя и электрической энергией, получаемой от электрогенератора 2. Средства нагрева воды в котле 3 жидкостью системы охлаждения двигателя выполнены в виде расположенного в котле 3 теплообменника 4, соединенного трубопроводами 5 с рубашкой системы охлаждения двигателя. Средства нагрева воды в котле отработавшими газами двигателя выполнены в виде газожидкостного теплообменника 6, расположенного в выпускном тракте 7 двигателя и соединенного трубопроводами с теплообменником 8, установленным в котле 3. Средства подогрева воды в котле электрической энергией выполнены в виде электронагревателя 9, соединенного электрической линией 10 с подключенным к электрогенератору 2 распределительным щитом 11, к которому подключен потребитель 12 электрической энергии.
Энергоустановка содержит аппарат 13 для получения из биомассы пиролизного масла и аппарат 14 для получения из пиролизного масла биотоплива, подаваемого по трубопроводу 15 к двигателю 1. Аппараты 13 и 14 соединены электрической линией 16 с распределительным щитом 11 для подачи к ним электрической энергии. Для подачи к аппаратам 13, 14 тепловой энергии, а именно горячей воды, они соединены трубопроводами 17 с теплообменником 18, установленным в котле 3. Кроме того, в котле 3 расположен теплообменник 19, соединенный трубопроводами 20 с потребителями 21 тепловой энергии.
Данная энергоустановка работает следующим образом. На вход энергоустановки подается биомасса, представляющая собою отходы сырья растительного происхождения. В аппарате 13 по получению пиролизного масла в результате процесса быстрого пиролиза получается масло. Это масло с целью улучшения его физико-химических свойств и обеспечения возможности его применения в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания 1 поступает в аппарат 14 по получению биотоплива. Созданное биотопливо поступает в двигатель внутреннего сгорания по трубопроводам 15, обеспечивая его работу. Двигатель внутреннего сгорания 3 приводит электрогенератор 2, вырабатывающий электроэнергию.
От электрогенератора 2 электроэнергия поступает в распределительный щит 11, где при необходимости происходит ее преобразование и передача к потребителю 12 электрической энергии. Кроме того, часть выработанной электроэнергии от распределительного щита 11 поступает на обеспечение нужд аппарата 13 по получению пиролизного масла и аппарата 14 по получению биотоплива.
Нагретая вода, поступающая из рубашки системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания 1, направляется по трубопроводам 5 в водонагревательный котел 3, где посредством теплообменника 4 происходит нагрев воды в водонагревательном котле 3. Также вода в водонагревательном котле подогревается теплом, поступающим от отработавших газов через теплообменники 6 и 8. Тепло от воды в водонагревательном котле 3 через теплообменник 19 нагревает воду, которая по трубопроводам 20 поступает к потребителю 21 тепловой энергии. Кроме того, часть тепловой энергии передается через теплообменник 18 воде, циркулирующей в трубопроводах 17 системы снабжения горячей водой аппаратов по получению пиролизного масла и биотоплива.
Варьирование соотношения электрической и тепловой энергии в зависимости от текущих потребностей осуществляется следующим образом.
При наличии избыточной электроэнергии и недостаточности тепловой энергии на данном режиме работы двигателя внутреннего сгорания 1 избыточное количество электроэнергии от распределительного щита 11 поступает к электронагревателю 9, который дополнительно нагревает воду в водонагревательном котле 3. При этом система управления всей энергоустановкой приводит режим работы двигателя к оптимальному по количеству вырабатываемой тепловой и электрической энергии с учетом поступления дополнительного тепла от электронагревателя 9. Таким образом осуществляется преобразование избыточной электрической энергии в необходимую тепловую.
При наличии избыточной тепловой энергии и недостаточности электрической энергии на данном режиме работы двигателя внутреннего сгорания 1 избыточная тепловая энергия поступает посредством горячей воды от водонагревательного котла 3 по трубопроводам 17 к аппаратам по получению пиролизного масла и биотоплива, тем самым высвобождая часть электрической энергии, участвующей в таких технологических процессах получения биотоплива, как подогрев сырья, его сушка и др. При этом система управления всей энергоустановкой приводит режим работы двигателя к оптимальному по количеству вырабатываемой тепловой и электрической энергии с учетом поступления дополнительной энергии к аппаратам 13, 14 по получению пиролизного масла и биотоплива. Таким образом осуществляется преобразование избыточной тепловой энергии в необходимую электрическую энергию. В результате обеспечена сбалансированная выработка тепловой и электрической энергии из биомассы.