ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению, в частности к энергетическим установкам на базе роторных машин объемного типа (далее - РМОТ), которые могут использоваться преимущественно на малой мощности до 6 МВт.
Из уровня техники известна тепловая электростанция, в которой энергетическая установка состоит из роторной машины объемного типа и связанного с ней электрогенератора. Для ее работы используется рабочее тело в виде острого пара, которое генерируется парогенератором этой электростанции. Кроме этого в электростанцию входят конденсатное устройство, конденсатный насос, подогреватель, деаэратор и питательный насос. В качестве роторной машины объемного типа использована винтовая машина (см. патент RU 9482, кл. F01K 9/00, опубл. 16.03.1999). Недостатком используемой в данном патенте энергетической установки, включающей винтовую машину, является низкая эффективность рабочего цикла расширения пара на режимах, при которых давление пара в конце внутреннего расширения отличается от давления пара в выходном патрубке. Такое неоптимальное расширение пара кроме этого ведет к появлению дополнительных пульсирующих газовых сил внутри винтовой машины, что создает периодическую ударную нагрузку на опоры ее валов роторов, которая может привести к преждевременному выходу из строя подшипников этих опор. Такой недостаток в работе характерен для всех энергетических установок на базе РМОТ. В результате энергетическая установка в целом обладает относительно невысоким КПД.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности получения электроэнергии заданных параметров. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в энергетической установке, содержащей источник рабочего тела, роторную машину объемного типа и связанный с ней электрогенератор, электрогенератор соединен с блоком электрооборудования, преобразующим получаемую электроэнергию в электроэнергию требуемого напряжения и частоты, причем энергетическая установка снабжена системой управления, обеспечивающей возможность определения текущих значений вырабатываемой мощности, частоты вращения электрогенератора, давления и/или температуры рабочего тела на входе и на выходе роторной машины, а также задания величины расхода топлива и/или расхода рабочего тела в источнике рабочего тела.
На чертеже представлена предлагаемая энергетическая установка.
Энергетическая установка содержит роторную машину объемного типа 3, связанного с ней электрогенератора 4, блока электрооборудования 5 и системы управления 6. Для работы энергетической установки используется источник рабочего тела, например, в виде топливосжигающего парового котла 1 с системой управления котла 2. Блок электрооборудования 5 обеспечивает возможность работы электрогенератора 4 на переменных частотах вращения за счет преобразования получаемой от электрогенератора электроэнергии в электроэнергию требуемого напряжения и частоты (например, 380 В и 50 Гц). Применение блока 5 позволяет отказаться от использования редуктора, как правило, необходимого для обеспечения режима работы электрогенератора переменного тока. Кроме этого нет необходимости устанавливать между котлом 1 и РМОТ 3 регулирующие элементы для изменения параметров рабочего тела с целью управления режимами энергетической установки.
При работе энергетической установки должен поддерживаться оптимальный перепад давления рабочего тела на входе и выходе РМОТ 3. Указанный оптимальный перепад определяется, главным образом, внутренней геометрической степенью расширения этой машины и дроссельными потерями энергии рабочего тела при его расширении внутри РМОТ. Перепад давления рабочего тела на входе и выходе РМОТ считается оптимальным, если расхождение давления рабочего тела в конце внутреннего расширения и выходном патрубке не превышает 0,5 МПа. Под внутренним расширением рабочего тела в РМОТ понимается процесс расширения рабочего тела, при котором поступление рабочего тела в парную полость (ПП) или отток его из полости, образуемой между профильными поверхностями роторов и поверхностями корпуса РМОТ, через предусмотренные для этого окна отсутствует. Внутренняя геометрическая степень расширения РМОТ определяется, как отношение максимального объема ПП к минимальному.
1
1
2
2
Управление работой энергетической установки осуществляет система управления 6, которая оперирует следующими параметрами: рабочая частота энергетической установки f; вырабатываемая мощность N; параметры рабочего тела на входе (P; T) и выходе (P; T) РМОТ; расход топлива в котел F; расход рабочего тела в котел и/или из котла D и др. Система управления 6 может работать в автоматическом, ручном или полуавтоматическом режимах в зависимости от режимов работы энергетической установки, и, при необходимости, осуществлять выполнение промежуточных расчетных операций.
Частота вращения выходного вала электрогенератора 4 может быть рассчитана через частоту вращения выходного вала РМОТ 3, частоту возбуждения электрогенератора 4 или другие параметры, обеспечивающие точность не ниже 5%. Расход топлива F и расход рабочего тела D измеряются расходомерными устройствами или оцениваются по другим параметрам. Например, расход рабочего тела через РМОТ 3 может быть оценен на основании параметров рабочего тела перед РМОТ 3 и рабочей частоте энергетической установки. В качестве вырабатываемой мощности может подразумеваться мощность, вырабатываемая электрогенератором 4 или энергетической установкой в целом, а также данный параметр может оцениваться по другим показателям, например, на основании параметров рабочего тела перед и после РМОТ 3 и рабочей частоте энергетической установки. Для управления режимами энергетической установки также могут использоваться другие параметры: расход рабочей среды через другие элементы энергетической установки, их параметры рабочего тела, которые могут позволить оценивать перечисленные выше параметры с точностью до 30%.
Предлагаемая энергетическая установка работает следующим образом.
Рабочее тело в виде пара, образующегося в котле 1, расширяясь в РОМТ 3, совершает работу, которая с помощью электрогенератора 4 и блока 5 преобразуется в электроэнергию заданных параметров.
Система управления 6 может работать по активному, пассивному или смешенному алгоритму. Активный режим работы системы управления подразумевает выдачу ею управляющих команд на системы управления источника или источников рабочего тела и/или исполнительные элементы, влияющие на величину расхода рабочего тела на входе РМОТ 3 или ее выходе. При пассивном режиме системы управления обеспечивает работу энергетической установки исходя из фактического расхода рабочего тела, поступающего на энергетическую установку.
Для описания активного алгоритма на конкретном примере, рассмотрим два варианта работы энергетической установки, в которой система управления 6 может воздействовать на систему управления котла 2 для изменения величины расход рабочего тела на выходе котла 1.
В первом варианте рассмотрим работу энергетической установки, когда известны временные и количественные параметры работы энергетической установки и источника рабочего тела. В этом случае после того как на систему управления 6 поступило новое задание на требуемую величину вырабатываемой электрической и/или тепловой мощности, она последовательно дает управляющие команды: системе управления котла 2 изменить расход рабочего тела D на выходе котла 1; блоку электрооборудования 5 на изменение частоты вращения электрогенератора f. При этом система управления 6 может контролировать другие рабочие параметры энергетической установки для обеспечения оптимального соотношения параметров рабочего тела на входе и выходе РМОТ 3.
1
1
2
2
Во втором варианте рассмотрим работу энергетической установки с источником рабочего тела, для которого неизвестны временные характеристики его работы. В этом случае после того как на систему управления 6 поступило новое задание на требуемую величину вырабатываемой электрической и/или тепловой мощности, она определяет текущие значения: вырабатываемой электрической и/или тепловой мощности N, частоты вращения электрогенератора f, давления и/или температуры рабочего тела на входе (P; T) и на выходе (P; T) роторной машины и других параметров, и на их основе задает системе управления котла 2, требуемую энергетической установке величину расхода рабочего тела D для перехода на заданное значение мощности. Изменение расхода рабочего тела D на выходе котла 1 ведет к нарушению оптимального соотношения параметров рабочего тела на входе и выходе РМОТ 3, которое фиксирует система управления 6. После этого система управления 6 дает управляющие команды блоку электрооборудования 5 на изменение частоты вращения электрогенератора f до восстановления оптимального соотношения параметров рабочего тела на входе и выходе РМОТ 3 на новом режиме.
Для описания пассивного алгоритма на конкретном примере, рассмотрим два варианта работы энергетической установки. Пассивный алгоритм реализуется в случае, когда система управления 6 не может воздействовать на систему управления источника рабочего тела 2 для изменения величины расход рабочего тела на выходе котла 1. В этом случае система управления 6 обеспечивает оптимальное соотношение параметров рабочего тела на входе и выходе РМОТ 3.
В первом варианте система управления 6 контролирует оптимальное соотношение параметров рабочего тела на входе и выходе РМОТ 3. В случае его нарушения система управления 6 дает управляющие команды блоку электрооборудования 5 на изменение частоты вращения электрогенератора f до восстановления оптимального соотношения на новом режиме.
Во втором варианте предполагается, что байпасом к РМОТ 3 энергетической установлены другие технологические элементы, через которые можно в любой момент изменить расход рабочего тела, идущего через них. В этом случае система управления 6 контролирует оптимальное соотношение параметров рабочего тела на входе и выходе РМОТ 3. Если это соотношение нарушается, то система управления 6 дает управляющие команды на исполнительные элементы с цель его восстановления за счет изменения расход рабочего тела через технологические элементы, установленные байпасом.
Полезная модель позволяет создать энергетическую установку с лучшими удельными объемными и массовыми показателями среди известных паровых энергетических установок мощностью менее 6 МВт при срабатывании перегретого и влажного пара, а также увеличить надежность, срок эксплуатации и КПД устройства.