Теплоэлектрическая станция

Теплоэлектрическая станция относится к энергетическому машиностроению и может быть использована в качестве стационарного,  мобильного, основного или резервного энергетического устройства на автономных объектах,  для резервирования систем  тепло- и электроснабжения социально значимых и особо важных объектов, а также в мобильном варианте для аварийного  восстановления тепло- и электроснабжения жилых и общественных зданий.
По уровню техники известны изобретения и полезные модели подобного  назначения.
Патент на изобретение  RU 2156922 C2, Автономная система теплоснабжения и электроснабжения, опубликован 27.09.2000 , Бюл. №27.  Состоит из дизель-генератора с утилизатором тепла отработавших газов и гидромеханического генератора тепла с электродвигателем.
Недостатком  такой конструкции  является  низкий  КПД  из-за двойного преобразования теплоты сгорания топлива в механическую энергию в двигателе внутреннего сгорания и затем в электрическую энергию с последующим преобразованием ее вновь в тепловую  гидромеханическим  генератором с электродвигателем.   Утверждение авторов о возможности преобразования энергии в гидромеханическом генераторе с коэффициентом 1,6 является ошибочным.
Патент на изобретение  RU 2280771 C1,  Энергетическая установка, опубликован 17.07.2006 года.  Энергетическая установка включает электрический генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания, теплообменники утилизации тепла системы охлаждения блока цилиндров, моторного масла и наддува газовыхлопа,  которые последовательно включаются в общем контуре генерации тепла.  Для защиты двигателя от перегрева установлен трехходовой кран, который при достижении высокой температуры в системе охлаждения блока цилиндров переводит охлаждающую жидкость из теплообменника утилизации тепла в радиатор аварийного охлаждения.
Недостатком изобретения является последовательное включение теплообменных устройств в системе  утилизации тепла, что создает неравные условия для теплопередачи от разных источников тепла и снижает надежность работы всей системы утилизации тепла. В  системе управления энергетической установки,  управление электроснабжением не связано с управлением теплоснабжением тогда как количество генерируемого тепла в целом, напрямую зависит от электрической нагрузки.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели служит патент на полезную модель RU 71734 U1, Автономная система теплоэлектроснабжения, опубликованный 20.03.2008 года. В состав системы теплоэлектроснабжения входят следующие основные элементы: дизель-генератор, теплообменные устройства утилизации тепла системы охлаждения двигателя и отходящих выхлопных газов, электрический подогреватель теплоносителя на подаче в систему теплоснабжения имеющий три группы трубчатых электронагревателей, каждая из которых включается и отключается в зависимости от тепловой нагрузки и дисбаланса по фазам электрической нагрузки.
К недостаткам предложенной системы теплоснабжения можно отнести: используемые в электрическом подогревателе теплоносителя трубчатые электрические нагреватели, недостаточно надежны и долговечны, особенно на больших мощностях, а использование их для подогрева в тепловой сети приводит к быстрому образованию на них накипи и требует вследствие этого специальной водоподготовки теплоносителя; последовательная схема включения теплообменных устройств снижает надежность и ремонтопригодность системы; отсутствие защиты двигателя от перегрева и переохлаждения не позволяет получать на обратной подаче тепловой сети теплоноситель с температурой выше 70°С и ниже 60°С, что значительно ограничивает возможности в обеспечении требуемого теплового графика работы системы теплоснабжения.
Предлагаемая полезная модель по совокупности существенных признаков отличается тем, что электрический нагреватель жидкости выполнен на индукционных нагревательных элементах, представляющих собой конструкцию, которая содержит индукционную катушку из изолированных проводов установленную в закрытый стакан тороидальной формы из ферримагнитного материала, помещенный в емкость из трубы квадратного сечения с двумя отверстиями в боковых стенках, через которые пропускается нагреваемая жидкость. Индукционный нагревательный элемент обладает высокой долговечностью в работе и обеспечивает надежную генерацию тепла большой мощности с высоким КПД; Индукционные нагревательные элементы и теплообменники утилизации тепла выхлопных газов, утилизации тепла от системы охлаждения двигателя подключены к теплообменнику системы теплоснабжения параллельно, через коллекторы прямой и обратной подачи нагреваемой жидкости. Параллельная схема соединения нескольких источников генерации тепла и потребителей повышает надежность теплоснабжения и позволяет произвести ремонт и мелкое профилактическое обслуживание без отключения всей системы в целом. Гидравлическая настройка системы осуществляется с помощью регулировочных кранов; Регулирование работы станции обеспечивается двумя блоками управления: автономным блоком управления двигателем и блоком управления станцией. Автономный блок управления двигателем обеспечивает контроль за работой всех систем двигателя, защиту двигателя от перегрева и переохлаждения в процессе утилизации тепла от системы охлаждения двигателя и поддерживает заданное число оборотов двигателя соответствующего промышленной частоте тока электрического генератора. Блок управления станцией обеспечивает коммутацию индукционных нагревательных элементов по фазам электрической сети при возникновении разбалансировки электрической нагрузки по фазам, удовлетворение возникающей потребности в выработке дополнительного тепла в системе теплоснабжения и регулирование процесса утилизации тепла выхлопных газов.
Функционально блок управления станции включает: процессор, блок коммутации индукционных нагревательных элементов, распределительный электрический щит и датчики электрической нагрузки, температуры, расхода теплоносителя и давления.
В предлагаемой полезной модели решается техническая задача: создание устройства, обеспечивающего долговременную работу с высокой надежностью тепло- и электроснабжения, что достигается путем применения в системе теплоснабжения долговечных индукционных нагревательных элементов, компенсацией с их помощью дисбаланса по фазам электрической нагрузки в сети, и, соответственно, дисбаланса нагрузки на валу двигателя внутреннего сгорания; применением параллельного соединения теплообменников от источников тепла к системе теплоснабжения через коллекторы прямой и обратной подачи теплоносителя, а также регулированием работы станции от двух независимых блоков- блока управления двигателем и блока управления станцией.
Указанные частные технические решения взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков для получения необходимого результата - устройства обеспечивающего долговременную работу станции и надежное тепло- и электроснабжение в заявленных областях применения.
Предложенное техническое решение поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 показан общий вид конструктивного исполнения станции, вид сбоку.
На фиг. 2 показана схема соединения элементов станции.
Основное конструктивное оборудование станции, указанные на фигуре 1, включают:
двигатель внутреннего сгорания 1, электрический генератор 2, радиатор аварийного охлаждения двигателя 3, вентилятор с приводом автоматического включения 4, трехходовой кран 5 с автоматическим приводом, блок управления двигателем внутреннего сгорания 6, теплообменник утилизации тепла от системы охлаждения двигателя 7, циркуляционный насос системы охлаждения двигателя 23, циркуляционный насос утилизации тепла двигателя 8, теплообменник утилизации тепла выхлопных газов двигателя 9, циркуляционный насос утилизации тепла выхлопных газов 10, задвижку газохода с автоматическим приводом 11, трубу выхлопа газа в атмосферу с глушителем 12, блок управления с процессором 13, коллектор обратной подачи теплоносителя из теплообменника системы теплоснабжения 14, коллектор прямой подачи теплоносителя в теплообменник системы теплоснабжения 15, индукционные нагревательные элементы 16, циркуляционный насос 17 подачи теплоносителя в индукционные нагревательные элементы, щит коммутационного оборудования 18, распределительный электрический щит 19, теплообменник системы теплоснабжения 20, циркуляционный насос системы теплоснабжения 21, платформа для монтажа оборудования станции 22.
Представленная на фигуре 2 схема соединения элементов станции поясняет порядок работы станции.
В исходном состоянии все элементы станции обесточены. Оборудование распределительного щита 19 отключено от электрических потребителей. Незамерзающая жидкость залита в систему охлаждения двигателя, теплообменное оборудование, трубопроводы, насосы коллекторы и индукционные нагревательные элементы. Система теплоснабжения подключена и заправлена сетевым теплоносителем. Задвижка 11 установлена на внешний выхлоп газа 12. Трехходовой кран 5 установлен на внутреннюю циркуляцию охлаждающей жидкости в двигателе.
Для включения станции в работу от блока управления 6 подается сигнал на включение двигателя внутреннего сгорания 1 и сопряженного с ним электрического генератора 2.
По достижении рабочей температуры в системе охлаждения двигателя и установленной частоты электрического тока от блока управления двигателя 6 подается сигнал готовности к работе в блок управления станции 13. Включаются циркуляционные насосы 8, 10, 17, 23. Трехходовой кран 5 переводится в положение циркуляции хлаждающей жидкости через теплообменник 7. Задвижка 11 переводится в положение подачи газа в теплообменник 9. Подключаются индукционные нагревательные элементы 16, создавая нагрузку на электрический генератор и разогревая внутреннюю коллекторную сеть до нормированной температуры Тп в соответствии с температурным графиком в тепообменнике 20 системы теплоснабжения. Включается циркуляционный насос 21 системы теплоснабжения. При достижении требуемых значений температуры на прямой Т1 и обратной подаче 12 при заданном расходе V, давлении D и температуры То в коллекторе 14, происходит отключение индукционных нагревательных элементов.
Через распределительный щит 19 по сигналу от блока управления станцией 13 подключаются внешние потребители электроэнергии. На основе данных о текущей общей и нагрузке по фазам электрической сети блок управления станцией 13 вновь подключает необходимое количество индукционных нагревательных элементов 16 для компенсации дисбаланса и для обеспечения тепловой нагрузки в системе теплоснабжения. При этом, блоком управления станции 13 контролируется, чтобы суммарная мощность потребления электроэнергии не превышала значений определенных техническими возможностями электрического генератора.
Ограничительным фактором в системе утилизации тепла двигателя является допустимый диапазон рабочих температур двигателя внутреннего сгорания. При поступлении из коллектора обратной подачи 14 в теплообменник 7 жидкости с температурой выше или ниже допустимого значения, блок управления двигателя 6 переводит трехходовой кран 5 на циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор 3. Отключается циркуляционный насос 23. При превышении в этом режиме температуры охлаждающей жидкости выше верхнего предела температуры происходит автоматическое включение вентилятора 4 понижающего температуру охлаждающей жидкости. При установлении в коллекторе 14 температуры соответствующей рабочим температурам двигателя вновь подключается через трехходовой кран 5 теплообменник 7 утилизации тепла и включается циркуляционный насос 23.
Плавное изменение температуры в системе теплоснабжения осуществляется блоком управления станцией 13 путем частичного открытия задвижки 11 на выхлоп газа в атмосферу.
По составу оборудования предлагаемая полезная модель позволяет применить не только простые технологические схемы массового производства, но и при этом получить лучшие результаты по эффективности действия по показателю надежности и более высокому ресурсу работы, чем аналоги. Предложенная полезная модель была реализована и испытана в заводских условиях с применением агрегатов дизель-электрической станции и стандартного промышленного оборудования.