Автономная парогазовая энергетическая установка

Полезная модель относится к энергетическим установкам, предназначенным для выработки тепловой и электрической энергии.

Задачи создания полезной модели: обеспечение автономности работы установки и повышение ее КПД и надежности.

Достигнутый технический результат сжигание низкосортного топлива.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что автономная энергетическая установка, содержащая источник тепловой энергии, к выходу из которой присоединена турбина, имеющая корпус, сопловой аппарат, рабочее колесо, установленное на валу и выхлопное устройство с глушителем шума, к валу присоединен генератор энергии, имеет источник тепловой энергии, выполненный в виде печи, которая выполнена в виде цилиндрического корпуса, пристыкованного к корпусу турбины и содержит топливо-эмульсионную форсунку, соединенную с эмульгатором. К входу в эмульгатор могут быть присоединены топливопровод высокого давления, трубопровод подачи воды и воздуховод. В выхлопном устройстве может быть установлен теплообменник- утилизатор. Глушитель шума может быть выполнен в виде кассет в форме параллелепипеда, частично заполненных катализатором. В качестве катализатора может быть применен минерал шунгит. К выходу теплообменника-утилизатора может быть присоединена паровая турбина.

1 с. п.-кт ф.-лы, 4 зав. п.-кт, илл. - 2

Полезная модель относится к энергетическим установкам, предназначенным для выработки тепловой и электрической энергии

Известна силовая установка по патент РФ на изобретению 2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.

Известна силовая установка по патенту РФ 2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.

Известна силовая установка по патенту РФ 2272916 (прототип), которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно - с системой охлаждения турбины.

Недостатками этой установки

1. Сложность и высокая стоимость из-за наличия газотурбинного двигателя.

2. Низкий КПД силовой установки из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом.. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям.

3. Не предусмотрены меры по уменьшению содержания вредных веществ в выхлопных газах.

Задачи создания полезной модели: обеспечение автономности работы установки и повышение ее КПД и надежности и уменьшение эмиссии вредных веществ. Достигнутый технический результат сжигание низкосортного топлива. Решение указанных задач достигнуто в автономной парогазовой энергетической установке, содержащей источник тепловой энергии, к выходу из которой присоединена турбина, имеющая корпус, сопловой аппарат, рабочее колесо, установленное на валу и выхлопное устройство с глушителем шума, к валу присоединен генератор энергии, тем что источник тепловой энергии выполнен в виде печи, которая выполнена в виде цилиндрического корпуса, пристыкованного к корпусу турбины и содержит катализатор и установленную против него по меньшей мере одну топливо-эмульсионную форсунку, соединенную с эмульгатором. К входу в эмульгатор могут быть присоединены топливопровод высокого давления, трубопровод подачи воды и воздуховод. В выхлопном устройстве может быть установлен теплообменник-утилизатор. Глушитель шума может быть выполнен в виде кассет в форме параллелепипеда, частично заполненных катализатором очистки. В качестве катализатора очистки может быть применен минерал шунгит. К выходу теплообменника-утилизатора может быть присоединена паровая турбина.

Сущность полезной модели поясняется на чертежах фиг. 18, где:

- на фиг. 1 приведена схема установки с газовой турбиной,

- на фиг. 2 приведена схема установки с теплообменником-утилизатором,

- на фиг. 3 приведена схема установки с газовой и паровой турбинами,

- на фиг. 4 приведен внешний вид кассеты,

- на фиг. 5 приведен разрез A-A,

- на фиг. 6 приведен разрез B-B, второй вариант,

- на фиг. 7 приведен разрез B-B, третий вариант,

- на фиг. 8 приведен разрез B-B, четвертый вариант,

Автономная парогазовая энергетическая установка (фиг. 18) содержит источник тепловой энергии выполненный в виде печи 1, к выходу из которой фланцем 2 присоединена турбина 3, имеющая корпус 4, входной обтекатель 5, сопловой аппарат 6, рабочее колесо 7, установленное на валу 9, установленный на опорах 10, выходной аппарат 11 и выхлопное устройство 12 с глушителем шума 13. К валу 9 через муфту 14 присоединен вал 15 генератора энергии 16

Печь 1 выполнена в виде цилиндрического корпуса 17 с полостью 18, катализатор 19, установленный в полости 18, топливо-эмульсионную форсунку 20, факел которой 21 направлен на катализатор 19. В качестве катализатора 19 может быть использован шунгит или сплав магния. Применение катализатора 19 значительно увеличивает полноту сгорания топливной эмульсии.

Шунгит

Шунгит образовался из органических донных отложений - сапропеля. Эти органические осадки, прикрываемые сверху все новыми наслоениями, постепенно уплотнялись, обезвоживались и погружались в глубины земли. Под влиянием сжатия и высокой температуры шел медленный процесс метаморфизации. В результате этого процесса образовался распыленный в минеральной матрице аморфный углерод в виде характерных именно для шунгита глобул. Первые эпизодические описания горных пород «черной Олонецкой земли» были предприняты Н.Я. Озерецковым в 1792 году и Н.К. Комаровым в 1848 году. В 1877 году А.А. Иностранцев определил породу как новый крайний член в ряду природных некристаллических углеродов, не являющихся каменным углем и дал название - шунгит по названию Заонежского села Шуньга, где порода впервые была обнаружена и действовала штольня.

В 1928-1937 годах на базе созданного государственного треста «Шунгит» осуществлялось изучение шунгитовых пород как предполагаемых аналогов горючих углей, были проведены первые структурные исследования.

Чистый шунгит встречается в природе довольно редко, в основном в виде тонких, до 30 см шириной, прожилков. Чаще он присутствует в качестве примеси в шунгитовых сланцах и доломитах, распространенных по всему Заонежью - от Гирваса на западе до Толвуи и Шуньги на востоке.

Основные запасы шунгитов находятся на территории Заонежского полуострова и вокруг северной оконечности Онежского озера, промышленная их ценность определена наиболее полно для месторождений «Шуньгское», «Максово», «Зажогино», а также «Нигозерское» и «Мягрозерское». Прогнозные ресурсы по всем месторождениям составляют около 1 млрд.тонн.

К настоящему времени разведано «Коксуйское месторождение» в Казахстане с подтвержденным запасом 49 млн. тонн.

Физические свойства

Плотность - 2,25-2,84 г/см³; пористость - 0,5-5%; прочность на сжатие 100-276 МПа; модуль упругости (E) - 0,31*105 МПа. Электропроводен, электропроводность - (1-3)×103 См/м; теплопроводность - 3,8 вт/м·К. Среднее значение коэффициента теплового расширения в интервале температур от +20 до +600°C - 12×10^-6 К^-1. Теплотворная способность 7500 ккал/кг.

Порода обладает сорбционными и каталитическими свойствами.

Шунгитовое вещество не является просто аморфным углеродом, а представляет собой смесь разнообразных углеродных аллотропов, чьи небольшие решетки соединены аморфным углеродом.

Химический состав шунгита, используемого в качестве сорбента или катализатора приведен Оксид алюминия 4%, оксид железа 1%, оксид кремния 36%, остальное - углерод.

Благодаря относительной легкости получения разнообразных углеродных аллотропов, шунгит категоризирован как перспективный материал для развития нанотехнологий и является объектом изучения в институтах нанотехнологий.

Шунгит содержит как твердый углерод, так и значительные количества оксида кремния; оба эти компонента в нем представлены весьма химически активными формами. В связи с этим он может быть использован в металлургии как восстановитель и - одновременно - как SiO₂-содержащий флюс и источник кремния (например, при производстве чугуна, феррохрома, ферросиликохрома или карбида кремния)

Шунгит применяется в строительстве, металлургии и медицине. Применение шунгита в энергетических установках оправдано его низкой стоимостью и большой эффективностью.

Топливо-змульсионная форсунка 20 соединена с трубой 22 с эмульгатором 23. Эмульгатор 23 содержит корпус 24, полость внутри него 25, топливную форсунку 26, водяную форсунку 27 и воздушную форсунку 28. К входу в эмульгатор 23 присоединены система топливоподачи 29, система подачи воды 30 и система подачи воздуха 31.

Система топливоподачи 29 содержит бак топлива 32, топливопровод низкого давления 33, топливный насос 34 и активатор топлива 35.

Система подачи воды 30 содержит бак воды 36, трубопровод подачи воды 37 и водяной насос 38. В систему подачи воды 30 может быть установлен активатор 39.

Система подачи воздуха 31 содержит установленный в ней компрессор 40 и может содержать активатор воздуха 41.

В выхлопном устройстве 12 может быть установлен теплообменник- утилизатор 42 к входу которого присоединен входной трубопровод 43, а к выходу - выходной трубопровод 44. К выходу теплообменника-утилизатора 42 (фиг. 3) может быть присоединена паровая турбина 45 (фиг. 3).

Паровая турбина 45 (фиг. 3) содержит входной переходник 46, корпус 47, входной обтекатель 48, сопловой аппарат 49, рабочее колесо 50, с рабочими лопатками 51, установленное на валу 52, установленный в свою очередь на опорах 53, выходной аппарат 54 и выхлопное устройство 55 с выходной трубой 56. К валу 52 при помощи муфты 57 присоединен вал 58 второго генератора 59.

Глушитель шума 13 (фиг. 4 и 5) может быть выполнен в виде кассет 60 в форме параллелепипеда, имеющего рабочие грани 61 перфорированные отверстиями 62 и торцы 63, которые тоже могут быть перфорированы. На противоположном торце 64 выполнено основание 65, под которым установлена уплотнительная прокладка 66. Полость 67 кассет 60 шумоглушителей 13 частично заполнена катализатором очистки 68. В качестве катализатора очистки 68 может быть применен минерал шунгит (фиг. 4) в виде кусков, размер которых меньше размера отверстий 62. На основании 65 выполнены отверстия 69 для крепления кассет 60. Кассеты 60 оборудованы ручками 70 для удобства работы с ними при замене.

Возможны и другие варианты исполнения кассет 60 (фиг. 68). Второй вариант (фиг. 6) имеет вместо плоских торцев 63 и 64 скругленные криволинейные поверхности 71 и 72. В третьем варианте 9 фиг. 7) вместо криволинейной поверхности 73 выполнены установленные под углом к продольной оси плоские поверхности 73 и 74. Возможно применение аэродинамического профиля 75. (фиг. 9). Это позволит уменьшить аэродинамические сопротивление кассет 60.

РАБОТА УСТАНОВКИ

Для запуска установки фиг. 1 топливным насосом 34 подают топливо в эмульгатор 23. Одновременно в эмульгатор 23 подают по трубопроводу 40 при помощи компрессора 38 воздух. Топливо-воздушная смесь подается в полость 18 печи 1 через топливо-эмульсионную форсунку 20 и воспламеняется в ней. (Система воспламенения на фиг. 14 не показана). В течение 510 мин катализатор 19 разогревается до температуры более 500600°C. Потом включают водяной насос 38 и по системе подачи воды 30 подают ее в эмульгатор 23. Вода на поверхности катализатора 18 разлагается на водород и кислород и водород сразу же сгорает. Продукты сгорания, имеющие высокую температуру и давление не менее 2 атм поступают в турбину 3 и раскручивают рабочее колесо 7 с валом 9. Вал 9 приводит во вращение вал 15 генератора 16, который вырабатывает энергию. Электроэнергия поступает потребителю и часть выработанной энергии используется для собственных нужд.

При наличии теплообменника-утилизатора 42 (фиг. 2) через него прокачивается вода, которая подогревается до температуры 80100°C и поступает к потребителю тепловой энергии, например для нужд отопления. Утилизация тепла позволит повысить КПД установки.

В случае, если температура выхлопных газов на выходе из турбины значительно превышает температуру кипения воды, вода в теплообменнике-газификаторе 42 может быть превращена в пар, который можно использовать в паровой турбине 45 (фиг. 3). Паровая турбина 45 присоединена к теплообменнику-утилизатору 42 при помощи трубопровода 44. При подаче пара внутрь паровой турбины 45 (фиг. 3) раскручивается ее рабочее колесо 50 с валом 52, который приводит во сращение вал 58 второго генератора 59. Электрические выходы генераторов 16 и 59 могут быть объединены или они подключены к аккумулятору (на фиг. 3 аккумулятор не показан.

При работе установки шумоглушитель 13 одновременно глушит шум и производит очистку выхлопных газов Вредные примеси поглощает катализатор очистки 68. При этом по мере загрязнения катализатора очистки 68 кассеты 60 могут быть заменены. Использованные кассеты 60 могут быть восстановлены промывкой в проточной воде.

Применение в качестве катализатора очистки шунгита уменьшит стоимость оборудования и снизит затраты при его эксплуатации.

Применение полезной модели позволило:

1. Создать автономную энергетическую установку, обеспечивающую потребителя одновременно электроэнергией и теплом.

2. Увеличить ВКД установки за счет применения катализатора горения в печи и активаторов в системах подачи топлива, воды и воздуха..

3. Снизить эмиссию вредных веществ в выхлопных газах за счет применения для очистки катализатора очистки..

4. Производить быструю замену кассет с катализатором очистки, по мере их загрязнения.

1. Автономная парогазовая энергетическая установка, содержащая источник тепловой энергии, к выходу из которого присоединена турбина, имеющая корпус, сопловой аппарат, рабочее колесо, установленное на валу, и выхлопное устройство с глушителем шума, к валу присоединен генератор энергии, отличающаяся тем, что источник тепловой энергии выполнен в виде печи, которая выполнена в виде цилиндрического корпуса, пристыкованного к корпусу турбины, и содержит катализатор и установленную против него, по меньшей мере, одну топливоэмульсионную форсунку, соединенную с эмульгатором.

2. Автономная парогазовая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что к входу в эмульгатор присоединены системы подачи топлива, воды и воздуха.

3. Автономная парогазовая энергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в выхлопном устройстве установлен теплообменник-утилизатор.

4. Автономная парогазовая энергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что глушитель шума выполнен в виде кассет в форме параллелепипеда, частично заполненных катализатором.

5. Автономная парогазовая энергетическая установка по п.4, отличающаяся тем, что в качестве катализатора применен минерал шунгит.

6. Автономная парогазовая энергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что к выходу теплообменника-утилизатора присоединена паровая турбина.