Энергетическая установка (варианты)
Полезная модель относится к теплоэнергетике. Энергетическая установка модульного типа содержащая устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины, связанной с генератором электрического тока. Устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины представляет собой камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную с одной стороны через управляемый клапан с ресивером низкого давления не выше 5 кг/см2, сообщенным с входом ступени низкого давления газовой турбины, а с другой стороны указанная камера сообщена через управляемый клапан с ресивером высокого давления не выше 30 кг/см2, сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины. Камера так же сообщена с устройством удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру топлива и окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии, а так же устройством по воспламенению смеси. 1 ил.
Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использовано на электрических станциях, промышленных предприятиях и в отопительных котельных. В частности, полезная модель касается конструкции установки по получению высокопотенциальных газообразных продуктов сгорания горючего топлива для целей их дальнейшего использования и преобразования в другие виды энергии. Такая установка может рассматриваться в качестве автономного энергетического модуля, который можно устанавливать на отдельной площадке в местах, к которым затруднен централизованный подвод энергоносителя.
В настоящее время автономные источники энергии строятся либо на использовании ДВС с присоединенным к нему генератором электрического тока, либо на использовании ветровых установок, обеспечивающих привод вращения ротора генератора электрического тока. В первом случае, установка не обладает достаточной мощностью и не является экономичной, так как ДВС в постоянном режиме работы расходует чрезвычайно большое количество светлых нефтепродуктов. Во втором случае, получение электрической энергии полностью зависит от погодных условий, что не позволяет рассматривать такой способ получения энергии как стабильный.
Известна комбинированная установка на основе двигателя Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линиями подачи топлива и теплообменником для подогрева жидкости, через который проходят высокотемпературные отработанные газы двигателя Стирлинга, при этом нагретая жидкость передается во внешние магистрали (заявка ЕПВ №0457399). Данная установка имеет сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора.
Известно устройство силовой установки, содержащей двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с валом потребителя мощности через соединительную муфту и утилизационную паротурбинную установку с контуром циркуляции рабочего тела, включающим паровую турбину,
конденсатор, питательный насос, парогенератор, размещенный в магистрали выпуска высокотемпературных отработанных газов ДВС (SU №1677360).
Известно устройство когенерационной установки, предназначенной для одновременного получения электроэнергии и тепла, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, контур охлаждения двигателя, отопительный контур (система теплоснабжения с потребителями тепла), систему теплообменников, обеспечивающую передачу тепла охлаждающей жидкости двигателя и высокотемпературных отработанных газов в отопительный контур, и щит управления ("Строительное обозрение" //Журнал качества//, СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр.16-17). Однако данное устройство обладает недостаточной эффективностью при достаточно повышенном расходе топлива.
В связи с этим появляются проекты создания небольших энергетических установок типа ТЭЦ, которые позволили бы гарантировано обеспечить электрической энергией небольшие районы, подключение которых к централизованной системе энергораспределения нецелесообразно экономически.
Например, известна экономичная тепловая электростанция (ЭТЭ) состоит из: котельной установки, в которой последовательно смонтированы теплообменники паросиловой установки (ПСУ), газотурбинного двигателя твердого топлива (ГТДТТ), аммиачной турбины. В состав ЭТЭ входят паровая турбина, аммиачная турбина, воздушная турбина теплового насоса, воздушный компрессор ГТДТТ и воздушный компрессор теплового насоса. Все турбины и воздушные компрессоры смонтированы на одном валу, причем через дисковые муфты можно отключать тепловой насос и выключать генератор электрического тока и наоборот отключать генератор электрического тока и включать тепловой насос при выработке тепла и холода. Способ работы ЭТЭ заключается в том, что горячие газы ГТДТТ после воздушной турбины ГТДТТ подаются в топку котла, причем тепло, поглощаемое теплообменником ПСУ в сумме с теплом, поглощаемым
теплообменником ГТДТТ больше тепла, подводимого в топку котельной установки с угольной пылью, кроме того, тепло конденсации паров воды используется для парообразования жидкого аммиака (RU №2099653, F25B 29/00, опубл. 1997.12.20).
Недостатком данной энергетической установки ее конструктивная сложность, большие габариты и необходимость в большом количестве топлива. Сложность представляет так же монтаж такой ТЭЦ по месту и ее наладка.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по использованию детонационного способа цикличного сгорания топлива для получения газовых потоков заданного давления и использования их в качестве рабочего тела для газовой турбины, являющейся элементом вращения генератора электрического тока. При этом задача так же решается тем, что энергетическая установка представляет собой модульный вариант исполнения, который можно транспортировать в собранном виде и который представляет собой энергетическую единицу, наращиванием количества которых можно сформировать энергетический блок требуемой мощности.
Достигаемый при этом результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик, упрощении монтажа при создании модульных вариантов наращиваемой мощности, а так же повышении экологичности. Так же технический результат заключается в повышении экономичности при получении и преобразовании электрической, тепловой и других видов энергии в энергетических установках путем низкозатратного получения высокопотенциальной тепловой энергии в виде горячих газов под давлением посредством детонационного сжигания газовой смеси в периодически действующем аппарате, называемом газогенератором.
Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что в энергетической установке, содержащей устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины, связанной с генератором электрического тока, а так же систему охлаждения газов, выходящих из газовой турбины, устройство получения газовой смеси под
давлением для газовой турбины представляет собой камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную с одной стороны через управляемый клапан с первым ресивером низкого давления не выше 5 кг/см2, сообщенного с входом ступени низкого давления газовой турбины, и со вторым ресивером низкого давления не выше 2 кг/см2, сообщенным с газовой турбиной, а с другой стороны указанная камера сообщена через управляемый клапан с ресивером высокого давления не выше 30 кг/см2, сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины, при этом указанная камера так же сообщена с устройством удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии.
Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что энергетическая установка, содержащая устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины, связанной с генератором электрического тока, а так же систему охлаждения газов, выходящих из газовой турбины, состоит из по крайней мере двух энергетических модулей, в каждом из которых устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины представляет собой камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную с одной стороны через управляемый клапан с первым ресивером низкого давления не выше 5 кг/см2, сообщенного с входом ступени низкого давления газовой турбины, и со вторым ресивером низкого давления не выше 2 кг/см2, сообщенным с газовой турбиной, а с другой стороны указанная камера сообщена через управляемый клапан с ресивером высокого давления не выше 30 кг/см2, сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины, при этом указанная камера так же сообщена с устройством удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии, причем электрически выходы генераторов электрического тока модулей соединены параллельно.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - блок-схема энергетической установки.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция модульной энергетической установки, относящейся к категории повышенной экономичности при получении и преобразовании электрической, тепловой и других видов энергии в энергетических установках путем низкозатратного получения высокопотенциальной тепловой энергии за счет получения горячих газов под давлением посредством детонационного сжигания газовой смеси в периодически действующем аппарате, называемом газогенератором.
Энергетическая установка (фиг.1), которая рассматривается как законченный модуль, смонтированный на базовой площадке-основании 1, содержит устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины 2, связанной с генератором электрического тока 3, а так же систему охлаждения газов 4, выходящих из газовой турбины 2. Электрические выводы генератора электрического тока соединены с электрической сетью.
В данном модуле устройство получения газовой смеси под давлением (газогенератор) для газовой турбины 2 представляет собой камеру 5 детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную с одной стороны через управляемый клапан 6 с первым ресивером 7 низкого давления не выше 5 кг/см2, сообщенного с входом ступени низкого давления газовой турбины 2, и со вторым ресивером 8 низкого давления не выше 2 кг/см2, сообщенным с газовой турбиной 2 (второй ресивер низкого давления определен конструкцией турбины и для некоторых реализаций не является обязательным), а с другой стороны указанная камера 5 сообщена через управляемый клапан 9 с ресивером 10 высокого давления не выше 30 кг/см 2,
сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины 2. Указанная камера 5 так же сообщена с устройством 11 удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательным устройством 12 дозированной подачи в камеру 5 окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии.
Детонирующий эффект горения газовых смесей в сотни раз превышающий энерговыделения в отличие от обычного горения горючих газов в среде окислителя или кислорода, находящегося в атмосферном воздухе, в предлагаемом газогенераторе носит управляемый характер.
Конструктивное выполнение газогенератора позволяет обеспечить получение горячих газов под давлением в форме и состоянии удобном для их дальнейшего использования в энергетических установках и аппаратах.
Газогенератор может быть выполнен в виде сосуда или камеры сгорания, работающей под давлением. В газогенераторе устройство 11 удаления продуктов сгорания из камеры предназначено для удаления оставшихся под небольшим избыточным давлением продуктов сгорания и выполнено в виде вакуум-насоса или другого аппарата, например, эжектора, до уровня разрежения, исключающего наличие в газогенераторе остатков окислителя. Устройство 13 дозированной подачи в камеру 5 окислителя предназначено для подачи в газогенератор сгорания жидкого топлива (или смеси топлив) и выполнено в виде насоса с механической распыляющей форсункой. Устройство 12 дозированной подачи в камеру 5 окислителя выполнено в виде нагнетательного устройства в виде компрессора по подаче в газогенератор окислителя в виде кислорода атмосферного воздуха, либо насоса, если окислитель находится в жидком состоянии, с дозатором, обеспечивающим за один раз подачу на более 10% от необходимого количества окислителя для создания детонационных условий сгорания. Управляемые клапана 6 и 9 (сбросные клапана) (два и более в зависимости от единичной мощности газовой турбины) обеспечивают освобождение камеры 5 газогенератора от образовавшихся продуктов сгорания до избыточного давления 5 кг/см2 и 30 кг/см 2. Управляемые клапана 6 и 9 выполнены в виде пружинных клапанов и
срабатывают при различных давлениях, обеспечивая целостность газогенератора и эвакуацию горячих продуктов сгорания в ресиверы 7 и 10, рассчитанные на соответствующие давления. Свечи 14 зажигания, обеспечивают воспламенение топливно-окислительной смеси в процессе цикла подачи окислителя в камеру газогенератора.
Управление исполнительными механизмами газогенератора обеспечивается АСУ ТП. Технологические защиты обеспечивают надежность функционирования всех технологических процессов. На фиг.. 1 изображена блок-схема подключения газогенератора с двумя сбросными клапанами, рассчитанными на 30 кг/см2 и 5 кг/см2 к ресиверам, которые в свою очередь подключены к камерам соответствующих ступеней газовой турбины.
Газогенератор предлагаемой конструкции работает по принципу периодически действующего аппарата, использующего и преобразующего детонирующий эффект сжигания топливной смеси в среде окислителя в форме и состоянии удобном для дальнейшего преобразования энергии горячих продуктов сгорания в электрическую и тепловую энергию.
В качестве камеры сгорания, обеспечивающей детонационное сгорание топливной смеси от воспламенения, и выполненной со свечами, устройством удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательными устройствами дозированной подачи в камеру топливной смеси (топлива) и окислителя можно использовать известные решения детонационных камер и установок, описанных в SU №840441, F23R 7/00, опубл. 1979. SU №1464626, F23R 7/00, опубл. 1987, RU №1706282, F23R 7/00 опубл. 1995.11.27 (на газообразном топливе), RU №2026514, F23R 7/00, F02C 5/00, опубл. 1995.01.09 (на жидком топливе и жидком окислителе).
Что касается выполнения газовой турбины и использования ее дл привода генератора электрического тока, то такое решение относится к известным, например, из RU №61797, F01K 23/10, F02C 6/18, опубл. 2007.03.10.
Энергетическая установка (фиг.1) представляет собой законченный модуль, смонтированный на базовой площадке, который можно в собранном виде транспортировать на место установки в заданный регион мобильными
транспортными средствами. Такой модуль может быть перемещен в разобранном состоянии и собран на месте размещения базовой площадки. Так как такой модуль выполнен из набора самостоятельно функционирующих узлов (газовая турбина, генератор электрического тока, газогенератор, ресиверы), то их сборка представляет собой операцию настройки системы в соответствии с рекомендациями.
Энергетическая установка функционирует следующим образом.
Запуск начинается с подачи жидкого топлива в камеру сгорания, находящуюся под разряжением, после закрытия отсечного клапана топлива в камеру 5 подается окислитель и одновременно включается свеча зажигания 14. Воспламенение топливно-окислительного заряда в камере сгорания приводит к мгновенному возрастанию как температуры газов, так и давления их в камере сгорания 5. Открываются сбросные клапаны в режиме заданного алгоритма работы, в результате чего происходит заполнение ресиверов газами. Происходит процесс истечения газов из упомянутой камеры с падением напора среды. Включается вакуум-насос и в полости камеры возникает разрежение. Так процесс повторяется до заполнения ресиверов до уровня требуемого давления. Управляемой подачей газового рабочего тела из ресиверов в камеры высокого и низкого давления в турбине приводит к ее вращению, которое передается ротору генератора электрического тока. После выхода турбины на заданный режим вращения осуществляется циклическая подача рабочего агента в темпе и на уровне минимальных значений, при которых поддерживаются заданные обороты вращения турбины. Газогенератор так же переводится в циклический режим работы, зависящий от темпов снижения давления в ресиверах.
Данный пример функционирования энергетической установки является одним из возможных алгоритмов работы установки, который описан в рамках данной заявки исключительно для понимания существа заявленной полезной модели.
Если представленную на фиг.1 энергетическую установку считать энергетической модульной единицей, например, с выходной мощностью на
генераторе электрического тока 1 МВт, то для увеличения выходной мощности до 3 МВт достаточно на базовой площадке смонтировать три таких газогенератора и турбину единичной мощностью 3 мВт. Количество однотипных модулей может наращиваться или уменьшаться в зависимости от потребностей. Таким образом, как вариант исполнения, энергетическая установка может состоять из по крайней мере двух энергетических модулей, электрически выходы генераторов электрического тока которых соединены параллельно, а каждый модуль выполнен в соответствии с исполнением модуля по первому примеру, описанному в отношении фиг.1.
Наличие в технологической схеме ресиверов с различными давлениями и одинаковой высокой температурой позволяет наиболее полно использовать тепло горячих газов в газовой турбине по образу и подобию промежуточного перегрева пара в паровых турбинах тепловых электростанций.
Что касается утилизации тепловой энергии исходящих из турбины газов, то они могут использоваться в качестве источника тепла для целей отопления и горячего водоснабжения.
Настоящая полезная модель промышленно применима, может быть реализована с использованием технологий, используемых при изготовлении газотурбинных установок и двигателей внутреннего сгорания.
1. Энергетическая установка, содержащая устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины, связанной с генератором электрического тока, а также систему охлаждения газов, выходящих из газовой турбины, отличающаяся тем, что устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины представляет собой камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную с одной стороны через управляемый клапан с ресивером низкого давления не выше 5 кг/см2, сообщенным с входом ступени низкого давления газовой турбины, а с другой стороны указанная камера сообщена через управляемый клапан с ресивером высокого давления не выше 30 кг/см2 , сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины, при этом указанная камера также сообщена с устройством удаления продуктов сгорания из камеры, с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру топлива и окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии, а также устройством по воспламенению смеси.
2. Энергетическая установка, содержащая устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины, связанной с генератором электрического тока, а также системой охлаждения газов, выходящих из газовой турбины, отличающаяся тем, что она состоит из, по крайней мере, двух энергетических модулей, в каждом из которых устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины представляет собой камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную с одной стороны через управляемый клапан с ресивером низкого давления не выше 5 кг/см2, сообщенным с входом ступени низкого давления газовой турбины, а с другой стороны указанная камера сообщена через управляемый клапан с ресивером высокого давления не выше 30 кг/см2, сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины, при этом указанная камера также сообщена с устройством удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру топлива и окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии, а также устройством по воспламенению смеси, причем электрические выводы генератора электрического тока соединены с электрической сетью.
