Когенерационная энергоустановка
Решение относится к области теплоэнергетики-утилизации теплоты уходящих газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих в составе мини-ТЭЦ и предназначено для выработки электрической и тепловой энергии. В предлагаемом решении система утилизации тепла состоит из внутреннего и внешнего контуров. Исключается возможность загрязнения теплообменников-утилизаторов за счет установки бойлера внешнего теплоснабжения. Исключается возможность попадания масла в полость водяного охлаждения блока цилиндров за счет установки теплообменника в высокотемпературный контур. Исключен теплообменник с принудительным воздушным охлаждением из низкотемпературного контура, что повышает КПД и ресурс работы установки. 1 с.п. ф-лы, 1 илл.
Решение относится к области теплоэнергетики (утилизации теплоты уходящих газов двигателей внутреннего сгорания, работающих в составе мини-ТЭЦ) и предназначено для выработки электрической и тепловой энергии.
Известна автономная когенерационная энергоустановка, описанная патентом РФ №2280777, F02G 5/04, опуб. 2006.07.27, принятая в качестве прототипа.
Энергоустановка включает электрический генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания, имеющего системы охлаждения масла, блока цилиндров, наддувочного воздуха (наддува) и выхлопных газов (газовыхлопа), каждая система имеет теплообменник - утилизатор теплоты, теплообменники - утилизаторы систем надувочного воздуха и масла последовательно включены в систему охлаждения блока цилиндров двигателя, установка снабжена дополнительным теплообменником, включенным между теплообменниками - утилизаторами теплоты системы наддувочного воздуха и системы охлаждения блока цилиндров и имеющим принудительное воздушное охлаждение, и циркуляционным насосом, установленным между дополнительным теплообменником - утилизатором с принудительным воздушным охлаждением и теплообменником - утилизатором теплоты наддувочного воздуха.
При этом обратная охлажденная вода от потребителей последовательно проходит через теплообменники систем охлаждения блока цилиндров двигателя и выхлопных газов.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- вода от потребителей, как правило, низкого качества, проходит напрямую через теплообменники блока цилиндров и наддувочного воздуха, загрязняя их, что приводит к снижению ресурса и надежности системы,
- вода блока цилиндров напрямую проходит через теплообменник масла, что в случае негерметичности последнего может привести к попаданию масла в полость охлаждения двигателя и аварии вследствие локального перегрева,
- как правило, вода на входе в теплообменник наддувочного воздуха должна иметь низкую температуру (не более 30...35°С), при этом придется задействовать постоянное принудительное воздушное охлаждение, поскольку обратная вода от потребителей обычно имеет большее значение температуры, что приведет к понижению КПД и надежности работы установки,
- дополнительный теплообменник с принудительным воздушным охлаждением, имеющий значительное гидравлическое сопротивление, напрямую включен в циркуляционный контур энергоустановки, хотя на основном номинальном режиме работы в нем нет необходимости, что приводит к повышенным энергозатратам циркуляционного насоса, снижению КПД установки и надежности ее работы.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаемая задача - совершенствование когенерационной энергоустановки.
Технический результат - повышение надежности и ресурса работы энергоустановки, а также снижение эксплуатационных затрат, за счет использования в контуре внешнего теплоснабжения потребителей воды более низкого качества по жесткости и разделения контуров охлаждения воды блока цилиндров и масла двигателя через воду высокотемпературного контура утилизации, и увеличение КПД за счет возможности отключения из эксплуатации теплообменников принудительного воздушного охлаждения воды низкотемпературного и высокотемпературных контуров.
Этот технический результат достигается тем, что в когенерационной энергоустановке, включающей двигатель с электрогенератором, контур утилизации тепла, теплообменники - утилизаторы теплоты: масла, воды блока цилиндров двигателя, наддувочного воздуха, выхлопных газов, дополнительного воздушного охлаждения и циркуляционный насос, контур утилизации тепла выполнен из двух контуров: первый, низкотемпературный контур, состоит из теплообменника - утилизатора наддувочного воздуха, циркуляционного насоса на входе в теплообменник - утилизатор наддувочного воздуха и радиатора с принудительным воздушным охлаждением, выход радиатора соединен с циркуляционным насосом и трубопроводом холодной воды, а вход - с теплообменником - утилизатором наддувочного воздуха и трубопроводом подачи обратной охлажденной воды от потребителей, второй, высокотемпературный контур, состоит из последовательно установленных теплообменников - утилизаторов теплоты: масла, воды блока цилиндров двигателя, выхлопных газов и воды непосредственно этого контура - бойлера внешнего теплоснабжения с циркуляционным насосом перед теплообменником - утилизатором теплоты масла, а также радиатора с принудительным воздушным охлаждением, вход которого соединен с выходом теплообменника - утилизатора теплоты воды блока цилиндров двигателя и входом теплообменника - утилизатора теплоты выхлопных газов, а выход - с выходом бойлера внешнего теплоснабжения и входом циркуляционного насоса.
Предлагаемое техническое решение комплектации и компоновки когенерационной установки позволяет:
- исключить возможность загрязнения теплообменников - утилизаторов воды блока цилиндров двигателя и выхлопных газов низкокачественной водой сети теплоснабжения потребителей путем установки бойлера внешнего теплоснабжения, что приводит к повышению надежности работы установки,
- исключить возможность попадания масла в случае аварии теплообменника в полость водяного охлаждения блока цилиндров двигателя путем установки водоводяного теплообменника блока цилиндров в высокотемпературный контур утилизации, что приводит к повышению надежности работы установки,
- отключать из эксплуатации теплообменник с принудительным воздушным охлаждением низкотемпературного контура при работе в режиме подпитки сети теплоснабжения потребителей водой, подогретой в теплообменнике наддувочного воздуха (это особенно актуально в случае наличия открытой схемы теплопотребления, включающей нагретую воду, поступающую как на отопление, так и на горячее водоснабжение), что приводит к повышению КПД, надежности работы и ресурса установки,
- отключать из эксплуатации теплообменник с принудительным воздушным охлаждением высокотемпературного контура при работе установки в режиме номинальной выработки тепловой энергии, что приводит к повышению КПД, надежности работы и ресурса установки.
Предлагаемая автономная когенерационная энергоустановка приведена на чертеже. Она содержит двигатель 1 с электрогенератором 2 и контур утилизации, состоящий из высокотемпературного и низкотемпературного контуров.
Высокотемпературный контур включает последовательно установленные теплообменники - утилизаторы теплоты: масла 3, воды 4 блока цилиндров двигателя 1 и выхлопных газов 5, а также бойлер 6 сетей внешнего теплоснабжения и циркуляционный насос 7 перед охладителем масла 3, и параллельно установленный радиатор 8 с принудительным воздушным охлаждением. Вход радиатора 8 соединен с выходом теплообменника воды 4 блока цилиндров двигателя 1 и входом утилизатора выхлопных газов 5, а выход - с выходом бойлера 6 сетей внешнего теплоснабжения и входом циркуляционного насоса 7.
Низкотемпературный контур включает теплообменник - утилизатор 9 теплоты наддувочного воздуха, циркуляционный насос 10 на входе в теплообменник наддувочного воздуха и радиатор 11 с принудительным воздушным охлаждением. Выход радиатора 11 соединен со входом циркуляционного насоса 10 и трубопроводом холодной
воды, а вход - с выходом теплообменника - утилизатора 9 теплоты наддувочного воздуха и трубопроводом подачи обратной охлажденной воды от потребителей.
Энергоустановка работает следующим образом.
Выхлопные газы двигателя 1 поступают в теплообменник - утилизатор выхлопных газов 5 и затем уходят в дымовую трубу.
Функционирование высокотемпературного контура когенерационной установки заключается в следующем.
В режиме номинальной тепловой нагрузки охлажденная вода внутреннего контура когенерационной установки с бойлера 6 внешнего теплоснабжения циркуляционным насосом 7 последовательно направляется в теплообменники - утилизаторы теплоты: масла 3, воды 4 блока цилиндров двигателя 1 и выхлопных газов 5, где подогревается за счет теплоты масла, воды рубашки двигателя и уходящих дымовых газов соответственно. Нагретая вода после теплообменника - утилизатора выхлопных газов 5 направляется на вход бойлера внешнего теплоснабжения 6, где охлаждается, отдавая теплоту воде контура внешнего теплоснабжения потребителей, при этом радиатор 8 с принудительным воздушным охлаждением отключен.
В режиме долевой (вплоть до нулевой) тепловой нагрузки энергоустановки часть воды контура (при отсутствии тепловой нагрузки - вся вода) направляется мимо теплообменника - утилизатора выхлопных газов 5 и бойлера 6 внешнего теплоснабжения сразу на вход циркуляционного насоса 7 через радиатор 8 с принудительным воздушным охлаждением, где охлаждается, отдавая наружному воздуху теплоту масла и воды рубашки двигателя.
Низкотемпературный контур работает следующим образом.
В режиме подпитки сетей внешнего теплоснабжения холодная вода с трубопровода водоснабжения подается насосом 10 через теплообменник - утилизатор 9 теплоты наддувочного воздуха, где подогревается за счет теплоты наддувочного воздуха двигателя, в обратную линию поступления охлажденной воды от потребителей, где смешивается с водой контура внешнего теплоснабжения перед бойлером 6, при этом радиатор 11 с принудительным воздушным охлаждением отключен.
В режиме работы энергоустановки, когда необходимость в подпитке сетей теплоснабжения отсутствует, нагретая вода с теплообменника - утилизатора 9 теплоты наддувочного воздуха подается на вход циркуляционного насоса 10 через радиатор 11 с принудительным воздушным охлаждением, где охлаждается, отдавая наружному воздуху теплоту наддувочного воздуха двигателя, при этом трубопроводы холодной воды и подпитки контура внешнего теплоснабжения отключены.
Когенерационная энергоустановка, включающая двигатель с электрогенератором, контур утилизации тепла, теплообменники - утилизаторы теплоты: масла, воды блока цилиндров двигателя, наддувочного воздуха, выхлопных газов, дополнительного воздушного охлаждения и циркуляционный насос, отличающаяся тем, что контур утилизации тепла выполнен из двух контуров: первый, низкотемпературный контур, состоит из теплообменника - утилизатора наддувочного воздуха, циркуляционного насоса на входе в теплообменник - утилизатор наддувочного воздуха и радиатора с принудительным воздушным охлаждением, выход радиатора соединен с циркуляционным насосом и трубопроводом холодной воды, а вход - с теплообменником - утилизатором наддувочного воздуха и трубопроводом подачи обратной охлажденной воды от потребителей, второй, высокотемпературный контур, состоит из последовательно установленных теплообменников - утилизаторов теплоты: масла, воды блока цилиндров двигателя, выхлопных газов и воды непосредственно этого контура - бойлера внешнего теплоснабжения с циркуляционным насосом перед теплообменником - утилизатором теплоты масла, а также радиатора с принудительным воздушным охлаждением, вход которого соединен с выходом теплообменника - утилизатора теплоты воды блока цилиндров двигателя и входом теплообменника - утилизатора теплоты выхлопных газов, а выход - с выходом бойлера внешнего теплоснабжения и входом циркуляционного насоса.
