Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на электрических станциях, промышленных предприятиях и в отопительных котельных. В частности, изобретение 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. Изобретение так же может быть использовано при модернизации тепловых электростанций и отопительных котельных, сжигающих в качестве топлива природный газ.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время автономные источники энергии строятся либо на использовании двигателя внутреннего сгорания (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

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) нагретая жидкость передается во внешние магистрали (заявка ЕПВ N° 0457399). Данная установка имеет сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора.

Известно устройство силовой установки, содержащей 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 JV° 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 т ^γ» ттттг»nr»rr» няrпrя иrvt rrvтттнтлй компрессор ГТДТТ И

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 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 N" 2099653, F25B29/00, опубл. 1997.12.20).

Данное техническое решение принято в качестве прототипа для первого и второго объектов изобретения в части выполнения вариантов автономной энергетической установки.

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. Известно устройство утилизации тепла отходящих газов, состоящее из нескольких параллельно включенных теплообменников, нижняя часть которых предназначена для сбора и отстоя конденсата, а верхняя - для удаления отходящих газов и подвода промежуточной жидкой среды в оросительное устройство, а также из дымососа и дымовой трубы (SU N° 1359556, F22BЗЗ/18, 1986).

Известна теплоутилизационная установка, которая включает контактный теплообменник, компрессор, напорный экономайзер, конденсационный теплообменник, влагосборник, сепаратор и тypбoдeтaндep (SU Xo 1089351, F22B1/18, 1982). Уходящие дымовые газы в этой установке попадают в контактный

ТеПЛООбмеНF ¹ -"'' ^{гπp nuн} fwπямrттяwгrα rmи н ^р ттпrп ^р πrтчеННОМ КОНТаКТе С

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) орошаемой водой. Охлажденные газы сжимаются в компрессоре и охлаждаются в напорном экономайзере с утилизацией их тепла. В греющем тракте конденсационного теплообменника газы доохлаждаются с выделением капельной влаги, которая дополнительно выделяется в сепараторе. В турбодетандере происходит расширение газов с выработкой полезной мощности. Расширение газов в турбодетандере сопровождается их охлаждением. Далее газы нагреваются в теплообменнике и удаляются дымовую трубу. Выделенный из продуктов сгорания конденсат направляется в контактный теплообменник. В установке достигается утилизация тепла продуктов сгорания за счет конденсации водяных паров, однако она имеет сложное схемное решение, в котором присутствуют компрессор, турбодетандер, контактная камера с принудительным распылом и ряд теплообменников. Указанные механизмы приводит к дополнительным энергетическим затратам, необходимым для их привода и восполнения потерь, связанных с транспортировкой продуктов сгорания до турбодетандера с выбросом их в окружающую среду. Целесообразность использования компрессора с турбодетандером для повышения эффективности теплообмена малоэффективна. В теплообменнике, где преобладает конвективный вид теплообмена, сначала происходит снятие перегрева водяных паров, а лишь затем конденсация избытка воды, которой увлажняются продукты сгорания в контактной камере. В известном устройстве рассматривается только процесс конденсации. Процесс теплообмена в теплообменнике протекает при P=const. В теплообменнике происходит доохлаждение водяных паров из продуктов сгорания, степень охлаждения которого зависит от температуры продуктов сгорания на выходе из турбодетандера. Она определяется конечным давлением, которое в данном случае не ниже атмосферного, и, кроме того, принимает лишь положительные значения. В турбодетандере протекает конденсация водяных паров. Этот конденсат вновь испаряется в TГ»ПЯΪJJJЯ _#

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Известен утилизатор тепла, содержащий контактный водонагреватель, подключенный к газоходу котла перед дымососом и снабженный обводным газоходом, имеющим заслонку и декарбонизатор нагретой воды с линией отвода воздуха (SU JVbI 128063, F24H1/10, F22BЗЗ/18, 1984). Недостатком данного утилизатора является его недостаточная эффективность использования скрытой теплоты парообразования водяных паров, присутствующих в продуктах сгорания топлива.

Известен утилизатор тепла, содержащий контактный водонагреватель, подключенный к газоходу котлоагрегата перед дымососом и снабженный обводным газоходом, имеющим заслонку, отличающийся тем, что он содержит камеру очистки, циклон, теплообменную трубу и два сотовых теплообменника, один из которых является основным, которые установлены параллельно обводному газоходу, при этом камера очистки с вертикальными перегородками, прикрепленными поочередно к ее днищу и потолку соответственно, а также с рядами воронок, закрепленными в ее днище и размещенными в пылесборнике, установлена между вертикальной частью газохода и контактным водонагревателем и связана через рукав с циклоном, который установлен на газоходе перед сотовым теплообменником, выход контактного водонагревателя пневматически сообщен с катушкой прохода газов, связанной с основным сотовым теплообменником и опускной частью газохода, а перекидная заслонка установлена на верхнем стыке газохода и камеры очистки, кроме того, упомянутая теплообменная труба с веером штырей установлена в газоходе перед камерой очистки и сообщена пневматически через воздухопровод с контактным водонагревателем (RU JV° 2209366, F22B1/18, опубл. 2003.07.27).

Недостатком данного известного решения является его конструктивная сложность и недостаточная эффективность в реализации процесса передачи тепла продуктов сгорания жидкостному носителю

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) тепла, используемому для целей отопления и горячего водоснабжения потребителей.

Раскрытие изобретения

Данное решение является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению в части исполнения утилизатора для использования тепла продуктов сгорания от автономной энергетической установки, которые рассматриваются в данной заявке.

Для устройств модульного исполнения энергетических установок настоящее изобретение направлено 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, или для поршневой машины, осуществляющей вращение вала, так же являющимся приводом генератора электрического тока. Достигаемый при этом результат заключается в повышении экологичности энергетических установок 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.

Для утилизатора, используемого для автономных энергетических устройств настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по реализации экономичного способа конденсирования водяного пара из продуктов сгорания топлива с сохранением и дальнейшим полезным использованием тепла скрытой энергии парообразования. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении экономичности энергетических установок за счет утилизации скрытой теплоты парообразования водяных паров, присутствующих в продуктах

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) сгорания топлива и использовании этой тепловой энергии для целей отопления и горячего водоснабжения потребителей.

Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что в автономной 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 или утилизатор этих газов, устройство получения газовой смеси под давлением для газовой турбины представляет собой камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную через управляемый клапан с по крайней мере одним ресивером заданного давления, сообщенным с входом ступени соответствующего давления газовой турбины, при этом указанная камера так же 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.

При этом указанная камера детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения может быть сообщена с одной стороны через управляемый клапан с ресивером низкого давления не выше 5 кг/см , 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/см ² , сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины. Автономная энергетическая установка может состоять из по крайней мере двух устройств получения газовой смеси под давлением, каждое из которых представляет собой камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную с одной стороны через управляемый клапан с ресивером низкого давления не выше 5 кг/см ² , сообщенным с входом ступени низкого давления газовой турбины, а с другой стороны указанная с ресивером ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) высокого давления не выше 30 кг/см ² , сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины.

Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что в автономной энергетической установке, содержащей устройство получения газовой смеси под давлением для устройства преобразования тепловой энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, связанного с генератором электрического тока, а так же систему охлаждения выхлопных газов или утилизатор этих газов, устройство получения газовой смеси под давлением представляет собой оснащенную механизмом воспламенению топливной смеси камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную через, по крайней мере, один управляемый клапан с, по крайней мере, одним ресивером и с устройством удаления продуктов сгорания из камеры, с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру топлива, с нагнетательным устройством дозированной подачи в камеру окислителя в виде кислорода атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии, а устройства преобразования энергии газов под давлением во вращение вала представляет собой по крайней мере один цилиндр с поршнем, связанным кинематически с валом для его привода и снабженным выпускным клапаном для отвода газов и впускным клапаном для подачи в полость цилиндра газа под давлением из ресивера.

При этом для этого варианта исполнения устройство преобразования энергии газов под давлением во вращение вала представляет собой двигатель внутреннего сгорания, полости цилиндров которых сообщены через выпускные клапана с магистралью отвода газов, а через впускные клапана с указанным ресивером.

Устройство преобразования энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала может представлять собой два цилиндра с поршнем каждый, связанным кинематически с общим для этих цилиндров в ^{я ттrw πттσ Pгr>} гmииrmя и ГНЯRЖРНП гячппаспредедительным ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) устройством, выполненным с функцией открытия впускного клапана одного цилиндра при открытом выпускном клапане другого цилиндра.

Указанный технический результат достигается тем, что утилизатор тепла газообразных продуктов сгорания топлива, содержащий низконапорный экономайзер, включающий в себя контактный водонагреватель, сообщенный с газоходом газообразных продуктов сгорания и через который пропущен трубопровод прохождения воды, и тепломассообменный аппарат, сообщенный с каналом выхода продуктов сгорания газообразного топлива из контактного водонагревателя и выполненный с функцией массообмена продуктов сгорания газообразного топлива и отделения неконденсируемых газов, направляемых дымососом для последующего отвода в атмосферу или нейтрализатор,, при этом тепломассообменный аппарат на входе снабжен заслонками для регулирования проходного сечения каналов перемещения в направлении дымососа и в направлении зоны массообмена, снабжен теплообменным аппаратом, контактный водонагреватель, сообщенный с тепломассообменным аппаратом, выполнен в виде двух отдельных водонагревателей, полоти которых сообщены между собой для прохождения продуктов сгорания газообразного топлива в направлении от газохода этих продуктов до канала выхода этих продуктов, сообщенный с источником холодной воды трубопровод прохождения воды пропущен сначала через полость контактного водонагревателя на входе тепломассообменного аппарата для частичной конденсации водяных паров из продуктов сгорания, затем пропущен через полость контактного водонагревателя, сообщенного входом с газоходом продуктов сгорания газообразного топлива, для охлаждения продуктов сгорания до температуры, не допускающей образования точки росы на поверхностях охлаждения, а затем попущен через теплообменный аппарат для сообщения с потребителем горячей воды, а тепломассообменный аппарат в нижней части камеры массообмена выполнен с устройством фθpMИpθBaH" ^α n* ^p тть-nтти(-π ^p nrнлй fhпяimии VQЛОДНОЙ ВОДЫ,

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) разбрызгиваемой на сепарационных насадках, для формирования центров конденсации водяных паров газовых продуктов сгорания, при этом зона сбора воды в этой камере сообщена трубопроводом через насос с полостью теплообменного аппарата, которая на выходе сообщена с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды.

При этом на выходе теплообменного аппарата магистраль сообщения с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды может быть выполнена с устройством слива избыточной части воды.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Описание фигур чертежей

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 - блок-схема автономной энергетической установки по первому варианту исполнения; фиг. 2 - блок-схема автономной энергетической установки по второму варианту исполнения; фиг. 3 - принципиальная схема утилизатора тепла газообразных продуктов сгорания.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Согласно настоящего изобретения 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

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) посредством детонационного сжигания газовой смеси в периодически действующем аппарате, называемом газогенератором.

Энергетическая установка по первому варианту исполнения (фиг. 1) рассматривается как законченный модуль, смонтированный на базовой площадке-основании 1 и который 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. Вариант исполнения по фиг. 1 рассматривается применительно в двухступенчатой газовой турбине.

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/см , сообщенного с входом ступени низкого давления газовой турбины 2, и со вторым ресивером 8 низкого давления не выше 2 кг/см ² , 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.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 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/см и 30 кг/см . 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 автоматической системой управления. Технологические

ЗаЩИТЫ uа тт ^р мrипfтт. fhvнR-ттиrшjjроВаНИЯ ВСβХ

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) технологических процессов. На фиг. 1 изображена блок-схема подключения газогенератора с двумя сбросными клапанами, рассчитанными на 30 кг/см ² и 5 кг/см ² 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 Ш 840441, F23R7/00, опубл. 1979. SU JУfe 1464626, F23R7/00, опубл. 1987, RU Jfe 1706282, F23R7/00 опубл. 1995.11.27 (на газообразном топливе), RU Jfа 2026514, F23R7/00, F02C5/00, 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 N° 61797, F01K23/10, F02C6/18, 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

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) электрического тока, газогенератор, ресиверы), то их сборка представляет собой операцию настройки системы в соответствии с рекомендациями.

Энергетическая установка по первому варианту исполнения 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 ^ МПт πпrтятпuuп uя fiячrmпй πттmтrяmfе СМОНТИрОВаТЬ ТрИ

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 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.

Например, энергетическая установка может состоять из по крайней мере двух устройств получения газовой смеси под давлением, каждое из которых представляет собой камеру детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную с одной стороны через управляемый клапан с ресивером низкого давления не выше 5 кг/см ² , 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/см ² , сообщенным с входом ступени высокого давления газовой турбины.

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 .

Энергетическая установка по второму варианту исполнения (фиг. 2), так же представляет собой автономный энергетический модуль, смонтированный на базовой площадке-основании, который содержит устройство получения газовой смеси под давлением для устройства преобразования тепловой энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, связанного, например, с генератором электрического тока или иным потребителем (насос, компрессор и т.д.) (не показан).

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) В данном модуле устройство получения газовой смеси под давлением (газогенератор) повторяет конструкцию газогенератора по первому варианту исполнения энергетического модуля и представляет собой камеру 5 детонационного сгорания топливной смеси от воспламенения, сообщенную через управляемый клапан 6 с ресивером 7 (низкого давления) или ресивером 10 (высокого давления).

Указанная камера 5 так же сообщена с устройством 11 удаления продуктов сгорания из камеры и с нагнетательным устройством 13 дозированной подачи в камеру 5 окислителя в виде кислорода из атмосферного воздуха или окислителя, находящегося в жидком состоянии.

Ресивер 7 или 10 (не показан) сообщен через управляемый клапан и/или блок регулируемой подачи газа под давлением с устройством преобразования энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, которое может представлять собой, например двигатель внутреннего сгорания, полости цилиндров которых сообщены через выпускные клапана с магистралью отвода газов, а через впускные клапана с указанным ресивером. В данном случае для подвода и отвода газов в цилиндры используется впускная и выпускная системы двигателя, а газораспределительный механизм этого же двигателя обеспечивает управление открытием и закрытием клапанов цилиндров.

В общем случае, устройство преобразования энергии газов под давлением во вращение вала может представлять собой по крайней мере один цилиндр с поршнем, связанным кинематически с валом для его привода (вращения или возвратно-поступательного движения) и снабженным выпускным клапаном для отвода газов и впускным клапаном для подачи в полость цилиндра газа под давлением из ресивера.

Например, это устройство может представлять собой два цилиндра 15 с поршнем 16 каждый, связанным кинематически с общим для этих цилиндров валом 17 для его привода (вращения), и снабжено газораспределительным устройством, выполненным с функцией открытия

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) впускного клапана 18 одного цилиндра при открытом выпускном клапане 19 другого цилиндра.

Автономная энергетическая установка (модуль) по второму варианту исполнения 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. Открывается сбросный клапан 5 в режиме заданного алгоритма работы, в результате чего происходит заполнение ресивера газом до заданного уровня давления (в принципе таких ресивером может быть несколько, равно как и камер может быть несколько, работающих либо на один ресивер или на отдельные ресиверы, сообщенные с двигателем внутреннего сгорания через коммутационное устройство 20 - пневмораспре делитель). Происходит процесс истечения газов из упомянутой камеры с падением напора среды. Включается вакуум-насос и в полости камеры возникает разрежение. Так процесс повторяется до создания в ресивере уровня требуемого давления. При достижении в ресивере заданного давления газ под давлением подается посредством газораспределительного механизма в двигатель, открывается впускной клапан первого цилиндра, газ под давлением поступает в полость цилиндра, и поршень перемещается вниз (режим рабочего хода). Перемещение поршня вниз приводит к преобразованию его поступательного движения во вращение вала двигателя (например, посредством кривошипно-шатунного механизма). В момент перемещения поршня вниз в первом цилиндре, во втором цилиндре поршень перемещается вверх (выпускной клапан этого цилиндра открыт). В момент открытия выпускного клапана первого цилиндра открывается впускной клапан второго цилиндра, и газ под давлением из ресивера поступает в

ПОЛОСТЬ BTO" ^ΛГГI ттwтrwитmя Птпябптянитле гячtл ич ПОЛОСТИ ПерВОГО

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) цилиндра поступают в отводную магистраль двигателя и утилизируются (например для обогрева определенного потребителя). Перемещение поршня второго цилиндра виз так же приводит к вращению вала двигателя, связанного в генератором электрического тока. Что касается утилизации тепловой энергии исходящих из турбины газов или газов, выходящих из цилиндров поршневых машин, то они могут использоваться в качестве источника тепла для целей отопления и горячего водоснабжения. Особенностью нижерассматриваемого утилизатора является то, что он работает на газах с высокой начальной температурой истечения из газогенератора или газовой турбины или поршневой машины.

Утилизатор тепла продуктов сгорания газообразного топлива, работающий по принципу утилизации скрытой теплоты парообразования водяных паров, присутствующих в газообразных продуктах сгорания топлива, используется для целей отопления и горячего водоснабжения потребителей. Утилизатор реализует способ конденсирования водяного пара из продуктов сгорания топлива с сохранением и дальнейшим полезным использованием тепла скрытой энергии парообразования. Реализация способа конденсирования пара описаа в книге: «Typбины тепловых и атомных электрических станций. Под ред. А.Г. Костюка, В.В.Фролова. M.: Издательство МЭИ, 2001» стр. 213-237. Этот способ предусматривает воздействием на пар посредством отвода от него тепла путем передачи тепла охлаждающей воде через поверхность трубок, внутри которых она циркулирует. При этом скрытая теплота преобразования при конденсации водяного пара воспринимается низкопотенциальным источником и сбрасывается в окружающую среду - воду или воздух.

Для этого в утилизаторе выполняется предвключенное двухступенчатое охлаждение продуктов сгорания: «cyxoe» с использованием недорогих некоррозиоустойчивых материалов и «мoкpoe»

С ЧаСТИЧНО" irлun< ^» iir ^« яiiи# ^» tt uя ϊ-ΛппmнпvrтΛЙяивщ ПОВβрХНОСТЯХ

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) охлаждения. Снижение порционального давления водяных паров продуктов сгорания на входе в тепломассообменник со снижением кинетической энергии молекул пара и создание мелкодисперсных центров для конденсации водяных паров из распыленной холодной воды обеспечивает достаточный тепломассообмен для конденсации водяного пара и нагрева охлаждающей воды горячим конденсатором с полным сохранением тепла конденсации паров. Осушенные неконденсируемые газы: азот и двуокись углерода удаляются дымососом в дымовую трубу.

Ниже рассматривается пример конкретного исполнения утилизатора (фиг. 3).

Утилизатор тепла продуктов сгорания газообразного топлива содержит низконапорный экономайзер, который включает в себя контактный водонагреватель, сообщенный с газоходом 21 продуктов сгорания газообразного топлива, и тепломассообменный аппарат 22, сообщенный с каналом выхода продуктов сгорания газообразного топлива из контактного водонагревателя и выполненный с функцией массообмена продуктов сгорания газообразного топлива и отделения неконденсируемых газов, направляемых дымососом 23 для последующего отвода в атмосферу или нейтрализатор. Тепломассообменный аппарат 22 на входе снабжен заслонками 24 для регулирования проходного сечения каналов перемещения в направлении дымососа 23 и в направлении зоны 25 массообмена.

Контактный водонагреватель, сообщенный с тепломассообменным аппаратом 22, выполнен в виде двух отдельных водонагревателей 26 и 27, полости которых сообщены между собой для прохождения продуктов сгорания газообразного топлива в направлении от газохода 21 этих продуктов до канала выхода этих продуктов в тепломасосообменный аппарат, при этом полость одного из водонагревателей сообщена с газоходом продуктов сгорания газообразного топлива с образованием ступени I, а полость другого сообщена с полостью первого с образованием ступени II.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Утилизатор снабжен дополнительным теплообменным аппаратом 28.

Тепломассообменный аппарат в нижней части камеры массообмена выполнен с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды, разбрызгиваемой на сепарационных насадках 29, для формирования центров конденсации водяных паров газовых продуктов сгорания, в виде воды, собираемой в нижней части камеры. При этом зона сбора воды в этой камере сообщена трубопроводом 30 через насос З l с полостью дополнительного контактного водонагревателя 28, которая на выходе сообщена с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды.

Сообщенный с источником 32 холодной воды трубопровод 33 прохождения воды пропущен сначала через полость контактного водонагревателя 27 для частичной конденсации водяных паров из продуктов сгорания, затем пропущен через полость контактного водонагревателя 26, сообщенного входом с газоходом 21 продуктов сгорания газообразного топлива, для охлаждения продуктов сгорания до температуры, не допускающей образования точки росы на поверхностях охлаждения, а затем попущен через дополнительный контактный водонагреватель 28 для сообщения с потребителем 34 горячей воды. В утилизаторе тепла на первой ступени I происходит охлаждение газообразных продуктов сгорания, выходящих из газогенератора или поршневой машины или газовой турбины, до температуры, не допускающей образования точки росы на поверхностях охлаждения. Вторая ступень II водяного экономайзера, работающая в условиях частичной конденсации водяных паров из продуктов сгорания, размещена во входной камере тепломассообменного аппарата 22. Отнятие части тепла продуктов сгорания топлива до тепломассообменного аппарата позволяет снизить кинетическую энергию молекул пара и уменьшить расстояние между молекулами, что в дальнейшем будет способствовать лучшей конденсации водяных паров. Продукты сгорания, содержащих более 10%

ВОДЯНЫХ m™" ¹¹ гтr»г ^> тvпяiг»т п ни-ж-нmтп UЯГТΪ. т ^р ттrюмаССООбмеННОГО

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) аппарата и вступают в массообмен с мелкодисперсной фракцией холодной воды, разбрызгиваемой на сепарационных насадках. Микрокапли распыленной мелкодисперсной холодной воды будут являться центрами конденсации водяных паров дымовых газов. Конденсируемые водяные пары, смешиваясь с охлаждающей водой, нагревают ее до температуры выше 90° С. Неконденсируемые газы: CO ₂ и N ₂ удаляются дымососом в дымовую трубу. Горячая вода перекачивается насосом 31 через теплообменный аппарат 28, где отдает свое тепло теплоносителю, используемому для целей отопления и горячего водоснабжения. Охлажденная вода после тепломассообменного аппарата 22 возвращается обратно в цикл для конденсации водяных паров из продуктов сгорания.

Избыточная часть воды используется в схеме ТЭЦ или котельной для производственных или хозяйственных целей. Осушенные неконденсируемые газы: азот и двуокись углерода удаляются дымососом 26 в дымовую трубу. Для этого на выходе теплообменного аппарата 28 магистраль сообщения с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды выполнена с устройством 35 слива избыточная часть воды.

Таким образом, экономичность тепловой установки ТЭЦ или котельной повышается за счет утилизации тепла, продуктов сгорания топлива путем использования этой энергии для целей отопления и горячего водоснабжения потребителей.

Промышленная применимость Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть реализовано с использованием технологий, используемых при изготовлении газотурбинных установок и двигателей внутреннего сгорания, а так же систем теплообмена.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)