Энергетическая установка
Владельцы патента RU 2545115:
Демидов Герман Викторович (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)
Хаиров Леонард Шамсиевич (RU)
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии при утилизации топлива путем сжигания его в факелах, в частности к энергетическим установкам малой мощности. Энергетическая установка содержит корпус в виде вытяжной трубы, энергетически изолированный от окружающей среды, лопаточную машину, с возможностью работы в режиме компрессора, турбинный привод, электрогенератор в виде агрегата полезной нагрузки, камеру сгорания, элементы подвода атмосферного воздуха, элементы подвода горючего, например попутного нефтяного газа, высокотемпературный рекуператор. В энергетическую установку введен низкотемпературный рекуператор, и она снабжена, в качестве дополнительного привода, по меньшей мере, одним пневмодвигателем, вход которого сообщен с выходом компрессора, а выход пневмодвигателя сообщен через камеру сгорания и полость вытяжной трубы с атмосферой. Низкотемпературный рекуператор расположен в полости вытяжной трубы за высокотемпературным рекуператором. Каждый пневмодвигатель соединен с одним электрогенератором, являющимся единственным приводом его. Изобретение направлено на повышение эффективности энергетической установки, увеличение термического кпд, упрощение конструкции в целом и расширение диапазона устойчивой работы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии и/или тепловой энергии, в том числе при утилизации, например, неочищенного попутного нефтяного газа путем сжигания его, в частности к энергетическим установкам малой мощности, ориентированным на широкую гамму топлив: жидких, газообразных, твердых отходов лесной и сельскохозяйственной промышленности, биогаз, продуктов переработки бытовых отходов, продуктов подземной или промышленной газификации твердых топлив, отходов нефтедобычи и нефтепереработки и применять энергетическую установку также для автономного энергоснабжения жилых домов, торговых центров, офисных сооружений, бассейнов, больниц, предприятий общественного питания.
Принципиально в энергетических установках малой мощности используют различные типы агрегатов: двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины или их комбинации.
Одновременно с технической задачей - преобразованием в электрическую энергию тепловой энергии факельного сжигания попутного нефтяного газа - решается другая экологическая задача - одна из важнейших задач современности - уменьшение вредного воздействия на экосистему.
Природный газ, который поступает из нефтяных скважин, обычно существует в составе с другими углеводородами, такими как: этан, пропан, бутан и пентан. Кроме того, сырой природный газ содержит водяные пары, сероводород (H2S), углекислый газ, азот и другие компоненты. Попутный нефтяной газ, содержащий такие примеси, сложно транспортировать, а также трудно использовать без дополнительной очистки после его получения в процессе добычи нефти.
Проблема утилизации попутного нефтяного газа стоит перед всеми нефтяными компаниями. Для нефтяников транспортировка и переработка попутного нефтяного газа для дальнейшего применения нерентабельна, так как стоимость такого топлива будет выше рыночной. В настоящий момент попутный нефтяной газ в огромных количествах сжигается на факелах. Использование попутного нефтяного газа в энергетике позволит решить проблему теплового и энергетического снабжения нефтяных компаний. При добыче нефти существует практика использования попутного нефтяного газа для выработки электроэнергии для промысловых нужд.
Известна «Энергетическая установка», разработанная компанией «Capstone», и изложена в работе (НТЦ Микротурбинные технологии. Обзор и состояние развития современных газотурбинных установок малой мощности. http: ), в корпусе которой установлен газогенератор; в нем газовая турбина используется как привод для механически соединенных между собой агрегатов - электрогенератора и компрессора, один предназначен для выработки электрической энергии, а другой соответственно для сжатия воздуха. Эта энергетическая установка содержит совокупность устройств очистки попутного нефтяного газа перед подачей его в камеру сгорания газогенератора, а также рекуператор и электронный преобразователь.
Недостатком такого технического решения является необходимость проведения предварительной подготовки сопутствующего горючего газа фильтрации, сепарации, осушки. Это усложняет конструкцию установки, что требует квалифицированного обслуживания ее. Недостатком известной энергетической установки также является сложность конструкции, обусловленная как высокой частотой вращения ротора турбины, малыми проходными сечениями проточной части ее при возможном потоке гетерогенных продуктов сгорания, так и высокой частотой вырабатываемого электрического тока высокооборотным электрогенератором на постоянных магнитах (45000 об/мин и выше) и, как следствие, необходимостью применения электронного преобразователя для выдачи во внешнюю сеть переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 230 и 400 В.
Известна «Энергетическая установка» (Малая энергетика ОАО «СКБТ» журнал ВОЛГА-БИЗНЕС №1(197) 2011 г.), в корпусе которой размещены турбина, компрессор, камера сгорания, рекуператор, высокооборотный редуктор и электрогенератор. Жесткая связь турбины, как привода электрогенератора, через высокооборотный редуктор с электрогенератором требует сложного автоматического регулирования на переменных режимах работы энергетической установки. Установка обеспечивает генерацию и выдачу во внешнюю сеть переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 230 и 400 В.
Недостатком известной газотурбинной установки является сложность ее конструкции, обусловленная наличием высокооборотного редуктора, необходимого для согласования высокой частоты вращения турбины, в том числе на переходных режимах, с низкой частотой вращения стандартного электрогенератора переменного тока частотой 50 Гц (1000 или 1500 об/мин).
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой и взятой в качестве прототипа является «Энергетическая машина для осуществления способа утилизации неочищенного попутного нефтяного газа» (Патент RU №2447363, опубл. 10.04.2012, МПК F23G 5/00), содержащая корпус, лопаточную машину, агрегат полезной нагрузки в виде электрогенератора, камеру сгорания, элементы подвода атмосферного воздуха, попутного нефтяного газа, при этом корпус выполнен в виде вытяжной трубы, энергетически изолированный от окружающей среды, выполняющий роль рекуператора, передающего тепло через стенку рабочему телу, используя теплопроводность ее.
Недостатком известного технического решения является конструктивная сложность согласования, снижающая эффективность преобразования в электрическую энергию тепловой энергии факельного процесса утилизации попутного нефтяного газа, из-за низкого значения термического коэффициента полезного действия тепловой машины, работающей при низких значениях давления рабочего тела (окислителя - воздуха, горючего - попутного нефтяного газа), снижающих диапазон устойчивой работы.
Решаемой технической задачей изобретения является повышение эффективности энергетической установки путем увеличения значения термического коэффициента полезного действия с сохранением низкого значения давления одного из компонентов горючего в камере сгорания и простоты согласования высокой частоты вращения турбины с низкой частотой вращения стандартного электрогенератора с одновременным упрощением конструкции в целом и расширения диапазона устойчивой работы.
Технический результат достигается тем, что в энергетической установке, содержащей корпус в виде вытяжной трубы, энергетически изолированный от окружающей среды, лопаточную машину, с возможностью работы в режиме компрессора, турбинный привод, электрогенератор в виде агрегата полезной нагрузки, камеру сгорания, элементы подвода атмосферного воздуха, элементы подвода горючего, например попутного нефтяного газа, высокотемпературный рекуператор, введен низкотемпературный рекуператор и она снабжена, в качестве дополнительного привода, по меньшей мере, одним пневмодвигателем, вход которого сообщен с выходом компрессора, а выход пневмодвигателя сообщен через камеру сгорания и полость вытяжной трубы с атмосферой, причем низкотемпературный рекуператор расположен в полости вытяжной трубы за высокотемпературным рекуператором, при этом каждый пневмодвигатель соединен с одним электрогенератором, являющимся единственным приводом его.
Способствует достижению технического результата и то, что вход пневмодвигателя сообщен с выходом компрессора через холодный тракт низкотемпературного рекуператора.
Способствует достижению технического результата и то, что в нее введен эжектор и входы его, как теплового генератора, сообщены с выходом компрессора и с выходом низкотемпературного рекуператора, причем вход в эжектор от компрессора выполнен активным, а вход в эжектор от низкотемпературного рекуператора выполнен пассивным, при этом выход эжектора сообщен с тепловой сетью потребителя тепловой энергии.
Новым является:
Повышение эффективности энергетической установки достигают путем увеличения значения термического коэффициента полезного действия с сохранением низкого значения давления подачи горючего в камеру сжигания и подачи окислителя в нее в виде высокой турбулентности нагретого воздушного потока после турбины, а также упрощение согласования высокой частоты вращения турбины с низкой частотой вращения стандартного электрогенератора переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 230 и 400 В за счет введения упругой связи, т.е. путем перераспределения воздушных потоков в конструктивные элементы турбинного привода компрессора и привода электрогенератора, тем самым расширяют диапазон устойчивой работы с одновременным упрощением установки в целом. В энергетической установке режим устойчивой работы обеспечивают при возможной одновременной выработки тепловой и электрической видов энергии, например, в зимний сезон года.
Воздушная тепловая сеть актуальна для районов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, и как аварийная система в жилищно-коммунальном хозяйстве, и как стационарная тепловая сеть.
Простота эксплуатации и ремонтопригодность энергетической установки обеспечивается параллельным подключением пневмодвигателей, т.е. сообщение между собой по входу через элементы автоматики, условно не показанные на графических материалах предлагаемого изобретения. Она позволяет без отключения работы энергетической установки подключить, отключить, переключить в режиме переменных нагрузок при эксплуатации и ремонте дополнительные мощности.
Эта инновационная особенность позволяет применять энергетическую установку для автономного энергоснабжения жилых домов, торговых центров, офисных сооружений, бассейнов, больниц, предприятий общественного питания.
Для пояснения технической сущности рассмотрим фигуры 1-3.
На фиг. 1 показан внешний вид энергетической установки.
На фиг. 2 показана схема энергетической установки, в которой электрогенератор с приводом в виде пневмодвигателя, вход которого сообщен с выходом компрессора, вырабатывающий электрическую энергию.
На фиг. 3 показана схема энергетической установки, в которой представлены электрогенератор с приводом, в виде пневмодвигателя, вырабатывающего электрическую и эжектор со входами, как тепловой генератор, сообщенными с выходом компрессора и выходом низкотемпературного рекуператора, вырабатывающего тепловую виды энергий, где на фигурах обозначено:
1 - корпус энергетической установки;
2 - компрессор;
3 - турбина;
4 - электрогенератор;
5 - камера сгорания;
6 - пневмодвигатель;
7 - высокотемпературный рекуператор рабочего тела турбины;
8 - низкотемпературный рекуператор рабочего тела пневмодвигателя;
9 - элементы подвода атмосферного воздуха;
10 - элементы подвода топлива;
11 - вытяжная труба;
12 - эжектор.
Внешний вид энергетической установки схематически представлен на чертеже фиг. 1. Она содержит корпус 1, турбокомпрессор, состоящий из компрессора 2 и турбины 3, соединенные валом. Электрогенератор 4 расположен вне высокотемпературной зоны энергетической установки. Камера сгорания 5 расположена в корпусе 1. Пневмодвигатель 6 соединен механически с электрогенератором 4. Высокотемпературный рекуператор 7 расположен в корпусе 1 после камеры сгорания 5. По горячему тракту высокотемпературный рекуператор 7 сообщен с камерой сгорания 5 и с атмосферой соответственно. По холодному тракту низкотемпературный рекуператор 8 сообщен воздуховодами с выходом компрессора 2 и с входом пневмодвигателя 6 соответственно. Выход пневмодвигателя 6 сообщен с камерой сгорания 5. По горячему тракту низкотемпературный рекуператор 8 сообщен с выходом камеры сгорания 5 и с атмосферой соответственно. Элементы подвода атмосферного воздуха 9 закреплены на компрессоре 2. Элементы подвода топлива 10 и элементы автоматики закреплены на корпусе 1, на горелочных устройствах камеры сгорания 5. Элементы автоматики и горелочные устройства на чертеже условно не показаны. Низкотемпературный рекуператор 8 расположен в полости вытяжной трубы 11 за высокотемпературным рекуператором 7. Турбинный привод компрессора 2 и привод электрогенератора 4 имеют общую газовую связь по воздушному тракту и выполнены с возможностью перераспределения воздушного потока между приводами, а выходы турбины 3 и пневмодвигателя 6 сообщены с внутренней полостью камеры сгорания 5.
Внутренними полостями горячего тракта высокотемпературного рекуператора 7 и низкотемпературного рекуператора 8 сформирована проточная часть для потока высокотемпературных продуктов из камеры сгорания 5 через вытяжную трубу 11 в атмосферу. Вход компрессора 2 сообщен с элементами подвода атмосферного воздуха 9, выход компрессора 2 сообщен с входом турбины 3 через высокотемпературный рекуператор 7 по холодному тракту, а выход турбины 3 сообщен с камерой сгорания 5.
Пневмодвигатель 6 является единственным приводом электрогенератора 4, а количество пневмодвигателей 6 и соответственно электрогенераторов 4 не является единственным, так как зависит от величины нагрузки.
На фиг. 2 и фиг. 3 также стрелками показана схема движения в энергетической установке потока атмосферного воздуха, горючего, например неочищенного попутного нефтяного газа, подаваемого в камеру сгорания, и рабочего тела, полученного в процессе сжигания горючего в нагретом турбулентном воздушном потоке.
Введение эжектора в энергетическую установку позволяет, например, в зимний период получать не только наиболее ценный вид электрической энергии из части тепловой энергии рабочего тела, но и получать экологически чистый вид тепловой энергии в виде нагретого воздуха для отопления из оставшейся части тепловой энергии рабочего тела.
Пневмодвигатель 6, являясь единственным приводом электрогенератора 4, входом сообщен с выходом компрессора 2, а выход пневмодвигателя 6 сообщен через камеру сгорания 5 и полость вытяжной трубы 11 с атмосферой. Эжектор 12 входами сообщен с выходом компрессора 2 и с выходом низкотемпературного рекуператора 8, а выход эжектора 12 сообщен с потребителем тепловой энергии в виде нагретого воздуха для отопления, т.е. с тепловой сетью жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). В режиме запуска электрогенератор 4 работает как стартер, а пневмодвигатель 6 работает как компрессор, являясь пусковым устройством.
Энергетическая установка работает следующим образом.
Пусковое устройство раскручивает ротор компрессора 2 и турбины 3. Через элементы подвода топлива 10, элементы автоматики, закрепленные на корпусе 1, в горелочные устройства камеры сгорания 5 подается горючее. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре 2.
Через элементы подвода воздуха 9 и элементы подвода топлива 10 сжатый воздух после компрессора 2 вместе с горючим подают в камеру сгорания 5, смешивают и воспламеняют запальным устройством, размещенным в горелочных устройствах. Смесь горючего и окислителя сгорает в камере сгорания, выделяя определенное количество теплоты. В камере сгорания 5 формируют после запуска стационарный режим бессажевого горения подачей заданного соотношения компонентов горючего и окислителя. Вертикальное расположение камеры сгорания 5 является предпочтительным.
Компрессор 2 сжимает воздух и направляет его на вход холодного тракта высокотемпературного рекуператора 7. Нагретый в высокотемпературном рекуператоре 7 воздух (ориентировочно до температуры 800-850 градусов Цельсия) поступает в турбину 3 и далее в камеру сгорания 5. Работа расширения сжатого в компрессоре 2 и нагретого в высокотемпературном рекуператоре 7 воздуха в турбине 3 используется для привода компрессора 2. Избыточная тепловая энергия используется для направления либо части сжатого в компрессоре 2 воздуха или нагретой в низкотемпературном рекуператоре 8 части сжатого воздуха на вход пневмодвигателя 6 для работы в качестве дополнительного привода электрогенератора 4. В качестве пускового устройства при запуске энергетической установки может быть использован сам электрогенератор 4, который переключают и он может работать в режиме стартера, а пневмодвигатель 6 работает в этом случае в режиме компрессора.
Горючее через элементы подвода топлива 10 и элементы подвода атмосферного воздуха 9 подается в камеру сгорания 5 и сжигается в ней в среде подогретого (ориентировочно до температуры 400-420 градусов Цельсия) воздуха, выделяя определенное количество теплоты.
Работа расширения сжатого в компрессоре 2 и нагретого в высокотемпературном рекуператоре 7 воздуха в турбине 3 используется для привода компрессора 2, обеспечивая высокую частоту вращения его. Избыточная часть работы расширения в турбине 3 по сравнению с работой сжатия воздуха в компрессоре 2 реализуется сжатием большего количества воздуха, чем проходит через турбину. Избыточная часть сжатого воздуха направляется в низкотемпературный рекуператор 8 и нагревается (ориентировочно до температуры 350-370 градусов Цельсия) и используется в дальнейшем для работы расширения в пневмодвигателе 6 в качестве привода электрогенератора 4. Работа расширения избыточной части сжатого в компрессоре 2 и нагретого в низкотемпературном рекуператоре 8 воздуха в пневмодвигателе 6 обеспечивает низкую частоту вращения стандартного электрогенератора 4 в режиме переменного тока с электрической частотой 50 Гц, напряжением 230 и 400 В.
Воздух после пневмодвигателя 6 направляют во внутреннюю полость камеры сгорания 5, который участвует в процессе горения вместе с воздухом после расширения в турбине 3, а затем в виде продуктов сгорания (ориентировочно при температуры 950-1000 градусов Цельсия) направляют по проточной части горячих трактов высокотемпературного и низкотемпературного рекуператоров.
1. Энергетическая установка, содержащая корпус в виде вытяжной трубы, энергетически изолированный от окружающей среды, лопаточную машину, с возможностью работы в режиме компрессора, турбинный привод, электрогенератор в виде агрегата полезной нагрузки, камеру сгорания, элементы подвода атмосферного воздуха, элементы подвода горючего, например попутного нефтяного газа, высокотемпературный рекуператор, отличающаяся тем, что в нее введен низкотемпературный рекуператор, и она снабжена, в качестве дополнительного привода, по меньшей мере, одним пневмодвигателем, вход которого сообщен с выходом компрессора, а выход пневмодвигателя сообщен через камеру сгорания и полость вытяжной трубы с атмосферой, причем низкотемпературный рекуператор расположен в полости вытяжной трубы за высокотемпературным рекуператором, при этом каждый пневмодвигатель соединен с одним электрогенератором, являющимся единственным приводом его.
2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что вход пневмодвигателя сообщен с выходом компрессора через холодный тракт низкотемпературного рекуператора.
3. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в нее введен эжектор и входы его, как теплового генератора, сообщены с выходом компрессора и с выходом низкотемпературного рекуператора, причем вход в эжектор от компрессора выполнен активным, а вход в эжектор от низкотемпературного рекуператора выполнен пассивным, при этом выход эжектора сообщен с тепловой сетью потребителя тепловой энергии.
