КОГЕНЕРАЦИОННЫЙ МОДУЛЬ С ДВС ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Российский патент 2003 года по МПК F02G5/04 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к когенерационным модулям с ДВС жидкостного охлаждения для частных и коммунальных теплоэлектростанций (ТЭС) преимущественно жилищно-бытового назначения.

Известен когенерационный модуль с ДВС жидкостного охлаждения [а.с. СССР 1386728, МКИ 4 F 02 G 5/04, 04.07.1988], содержащий комбинированную систему охлаждения с одним циркуляционным контуром, замкнутым на рубашку охлаждения ДВС и включающим теплообменники жидкостного и воздушного охлаждения. Последний снабжен электроприводным вентилятором, связанным через управляющее устройство с датчиком температуры охлаждающей жидкости. Теплообменник жидкостного охлаждения связан с контуром потребителей тепловой энергии и котлом-утилизатором, установленном в газовыпускном тракте ДВС.

Применение комбинированной системы охлаждения ДВС обеспечивает ТЭС с подобным модулем возможностью всесезонной работы с переменным, вплоть до нулевого, потреблением тепловой энергии.

Недостатком такого модуля является последовательное включение в едином контуре охлаждения теплообменников двух типов. В зимних условиях при высоком теплопотреблении это обуславливает снижение КПД ТЭС из-за потерь на излучение в радиаторном теплообменнике, а в летних условиях в периоды нулевого теплопотребления это снижает КПД ТЭС из-за гидравлических потерь в теплообменнике жидкостного охлаждения.

Известен когенерационный модуль с ДВС жидкостного охлаждения [европейская заявка 0298304, МКИ 4 F 02 G 5/04, 11.01.1989], содержащий комбинированную систему охлаждения ДВС с двумя циркуляционными контурами, замкнутыми на рубашку охлаждения ДВС, имеющую на входе насос, и разделяемыми на ее выходе с помощью распределительного клапана. В первом контуре установлен теплообменник воздушного охлаждения с электроприводным вентилятором, связанным через управляющее устройство с датчиком температуры охлаждающей жидкости. Во втором контуре установлен теплообменник жидкостного охлаждения, связанный с контуром потребителей тепловой энергии, и котел-утилизатор, размещенный в газовыпускном тракте ДВС.

Недостатком такого модуля, принятого за прототип, является постоянно последовательное включение котла-утилизатора и теплообменника жидкостного охлаждения во втором контуре системы охлаждения ДВС. Это приводит к снижению КПД ТЭС при малом теплопотреблении (летом на горячее водоснабжение) вследствие добавочной нагрузки на вентилятор для рассеивания теплоты, поступающей в контур от котла-утилизатора.

Наиболее существенным недостатком известных модулей является их непригодность для непрерывного энергоснабжения от ТЭС в течение года и прежде всего теплоснабжения в отопительный период. Это обусловлено необходимостью периодических и довольно частых (в среднем раз в месяц) остановов ДВС для проведения регламентных работ. ТЭС как автономный источник комбинированного энергоснабжения нуждается в дооснащении как минимум одним резервным модулем аналогичной конструкции. Дублирование полноразмерных модулей существенно повышает капитальные затраты (в том числе с учетом объема требуемого помещения) и повышает срок окупаемости ТЭС.

Целью изобретения является упрощение конструкции и снижение себестоимости ТЭС (примерно на 30% по основному оборудованию) при одновременном повышении эффективности ее работы.

Указанная цель достигается тем, что в когенерационном модуле с ДВС жидкостного охлаждения применена комбинированная система охлаждения ДВС с двумя циркуляционными контурами, замкнутыми на рубашку охлаждения ДВС, имеющую на входе насос, и разделяемыми на ее выходе с помощью распределительного клапана.

Такой клапан может быть выполнен как автоматический (сильфонный) регулятор температуры прямого действия (РТП) или управляемый с помощью управляющего устройства, связанного с датчиком температуры охлаждающей жидкости.

Первый циркуляционный контур включает теплообменник воздушного охлаждения (радиатор) с электроприводным вентилятором, подключенным к управляющему устройству.

Второй циркуляционный контур включает теплообменник жидкостного охлаждения, связанный с контуром потребителей тепловой энергии и котлом-утилизатором, установленном в газовыпускном тракте ДВС.

Отличается предлагаемый модуль тем, что к комбинированной системе охлаждения подключены в параллель через распределительные клапаны две рубашки охлаждения, имеющие на входе насосы, двух ДВС (газовых, дизельных, газодизельных) двух двигатель-генераторных установок. Такое техническое решение позволяет иметь резервную двигатель-генераторную установку без резервного теплотехнического оборудования, причем готовность к быстрому прогреву и приему нагрузки резервного двигателя после запуска обеспечивается "горячим" состоянием системы охлаждения.

Газовыпускные тракты двух ДВС объединены перед котлом-утилизатором. Котел-утилизатор оснащен обводными газовым и жидкостным трубопроводами и газовым и жидкостным клапанными устройствами, установленными с возможностью перекрытия проходов в котле-утилизаторе и (или) в обводных трубопроводах и связанными с управляющим устройством. Этим обеспечивается возможность отключения котла-утилизатора при снижении теплопотребления от ТЭС раньше, чем включится в работу первый контур и вентилятор радиаторного теплообменника.

Как вариант, теплообменник жидкостного охлаждения помимо второго контура включен непосредственно в контур потребителей тепловой энергии, а котел-утилизатор также является компонентом второго контура.

В этом случае минимизируется число теплообменных аппаратов и себестоимость модуля.

В другом варианте исполнения модуля теплообменник жидкостного охлаждения помимо второго контура включен в дополнительный циркуляционный контур, содержащий котел-утилизатор и сообщенный (через дополнительный теплообменник) с контуром потребителей тепловой энергии. В таком исполнении допускается применение парового котла-утилизатора и бойлера в качестве дополнительного теплообменника.

В том или другом вариантах исполнения модуля управляющее устройство связано с газовым клапанным устройством таким образом, что при всех положениях последнего, обеспечивающих какое-либо (полное или частичное) открытие газового прохода в котле-утилизаторе, первый циркуляционный контур остается перекрытым распределительным клапаном, а жидкостный обводной трубопровод котла-утилизатора остается перекрытым жидкостным клапанным устройством. Этим обеспечивается стабилизация режима охлаждения ДВС при переменном теплопотреблении только за счет изменения количества теплоты, поступающей в потребительский контур.

Если во втором контуре системы охлаждения за распределительным клапаном и перед насосом рубашки охлаждения, по меньшей мере, одного ДВС, а в первом контуре за распределительным клапаном рубашки охлаждения, по меньшей мере, другого ДВС установлены запорные клапаны, то при их перекрытии становиться возможной без перегрузки водяных насосов ДВС совместная работа двух ДВС (с охлаждением каждого по раздельным контурам) с целью получения сверхрасчетных значений энергопотоков в экстренных ситуациях. Дополнительное включение резервной двигатель-генераторной установки позволяет значительно повысить как электрическую мощность ТЭС, так и тепловую за счет утилизации теплоты выпускных газов второго двигателя и преобразования электроэнергии, снимаемой со второго генератора, в тепловую. Например, на ТЭНовом котле или на электроотопительных приборах непосредственно у потребителей.

Для осуществления надежного охлаждения двух ДВС в режиме их совместной работы в управляющем устройстве должны быть предусмотрены две независимые цепи регулирования, а каждый ДВС должен иметь собственный датчик температуры охлаждающей жидкости, установленный на выходе рубашки охлаждения перед распределительным клапаном. Первая цепь связывает газовое клапанное устройство котла-утилизатора с датчиком ДВС, включенного во второй контур системы охлаждения, а вторая цепь - привод вентилятора с датчиком ДВС, включенного в первый контур системы охлаждения.

На фиг.1 показана принципиальная схема когенерационного модуля для ТЭС, выполненного в варианте с минимальным числом теплообменных аппаратов.

На фиг.2 показана принципиальная схема когенерационного модуля для ТЭС, выполненного в варианте с дополнительным циркуляционным контуром.

ДВС 1 и 1', спаренные с силовыми генераторами 2 и 2', имеют рубашки жидкостного охлаждения 3 и 3', которые подключены на входе к насосам 4 и 4', а на выходе - к распределительным клапанам 5 и 5'.

Распределительные клапаны 5 и 5' своими выходами через перемычки 6 и 6', а также 7 и 7' соответственно включены в первый и второй циркуляционные контуры системы охлаждения.

В первом контуре к подводящей 8 и возвратной 9 магистралям подключен радиатор 10, обдуваемый вентилятором 11, имеющим управляемый электропривод 12.

Возвратная магистраль 9 последовательно связана с входами насосов 4 и 4'.

Во втором контуре к подводящей магистрали 13 или 14 и возвратной магистрали 15 или 16 подключен теплообменник жидкостного охлаждения 17 или 18. Возвратная магистраль 15 или 16 параллельно связана со входами насосов 4 и 4'.

Газовыпускные тракты ДВС 19 и 19' объединены перед газовым клапанным устройством 20, которое связано с газовым входом котла-утилизатора 21 и газовым обводным трубопроводом 22.

В подводящей магистрали 13 или в дополнительном циркуляционном контуре 23 установлено жидкостное клапанное устройство 24, которое связано с жидкостным входом котла-утилизатора 21 и жидкостным обводным трубопроводом 25.

Контур потребителей тепловой энергии 26 подключен непосредственно к теплообменнику жидкостного охлаждения 17 или к дополнительному теплообменнику 27 дополнительного циркуляционного контура 23, связанного с теплообменником жидкостного охлаждения 18.

В перемычках 6 и 7, а также в ответвлении 28 возвратной магистрали 15 или 16 установлены запорные клапаны 29, 30, 31. В случае использования РТП в качестве клапана 5' устанавливается перемычка с запорным клапаном 32.

Электропривод 12 вентилятора 11, а также клапанные устройства 20 и 24 связаны с управляющим устройством (не показано), которое имеет также связь с датчиком температуры охлаждающей жидкости (не показан). Последний может устанавливаться предпочтительно на выходах рубашек охлаждения 3 и 3' каждого ДВС или на каком-либо участке подводящей магистрали 13 (до клапана 24) или 14.

Система охлаждения смазочного масла и отвода теплоты масла к потребителям может быть выполнена по-разному, например, с установкой водомасляных теплообменников в разветвлениях возвратной магистрали 15 или 16 перед насосами 4 и 4' (не показано) и дополняться специальной секцией в радиаторе 10 (не показано).

Работает предлагаемый когенерационный модуль следующим образом.

В отопительный период задействован, главным образом, ДВС 1 с генератором 2. Клапаны 29, 30, 31 нормально открыты (а 32 нормально закрыт). В расчетных условиях наибольшего теплопотребления от ТЭС перемычка 6 перекрыта распределительным клапаном 5 и вся охлаждающая жидкость из рубашки 3 ДВС 1 под действием насоса 4 подается во второй контур через подводящую магистраль 13 или 14. Клапанные устройства 20 и 24 направляют потоки выпускных газов и жидкости целиком в котел-утилизатор 21.

При максимальном расчетном теплосъеме в потребительском контуре 26 и соответствующей минимальной температуре жидкости в возвратной магистрали 15 или 16 на номинальной нагрузке генератора 2 достигается минимальная рабочая температура охлаждающей жидкости на выходе рубашки 3 ДВС 1, регистрируемая датчиком.

При неглубоком сезонном спаде теплопотребления в контуре 26 повышается температура жидкости в возвратной магистрали 15 или 16 и на выходе рубашки 3 ДВС 1. Если прирост этой температуры превышает определенное допустимое значение, то управляющее устройство выдает команду клапанному устройству 20 на частичное перекрытие газового прохода котла-утилизатора 21 при соответствующем частичном открытии обводного трубопровода 22.

При существенном спаде теплопотребления (например, отключение отопления при действующем ГВС) и полном выключении газового прохода котла-утилизатора 21, если контролируемый прирост температуры охлаждающей жидкости превысит допустимое значение, то срабатывает распределительный клапан 5 на подключение первого контура в параллельную работу со вторым. Регулирующее устройство по сигналу контролируемой температуры включает привод 12 вентилятора 11 и одновременно переключает жидкостный клапан 24 на байпасирование котла-утилизатора 21 трубопроводом 25, что обеспечивает снижение гидравлического сопротивления второго или дополнительного контура 23.

Наконец, в предельном случае нулевого теплопотребления (перерывы ГВС) меньшая часть жидкости продолжает циркуляцию по второму контуру через теплообменник 17 или 18, а большая - по первому контуру через радиатор 10 при такой загрузке привода 12 вентилятора 11, которая обеспечивает поддержание максимально допустимой температуры на выходе рубашки охлаждения 3 ДВС 1.

В случае планового (регламентного) или аварийного останова ДВС 1 запускают ДВС 1' со своим насосом 4', который осуществляет циркуляцию охлаждающей жидкости по контурам системы охлаждения через распределительный клапан 5' и перемычки 6' и (или) 7'. В остальном работа модуля происходит по описанному алгоритму.

В связи с тем, что комбинированная система охлаждения модуля должна быть рассчитана по гидравлическим сопротивлениям на надежную продолжительную работу одного ДВС, то перекрытие клапанов 29, 30 и 31 и открытие клапана 32 в случае использования РТП позволяет осуществить одновременную и надежную работу двух ДВС, а именно ДВС 1 с охлаждением только за счет потребителей тепловой энергии, т.е. по второму контуру, а ДВС 1' - с охлаждением только за счет радиатора 10, т.е. до первому контуру. Полезность и допустимость спаренной работы двух ДВС может возникнуть в отопительный период при необходимости сверхрасчетного тепло- и (или) электропотребления.

Так, при аномально сильных морозах добавочная теплота может быть получена в потребительском контуре 26 из котла-утилизатора 21 от дополнительной теплоты выпускных газов ДВС 1', а также может быть получена от преобразования электроэнергии, снимаемой с генератора 2', в тепловую на дополнительном ТЭНовом котле в потребительском контуре 26 или на распределенных у потребителей электроотопительных приборах.

Кроме резервного использования ДВС 1' в отопительный период за его пределами, когда теплопотребление ограничивается ГВС, этот двигатель служит основным источником энергии ТЭС. В этот период ДВС 1 становится резервным.

Такая сезонная сменяемость главных ДВС обеспечивает их относительно равномерную загрузку в течение года, с одной стороны, и повышение ресурса работы модуля в целом, с другой стороны. Кроме того, разделение двух ДВС в модуле на "зимнее" и "летнее" назначение обуславливает целесообразность применения ДВС различного исполнения.

Для "зимнего" ДВС, при работе которого в отопительный период повышенная экономическая эффективность модуля (ТЭС) определяется, главным образом, полнотой электронагрузки и эффективностью трансформации выделяемой тепловой энергии в потребительский контур, на первый план может быть поставлено требование повышенного моторесурса (особенно, если продолжительность отопительного периода существенно превышает полгода).

При работе "летнего" ДВС с относительно низким и прерывистым теплоотводом на ГВС экономическая эффективность модуля (ТЭС) в основном определяется уровнем эффективного КПД собственно двигателя.

Поэтому "летний" ДВС предпочтительно должен конструктивно отличаться от "зимнего", например иметь более высокий уровень среднего эффективного давления.

Предлагаемый когенерационный модуль для небольших ТЭС, отличаясь минимально возможным числом единиц оборудования для всесезонного и непрерывного производства комбинированной тепловой и электрической энергии в расширенных диапазонах мощностей, а потому и пониженной себестоимостью, обеспечивает повышенную эффективность работы ТЭС на долевых режимах теплопроизводства.

Изобретение относится к области теплоэлектроэнергетики и позволяет упростить конструкцию и снизить себестоимость ТЭС при одновременном повышении эффективности ее работы. Устройство включает две двигатель-генераторные установки, рубашки охлаждения ДВС которых через свои распределительные клапаны и насосы параллельно включены в два циркуляционных контура. Рубашка охлаждения ДВС имеет на входе насос и разделена на выходе с помощью распределительного клапана. В первом контуре установлен теплообменник воздушного охлаждения с электроприводным вентилятором, связанным через управляющее устройство с датчиком температуры охлаждающей жидкости, во втором контуре установлен теплообменник жидкостного охлаждения, связанный с контуром потребителей тепловой энергии и котлом-утилизатором, установленным в газовыпускном тракте ДВС. Газовыпускные тракты ДВС объединены перед котлом-утилизатором, который оснащен обводными газовым и жидкостным трубопроводами и газовым и жидкостным клапанными устройствами, установленными с возможностью перекрытия газового и жидкостного проходов в котле-утилизаторе и обводных трубопроводах и связанными с управляющим устройством. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Когенерационный модуль с ДВС жидкостного охлаждения для теплоэлектростанции, содержащий комбинированную систему охлаждения ДВС с двумя циркуляционными контурами, замкнутыми на рубашку охлаждения ДВС, имеющую на входе насос, и разделяемыми на ее выходе с помощью распределительного клапана, в первом контуре установлен теплообменник воздушного охлаждения с электроприводным вентилятором, связанным через управляющее устройство с датчиком температуры охлаждающей жидкости, а во втором контуре установлен теплообменник жидкостного охлаждения, связанный с контуром потребителей тепловой энергии и котлом-утилизатором, установленным в газовыпускном тракте ДВС, отличающийся тем, что включает две двигатель-генераторные установки, рубашки охлаждения ДВС которых через свои распределительные клапаны и насосы параллельно включены в указанные два циркуляционных контура, газовыпускные тракты ДВС объединены перед котлом-утилизатором, который оснащен обводными газовым и жидкостным трубопроводами и газовым и жидкостным клапанными устройствами, установленными с возможностью перекрытия газового и жидкостного проходов в котле-утилизаторе и обводных трубопроводах и связанными с управляющим устройством. 2. Когенерационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник жидкостного охлаждения помимо второго контура включен непосредственно в контур потребителей тепловой энергии, а котел-утилизатор включен во второй контур. 3. Когенерационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник жидкостного охлаждения помимо второго контура включен в дополнительный циркуляционный контур, содержащий котел-утилизатор и сообщенный с контуром потребителей тепловой энергии. 4. Когенерационный модуль по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что управляющее устройство связано с газовым клапанным устройством таким образом, что все положения последнего, обеспечивающие какое-либо открытие газового прохода в котле-утилизаторе, соответствуют положению распределительного клапана, перекрывающему первый циркуляционный контур, а также соответствуют положению жидкостного клапанного устройства, перекрывающему жидкостный обводной трубопровод. 5. Когенерационный модуль по п. 4, отличающийся тем, что во втором контуре за распределительным клапаном и перед насосом по меньшей мере одного ДВС, а в первом контуре за распределительным клапаном по меньшей мере другого ДВС установлены запорные клапаны, датчик температуры охлаждающей жидкости, связанный с управляющим устройством, установлен на выходе рубашки охлаждения перед распределительным клапаном каждого из двух ДВС, причем при перекрытом состоянии запорных клапанов управляющее устройство по раздельным независимым цепям связывает газовое клапанное устройство котла-утилизатора с датчиком температуры ДВС, рубашка охлаждения которого включена во второй контур, а вентилятор - с датчиком температуры ДВС, рубашка охлаждения которого включена в первый контур.