РЕКУПЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2016 года по МПК F01K25/10 

Настоящее изобретение относится к рекуперационной установке (установке для использования или утилизации отходящего тепла) согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Под аббревиатурой ОЦР (или OCR от англ. "Organic Rankine Cycle", органический цикл Ренкина) подразумевается термодинамический цикл, предложенный Ренкином. Сказанное означает, что рабочее тело проходит различные термодинамические состояния и в конце цикла вновь переводится в жидкое исходное состояние. При этом давление рабочего тела доводится насосом до повышенного уровня. После этого рабочее тело подогревается до температуры испарения и затем испаряется.

Речь, таким образом, идет о паровом цикле, в котором вместо воды испаряют органическую среду. Образующийся пар приводит в действие расширительную машину, например турбину, поршневой или винтовой двигатель, которая для выработки электрического тока в свою очередь связана с электрическим генератором. После расширительной машины рабочее тело поступает в конденсатор и вновь охлаждается в нем с отдачей тепла. Поскольку вода при атмосферных условиях испаряется при 100°C, тепло с температурой ниже этого уровня, такое, например, как тепло промышленных отходящих газов или теплота Земли, часто невозможно использовать для выработки электрического тока. Применение же органических сред с меньшими температурами кипения позволяет вырабатывать низкотемпературный пар.

ОЦР-установки предпочтительны в применении, например, и при утилизации биомассы в рамках комбинированного производства электроэнергии и тепла, прежде всего при сравнительно малой мощности, т.е. в тех случаях, когда традиционная технология, основанная на сжигании биомассы, представляется относительно дорогостоящей. Установки для выработки энергии из биомассы часто имеют предназначенный для выработки биогаза ферментер, который обычно требуется обогревать.

Рекуперационные установки указанного в ограничительной части независимого пункта формулы изобретения типа известны по их применению в области комбинированного производства электроэнергии и тепла и состоят из блочной тепловой электростанции, скомбинированной с последующим ОЦР-циклом. Из DE 19541521 A1 известна установка для повышения электрического кпд при использовании особых газов для выработки электроэнергии с помощью двигателей внутреннего сгорания (ДВС), тепло отработавших газов которых используется в последующей системе преобразования энергии в целях последующей выработки электроэнергии. При этом, однако, утилизируется только высокотемпературное тепло из контура охлаждения, а также из теплообменника на отработавших газах двигателя.

Из US 4901531 известен далее интегрированный в цикл Ренкина дизельный электроагрегат, один цилиндр которого служит при этом для расширения по Ренкину, а другие цилиндры работают как дизельный двигатель. Из US 4334409 известна работающая по циклу Ренкина система, в которой рабочая жидкость подогревается посредством теплообменника, снаружи которого пропускается воздух с выхода компрессора ДВС.

Блочные тепловые электростанции в качестве установок для комбинированного производства электроэнергии и тепла общеизвестны. Речь при этом идет о децентрализованных генераторных установках, по большей части приводимых в действие двигателями внутреннего сгорания и одновременно использующих тепло их отработавших газов. При этом тепло, выделяющееся при сгорании и отводимое охлаждающими средами, максимально полно используется для обогрева или теплоснабжения соответствующих объектов.

Для применения прежде всего в установках для комбинированного производства электроэнергии и тепла с последующим ОЦР-циклом в качестве электростанции, использующей отходящее тепло, хорошо зарекомендовали себя машины на основе двигателей с работающими на отработавших газах турбонагнетателями для наддува. В этой связи возникает потребность в двигателях с исключительно высоким электрическим кпд, достижимым только при использовании турбонаддува и обратного охлаждения горючей смеси, нагревшейся в результате сжатия. В целом охлаждение горючей смеси необходимо постольку, поскольку в противном случае наполнение цилиндров оказалось бы сравнительно плохим. Благодаря охлаждению горючей смеси, поступающей в цилиндры, повышается ее плотность и одновременно возрастает коэффициент наполнения цилиндров. В результате возрастают выход мощности двигателя и его механический кпд.

Для возможности достаточного охлаждения горючей смеси предписываемая производителями двигателей температура охлаждающей жидкости на входе должна составлять лишь примерно 40-50°C. Поскольку такой уровень температуры сравнительно низок, отбираемое от горючей смеси тепло в известных в настоящее время установках для комбинированного производства электроэнергии и тепла отводится в окружающую среду, например, с помощью сухого охладителя.

Из US 2007/0240420 A1 известна рекуперационная установка, использующая отходящее тепло для выработки энергии. В такой установке отходящее тепло используется при этом в ОЦР-цикле для нагрева жидкого рабочего тела и тем самым для его испарения. Такое парообразное рабочее тело используется затем для приведения в действие вала и тем самым для выработки механической энергии либо для выработки электрической энергии электрическим генератором.

В US 2009/0277400 A1 также описана установка для выработки энергии путем утилизации отходящего тепла. В такой установке используется генератор, который через турбину или электрический генератор приводит в действие общий вал. Вращение вала сопровождается при этом выработкой электрической энергии в виде постоянного тока. Эта электрическая энергия может затем подаваться в электрическую сеть либо использоваться в иных целях.

Из DE 102005048795 B3 известен далее двухступенчатый подогрев рабочего тела в ОЦР-цикле в нагревательном устройстве, а именно: рабочее тело в ОЦР-цикле нагревают в двух подсоединенных последовательно к питательному насосу теплообменниках, первый из которых, установленный после питательного насоса, служит в качестве первой ступени для подвода низкотемпературного тепла, а следующий теплообменник служит в качестве второй ступени для подвода высокотемпературного тепла. С первым теплообменником, установленным после питательного насоса, циркуляционным контуром соединена система охлаждения горючей смеси, поступающей в ДВС, при этом тепло, отбираемое от поступающей в ДВС горючей смеси в системе ее охлаждения, служит для подогрева рабочего тела в ОЦР-цикле и в качестве низкотемпературного тепла подводится к рабочему телу в первом теплообменнике. Второй нагревательный контур использует тепло, отбираемое от жидкости для охлаждения ДВС и от его отработавших газов, и соединен со вторым теплообменником, установленным после питательного насоса, при этом тепло, отбираемое от охлаждающей жидкости в контуре ее циркуляции и от отработавших газов ДВС, служит для перегрева и испарения рабочего тела в ОЦР-цикле и в качестве высокотемпературного тепла подводится к рабочему телу во втором теплообменнике, установленном после питательного насоса.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача оптимизировать рекуперационную установку с последовательно предусмотренным после источника отходящего тепла ОЦР-циклом в отношении ее конструкции и рабочих характеристик, обеспечивающих надежную работу установки.

Согласно изобретению указанная задача решается с помощью объекта изобретения с отличительными признаками, представленными в п.1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены различные предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Предлагаемая в изобретении рекуперационная установка отличается тем, что при исчезновении напряжения сети электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором, используется для питания системы магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством. Таким путем обеспечивается надежная работа расширительной машины, поскольку при исчезновении напряжения сети система регулирования магнитных опор продолжает выполнять свою функцию благодаря выработке достаточного количества электрической энергии на основании махового момента расширительной машины. Лишь при полной остановке агрегата магнитные опоры, а точнее вал расширительной машины, опускаются в соответствующее посадочное гнездо.

Поэтому согласно изобретению при исчезновении напряжения сети электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором и которая не может подаваться в электрическую сеть и не требуется для питания системы магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством, аккумулируется в промежуточном звене постоянного тока, входящем в состав соответствующего преобразователя частоты генератора. Электрическая энергия продолжает вырабатываться до тех пор, пока продолжает вращаться вал генератора.

С этой целью в предпочтительном варианте при исчезновении напряжения сети кратковременно повышается напряжение в промежуточном звене постоянного тока. При этом электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором, через связанный с ним преобразователь частоты для питания сети отдается в промежуточное звено постоянного тока.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения избыточная электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором и которая не подается в электрическую сеть и не требуется для питания системы магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством, а также не может аккумулироваться в промежуточном звене постоянного тока, рассеивается по меньшей мере одним тормозным резистором. Избыточная электрическая энергия преобразуется при этом в тепло.

Согласно изобретению преобразователь частоты для питания сети предпочтительно снабжать устройством контроля напряжения в промежуточном звене постоянного тока. Такое устройство контроля напряжения сравнивает фактическое напряжение в промежуточном звене постоянного тока с задаваемым максимальным значением и по достижении, соответственно при превышении этого значения подключает по меньшей мере один тормозной резистор.

Предлагаемое в изобретении решение позволяет оптимизировать конструкцию и рабочие характеристики рекуперационной установки с последовательно предусмотренным после источника отходящего тепла ОЦР-циклом. В качестве примера источников отходящего тепла можно назвать блочные тепловые электростанции, промышленные установки или котельные установки. Предлагаемые в изобретении меры обеспечивают защиту расширительной машины при исчезновении напряжения сети, соответственно надежную сохранность расширительной машины в рабочем состоянии при возникновении подобной рабочей ситуации.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемый к описанию единственный чертеж, на котором показана принципиальная схема рекуперационной установки с последовательно предусмотренным после источника отходящего тепла ОЦР-циклом.

Функционально важными для ОЦР-цикла компонентами являются ОЦР-контур 1 (контур, работающий по органическому циклу Ренкина), питательный насос 2, испаритель 3, расширительная машина 4 для расширения пара, связанная с генератором 5, конденсатор 6 для обратного охлаждения посредством теплоотвода 7, а также теплообменники 8, 9 для подогрева рабочего тела в ОЦР-контуре 1.

Оба теплообменника 8, 9 последовательно подсоединены к питательному насосу 2. Первый теплообменник 8, установленный после питательного насоса 2, служит при этом первой ступенью для подвода низкотемпературного тепла к рабочему телу, а следующий теплообменник 9 служит второй ступенью для подвода высокотемпературного тепла от источника 10 отходящего тепла к рабочему телу.

С испарителем 3 ОЦР-контура, поскольку уровень температуры сначала достаточно высок для его прямого нагрева, своей подающей линией соединен второй нагревательный контур 11. После этого второй нагревательный контур 11 своей обратной линией входит во второй теплообменник 9 и отдает в нем еще имеющееся остаточное тепло рабочему телу ОЦР.

При исчезновении напряжения сети электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором 5, используется для питания системы магнитных опор расширительной машины 4 с относящимся к этой системе магнитных опор регулирующим устройством и обеспечивает таким путем надежную работу установки при исчезновении напряжения сети.

Изобретение относится к энергетике. Рекуперационная установка для источника отходящего тепла состоит из органического цикла Ренкина (ОЦР), последовательно предусмотренного после этого источника отходящего тепла, который соединен с нагревательным устройством ОЦР-цикла, а также с расширительной машиной для расширения пара в ОЦР-цикле, связанной с генератором и имеющей систему магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством и электропитанием через промежуточное звено постоянного тока, входящее в состав преобразователя частоты генератора. При исчезновении напряжения сети электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором, используется для питания системы магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством. Изобретение позволяет обеспечить надежную работу установки при исчезновении напряжения сети. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Рекуперационная установка для источника (10) отходящего тепла, состоящая из органического цикла Ренкина (ОЦР), последовательно предусмотренного после этого источника (10) отходящего тепла, который соединен с нагревательным устройством ОЦР-цикла, а также с расширительной машиной (4) для расширения пара в ОЦР-цикле, связанной с генератором (5) и имеющей систему магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством и электропитанием через промежуточное звено постоянного тока, входящее в состав преобразователя частоты генератора, отличающаяся тем, что при исчезновении напряжения сети электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором (5), используется для питания системы магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством.

2. Рекуперационная установка по п.1, отличающаяся тем, что при исчезновении напряжения сети электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором (5) и которая не может подаваться в электрическую сеть и не требуется для питания системы магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством, аккумулируется в промежуточном звене постоянного тока.

3. Рекуперационная установка по п.1, отличающаяся тем, что при исчезновении напряжения сети электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором (5) и которая не может подаваться в электрическую сеть и не требуется для питания системы магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством, аккумулируется в промежуточном звене постоянного тока, для чего в этом промежуточном звене постоянного тока кратковременно повышается напряжение.

4. Рекуперационная установка по п.1, отличающаяся тем, что при исчезновении напряжения сети электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором (5), через связанный с ним преобразователь частоты для питания сети отдается в промежуточное звено постоянного тока.

5. Рекуперационная установка по п.1, отличающаяся тем, что избыточная электрическая энергия, которая продолжает вырабатываться работающим по инерции генератором (5) и которая не подается в электрическую сеть и не требуется для питания системы магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством, а также не может аккумулироваться в промежуточном звене постоянного тока, рассеивается по меньшей мере одним тормозным резистором.

6. Рекуперационная установка по п.1, отличающаяся тем, что преобразователь частоты для питания сети снабжен устройством контроля напряжения в промежуточном звене постоянного тока.

7. Рекуперационная установка по одному из пп.1-6, отличающаяся тем, что устройство контроля напряжения, предусмотренное у преобразователя частоты для питания сети, сравнивает фактическое напряжение в промежуточном звене постоянного тока с задаваемым максимальным значением и по достижении, соответственно при превышении этого значения подключает по меньшей мере один тормозной резистор.