Система энергоснабжения Российский патент 2019 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использована для производства электрической и тепловой энергии за счет механической и тепловой энергии водных масс, в частности водных потоков, сбрасываемых из систем водоснабжения промышленных предприятий и очистных сооружений/ малых и больших рек, приливных и прибрежных течений и т.п.Преимущественно предназначена для обеспечения электроэнергией, тепловой энергией, горячей и холодной водой индивидуальных хозяйств, дач, жилых и нежилых помещений, расположенных вблизи текущих водных масс.

Известна система энергоснабжения, содержащая гидравлическую энергетическую станцию, взаимосвязанную с плотиной, в которой проложена водоводная система, и содержащую гидротурбины, взаимосвязанные с электрогенераторами, как минимум, один вихревой тепловой генератор, инжекционный патрубок которого оснащен датчиком давления воды и соединен с водоводной системой через переходник, снабженный регулятором давления воды, выполненным, например, в виде заслонки, привод которого соединен с датчиком давления воды (RU, №2275526 С2, МПК F03B 13/00, F25B 29/00 (2006.01), опубл. 27.04.2006 г.).

Известная система энергоснабжения позволяет снабжать потребителей электрической и тепловой энергией. Однако, для выработки тепловой энергии применяются вихревые теплогенераторы, использующие энергию водного потока, которая одновременно исключается из процесса выработки электрической энергии. Поэтому в условиях дефицита электрической энергии не представляется возможным обеспечить высокий коэффициент полезного действия на тепловых электрических станциях, что требует дополнительных затрат топлива. Кроме того, выработка тепловой энергии с помощью вихревых устройств в условиях низконапорных, особенно на малых гидравлических энергетических станциях практически невозможна.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является система энергоснабжения, содержащая размещаемую в водном потоке гидравлическую станцию, водоводную систему со сливной линией и размещенной в гидравлической станции гидравлической линией низкого давления, в которой установлена гидротурбина, взаимосвязанная с электрогенератором, трансформатор и двухступенчатую теплонасосную установку, состоящую из последовательно взаимосвязанных испарителя, установленного в водоводной системе, двух последовательно установленных хладоновых компрессоров с приводами, конденсаторов, служащих для подогрева сетевой воды, промежуточной емкости, дросселей, соединяющих трубопроводы с установленной на них запорно-регулирующей арматурой. При этом гидравлическая станция и теплонасосная установка смонтированы в едином блоке, а приводы компрессоров и привод сетевого насоса теплонасосной установки подключены к трансформатору электрогенератора. В системе энергоснабжения на трубопроводах, соединяющих первую и вторую ступени теплонасосной установки целесообразно дополнительно устанавливать запорную и регулирующую арматуру, а испаритель теплонасосной установки целесообразно помещать в сбросной канал, установленный в сливной линии водоводной системы (RU, №151790 U1, МПК F03B 13/00 (2006.01), опубл. 20.04.2015 г.).

Известная система энергоснабжения позволяет снабжать потребителей электрической и тепловой энергией. Однако при эксплуатации системы первичная низкопотенциальная механическая энергия водного потока используется как прямой источник выработки электрической энергии. Такая система преобразования энергии не обеспечивает достижение высокого коэффициента использования энергии водного потока, т.к. часть получаемой электрической энергии используется для работы приводов компрессоров тепловых насосов, обеспечивающих выработку тепловой энергии в двухступенчатой теплонасосной установке, использующей первичную низкопотенциальную энергию водного потока как единственный источник тепла, мощность которого недостаточна при тепловой нагрузке, например горячего водоснабжения или отопления. При увеличении тепловой нагрузки, например во время отопительного сезона, температура первичного низкопотенциального водного потока падает, а температура сетевой воды в системе теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) должна повышаться. Это приводит к снижению коэффициента преобразования теплонасосной установки и значительному увеличению расхода части выработанной электрической энергии, которая питает приводы тепловых насосов через регулирующие элементы выработки количества тепла, источником которой служит трансформатор. Расход электрической энергии на выработку тепловой энергии приводит к снижению количества отпускаемой потребителю электрической энергии и, как следствие, к снижению коэффициента использования энергии водного потока.

Таким образом известная система энергоснабжения характеризуется невысоким коэффициентом использования энергии водного потока при малой удельной генерации электрической и тепловой энергии.

Кроме того, подготовка к использованию и эксплуатация данной системы энергоснабжения требует значительных капитальных затрат. Это обусловлено необходимостью возведения стационарных гидротехнических сооружений гидравлической станции и монтаж в едином блоке гидравлической станции и теплонасосной установки, воздействующих на экологическую обстановку реки и береговой линии.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования системы энергоснабжения, в которой за счет конструктивных особенностей обеспечивается выработка электрической энергии путем последовательного перевода первичной низкопотенциальной механической энергии водного потока в высокопотенциальную гидравлическую энергию, а затем в высокопотенциальную механическую энергию с направлением ее части на выработку высокопотенциальной тепловой энергии, получаемой путем использования первичной низкопотенциальной тепловой энергии водного потока в совокупности с вторичным теплом, возникающим при эксплуатации системы, что приводит к повышению коэффициента использования энергии водного потока, обеспечивая повышение удельной генерации электрической и тепловой энергии системы энергоснабжения при снижении капитальных затрат.

Поставленная задача решается тем, что в системе энергоснабжения, содержащей размещаемую в водном потоке гидравлическую станцию, водоводную систему со сливной линией и размещенной в гидравлической станции гидравлической линией низкого давления, в которой установлена гидротурбина, взаимосвязанная с электрогенератором, и теплонасосную установку, состоящую из последовательно взаимосвязанных испарителя, компрессора, связанного с сетевым насосом конденсатора, согласно изобретению гидравлическая станция выполнена свободнопоточной с элементами автоориентации, гидротурбина взаимосвязана с электрогенератом посредством подсоединенной через высоконапорный насос к гидравлической линии низкого давления гидравлической линии высокого давления, гидравлически связанной с теплообменником вторичного тепла, к которой подключен гидромотор, механически связанный с электрогенератором, взаимосвязанным через сетевой насос с компрессором теплонасосной установки, при этом электрогенератор снабжен водоохлаждающим элементом, вход которого гидравлически связан с теплообменником вторичного тепла, а выход - гидравлически связан со сливной линией через испаритель теплонасосной установки, конденсатор которой выполнен с возможностью аккумулирования тепла, причем в водоводную систему между гидравлически связанными гидромотором и теплообменником вторичного тепла, входом водбохлаждающего элемента электрогенератора и теплообменником вторичного тепла, а также к сливной линии подключен разветвленный байпас, в котором установлена запорно-регулирующая арматура.;

Целесообразно подключение к гидравлической линии высокого давления до гидромотора по меньшей мере одной дополнительной гидравлической станции.

Целесообразно выполнение гидравлической линии высокого давления теплоизолированной.

Целесообразно снабжение сливной линии элементами водоотведения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показана система энергоснабжения; на фиг 2 - то же, с дополнительной гидравлической станцией.

Система энергоснабжения содержит размещенную в водном потоке равнинной реки свободнопоточную притапливаемую гидравлическую станцию 1 с помощью, например якоря, снабженную элементами автоориентации, представляющими собой поплавок 2 регулируемого объема и оперение 3. В гидравлической станции 1 размещена гидравлическая линия 4 низкого давления водоводной системы, образованная последовательно соединенными конфузором 5, трубой 6, и диффузором 7. В трубе 6 установлена гидротурбина 8, а в корпусе конфузора 5 установлен высоконапорный насос 9, вал которого механически связан с валом гидротурбины 8. К выходу гидравлической линии 4 низкого давления через высоконапорный насос 9 подсоединена гидравлическая линия 10 высокого давления для взаимосвязи гидротурбины 8 с электрогенератором 11. Гидравлическая линия 10 высокого давления выполнена в виде высоконапорного теплоизолированного рукава, и является частью водоводной системы. К гидравлической линии 10 высокого давления подключен гидромотор 12, механически связанный через муфту 13 с электрогенератором 11.

Система энергоснабжения содержит также теплонасосную установку 14, состоящую из последовательно взаимосвязанных испарителя 15, компрессора 16, конденсатора 17, выполненного с возможностью аккумулирования тепла и связанного с сетевым насосом 18 линии 19 отопления и ГВС.

Электрогенератор 11 через управляемую муфту 20, сетевой насос 18 с проходным валом и управляемую муфту 21 взаимосвязан с компрессором 16 теплонасосной установки 14. Электрогенератор 11 выполнен с возможностью регулирования КПД и снабжен водоохлаждающим элементом 22, выполненным в виде трубчатого кожуха. Вход водоохлаждающего элемента 22 гидравлически связан с теплообменником 23 вторичного тепла, с которым через гидромотор 12 гидравлически связана гидравлическая линия 10 высокого давления. Выход водоохлаждающего элемента 22 гидравлически связан со сливной линией 24 через испаритель 15 теплонасосной установки 14.

В водоводную систему между гидравлически связанными гидромотором 12 и теплообменником 23 вторичного тепла, между гидравлически связанными входом водоохлаждающего элемента 22 и теплообменником 23 вторичного тепла, а также к сливной линии 24 подключен разветвленный байпас 25, в котором установлена запорно-регулирующая арматура 26. Сливная линия 24 снабжена элементами 27 водоотведения, например для хозяйственных нужд.

Для повышения общей мощности системы энергоснабжения предусмотрено подключение к гидравлической линии 10 высокого давления по меньшей мере одной дополнительной гидравлической станции 28 (фиг. 2).

Система энергоснабжения работает следующим образом.

После установки на якоре в водном потоке равнинной реки, гидравлическая станция 1, благодаря поплавку 2 с изменяемым регулируемым объемом и оперению 3, притапливается на глубину с максимальной скоростью водного потока и разворачивается входным сечением конфузора 5 линии 4 низкого давления перпендикулярно движению водной массы. В конфузоре 5 поток ускоряется, направляется в трубу 6 с установленной в ней гидротурбиной 8, воздействует на лопатки гидротурбины 8, обеспечивая ее вращение. После взаимодействия с гидротурбиной 8 поток направляется в диффузор 7 и на выходе из него скорость потока восстанавливается: до значения, близкого к значению скорости потока, поступающего в конфузор 5.

Благодаря диссипации энергии воды, проходящей через гидравлическую линию 4 низкого давления гидравлической станции 1, температура воды в на выходе диффузора 7 на 1-2°С выше, чем в потоке за пределами гидравлической станции 1. Вода, отбираемая с выхода диффузора 7, поступает на вход высоконапорного насоса 9 и далее в гидравлическую линию 10 высокого давления, что приводит к повышению первичной низкопотенциальной тепловой энергии водного потока. Высоконапорным насосом 9, вал которого вращается гидротурбиной 8, по высоконапорному теплоизолированному рукаву гидравлической линии 10 высокого давления водная масса подается под высоким давлением на гидромотор 12. Таким образом обеспечивается перевод первичной низкопотенциальной механической энергии водного потока в высокопотенциальную гидравлическую энергию, которая на выходном валу гидромотора 12 преобразуется в высокопотенциальную механическую энергию.

Температура воды в водоводной системе на выходе гидромотора 12, также повышается на 5-6°С за счет диссипации. Гидромотором 12 обеспечивается вращение вала электрогенератора 11, функционирование сетевого насоса 18 и компрессора 16 теплонасосной установки 14, обеспечивая тем самым выработку электрической энергии, циркуляцию теплоносителя в линии отопления и ГВС и выработку высокопотенциальной тепловой энергии теплонасосной установкой 14.

При низкой тепловой нагрузке, например в летнее время, когда тепло используется только для ГВС, сетевой насос 18 включается управляемой муфтой 20 при потреблении горячей воды, а вал компрессора 16 вращается проходным валом сетевого насоса 18 через управляемую муфту 21. Тепло, вырабатываемое теплонасосной установкой 14, аккумулируется. в конденсаторе 17. При достижении в конденсаторе 17 максимальной температуры, посредством управляемой муфты 21 отключается теплонасосная установка 14. Во время отбора горячей воды из системы ГВС температура в конденсаторе 17 понижается. При снижении температуры ниже заданного уровня, управляемой муфтой 21 включается теплонасосная установка 14, повышая температуру конденсатора 17 и процесс нагрева воды повторяется. Электрогенератор 11 при этом работает с максимальным КПД, поэтому температура воды на выходе водоохлаждающего элемента 22 повышается незначительно. При этом вторичного тепла, возникающего мри эксплуатации электрогенератора 11 достаточно для удовлетворения потребности системы ГВС. Посредством запорно-регулирующей арматуры 26 основной поток воды направляется через байпас 25 в сливную линию 24, а с помощью элементов 27 водоотведения обеспечивается снабжение потребителей холодной водой.

При повышении тепловой нагрузки, например в отопительный период, посредством запорно-регулирующей арматуры 26 весь поток направляется через теплообменник 23 вторичного тепла и водоохлаждающий элемент 22. При этом КПД электрогенератора 11 искусственно снижается в зависимости от величины необходимой тепловой нагрузки. В результате этого температура воды на входе в испаритель 15 увеличивается, а разность температур между конденсатором 17 и испарителем 15 уменьшается, что приводит к значительному увеличению коэффициента преобразования теплонасосной установки 14. В испарителе 15 вода охлаждается до температуры, необходимой для холодного водоснабжения. Это и позволяет при незначительном снижении электрогенерации резко повысить коэффициент использования энергии водного потока и, как следствие, суммарную удельную генерацию электрической и тепловой энергии.

Для повышения мощности системы энергоснабжения предусмотрено подключение к гидравлической линии высокого давления до гидромотора 12 одной дополнительной гидравлической станции 28 (фиг. 2) или более, количество которых зависит от требуемых мощностных характеристик.

Повышение коэффицента использования энергии водного потока при значительном потреблении тепловой энергии в отопительный период составляет не менее 20% по сравнению с ближайшим аналогом.

Таким образом, использование предлагаемой системы энергоснабжения приводит к повышению коэффициента использования энергии водного потока, обеспечивая повышение суммарной удельной генерации электрической и тепловой энергии. Подготовка к использованию и эксплуатация системы энергоснабжения требует значительно меньших капитальных затрат, поскольку система может быть выполнена легко транспортируемой, ее использование возможно в любом водном потоке, не требующем возведения стационарных сооружений, причем затраты снижаются на производство самой установки, т.е. при той же генерируемой мощности габариты и вес 'установки значительно ниже. Данная система энергоснабжения может быть выполнена в мобильном блочном варианте, занимает меньшую территорию, обеспечивает улучшение экологии ввиду отсутствия стационарных сооружений, воздействующих на экологическую обстановку реки и береговой линии.

Изобретение относится к области энергетики. Система энергоснабжения содержит гидравлическую станцию 1, водоводную систему со сливной линией 24 и размещенной в станции 1 гидравлической линией 4 низкого давления, в которой установлена гидротурбина 8, взаимосвязанная с электрогенератором 11, и теплонасосную установку 14, состоящую из испарителя 15, компрессора 16, связанного с насосом 18 конденсатора 17. Гидротурбина 8 взаимосвязана с электрогенератом 11 посредством подсоединенной через высоконапорный насос 9 к линии 4 гидравлической линии 10 высокого давления, гидравлически связанной с теплообменником 23, к которой подключен гидромотор 12, связанный с электрогенератором 11, взаимосвязанным через насос 18 с компрессором 16. Электрогенератор 11 снабжен водоохлаждающим элементом 22, вход которого гидравлически связан с теплообменником 23, а выход - с линией 24 через испаритель 15. Конденсатор 17 выполнен с возможностью аккумулирования тепла. В водоводную систему между гидромотором 12 и теплообменником 23, входом элемента 22 и теплообменником 23, а также к линии 24 подключен разветвленный байпас 25, в котором установлена запорно-регулирующая арматура 26. Изобретение направлено на повышение коэффициента использования энергии водного потока. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система энергоснабжения, содержащая размещаемую в водном потоке гидравлическую станцию, водоводную систему со сливной линией и размещенной в гидравлической станции гидравлической линией низкого давления, в которой установлена гидротурбина, взаимосвязанная с электрогенератором, и теплонасосную установку, состоящую из последовательно взаимосвязанных испарителя, компрессора, связанного с сетевым насосом конденсатора, отличающаяся тем, что гидравлическая станция выполнена свободнопоточной с элементами автоориентации, гидротурбина взаимосвязана с электрогенератом посредством подсоединенной через высоконапорный насос к гидравлической линии низкого давления гидравлической линии высокого давления, гидравлически связанной с теплообменником вторичного тепла, к которой подключен гидромотор, механически связанный с электрогенератором, взаимосвязанным через сетевой насос с компрессором теплонасосной установки, при этом электрогенератор снабжен водоохлаждающим элементом, вход которого гидравлически связан с теплообменником вторичного тепла, а выход - гидравлически связан со сливной линией через испаритель теплонасосной установки, конденсатор которой выполнен с возможностью аккумулирования тепла, причем в водоводную систему между гидравлически связанными гидромотором и теплообменником вторичного тепла, входом водоохлаждающего элемента электрогенератора и теплообменником вторичного тепла, а также к сливной линии подключен разветвленный байпас, в котором установлена запорно-регулирующая арматура.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что к гидравлической линии высокого давления до гидромотора подключена по меньшей мере одна дополнительная гидравлическая станция.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что гидравлическая линия высокого давления выполнена теплоизолированной.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что сливная линия снабжена элементами водоотведения.