Криогенная газопаровая поршневая электростанция, газопаровой блок, поршневой цилиндр внутреннего сгорания на природном газе и кислороде, газопаровой поршневой цилиндр и линейная синхронная электрическая машина Российский патент 2019 года по МПК F02G5/04 F02G3/02 F02B71/04 F02B41/06 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к тепловым электростанциям, вырабатывающим электрическую энергию за счет сжигания природного газа (метана) и кислорода, отделенного от азота в криогенной ректификационной установке с временным хранением азота и за счет преобразования жидкой фазы азота в газовую в часы пиковых нагрузок. Используется два рабочих тела: 1) азот и 2) смесь углекислого газа и водяного пара, которая претерпевает двухступенчатое расширение – в поршневом цилиндре внутреннего сгорания, затем после впрыска и испарения дополнительной воды в испарительной камере – в поршневом газопаровом цилиндре. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется непосредственно в электрическую энергию в линейном синхронном генераторе.

2. Уровень техники

Широкое практическое применение имеют газопоршневые электростанции, в которых электрогенераторы приводятся в действие многоцилиндровыми поршневыми двигателями внутреннего сгорания, а энергия сжигания природного газа в среде предварительно сжатого воздуха, заключенная в рабочем теле, за счет его расширения преобразуется в возвратно-поступательное движение поршней, механически связанных с коленчатым валом. Такие электростанции имеют высокий электрический КПД - до 45%, но агрегаты имеют низкую единичную мощность – до 15 МВт, при этом каждый содержит порядка 20 цилиндров. Большое количество запасных частей, каждая из которых имеет определенную вероятность отказа, приводит к частым пусть и непродолжительным остановкам для замены, что ограничивает их применение в большой энергетике. И общая мощность электростанции редко превышает 100 МВт. Для более глубокого использования тепла отработавших газов применяются водогрейные котлы-утилизаторы или паровые с паровыми турбинами и конденсаторами, при этом станция «обрастает» большим количеством дополнительного оборудования.

Повышение единичной мощности двигателя приводит к ухудшению весо-габаритных показателей, повышению металлоемкости, затруднению монтажа и капитального ремонта на объекте, требует больших помещений. В целях обеспечения надлежащей надежности электровыработки используются низкооборотные многоцилиндровые двигатели, для которых приходится создавать объединяющий разные цилиндры картер - корпус большой массы, что позволяет снизить взаимное влияние компонентов, работающих в разные моменты времени, и, создающих сильную вибрацию даже при полном их уравновешивании. Так поршневой двигатель на 8 МВт имеет массу примерно 70 т и габаритные размеры около 6*4*3 м.

Таким образом, для повышения единичной мощности источника механической энергии необходимо создать большие цилиндры, но не объединять их механически. Есть решения генераторных агрегатов со свободно-поршневыми цилиндрами и линейными генераторами, бегун которых связан со штоком поршня или выполняется за одно с ним. При этом частота вырабатываемой электроэнергии совпадает с частотой колебаний поршня.

С другой стороны электростанции большой мощности должны иметь синхронные генераторы, для того, чтобы быть источником реактивной мощности электрической сети.

Таким образом, вырисовывается конструкция поршневого генераторного агрегата большой мощности: большой цилиндр с синхронным линейным многополюсным генератором – для снижения частоты колебаний.

Известен патент РФ№2255232, в котором в двухстороннем оппозитном цилиндре, являющимся одновременно статором генератора, совершает колебания поршень, который является одновременно бегуном линейного генератора. Это двухтактный двигатель. Сжатие смеси в одном цилиндре происходит за счет рабочего хода во втором цилиндре. Данная силовая установка предназначена преимущественно для привода транспортного средства и для электростанции такой поршневой агрегат мало подходит. Недостатком является то, что генератор, вырабатывая переменный ток, имеет витки статора, которые создают переменное магнитное поле внутри цилиндра, не связанное с магнитопроводом бегуна, поэтому имеют место повышенные потери на рассеяние энергии за счет электромагнитного излучения. Процесс сжатия неуправляемый и его характеристики зависят от большого числа различных факторов (от сопротивления бегуна, т.е. нагрузки генератора). Горизонтальное расположение оси цилиндра приводит к неравномерному износу стенок цилиндра за счет веса поршня-бегуна.

Из теории двигателей известно, что повышение КПД возможно за счет повышения начальной температуры рабочего тела, но в газовых турбинах это ограничивается свойствами материалов лопаток и сопел, или за счет увеличения степени повышения давления сжатия компонентов заряда перед сгоранием (степени сжатия в поршневых двигателях). В газовых турбинах степень повышения давления ограничена противопомпажными свойствами многоступенчатых осевых компрессоров. В поршневых двигателях, работающих с использованием природного газа, повышение степени сжатия ограничивается детонацией топливной смеси в цилиндре. Но это происходит, если воспламенять в камере сгорания готовую смесь (с использованием форкамер от факела или напрямую от искры). Если один из компонентов смеси в жидком виде подавать в предварительно сжатый в цилиндре газообразный второй компонент до температуры воспламенения, то горение будет происходить по мере поступления жидкого компонента или с поверхности поршня (объемное или пленочное воспламенение в дизеле), тогда степень сжатия может быть такая же, как в дизеле или выше и ограничиваться прочностными свойствами материалов поршня и цилиндра. Кроме того, при повышении концентрации азота воздуха увеличивается образование оксидов азота и все больше проявляется диссоциация продуктов сгорания с поглощением энергии рабочего тела, что снижает эффективность и также увеличивает токсичность отработавших газов.

Если, например, в криогенных ректификационных установках отделять азот воздуха от кислорода, а последний подавать в жидком виде в камеру сгорания, в которой находится сжатый до температуры воспламенения природный газ, то это позволит существенно повысить степень сжатия и КПД.

Сжиженный азот в часы снижения энергопотребления сети можно с незначительными теплопотерями и затратами энергии накапливать и хранить в криогенных резервуарах, а в часы пиковых нагрузок испарять в расширительных машинах (пневмодвигателях) с выработкой и выдачей электроэнергии в сеть.

Известна криогенная аккумулирующая электростанция Highview Power Storage в промышленной зоне Слау недалеко от лондонского аэропорта Хитроу. В ней рабочим телом является воздух, который в часы спадов энергопотребления сети сжижается с потреблением энергии и хранится несколько часов в криогенных резервуарах с незначительным нагревом от окружающей среды, а в часы пиковых нагрузок нагнетается криогенным насосом, испаряется в испарителе и расширяется в связанной с генератором турбине, при этом холодный выхлоп после турбины используется для охлаждения и сжижения сжатого воздуха. Недостатком такой станции является то, что в периоды бездействия необходимо искать потребителей холода или технических газов для повышения рентабельности.

На этой станции происходит только накопление электроэнергии. Между тем, если соединить тепловую электростанцию, например поршневую, в которой тепло отработавших газов используется для выработки пара и привода паровой машины, и криогенную аккумулирующую станцию, то низкопотенциальное тепло конденсатора можно использовать для испарения жидкого воздуха или азота перед подачей в пневмодвигатель, а холод отработавшего после него рабочего тела использовать для конденсации пара в конденсаторе тепловой электростанции.

Известна заявка РФ№93019845, в которой предлагается воздух перед подачей в камеру сгорания обогащать кислородом, полученным в результате криогенного сжижения воздуха и выделения кислорода, при этом улучшаются условия сгорания, и повышается температура и КПД. Недостатком является остающийся азот воздуха, из-за чего увеличиваются выбросы оксидов азота.

Помимо повышения начальной температуры рабочего тела и повышения степени сжатия вторым направлением повышения эффективности тепловой электростанции является повышение глубины утилизации тепла отработавших газов и здесь существует ряд направлений.

Традиционно устанавливаются паровые котлы-утилизаторы с пароперегревателями, паровая турбина с цилиндрами высокого, среднего и низкого давления с генератором и конденсатор глубокого вакуума с градирнями разного вида. При этом можно повысить КПД электростанции до 60%, но это существенно увеличивает стоимость объекта, затраты на его эксплуатацию, усложняет состав оборудования, в результате снижается надежность, требуется привлечение более широкого круга специалистов для обслуживания и ремонта.

Другим направлением является применение контактных испарителей и конденсаторов, а вода впрыскивается или в цилиндр, или в выпускной коллектор в отработавшие газы непосредственно, при этом тепло отработавших газов преобразуется в выработку дополнительного количества двухфазного рабочего тела – смеси отработавших газов и водяного пара, после его расширения и отработки в машине водяной пар конденсируется в контактном конденсаторе, а газообразные продукты откачиваются дополнительным компрессором. При этом происходят затраты энергии на откачку отработавших газов из конденсатора, наибольшая часть которых представляет собой азот. Поэтому, если убрать азот из цикла, затраты энергии на откачку газов существенно уменьшатся.

Известен патент РФ№2472023. Вода распыливается во впускном воздухе перед цилиндрами внутреннего сгорания, выпускной коллектор монтируется совместно с котлом-утилизатором, в котором нагревается или испаряется вода. Подогретая вода впрыскивается в цилиндры, либо пар подается в один из конвертированных под пар цилиндров. Дополнительная вода на впуске позволяет уменьшить детонацию при сгорании топлива, повысить степень сжатия и уменьшить токсичность отработавших газов за счет снижения диссоциации молекул продуктов сгорания. Часть воды конденсируется из отработавших газов в контактном конденсаторе. Для более глубокого использования энергии отработавших газов для компенсации потерь давления воздуха во впускном тракте на выходе конденсатора устанавливается турбонагнетатель. Такой двигатель более приемлем для транспортных средств или небольших генераторов. Конденсатор работает под избыточным давлением газов, а не при вакууме, то есть двигатель имеет сниженный КПД, так как энергия расширения пара используется только частично в паровом цилиндре или цилиндрах внутреннего сгорания. Для электростанции требуется более высокий КПД. Кроме того, цилиндры объединены механически в один двигатель, что не позволяет масштабировать эту установку в агрегат большой мощности.

Известен патент РФ№2232913. Вдоль выпускной системы последовательно по ходу движения газов расположены парогенератор, совмещенный с выпускным коллектором, контактный конденсатор, турбодетандер или винтовая расширительная машина, связанные механически с генератором и влагоотделитель. В этом устройстве энергия пара преобразуется в механическую энергию в турбодетандере, расположенном последовательно после цилиндров внутреннего сгорания.

Известен патент РФ№2341666. В основе двухтактный двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, с которым механически связана пластинчатая расширительная машина. Перегретую в рубашке охлаждения воду впрыскивают в конце сгорания топлива в цилиндры, затем парогаз расширяется, совершая дополнительную работу, в пластинчатой машине, которая одновременно нагнетает воздух для подачи в цилиндры внутреннего сгорания.

Известен патент РФ№2407899. Роторный двигатель внутреннего сгорания разделен на 3 секции: всасывания-сжатия, сгорания-выхлопа, утилизации-выпуска, по которым рабочее тело проходит последовательно, и процессы происходят одновременно с разными порциями рабочего тела. Процесс расширения выделен в отдельную секцию, поэтому геометрические размеры могут быть оптимизированы под конкретное рабочее тело с целью извлечения максимальной энергии. Аналогично процесс расширения вынесен в отдельный цилиндр в патенте РФ№2477375.

Известен патент РФ№2567159. В малом цилиндре, являющемся одновременно поршнем большого цилиндра происходит сжатие и сгорание заряда, малый поршень совершает работу и опускаясь открывает выход газам в большой цилиндр, куда впрыскивается вода и происходит расширение паро-газовой смеси в более подходящем для этого объеме. Поршни связаны между собой механически и большой поршень движется медленнее малого. Данная схема не подходит для создания цилиндра большой мощности с целью использования ее в электростанции.

Таким образом, существуют разработки, позволяющие более полно использовать тепловую энергию отработавших газов за счет непосредственного впрыска в них воды и расширения газопаровой смеси внутри специального цилиндра или машины, оптимизированных для максимального извлечения энергии из тепла смеси.

3. Раскрытие сущности изобретения

В данном изобретении предлагается в криогенной установке разделить кислород и азот воздуха, азот в жидком виде накапливать и хранить с последующим испарением и расширением в пневмомашине, а кислород в жидком виде впрыскивать в цилиндр внутреннего сгорания в среду сжатого природного газа. После сгорания отработавшие газы выпускаются через испарительную камеру, в которую впрыскивается вода, в газопаровой цилиндр большего диаметра над поршнем, где происходит расширение газопаровой смеси, при этом полость под поршнем подключается к контактному конденсатору, в котором поддерживается вакуум при помощи подпоршневых полостей цилиндров внутреннего сгорания и конденсатного насоса. При этом выработка электроэнергии происходит в синхронных линейных электрических машинах, бегуны которых связаны со штоками поршней. Выработка электроэнергии происходит в поршневой пневмомашине, поршневом детандере, в такте рабочего хода в цилиндре внутреннего сгорания и газопаровом цилиндре. Электроэнергия потребляется в линейных синхронных электрических машинах: поршневом компрессоре криогенной установки и в тактах впуска, сжатия и выпуска в цилиндре внутреннего сгорания. Для уравновешивания подвижных масс цилиндры выполняются попарно и соосно, а массы движутся в противофазах.

Такая схема позволяет:

1. Повысить КПД электростанции свыше 60% за счет повышения степени сжатия и степени утилизации тепла отработавших газов, снижения затрат энергии на сжатие и на откачку газов из контактного конденсатора за счет исключения азота из теплового цикла.

2. Не зависеть от источника воды, так как имеется положительный дебет использования воды за счет поступления из продуктов сгорания природного газа.

3. Повысить экологическую безопасность газопоршневой электростанции, так как при сгорании отсутствует азот, и оксиды азота не образуются.

4. Создать поршневую электростанцию большой мощности, увеличить единичную мощность агрегатов, снизить массу и габариты поршневых машин, их металлоемкость, облегчить монтаж и ремонт в эксплуатации.

5. Уменьшение количества цилиндров поршневой машины позволяет оснастить их большим количеством датчиков для автоматического контроля и оптимизации всех этапов работы.

Криогенная газопаровая поршневая электростанция, состоящая из воздухоочистительного устройства, связанного с воздушным компрессором и охладителем, подключенным к детандеру, криогенного резервуара, испарителя жидкого газа и пневмодвигателя, связанного с генератором, дымовой трубы, декарбонизатора-механического фильтра воды, деаэратора, насосов впрыска воды и циркуляционных насосов, отличающаяся тем, что содержит конденсатор азотной фракции, подключенный к ректификационной колонне, подающие по криогенным трубопроводам жидкий кислород и азот в раздельные криогенные резервуары для временного хранения, при этом кислородный резервуар связан с поршневым газопаровым блоком, в который подается жидкий кислород при помощи криогенного насоса для сжигания природного газа, а также тем, что воздушный компрессор и детандер являются свободнопоршневыми машинами, связанными механически с линейными синхронными электрическими машинами.

Поршневой газопаровой блок электростанции, отличающийся тем, что включает в себя два газопаровых цилиндра, установленных вертикально и соосно, каждый из которых связан механически с линейной синхронной электрической машиной, каждый газопаровой цилиндр имеет надпоршневую и подпоршневую полости, входы которых связаны каналами с выходами отработавших газов из двух цилиндров внутреннего сгорания, установленных вертикально и соосно, связанных механически с линейными синхронными электрическими машинами, выход каждой полости каждого газопарового цилиндра подключен каналами к влажной полости контактного конденсатора, подключенного каналами к входам штоковых полостей каждого цилиндра внутреннего сгорания, выходы штоковых полостей которых газоходами подключены к дымовой трубе электростанции, поршни каждой из двух пар цилиндров внутреннего сгорания и пары газопаровых цилиндров совершают в процессе работы возвратно-поступательные движения в противофазах для уравновешивания инерционных сил, конденсатор имеет патрубок для связи с конденсаторами других блоков станции.

Цилиндр внутреннего сгорания, состоящий из цилиндра, в котором свободно установлен поршень связанный со штоком, зажатый шпильками между верхней и нижней головками, одна из которых имеет отверстие, в котором движется шток и впускной и выпускной обратные клапаны, вторая головка имеет впускные газовые клапаны, управляемые соленоидами, поршень и шток имеют возможность для возвратно-поступательного движения, отличающийся тем, что бесштоковая головка содержит испарительную кислородную предкамеру, в которой на входе установлена кислородная форсунка, а на выходе обратный выпускной клапан, которая конструктивно выполнена с полостями, соединенными с полостями головки, в которых циркулирует при помощи внешнего насоса вода, используемая для охлаждения головки и цилиндра и для нагрева испарительных поверхностей кислородной предкамеры, для смазки поверхностей контакта поршня, штока и цилиндра в поршне и штоке выполнены отверстия, через которые нагнетается смазочное масло и отводится масло-газовая эмульсия, к штоку масло подводится при помощи гибких рукавов.

Газопаровой цилиндр, состоящий из цилиндра, в котором свободно установлен поршень, связанный со штоком, который зажат шпильками между верхней и нижней головками, одна из них имеет отверстие, в котором движется шток, отличающийся тем, что каждая головка имеет испарительную камеру, в которую поступают горячие отработавшие газы и форсунку, через которую впрыскивается вода, испаряющаяся в отработавших газах контактным способом, образуя газопаровую смесь, под давлением поступающую в обе полости цилиндра поочередно, на выходе испарительной камеры установлена поворотная заслонка, управляемая поворотным электромеханизмом, каждая головка имеет также выходной канал, перекрываемый выпускным клапаном, управляемым соленоидом, через который отработавшая смесь выходит из цилиндра, и который также служит для создания разрежения в одной из полостей цилиндра, в то время как в другой полости происходит расширение газопаровой смеси, поршень и шток в месте соединения имеют золотниковый клапан, переключающий потоки герметизирующей воды при движении поршня вверх и вниз, к штоку вода подводится при помощи гибких рукавов.

Линейная синхронная электрическая машина, состоящая из неподвижной обмотки возбуждения и бегуна с силовой обмоткой, связанной с сетью, отличающаяся тем, что бегун имеет две и более ветви магнитопровода с уложенными в его пазах секциями обмотки через зубцы разной ширины: по краям бегуна уже, в середине шире, и имеет возможность возвратно-поступательного движения по направляющим роликам статора и корпуса, обмотка возбуждения явнополюсная выполнена между ветвями бегуна и вне их чередующимися полюсами, а магнитопровод которой имеет замыкающие ветви вокруг обмотки возбуждения, витки бегуна выполняются отключаемыми от сети, при помощи симисторов, состоянием которых управляет контроллер, получающий информацию от датчика положения бегуна и от трансформатора напряжения, витки бегуна, выходящие за пределы магнитного поля обмотки возбуждения, периодически отключаются от сети.

Газопаровая поршневая электростанция состоит из следующих основных частей (Фиг.1): 1 - воздухоочистительное устройство; 2 - многоступенчатый поршневой компрессор с приводом от синхронных линейных электрических двигателей; 3 – охладитель криогенной установки; 4 – поршневой детандер с линейным синхронным электрическим генератором; 5 – конденсатор азотной фракции; 6 – ректификационная колонна; 7 – буферный криогенный резервуар жидкого кислорода; 8 – криогенный резервуар жидкого азота; 9 – криогенные насосы; 10 – испаритель азота; 11 – азотная расширительная машина (пневмодвигатель) с генератором; 12 – водо-азотный теплообменник; 13 – двухсекционный резервуар запаса воды; 14 – дымовая труба; 15 – цилиндры внутреннего сгорания с линейными синхронными электрическими машинами (две пары в блоке); 16 – газопаровой цилиндр (два в блоке); 17 – контактный конденсатор; 18 – конденсатный насос; 20 – декарбонизатор-механический фильтр; 21 – деаэратор; 22 – насос впрыска воды; другие циркуляционные насосы воды.

Газопаровой блок состоит из двух газопаровых цилиндров 16 с линейными синхронными электрическими генераторами, двух пар цилиндров внутреннего сгорания 15 с линейными синхронными электрическими машинами и контактного конденсатора 17. Количество блоков на станции должно быть не менее трех для уменьшения неравномерности выдачи мощности в сеть на небольших интервалах времени (часы).

Цилиндр внутреннего сгорания 15 (Фиг.13) состоит из цилиндра 31, к которому стяжными шпильками крепятся верхняя 32 и нижняя головка 33. В цилиндре установлен поршень 34, который при помощи штока 35 соединяется с линейной синхронной электрической машиной. Поршень имеет комплекты верхних 36 и нижних 37 компрессионных и маслосъемных колец. В поршне выполнены отверстия подачи 38 и дренажа 39 смазочного масла. В штоке выполнены отверстия подвода и дренажа масла, которые гибкими рукавами 40 связаны с системой смазки (не показана). Внутренняя поверхность цилиндра 31 и внешняя поверхность штока 35 выполняются с хонингованием для задержки масла.

Верхняя головка 32 содержит впускные клапаны природного газа 41, управляемые соленоидами 42, выпускные клапаны 43, управляемые соленоидами 44. В головке установлена испарительная кислородная предкамера 45 с выпускным обратным клапаном 46 и сопловыми отверстиями 47, в которой крепится жидкокислородная форсунка 48. предкамера 45 имеет полости, в которые впрыскивается жидкий кислород, а также полости, в которых циркулирует вода. Предкамера 45 имеет отверстия, соединяющие ее внутренние полости с полостями охлаждения верхней головки 32. Циркуляция воды обеспечивается насосом 49 и внешними трубопроводами, подключенными к испарительной предкамере 45 и рубашке охлаждения цилиндра 50. В верхней головке устанавливаются датчики контроля 54.

Нижняя головка 33 содержит впускной 51 и выпускной 52 обратные клапаны, масляные каналы 53 смазки уплотнения штока 35, которые представляют собой верхние и нижние комплекты маслосъемных и компрессионных колец.

Газопаровой цилиндр 16 (Фиг.10, 11, 12) состоит из цилиндра 61, к которому стяжными шпильками 60 крепятся верхняя 62 и нижняя (штоковая) головка 63. Внутри цилиндра находится поршень 64, передающий усилие на шток 65 через золотник гидрозатвора. Верхняя и нижняя головка симметричны, за исключением узла скользящего уплотнения штока. В штоке и в поршне выполнены отверстия для циркуляции воды гидрозатвора поршня. К головкам примыкают одинаковые испарительные камеры 66, в которые установлены водные форсунки 67 с отверстиями, направленными по ходу потока. Вход испарительной камеры 66 соединяется с выходом головки цилиндра внутреннего сгорания в полости отработавших газов.

В головках установлены также выпускные клапаны 68, управляемые соленоидами 69. Клапаны открывают выход отработавшим газам из цилиндра в полость головки, которая соединяется с конденсатором. Выход испарительной камеры 66 отключается от цилиндра заслонкой 70, с приводом от поворотного электромеханизма. Вода подводится к штоку из системы гидрозатвора и отводится от него в конденсатор 17 при помощи гибких рукавов 71. Шток присоединяется к бегуну синхронного электрического генератора.

В нижней головке выполнены отверстия, по которым циркулирует вода гидрозатвора штока. Вода, прошедшая вдоль штока стекает в воронку и отводится через дренаж в конденсатор.

Контроль параметров цилиндра осуществляется при помощи датчиков 72.

Линейная синхронная электрическая машина (Фиг.6, 7) применяется совместно с компрессором 2 в режиме двигателя, с детандером 4 – в режиме генератора, с азотным пневмодвигателем 11 – в режиме генератора, с цилиндром внутреннего сгорания 15 – в режиме двигателя в тактах впуска, сжатия и выпуска и в режиме генератора – в такте рабочего хода (расширения), с газопаровым цилиндром 16 – в режиме генератора.

Конструкция машин аналогична друг другу в разных применениях и имеет следующие общие компоненты. Узел крепления 81 штока к бегуну 82. Бегун содержит силовые обмотки трех фаз, витки которых 83 укладываются в пазы магнитопровода 84. Бегун может содержать одну и более ветви магнитопровода, которые движутся по направляющим - роликам статора 85. Обмотка возбуждения 86 выполнена неподвижной. Обмотка намотана на сердечники 98, связанные магнитопроводами 87. Концевые полюса содержат только магнитопроводы без обмоток. Магнитопровод бегуна выполняется из листов материала с высокой магнитной проницаемостью поперек витков. Магнитопровод статора (обмотки возбуждения) может быть выполнен монолитным.

Витки бегуна укладываются не равномерно по его длине, то есть зубцы магнитопровода выполняются разной толщины. Это вызвано тем, что поршень при приближении к верхней и нижней мертвой точке замедляется и останавливается, для того, чтобы сохранять синхронизм с сетью без перехода в двигательный режим, также замедляться должно и движение магнитного поля относительно бегуна. Поэтому витки по краям ветвей бегуна укладываются чаще, а в середине реже.

Электрическая машина имеет корпус, обладающий достаточной жесткостью для передачи переменных усилий от статора цилиндрам и между цилиндрами и статорами одного блока через строительные конструкции электростанции (условно не показаны на фигурах). Силовая обмотка бегуна имеет выводы, связанные через гибкие проводники 90 с клеммами 89 электрической машины (Фиг.8, 9).

Увеличение числа повторяющихся секций фаз силовой обмотки позволяет снизить частоту колебаний бегуна с поршнем, а значит и скорость их движения, что позволяет снизить инерционные механические нагрузки на детали.

Для исключения затрат энергии на создание обмотками бегуна переменного магнитного поля, не сцепленного с магнитным полем обмотки возбуждения, что происходит при выходе секций витков за его пределы, крайние витки бегуна выполняются с отключением от сети (Фиг.16). Отключаемые секции бегуна 91 подключаются к клеммам машины 93 через силовые симисторы 92, вмонтированные в бегун, состоянием которых управляет контроллер бегуна 94, подключаемый через гибкий шлейф сигнальных кабелей 95 к бегуну. Переключение происходит в момент времени, когда ток в данной фазе равен 0. Так как, бегун движется синхронно магнитному полю, создаваемому силовой обмоткой, связанной с сетью, достаточно знать текущее значение напряжения данной фазы, информацию о чем контроллер получает от трансформатора напряжения 96. Информацию о положении бегуна контроллер получает от датчика положения бегуна 97.

Возможно несколько вариантов компоновки электрической машины, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Возможен вариант, при котором подвижной выполняется обмотка возбуждения, а силовая обмотка – неподвижной. В этом случае подвижные части получаются более массивными, так как в предыдущем варианте магнитопровод бегуна не разворачивает силовые линии магнитного поля, но при этом отсутствуют гибкие силовые проводники 90 и легче выполнить коммутацию секций витков силовой обмотки.

Возможен вариант, при котором, бегун выполняется всего с одной группой секций (12 в варианте с двухслойной трехфазной обмоткой), то есть он короткий, а обмотка возбуждения выполняется неподвижной, как и в первом варианте, но с большим количеством полюсов, распределенным по вертикали. Для компенсации неравномерности возвратно-поступательного движения поршня неравномерно должны распределяться по вертикали и полюса обмотки возбуждения. Но это сделать сложнее, чем в варианте с длинным бегуном, кроме того необходимо выполнять коммутацию (отключение) части полюсов при выходе бегуна за область сцепления с магнитным полем обмотки возбуждения для ликвидации рассеяния электрической энергии, идущей на его создание. Но при этом возникают потери на размагничивание и повторное намагничивание полюсов.

Таким образом, необходимо стремиться, чтобы подвижные части машины были бы наиболее легкими, а потери на размагничивание и рассеяние – минимальными, возможным было бы обеспечить сохранение синхронизма с сетью при неравномерном движении бегуна с поршнем, и вся машина имела бы минимальные габариты, массу и материалоемкость.

Каждый блок станции (Фиг.12, 14) содержит пару газопаровых цилиндров 16, к каждому из которых подключены по два цилиндра внутреннего сгорания 15. Газопаровые цилиндры механически связаны с синхронными электрическими машинами 101. Каждый цилиндр внутреннего сгорания связан механически со своей синхронной электрической машиной 102. К их патрубкам 103 подключается газопровод природного газа. Компрессорные полости цилиндров внутреннего сгорания связаны трубопроводами 104 с газовой полостью 105 конденсатора. Полости выпускных клапанов головок 62 и 63 газопаровых цилиндров 16 связаны трубопроводами 106 с газопаровой полостью 107 конденсатора.

Контактный конденсатор 17 (Фиг. 15) имеет корпус 108, в котором помимо газопаровой (влажной) полости 107 и газовой (сухой) полости 105 размещены полости поверхностей охлаждения 109, отделенные друг от друга перегородками 110. В нижней части конденсатора уровнем стекающей с поверхностей охлаждения воды формируется водяная полость, из которой вода откачивается конденсатным насосом 112. Конденсаторы разных блоков станции соединены друг с другом трубопроводом 111.

Для управления станцией создается автоматизированное рабочее место машиниста, связанное с контроллерами отдельных функциональных узлов. Кроме того, станция оснащается трансформаторами связи с электрической сетью, распределительными устройствами и устройствами РЗА, вспомогательным оборудованием, запорной и регулирующей арматурой, системами трубопроводов, размещаемым в зданиях на определенной территории.

4. Краткое описание чертежей

Фиг.1. Представлена принципиальная схема газопаровой поршневой электростанции. Показан один блок цилиндров.

Фиг.2. Представлена организация циклов работы цилиндров, первый такт (рабочий ход в верхнем цилиндре внутреннего сгорания).

Фиг.3. Представлена организация циклов работы цилиндров, второй такт (выпуск отработавших газов в верхнем цилиндре внутреннего сгорания).

Фиг.4. Представлена организация циклов работы цилиндров, третий такт (впуск природного газа в верхнем цилиндре внутреннего сгорания).

Фиг.5. Представлена организация циклов работы цилиндров, четвертый такт (сжатие природного газа в верхнем цилиндре внутреннего сгорания).

Фиг.6. Представлена конструкция линейной синхронной электрической машины в варианте с коммутируемыми секциями бегуна, главный вид - разрез.

Фиг.7. Представлена конструкция линейной синхронной электрической машины, повернутый разрез, вид сверху.

Фиг.8. Представлен вид сбоку линейной синхронной электрической машины в верхнем положении бегуна.

Фиг.9. Представлен вид сбоку линейной синхронной электрической машины в нижнем положении бегуна.

Фиг.10. Представлена конструкция газопарового цилиндра при движении поршня вниз.

Фиг.11. Представлено положение золотника в соединении поршня и штока газопарового цилиндра при движении поршня вверх.

Фиг.12. Вид сверху газопарового цилиндра в соединении с цилиндром внутреннего сгорания и контактным конденсатором в составе газопарового блока электростанции.

Фиг.13. Представлена конструкция цилиндра внутреннего сгорания, работающего на природном газе и жидком кислороде.

Фиг.14. Представлен внешний вид одного газопарового блока электростанции.

Фиг.15. Представлен разрез контактного конденсатора.

Фиг.16. Представлена схема коммутации секций бегуна линейной синхронной электрической машины на примере трехфазной двухслойной обмотки.

5. Осуществление изобретения

Предлагаемая электростанция (Фиг.1) позволяет выдавать в сеть разную мощность. В ночное время, когда электроэнергия более дешевая, включается в работу криогенная часть станции с целью разделения, накопления и хранения азота и кислорода воздуха. В дневное время эта часть отключается, и работают газопаровые поршневые блоки, а также азотная пневмомашина, при этом происходит выдача в сеть максимальной мощности. Вода, охлажденная при испарении азота, накапливается и хранится в резервуарах и используется для охлаждения конденсаторов газопаровых блоков.

При работе криогенной части электростанции воздух атмосферы очищается в воздухоочистительной установке 1 и засасывается многоступенчатым воздушным компрессором 2 с приводом от линейного синхронного электрического двигателя, при этом происходит потребление электрической мощности от генерирующего оборудования станции. Поршень компрессора под действием сил электромагнитного взаимодействия в синхронной машине совершает возвратно-поступательные движения синхронно с частотой сети, при этом в надпоршневых и подпоршневых ступенях компрессора происходит всасывание и сжатие воздуха, который распределяется впускными и выпускными обратными клапанами и нагревается в результате сжатия. Далее в охладителе воздуха 3 он охлаждается водой, которая циркулирует в контуре с испарителем азота 10 при помощи насоса, при этом происходит конденсация паров воды атмосферного воздуха, которая вытесняется в деаэратор. Сжатый и охлажденный воздух поступает в расширительную машину 4, представляющую собой поршневой детандер, связанный с линейным синхронным электрическим генератором, в котором воздух расширяется и охлаждается до температуры ниже температуры кипения азота и переходит в жидкую фазу. В детандере воздух толкает поршень, связанный с бегуном генератора и происходит выработка электроэнергии. Используются надпоршневые и подпоршневые полости детандера, а воздух распределяется при помощи впускных и выпускных обратных клапанов. Для уравновешивания инерционных нагрузок подвижных частей компрессора и детандера их цилиндры выполняются соосно и парными, а поршни совершают колебания в противофазах.

Жидкий воздух поступает в конденсатор азота 5, где он подогревается газообразным азотом, поступающим от ректификационной колонны 6 до температуры кипения азота, а газообразный азот конденсируется и накапливается в криогенном резервуаре 8, где хранится до использования. В криогенной ректификационной колонне 6 происходит многоступенчатое отделение азота от кислорода воздуха при его кипении с поверхности испарительных тарелок. На выходе ректификационной колонны 6 получаем также жидкий кислород, который поступает для хранения в буферный криогенный резервуар жидкого кислорода 7.

В часы пикового потребления электроэнергии в сети, когда увеличивается ее стоимость на рынке, накопленный жидкий азот подается из криогенного резервуара 8 криогенным насосом 9 в испаритель азота 10, где происходит его испарение с многократным увеличением объема и давления. Для нагрева азота используется вода, нагретая в охладителе воздуха 3 или взятая от деаэратора газопарового блока, циркулирующая при помощи водяного циркуляционного насоса. Температура воды регулируется путем перемешивания потоков горячей и холодной воды, взятых из этих процессов в многоходовом клапане 23. Газообразный азот поступает в расширительную машину азота (пневмодвигатель) 11, представляющую собой два поршневых детандера с использованием надпоршневой и подпоршневой полости и распределением азота при помощи обратных впускных и выпускных клапанов. Поршни в цилиндрах пневмодвигателя, связанные с бегуном линейного синхронного электрического генератора, совершают возвратно-поступательные движения в противофазах для уравновешивания сил инерции, при этом в генераторе происходит выработка электрической энергии. Низкотемпературный газообразный азот проходит через водо-азотный теплообменник 12 и подогревается до температуры, близкой к температуре окружающего воздуха и выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу 14 или же нагнетается в баллоны и реализуется потребителям азота. Охлажденная вода используется для охлаждения конденсаторов, регулирования температуры воды в циклах работы станции или накапливается в холодной секции резервуара воды 13.

Три и более газопаровых блока электростанции работают либо постоянно на номинальной мощности и одновременно либо только в дневное время по очереди или одновременно. Жидкий кислород при помощи криогенного насоса 9 из буферного резервуара 7 подается по криогенному трубопроводу в цилиндры внутреннего сгорания 15, где он вступает в окислительную реакцию со сжатым природным газом. Поршни 34 пар цилиндров 15 совершают возвратно-поступательные движения в противофазах для уравновешивания сил инерции. Поршни связаны с бегунами линейных синхронных электрических машин 102 (Фиг.14), где происходит либо выработка электроэнергии, либо потребление электроэнергии в режиме двигателя. Отработавшие газы поступают в газопаровые цилиндры 16 через испарительные камеры 66 (Фиг.10), где в них впрыскивается подогретая вода. Вода испаряется контактным способом в объеме отработавших газов, которые многократно увеличиваются в объеме и толкают поршень 64 газопарового цилиндра 16, который связан с бегуном линейного синхронного электрического генератора 101, где происходит выработка электроэнергии.

Для наиболее полного использования тепла водяных паров при расширении смеси над поршнем пространство под поршнем подключается к конденсатору 17 (Фиг.12, 15), где поддерживается вакуум, путем подключения конденсатора к компрессорной полости (штоковой) цилиндра внутреннего сгорания 15 и работой конденсатного насоса 18. После расширения в газопаровом цилиндре 16 отработавшие газы поступают в контактный конденсатор 17 и после осушения отработавшие газы, откаченные цилиндром 15, выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 14, либо нагнетаются и реализуются потребителям, учитывая, что наибольшая их часть представляет собой углекислый газ.

Конденсат после конденсатного насоса 18 проходит очистку в декарбонизаторе-механическом фильтре 20 от растворенной в конденсате угольной кислоты и твердых примесей (следов нагара и сажи) и поступает в атмосферный деаэратор 21, где из конденсата удаляются мелкие пузырьки газов и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 14. Вода после деаэратора нагнетается насосом 22 и подается на распылители испарительных камер газопаровых цилиндров 16. Вода после деаэратора также используется в системе охлаждения цилиндра внутреннего сгорания 15, которая, циркулируя в рубашке охлаждения 50 (Фиг.13) и головке 32, обеспечивает испарение кислорода. Вода после деаэратора используется также для регулирования температуры воды в циклах работы станции путем подмеса ее как горячего источника в разные контуры через многоходовые клапаны 23.

Вода 19 после охлаждения конденсаторов возвращается в систему после деаэратора 21, а избыток сбрасывается в резервуар воды 13.

Благодаря конденсации воды из отработавших газов и атмосферного воздуха появляется избыток воды, которая накапливается в резервуаре 13 и используется для собственных нужд станции, подпитки контуров и тепловой сети, поэтому станция может работать без постоянного источника воды.

Циклы совместной работы цилиндров внутреннего сгорания 15 и газопарового цилиндра 16 организуются следующим образом (Фиг.2, 3, 4, 5), (Фиг.13). В первом такте в испарительную кислородную предкамеру 45 верхнего цилиндра внутреннего сгорания при помощи форсунки 48 впрыскивается кислород, где подогреваемый водой системы охлаждения он испаряется, давление кислорода в испарительной предкамере 45 повышается и при достижении давления предварительно сжатого до температуры выше температуры воспламенения в кислороде природного газа через обратный клапан 46 поступает в цилиндр, в среду природного газа. Природный газ, находящийся вокруг струи кислорода и контактирующий с ней, воспламеняется. Струя кислорода (факел) формируется при помощи сопловых отверстий 47 таким образом, чтобы благодаря завихрениям обеспечить сгорание максимального количества природного газа, находящегося в цилиндре, при минимальном остатке неиспользованного кислорода до прекращения горения. Благодаря отсутствию азота в камере сгорания, оксиды азота не образуются, а процесс горения проходит интенсивнее, обеспечивая участие в реакции максимального количества компонентов, при этом детонация не происходит, так как горит не смесь, а факел, как в дизеле. Стенки сопла 47 могут быть выполнены с напылением из катализатора реакции, например платины, для улучшения начала реакции. Давление в камере сгорания повышается, и газы начинают толкать поршень 34 вниз, совершая такт рабочего хода (расширения газов). Усилие от поршня передается через шток 35 на бегун линейной электрической машины, и начинается выдача в сеть электрической мощности.

В нижнем цилиндре внутреннего сгорания, расположенном вертикально, оппозитно и соосно верхнему, под действием усилия от линейной электрической машины, передаваемого через шток 35 от бегуна, поршень 64 движется вверх, при этом потребляется электрическая мощность от других цилиндров станции. Открываются клапаны 41 подачи природного газа под действием соленоидов 42, а выпускные клапаны 43 под действием соленоидов 44 закрываются и нижний цилиндр начинает наполняться зарядом природного газа.

Поршни 34 верхнего и нижнего цилиндра внутреннего сгорания, в этом такте, выталкивают из штоковой полости углекислый газ в атмосферу через выпускной обратный клапан 52, впускной обратный клапан 51, при этом, закрыт, что обеспечивает изоляцию штоковой полости от конденсатора 17.

В газопаровом цилиндре 16 (Фиг. 10) поршень 64 движется вверх и в начальный момент времени находится в среднем положении. Капли воды, находящиеся в полости с отработавшими газами под поршнем продолжают испаряться. Расширяющаяся газопаровая смесь, находящаяся в штоковой полости, толкает поршень вверх. Выпускной клапан 68 находится в открытом положении и отработавшая газопаровая смесь из полости над поршнем вытесняется в конденсатор 17, при этом в данной полости создается разряжение, близкое по величине с разряжением в конденсаторе. Примерно в этот момент времени закрывается заслонка 70 нижней головки 63 и испарительная камера 66 нижней головки 63 отключается от газопарового цилиндра 16. Переток отработавших газов от нижнего цилиндра внутреннего сгорания 15 через нижнюю испарительную камеру 66 прекращается вместе с впрыском воды в нее. Поршень 64 через шток 65 связан с бегуном линейной электрической машины 101, в которой происходит выработка электроэнергии.

В конце этого такта скорость поршня 64 снижается до нуля, но под действием силы инерции подвижных частей цилиндра 16 и машины 101 продолжается расширение смеси под поршнем и в этой полости разряжение увеличивается кратковременно до величины, превышающей разряжение над поршнем. За счет чего продолжается выработка электрической энергии и тепловая энергия рабочего тела, состоящего из отработавших газов – в основном углекислого газа, водяных паров топлива и водяных паров впрыснутой воды, максимально преобразуется в электрическую энергию. Иными словами, торможение подвижных частей происходит за счет кратковременного создания, динамического дополнительного вакуума под поршнем, что позволяет извлечь максимальное количество тепла за счет расширения газов и в основном водяных паров и преобразовать его в механическую энергию движения поршня и бегуна электрической машины.

К началу второго такта завершается испарение и поступление кислорода в камеру сгорания, давление в цилиндре начинает превышать давление в кислородной предкамере 45 и обратный впускной клапан 46 закрывается, горение природного газа в верхнем цилиндре внутреннего сгорания 15 прекращается. Рабочее тело совершило работу по перемещению поршня, при этом газы расширились. Открывается выпускной клапан 43 под действием соленоидов 44 и заслонка 70 верхней головки 62 под действием поворотного электромеханизма и отработавшие газы устремляются в испарительную камеру 66, при этом увеличивается скорость их движения. Через форсунку 67 начинается впрыск воды в направлении потока газов, при этом вода испаряется, увеличивая объем рабочего тела, которое поступает в полость над поршнем газопарового цилиндра. Поршень верхнего цилиндра 15 движется вверх, вытесняя отработавшие газы через выпускной клапан 43 в испарительную камеру.

В нижнем цилиндре внутреннего сгорания закрывается впускной газовый клапан 41 и начинается сжатие природного газа и повышение его температуры выше величины устойчивого воспламенения при контакте с кислородом. Чем больше степень сжатия природного газа, тем выше КПД цилиндра внутреннего сгорания. Поршень движется вниз.

В штоковых полостях верхнего и нижнего цилиндров 15 через открытый впускной обратный клапан 51 происходит всасывание отработавших газов из конденсатора 17, при этом в нем поддерживается разряжение.

Движение поршней в верхнем и нижнем цилиндре внутреннего сгорания происходит под действием электромагнитных сил в синхронных электрических машинах 102, при этом происходит потребление мощности от других цилиндров станции.

В газопаровом цилиндре через открытый выпускной клапан 68 отработавшая газопаровая смесь поступает в конденсатор, при этом поршень 64 движется вниз под действием разности давлений рабочего тела над поршнем и под поршнем. Происходит выработка электрической энергии.

В третьем такте повторяется процесс сжигания природного газа в нижнем цилиндре внутреннего сгорания, поршень движется вверх и происходит выработка электрической мощности в нижней машине 102. В верхнем цилиндре повторяется процесс наполнения природным газом, поршень движется вниз и происходит потребление электрической мощности от других цилиндров верхней электрической машиной 102. Сухие газы из штоковых полостей через открытые выпускные клапаны 52 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

В начале третьего такта поршень 64 газопарового цилиндра проходит через среднее положение, двигаясь вниз, под действием разности давлений расширяющейся газопаровой смеси над поршнем и разряжения под поршнем, которое создается откачкой отработавшей смеси из этой полости разряжением в конденсаторе 17 через выпускной клапан 68. Электрическая машина 101 выдает мощность в сеть.

В конце третьего такта повторяется процесс расширения рабочего тела в состоянии вакуума под действием сил инерции подвижных частей с глубоким извлечением тепла рабочего тела теперь уже над поршнем.

В четвертом такте происходит сжатие природного газа в верхнем цилиндре внутреннего сгорания, поршень движется вверх, электрическая машина 102 потребляет мощность от других цилиндров. В нижнем цилиндре происходит вытеснение отработавших газов в испарительную камеру 66 и впрыск воды. Газопаровая смесь поступает в полость под поршнем газопарового цилиндра и расширяется. Электрическая машина 101 выдает мощность в сеть. Отработавшая смесь из полости над поршнем откачивается в конденсатор 17, разряжение в котором поддерживается откачкой осушенных газов из конденсатора в штоковые полости цилиндров внутреннего сгорания.

Выравнивание пульсаций разряжения в конденсаторах происходит за счет объединения конденсаторов разных блоков соединительными трубопроводами, а циклы в разных блоках происходят с перекрытием фаз, это же позволяет выравнивать колебания электрической мощности электростанции.

Линейная синхронная электрическая машина (Фиг.6, 7, 8, 9) в предложенном варианте работает следующим образом. В момент включения бегуна 82 в сеть он находится в нижней мертвой точке под своим весом. В режиме линейного двигателя в этот момент его скорость равна нулю. Появляется бегущее относительно бегуна магнитное поле, возбуждаемое его силовой обмоткой 83, но так как оно сцеплено с постоянным магнитным полем обмотки возбуждения 86, появляется сила, толкающая бегун вверх. Так как секции обмотки 83 бегуна расположены в начальный момент времени часто, то при сохранении синхронизма с сетью бегун разгоняется, то есть движется неравномерно. Кинематически неравномерность движения должна определяться технологическим процессом, происходящим в цилиндре, к которому подключена машина. Общее магнитное поле машины замыкается через неподвижные магнитопроводы статора 87, сердечники 91 полюсов и подвижные магнитопроводы 84 бегуна, как показано на Фиг.6, при этом конструкция бегуна получается наиболее легкой. Недостатком является наличие гибких силовых проводников 90, снижающих надежность. Общее магнитное поле машины получается неподвижным, но благодаря движению бегуна, поле бежит относительно него, создавая либо ЭДС в режиме генератора, либо силу, толкающую бегун в режиме двигателя.

При переходе в режим генератора бегун под действием силы, передаваемой от поршня через шток, несколько смещается относительно его магнитного поля вперед в направлении движения, в результате чего в его обмотке возникает ЭДС, которая генерирует электрический ток и мощность, передаваемую в сеть через гибкие силовые проводники 90 и клеммы 89 машины.

При приближении к мертвой точке благодаря уменьшению промежутков между секциями силовой обмотки, а также по причине уменьшения силы, действующей на поршень, бегун 83 замедляется, далее либо следует переход в режим двигателя с изменением направления движения бегуна, либо изменяется вектор силы, действующей на поршень, и теперь она толкает поршень в другую сторону, в этом случае выдача в сеть электрической мощности продолжается.

Бегун движется по направляющим роликам 85, что обеспечивает минимальный воздушный зазор между зубцами его магнитопроводов и наконечниками сердечников 98 обмотки возбуждения. В конструкцию бегуна встроены специальные направляющие 99 – дорожки для роликов.

Фазы обмотки бегуна включаются в сеть при помощи симисторов 92 (Фиг.16), управляемых контроллером 94, через гибкий шлейф сигнальных проводников 95, в момент времени, когда ток в этой фазе равен нулю. Это позволяет, во-первых, плавно (не ударно) разогнать бегун, находящийся в мертвой точке, а во-вторых исключает потери на размагничивание, так как в этот момент времени плотность магнитного потока, создаваемого витками отключаемых секций, равна нулю, то есть магнитный поток в данном поперечном сечении бегуна в этот момент времени меняет направление.

Отключение фаз бегуна необходимо, так как в силу своей конструкции часть витков периодически выходит за пределы магнитного поля обмотки возбуждения, то есть прекращается сцепление магнитного потока бегуна с магнитным потоком обмотки возбуждения. Электрическая энергия через несцепленное магнитное поле силовой обмотки бегуна начинает рассеиваться в пространстве, снижая электрический КПД генератора. Выход определенных секций обмотки бегуна за пределы обмотки возбуждения определяется датчиком положения 97 бегуна, а момент времени, когда магнитный поток, создаваемый этими секциями, меняет направление, определяется трансформатором напряжения 96 с коррекцией самим контроллером 94, так как параметры сети, в частности чередование фаз и синусоидальный вид мгновенного значения напряжения и тока практически постоянны. На схеме Фиг.16 концы фазных обмоток соединены между собой, то есть в данном графическом примере машина подключена по схеме «звезда».

Контроллер должен характеризоваться достаточным быстродействием, чтобы отслеживать мгновенное значение переменного тока в силовой цепи. Период между возможными состояниями коммутации составляет 1 мс, таким образом, быстродействие должно быть не хуже 0,1 мс.

Для обеспечения герметизации сопряжения поршень 64 – цилиндр 61 и штока 65 – нижняя головка 63 в газопаровом цилиндре (Фиг.10, 11) предлагается применить гидрозатвор. Предпосылкой к этому является наличие капель воды в рабочем теле. К слову сказать, в отличие от паровых турбин, в которых наличие капель на последних ступенях во избежание абразивного износа лопаток не допускается, и поэтому приходится ограничивать сухость пара, а значит и степень использования тепла рабочего тела, поршневая машина позволяет использовать более влажный пар, что увеличивает глубину извлечения тепла, а значит и эффективность процесса.

Для создания гидрозатвора в сопряжении шток 65 – поршень 64 встраивается золотник с возможностью небольшого перемещения штока относительно поршня. В штоке 65 и поршне 64 выполняются отверстия и полости для подвода герметизирующей воды и отведения водо-паро-газовой смеси в конденсатор 17 через гибкие рукава 71. Многоступенчатый насос 73 нагнетает воду из деаэратора под давлением, немного превосходящим давление в цилиндре, которое измеряется при помощи датчиков 72. При движении поршня 64 вниз, сначала он перемещается в золотнике относительно штока 65, каналы в поршне переключаются, как показано на схеме (Фиг.10), обеспечивая движение воды вдоль зазора сопряжения снизу вверх относительно поршня. Давление воды противодействует истечению газов из полости над поршнем в полость под поршнем, при этом незначительная часть воды будет выбрасываться в цилиндр, и незначительная часть газов будет прорываться в дренажные каналы. Вода, поступившая в цилиндр, стекает по стенкам и удаляется по дренажным каналам в поршне и в нижней головке. Зазор в сопряжениях должен быть соизмерим с пристеночным радиусом закругления поверхности воды из-за поверхностного натяжения.

При движении поршня 64 вверх, в начальный момент он немного перемещается в золотнике относительно штока 65, переключая каналы внутри поршня, как показано на Фиг.11, обеспечивая движение воды сверху вниз относительно поршня.

В сопряжении штока 65 и нижней головки 63 вода по центральному каналу в головке 63 подается под давлением, соизмеримым с давлением в цилиндре в зону контакта и движется в обе стороны вдоль штока 65 до уровня дренажных отверстий и по дренажным каналам отводится из зоны сопряжения. Благодаря тому, что дренаж соединяется с конденсатором, в котором создается разряжение, дренажная вода в смеси с прорвавшимися газами и паром откачивается из дренажных каналов.

Вода, стекающая по штоку за пределы цилиндра, собирается в воронку 74 и также через калиброванные отверстия откачивается в дренаж.

Благодаря тому, что оси цилиндров располагаются вертикально, подвижные элементы поршень – шток – бегун свободно подвешиваются и перемещаются под действием сил давления газов и электромагнитного взаимодействия в линейной машине без опоры на стенки цилиндра, поэтому износ поверхностей происходит равномерно.

Благодаря контактной конденсации водяных паров сажа и следы нагара удаляются из отработавших газов и перед подачей в дымовую трубу получаются раздельно достаточно чистый азот и углекислый газ, которые могут компрессорами нагнетаться в баллоны и затем использоваться в различных производствах.

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к тепловым электростанциям. Криогенная газопаровая поршневая электростанция состоит из воздухоочистительного устройства (1), связанного с воздушным компрессором (2) и охладителем (3), подключенным к детандеру (4). Также состоит из криогенного резервуара (8), испарителя (10) жидкого газа и пневмодвигателя (11), связанного с генератором, дымовой трубы (14), декарбонизатора - механического фильтра (20) воды, деаэратора (21), насосов (22) впрыска воды и циркуляционных насосов. При этом электростанция содержит конденсатор (5) азотной фракции, подключенный к ректификационной колонне (6), подающей по криогенным трубопроводам жидкий кислород и азот в раздельные криогенные резервуары (7, 8) для временного хранения. Кислородный резервуар (7) связан с поршневым газопаровым блоком, в который подается жидкий кислород при помощи криогенного насоса (9) для сжигания природного газа. Воздушный компрессор (2) и детандер (4) являются свободнопоршневыми машинами, связанными механически с линейными синхронными электрическими машинами. Также раскрыты поршневой газопаровой блок электростанции, цилиндр внутреннего сгорания, газопаровой цилиндр и линейная синхронная электрическая машина. Технический результат заключается в повышении КПД электростанции за счет повышения степени сжатия и степени утилизации тепла отработавших газов, снижения затрат энергии на сжатие и на откачку газов. 5 н.п. ф-лы, 16 ил.

1. Криогенная газопаровая поршневая электростанция, состоящая из воздухоочистительного устройства, связанного с воздушным компрессором и охладителем, подключенным к детандеру, криогенного резервуара, испарителя жидкого газа и пневмодвигателя, связанного с генератором, дымовой трубы, декарбонизатора - механического фильтра воды, деаэратора, насосов впрыска воды и циркуляционных насосов, отличающаяся тем, что содержит конденсатор азотной фракции, подключенный к ректификационной колонне, подающей по криогенным трубопроводам жидкий кислород и азот в раздельные криогенные резервуары для временного хранения, при этом кислородный резервуар связан с поршневым газопаровым блоком, в который подается жидкий кислород при помощи криогенного насоса для сжигания природного газа, а также тем, что воздушный компрессор и детандер являются свободнопоршневыми машинами, связанными механически с линейными синхронными электрическими машинами.

2. Поршневой газопаровой блок электростанции, отличающийся тем, что включает в себя два газопаровых цилиндра, установленных вертикально и соосно, каждый из которых связан механически с линейной синхронной электрической машиной, каждый газопаровой цилиндр имеет надпоршневую и подпоршневую полости, входы которых связаны каналами с выходами отработавших газов из двух цилиндров внутреннего сгорания, установленных вертикально и соосно, связанных механически с линейными синхронными электрическими машинами, выход каждой полости каждого газопарового цилиндра подключен каналами к влажной полости контактного конденсатора, подключенного каналами к входам штоковых полостей каждого цилиндра внутреннего сгорания, выходы штоковых полостей которых газоходами подключены к дымовой трубе электростанции, поршни каждой из двух пар цилиндров внутреннего сгорания и пары газопаровых цилиндров совершают в процессе работы возвратно-поступательные движения в противофазах для уравновешивания инерционных сил, конденсатор имеет патрубок для связи с конденсаторами других блоков станции.

3. Цилиндр внутреннего сгорания, состоящий из цилиндра, в котором свободно установлен поршень, связанный со штоком, зажатый шпильками между верхней и нижней головками, одна из которых имеет отверстие, в котором движется шток и впускной и выпускной обратные клапаны, вторая головка имеет впускные газовые клапаны, управляемые соленоидами, поршень и шток имеют возможность для возвратно-поступательного движения, отличающийся тем, что бесштоковая головка содержит испарительную кислородную предкамеру, в которой на входе установлена кислородная форсунка, а на выходе - обратный выпускной клапан, которая конструктивно выполнена с полостями, соединенными с полостями головки, в которых циркулирует при помощи внешнего насоса вода, используемая для охлаждения головки и цилиндра и для нагрева испарительных поверхностей кислородной предкамеры, для смазки поверхностей контакта поршня, штока и цилиндра в поршне и штоке выполнены отверстия, через которые нагнетается смазочное масло и отводится масло-газовая эмульсия, к штоку масло подводится при помощи гибких рукавов.

4. Газопаровой цилиндр, состоящий из цилиндра, в котором свободно установлен поршень, связанный со штоком, который зажат шпильками между верхней и нижней головками, одна из них имеет отверстие, в котором движется шток, отличающийся тем, что каждая головка имеет испарительную камеру, в которую поступают горячие отработавшие газы, и форсунку, через которую впрыскивается вода, испаряющаяся в отработавших газах контактным способом, образуя газопаровую смесь, под давлением поступающую в обе полости цилиндра поочередно, на выходе испарительной камеры установлена поворотная заслонка, управляемая поворотным электромеханизмом, каждая головка имеет также выходной канал, перекрываемый выпускным клапаном, управляемым соленоидом, через который отработавшая смесь выходит из цилиндра, и который также служит для создания разрежения в одной из полостей цилиндра, в то время как в другой полости происходит расширение газопаровой смеси, поршень и шток в месте соединения имеют золотниковый клапан, переключающий потоки герметизирующей воды при движении поршня вверх и вниз, к штоку вода подводится при помощи гибких рукавов.

5. Линейная синхронная электрическая машина, состоящая из неподвижной обмотки возбуждения и бегуна с силовой обмоткой, связанной с сетью, отличающаяся тем, что бегун имеет две и более ветви магнитопровода с уложенными в его пазах секциями обмотки через зубцы разной ширины: по краям бегуна уже, в середине шире, и имеет возможность возвратно-поступательного движения по направляющим роликам статора и корпуса, обмотка возбуждения явнополюсная выполнена между ветвями бегуна и вне их чередующимися полюсами, магнитопровод которой имеет замыкающие ветви вокруг обмотки возбуждения, витки бегуна выполняются отключаемыми от сети при помощи симисторов, состоянием которых управляет контроллер, получающий информацию от датчика положения бегуна и от трансформатора напряжения, витки бегуна, выходящие за пределы магнитного поля обмотки возбуждения, периодически отключаются от сети.