Модульный энергоблок геотермальной ТЭЦ Российский патент 2021 года по МПК F24D15/00 F24T50/00 F03G4/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для производства электроэнергии, а также в системах отопления и горячего водоснабжения жилых и других объектов за счет - в основном - теплового ресурса термальных источников.

Россия располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде энергетических термальных вод с температурой 60-200°С в платформенных и предгорных районах. Запасы высокопотенциальных источников, доступные для экономически выгодного использования, оцениваются в 1000 МВт. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3-5 МВт.

Современные ГеоТЭС на парогидротермальных месторождениях комплектуются, конденсационными энергоблоками единичной мощности 20-100 МВт, давление на входе в турбину изменяется в пределах 5-8 бар.

В мировой геотермальной энергетике применяются технологические схемы с ГеоЭС прямого, бинарного и комбинированного циклов в зависимости от фазового состояния и температуры геотермального теплоносителя. Основной прирост в суммарной установленной мощности ГеоЭС в мире в последние годы осуществляется за счет развития бинарных геотермальных энерготехнологий. Удельная стоимость установленной мощности геотермальных энергоблоков существенно зависит от температуры геотермального теплоносителя и с ее увеличением резко снижается. (Статья "Геотермальная энергетика: технологии и оборудование", УДК 620.9-62-93, автор Г.В. Томаров, компания ООО Теотерм-М").

Однако, хотя в настоящее время в России разработаны оригинальные технологии и полный комплект оборудования, позволяющие строить ГеоТЭС на пароводяных месторождениях с высокими технико-экономическими показателями и надежностью, использование паротурбинных установок ограничивает возможности освоения этих ресурсов как температурным показателем - не ниже 100°С, так и сложностью (см., например, патент RU 7448 U1 МПК F01K 27/00, 1995 г.), высокой затратностью сооружения и обслуживания таких установок. Одно только наличие в геотермальном паре экологически и технически вредных солей и газов создает проблемы в подготовке пара необходимой кондиции для подачи его в турбину.

Но при всех возможностях использования паротурбинных установок термальные источники с температурой воды ниже 90°С остаются в энергетике бесперспективными, поскольку даже модульные энергоустановки на смесевом водоаммиачном рабочем теле могут эффективно работать в интервале температур энергетических термальных вод и пароводяной смеси от 90 до 220°С.

В последние годы разработан тепломеханический преобразователь (патент RU №2728009, МПК F03G 7/06 (2006/01), СПК F03G 7/06 (2020/02), 2020 г.). который может быть принят за прототип заявляемого устройства.

Изобретение относится к нетрадиционным преобразователям тепловой энергии в механическую работу. Оно может быть применено в приводах электрических агрегатов, насосно-компрессорного и другого оборудования промышленного, сельскохозяйственного и иного назначения с преимущественным использованием возобновляемых природных энергоресурсов, а также энергии теплосодержащих выбросов в окружающую среду.

Тепломеханический преобразователь оснащен единым теплочувствительным элементом (ТЧЭ), являющимся заодно приводным валом, выполненным в виде тонкостенной трубы из непластичного материала с высоким коэффициентом теплового расширения, контактирующей при своем рабочем изгибе с упорным роликом. При этом ТЧЭ расположен в общей оболочке с зонами нагрева и охлаждения с рекуперацией тепловой энергии.

При всех своих положительных свойствах этот преобразователь не рассчитан на использование тепловой энергии низкопотенциальных энергоносителей. И задачей при разработке заявляемого энергоблока было обеспечение возможности его применения на термальных источниках с температурой от 60°С при предельно упрощенной его конструкции.

И такая задача решена созданием конструкции модульного энергоблока с расположенным в зонах нагрева и охлаждения теплочувствительным элементом в виде тонкостенной трубы, являющейся заодно приводным валом, при этом - согласно изобретению - контур рабочих теплоносителей оснащен компрессорным агрегатом с рекуперацией теплоты охлаждаемого сегмента ТЧЭ для дополнительного нагрева рабочего водного потока и других нужд.

Описание заявляемого энергоблока поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 показан его общий вид (с продольном разрезом желобов), на фиг. 2 - поперечное сечение по А-А.

В основе конструкции энергоблока использован тепломеханический преобразователь, (см. фиг. 1), в котором тонкостенная труба 1, являющаяся одновременно и приводным валом с подшипниковыми узлами 2 по торцам, а также с мультипликатором 3 и электрогенератором 4. В средней части труба 1 усилена рабочей втулкой 5, контактирующей при температурном изгибе трубы с упорным роликом 6. Снизу к поверхности трубы 1 (см. фиг. 2) примыкает желоб 7, который соединен с каналом термального потока. Сверху имеется аналогичный желоб 8, образующий канал для охлаждающего воздушного потока.

Компрессорный агрегат, представленный в схематическом виде, состоит из компрессора 9, ресиверов 10, являющихся заодно и теплообменниками, а также дросселя 11.

Энергоблок запускается в работу подачей в нижний желоб 7 нагретого потока воды и включением компрессора 9. При этом из-за нагрева сегмента трубы 1 в желобе 7 при охлажденном противолежащем сегмете в желобе 8 труба 1 изгибается и давит втулкой 5 на ролик 6 с силой F. Тангенциальная ее составляющая F₁ поврачивает трубу 1 в указанном стрелкой направлении, При этом в зонах нагрева и охлаждения оказываются новые сегменты, которые, изменяя свой продольный размер, восстанавливают первоначальное направление изгиба и давление на ролик 6 - поворот трубы продолжается, пока сохраняется достаточная разность температур в тепловых зонах. Повышение этой разности обеспечивается подогревом потока воды, подаваемой в желоб 7, в теплообменнике-ресивере 10 за счет резко повышенной при сжатии воздуха его температуры, а также резким ее спадом после теплообменников и - особенно - за дросселем 11 перед поступлением в зону охлаждения, из которой воздух, уже подогретый теплом охлаждаемого сегмента трубы 1, снова поступает в компрессор 9.

Вращение трубы 1, установленной в подшипниках 2, передается через мультипликатор 3 электрогенератору 4.

Простая конструкция модульного энергоблока при его высокой эффективности работы на низкопотенциальных термальных источниках позволит освоить этот вид альтернативной энергетики во многих регионах страны, в основном - ее предгорных территориях.

Изобретение относится к системам отопления и горячего водоснабжения жилых, служебных и производственных помещений, а также получения электрической энергии за счет - в основном - низкопотенциального теплового ресурса термальных источников. Модульный энергоблок включает тепломеханический преобразователь, в котором тонкостенная труба является одновременно его приводным валом, передающим через мультипликатор вращение электрогенератору. В средней части труба усилена втулкой, контактирующей при температурном изгибе трубы с упорным роликом. Нижний сегмент трубы расположен в желобе, соединенном с каналом термального потока. Сверху имеется аналогичный желоб, образующий канал для охлаждающего воздушного потока. Компрессорный агрегат обеспечивает дополнительный нагрев термального потока рекуперацией теплоты, отбираемой от охлаждаемого сегмента трубы. Остаток теплоты может быть использован в системах отопления и горячего водоснабжения. Техническим результатом является обеспечение высокой эффективности работы на низкопотенциальных термальных источниках при сравнительно простой конструкции. 2 ил.

Модульный энергоблок геотермальной ТЭЦ с расположенным в его зонах нагрева и охлаждения теплочувствительным элементом (ТЧЭ) в виде тонкостенной трубы, заодно являющейся приводным валом теплового двигателя, отличающийся тем, что каналы его рабочих теплоносителей оснащены теплообменниками с воздушным потоком компрессорного агрегата для рекуперации теплоты охлаждаемого сегмента ТЧЭ, а также дроссельным устройством для сброса температуры воздушного потока перед его подачей в зону охлаждения этого сегмента.