Энергетическая установка замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных объектов Российский патент 2024 года по МПК F02G1/04 B01D53/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к воздухонезависимым энергетическим установкам с двигателями внутреннего сгорания, работающих по замкнутому циклу без доступа атмосферного воздуха и может быть использовано при создании системы автономного энергообеспечения специальных объектов, функционирующих в условиях аномального состояния атмосферы.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности энергетической установки замкнутого цикла, стабилизация давления в ее газовом контуре, снижение энергозатрат на собственные нужды и объемов, занимаемых оборудованием, осуществление возможности моментального перехода энергоустановки на режим работы по замкнутому циклу.

Энергетическая установка замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных объектов, включающая тепловой двигатель, систему автоматического управления, впускную систему, последовательно установленные охладитель отработанных газов, фильтр-влагоотделитель, клапан регулирования рециркуляции, своими выходами соединенный со смесителем и с компрессором системы удаления отработавших газов, криогенную емкость хранения жидкого окислителя, теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, которые управляющими связями подключены к системе автоматического управления, замкнутый газовый контур, включающий утилизационный тепловой газотурбинный двигатель с компрессором и турбиной, газоводяной охладитель и газо-газовый подогреватель утилизационного газа, отличающаяся тем, что дополнительно введены дизель-генератор в качестве первичного теплового двигателя, смеситель, сепаратор-разделитель, подогреватель искусственной газовой смеси и ресивер искусственной газовой смеси, установленные последовательно и образующие впускную систему, при этом газовая камера отработанных газов подогревателя искусственной газовой смеси соединена с выходом дизель-генератора и с газовой камерой отработавших газов газо-газового подогревателя утилизационного газа, а газовая камера искусственной газовой смеси соединена с сепаратором-разделителем и с ресивером искусственной газовой смеси, установленный в замкнутый газовый контур котел-догреватель утилизационного газа, в камеру сгорания которого компрессором системы удаления отработавших газов подается и после выводится через газовоздушные тракты часть отработанных газов дизель-генератора, при этом котел-догреватель утилизационного газа соединен с выходом компрессора утилизационного теплового газотурбинного двигателя через газовую камеру утилизационного газа газо-газового подогревателя утилизационного газа и с входом турбины утилизационного теплового газотурбинного двигателя, выход которой через газовую камеру газоводяного охладителя утилизационного газа соединен с входом компрессора, система газификации и подачи кислорода, выполненная в виде замкнутого контура с промежуточным теплоносителем, образованного в свою очередь последовательно установленными насосом, теплообменным аппаратом, испарителем-газификатором, который при этом своим входом соединен с криогенной емкостью для хранения жидкого окислителя, а выходом с ресивером газифицированного кислорода, который в свою очередь через редукционный клапан соединен со смесителем.

Известен способ получения искусственной газовой смеси силовой установки транспортного средства, функционирующей по замкнутому циклу, при котором после выпуска отработавшие газы охлаждают, нейтрализуют регенерируемым химическим поглотителем, смешивают с газообразным кислородом. Перед охлаждением отработавшие газы очищают от твердых и жидких фракций и вводят в контакт с теплоаккумулирующим веществом с образованием энергии его фазового перехода, которую используют для регенерации химического поглотителя с образованием продуктов регенерации (Патент РФ № 2030774 С1, опубл. от 10.03.1995).

Недостатком данного способа является сложность контроля состава смеси и неоптимальное расходование кислорода, необходимость в создании значительных запасов химического поглотителя. Кроме того, реакции с участием химических средств абсорбции, таких как водные растворы гидроксидов и карбонатов натрия и калия, суспензия гидроксида кальция, растворы алканоламинов и другие, характеризуются экзотермичностью, что требует обеспечения эффективного отвода тепла из замкнутого цикла и, следовательно, применения специальных устройств и систем, что усложняет конструкцию и понижает ее надежность. Кроме того, наличие жидкого химического поглотителя приводит к неконтролируемому появлению его частиц в системе энергетической установки замкнутого цикла, что приводит к сокращению срока службы всей установки. (При этом повышения эффективности и надежности энергетической установки не происходит.)

Известен способ получения искусственной газовой смеси для двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего в режиме рециркуляции отработавших газов, который включает отвод отработавших газов от двигателя, разделение отработавших газов на два потока, объем которых регулируется, один из потоков подвергают мокрой очистке и обеспечивают извлечение из него диоксида углерода с одновременным обогащением кислородом путем перепускания потока через набор пластин реагента, после чего его очищают от примесей (твердых частиц, продуктов химической реакции и капельной влаги), а затем соединяют с другим потоком и перед подачей в двигатель охлаждают (Патент РФ № 2158833 С2, опубл. от 10.11.2000).

Недостатком данного способа является использование твердого реагента, химические реакции в котором проходят только в поверхностном слое и обладают инерционностью при изменении объема, подаваемого на очистку газа, что усложняет процесс очистки и обогащения потока отработавших газов кислородом и приводит к нестабильности работы двигателя, особенно на переходных режимах. (При этом стабилизации давления в ее газовом контуре не происходит.)

Известен способ получения искусственной газовой смеси для ДВС, работающего в режиме рециркуляции отработавших газов, и устройство для его осуществления, при котором отводимые от ДВС отработавшие газы охлаждают и в полном объеме подвергают двухступенчатой мокрой очистке от примесей, затем разделяют их на два потока регулируемого объема, один из которых компримируют, дополнительно охлаждают и осушают, обеспечивают его контактный теплообмен с жидким кислородом с получением газообразного кислорода и вымораживанием фракций воды и диоксида углерода, отделяют и выводят твердые фракции воды и диоксида углерода, а полученную охлажденную и обогащенную кислородом газовую смесь соединяют с другим потоком охлажденных и осушенных отработавших газов с получением охлажденной искусственной газовой смеси, которую дополнительно подогревают перед подачей в двигатель внутреннего сгорания (Патент РФ № 2287069 С2, опубл. от 10.11.2006, Бюл. №31).

Недостатком данного способа и устройства для его осуществления являются высокие энергозатраты, связанные с процессами сублимации и десублимации диоксида углерода, требующих наличия двух переключающихся аппаратов вымораживания для осуществления данного способа, что в свою очередь значительно усложняет эксплуатацию и дестабилизирует работу ДВС в процессе переключения указанных аппаратов. (При этом снижение энергозатрат на собственные нужды и не происходит).

Известна энергетическая установка подводного аппарата, которая выбрана за прототип, включающая тепловой газотурбинный двигатель, систему автоматического управления, впускную систему, образованную ресивером-смесителем и регенератором тепла отработанных газов, последовательно установленные охладитель отработанных газов, фильтр-влагоотделитель, клапан регулирования рециркуляции, своими выходами соединенный с ресивером-смесителем и с компрессором системы удаления углекислого газа, которая выполнена с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,6-2,0 МПа и в которой после компрессора установлены охладитель газов повышенного давления, фильтр-влагоотделитель, конденсатор углекислого газа, охлаждающая камера которого соединена с, как минимум, одной криогенной емкостью хранения жидкого окислителя системы хранения и подачи жидкого окислителя и со смесителем холодных потоков, соединенным через устройство понижения давления со средством сепарации жидкого СО₂, соединенного с емкостью хранения жидкого СО₂, систему охлаждения отработанных газов, теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, которые управляющими связями подключены к системе автоматического управления, отличающаяся тем, что установка снабжена замкнутым газовым контуром, включающим утилизационный тепловой газотурбинный двигатель с компрессором и турбиной, газоводяной охладитель и газогазовый подогреватель утилизационного газа, газовая камера отработанных газов которого соединена с регенератором тепла и охладителем отработанных газов, а газовая камера утилизационного газа подогревателя соединена с выходом компрессора и входом турбины, выход которой соединен с входом компрессора через газовую камеру охладителя утилизационного газа, которая соединена через устройство понижения давления с емкостью хранения жидкого СО₂, при этом система удаления углекислого газа снабжена охладителем окончательного охлаждения отработанных газов повышенного давления и фильтром-влагоотделителем, установленными перед двухкамерным конденсатором углекислого газа или конденсатором-сепаратором углекислого газа, а смеситель холодных потоков соединен через дополнительно установленный газоводяной подогреватель кислорода с ресивером-смесителем, который соединен с регенератором тепла отработанных газов через компрессор газотурбинного двигателя (Патент РФ № 2799261 С1, опубл. от 04.07.2023, Бюл. №19).

Недостатками установки являются отсутствие возможности моментального перехода на режим работы по замкнутому циклу, в связи с отсутствием запасов газифицированного кислорода, требуемого для создания искусственной газовой смеси, низкий коэффициент полезного действия газотурбинного двигателя по сравнению с дизель-генератором, и как следствие низкая эффективность энергоустановки в целом. Кроме того, в связи с включением в систему оборудования по сжижению диоксида углерода и его хранению, имеют место снижение устойчивости работы системы, дополнительные энергозатраты и усложнение конструкции, что также приводит к снижению общей эффективности и надежности энергоустановки. (При этом снижение объемов, занимаемых оборудованием, осуществление возможности моментального перехода энергоустановки на режим работы по замкнутому циклу не происходит).

Технический результат направлен на повышение эффективности и надежности энергетической установки замкнутого цикла, стабилизации давления в ее газовом контуре, снижение энергозатрат на собственные нужды и объемов, занимаемых оборудованием, осуществление возможности моментального перехода энергоустановки на режим работы по замкнутому циклу.

Технический результат достигается тем, что из прототипа исключили газотурбинный двигатель, регенератор тепла отработанных газов, систему удаления углекислого газа, которая выполнена с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,6-2,0 МПа и в которой после компрессора установлены охладитель газа повышенного давления, фильтр-влагоотделитель, конденсатор углекислого газа, охлаждающая камера которого соединена с, как минимум, одной криогенной емкостью хранения жидкого окислителя системы хранения подачи жидкого окислителя и со смесителем холодных потоков, соединенным через устройство понижения давления со средством сепарации жидкого СО₂, соединенного с емкостью хранения жидкого СО₂, при этом включающую охладитель окончательного охлаждения отработанных газов повышенного давления, фильтр-влагоотделитель, установленные перед двухкамерным конденсатором углекислого газа или конденсатором-сепаратором углекислого газа, газоводяной подогреватель кислорода, систему охлаждения отработавших газов, дополнительно введены дизель-генератор в качестве первичного теплового двигателя, смеситель, сепаратор-разделитель, подогреватель искусственной газовой смеси и ресивер искусственной газовой смеси, установленные последовательно и образующие впускную систему, при этом газовая камера отработанных газов подогревателя искусственной газовой смеси соединена с выходом дизель-генератора и с газовой камерой отработавших газов газогазового подогревателя утилизационного газа, а газовая камера искусственной газовой смеси соединена с сепаратором-разделителем и с ресивером искусственной газовой смеси, установленный в замкнутый газовый контур котел-догреватель утилизационного газа, в камеру сгорания которого компрессором системы удаления отработавших газов подается и после выводится через газовоздушные тракты часть отработанных газов дизель-генератора, при этом котел-догреватель утилизационного газа соединен с выходом компрессора утилизационного теплового газотурбинного двигателя через газовую камеру утилизационного газа газо-газового подогревателя утилизационного газа и с входом турбины утилизационного теплового газотурбинного двигателя, выход которой через газовую камеру газоводяного охладителя утилизационного газа соединен с входом компрессора, система газификации и подачи кислорода, выполненная в виде замкнутого контура с промежуточным теплоносителем, образованного в свою очередь последовательно установленными насосом, теплообменным аппаратом, испарителем-газификатором, который при этом своим входом соединен с криогенной емкостью для хранения жидкого окислителя, а выходом с ресивером газифицированного кислорода, который в свою очередь через редукционный клапан соединен со смесителем.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство энергетической установки замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных объектов отличается изменением конструкции, а именно исключением из прототипа газотурбинного двигателя, регенератора тепла отработанных газов, системы удаления углекислого газа, которая выполнена с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,6-2,0 МПа и в которой после компрессора установлены охладитель газа повышенного давления, фильтр-влагоотделитель, конденсатор углекислого газа, охлаждающая камера которого соединена с, как минимум, одной криогенной емкостью хранения жидкого окислителя системы хранения подачи жидкого окислителя и со смесителем холодных потоков, соединенным через устройство понижения давления со средством сепарации жидкого СО₂, соединенного с емкостью хранения жидкого СО₂, при этом включающую охладитель окончательного охлаждения отработанных газов повышенного давления, фильтр-влагоотделитель, установленные перед двухкамерным конденсатором углекислого газа или конденсатором-сепаратором углекислого газа, газоводяной подогреватель кислорода, системы охлаждения отработавших газов, введением в конструкцию дополнительных элементов: дизель-генератора в качестве первичного теплового двигателя, смесителя, сепаратора-разделителя, подогревателя искусственной газовой смеси и ресивера искусственной газовой смеси, установленных последовательно и образующих впускную систему, при этом газовая камера отработанных газов подогревателя искусственной газовой смеси соединена с выходом дизель-генератора и с газовой камерой отработавших газов газо-газового подогревателя утилизационного газа, а газовая камера искусственной газовой смеси соединена с сепаратором-разделителем и с ресивером искусственной газовой смеси, установленного в замкнутый газовый контур котла-догревателя утилизационного газа, в камеру сгорания которого компрессором системы удаления отработавших газов подается и после выводится через газовоздушные тракты часть отработанных газов дизель-генератора, при этом котел-догреватель утилизационного газа соединен с выходом компрессора утилизационного теплового газотурбинного двигателя через газовую камеру утилизационного газа газогазового подогревателя утилизационного газа и с входом турбины утилизационного теплового газотурбинного двигателя, выход которой через газовую камеру газоводяного охладителя утилизационного газа соединен с входом компрессора, системы газификации и подачи кислорода, выполненной в виде замкнутого контура с промежуточным теплоносителем, образованного в свою очередь последовательно установленными насосом, теплообменным аппаратом, испарителем-газификатором, который при этом своим входом соединен с криогенной емкостью для хранения жидкого окислителя, а выходом с ресивером газифицированного кислорода, который в свою очередь через редукционный клапан соединен со смесителем.

Изменение конструкции прототипа, а именно исключение ряда элементов и введение новых позволит повысить эффективность и надежность энергетической установки замкнутого цикла, стабилизировать давление в ее газовом контуре, снизить энергозатраты на собственные нужды и объемы, занимаемых оборудованием, осуществить возможность моментального перехода энергоустановки на режим работы по замкнутому циклу и позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства энергетической установки замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных объектов критерию: «Существенные отличия».

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом:

на фиг. 1 представлена схема энергетической установки замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных, где:

1 - дизель-генератор; 2 - ресивер искусственной газовой смеси; 3 - подогреватель искусственной газовой смеси; 4 – газо-газовый подогреватель утилизационного газа; 5 - охладитель отработавших газов; 6 - фильтр-влагоотделитель, 7 - клапан регулирования рециркуляции; 8 - компрессор системы удаления отработавших газов; 9 - котел-догреватель утилизационного газа; 10 - сепаратор-разделитель; 11 - смеситель; 12 - криогенная емкость хранения жидкого кислорода; 13 - испаритель-газификатор; 14 - теплообменный аппарат; 15 - ресивер газифицированного кислорода; 16 - насос; 17 - редукционный клапан; 18 - газоводяной охладитель утилизационного газа; 19 - утилизационный тепловой газотурбинный двигатель; 20 - расходный бак.

Тепловым двигателем энергетической установки, является дизель-генератор 1, что позволяет повысить эффективность работы всей системы за счёт более высокого коэффициента полезного действия дизельной установки в сравнении с газотурбинной. К топливному насосу двигателя присоединен топливный трубопровод из расходного бака 20.

Впускная система образована смесителем 11, сепаратором-разделителем 10, подогревателем 3 искусственной газовой смеси и ресивером 2 искусственной газовой смеси. В качестве подогревателя 3 искусственной газовой смеси установлен газо-газовый неконтактный теплообменник, который разделен на камеру искусственной газовой смеси и камеру отработанных газов (не показано). Подогреватель 3 искусственной газовой смеси обеспечивает повышение температурного потенциала искусственной газовой смеси до требуемых значений перед ее подачей через ресивер 2 искусственной газовой смеси в дизель-генератор 1 путем теплообмена между горячими отработанными газами после дизель-генератора 1 и охлажденной искусственной газовой смеси из смесителя 11 идущей через сепаратор-разделитель 10.

Смеситель 11 обеспечивает получение искусственной газовой смеси требуемого состава, смешивая поток очищенных и охлажденных отработавших газов дизель-генератора 1 поступающий из клапана регулирования рециркуляции 7 с потоком газифицированного кислорода из системы газификации и подачи кислорода.

Установка сепаратора-разделителя 10 обеспечивает дополнительное осушение искусственной газовой смеси, что повышает эффективность и надежность работы дизель-генератора 1.

Ресивер 2 искусственной газовой смеси предназначен для сглаживания пульсации давления в газовом контуре впускной системы и обеспечения бесперебойного поступления искусственной газовой смеси в дизель-генератор 1.

Дизель-генератор 1 соединен с газовой камерой отработанных газов подогревателя 3 искусственной газовой смеси, которая соединена с газовой камерой отработанных газов подогревателя 4 утилизационного газа из замкнутого контура утилизационного теплового газотурбинного двигателя 19.

Установка замкнутого газового контура, в котором в качестве утилизационного газа (рабочего тела) циркулирует диоксид углерода, включающая утилизационный тепловой газотурбинный двигатель 19 с компрессором К и турбиной ГТ, газо-газовый подогреватель 4 утилизационного газа, газоводяной охладитель 18 утилизационного газа и котел-догреватель 9 утилизационного газа, предназначена для утилизации части отбросной теплоты отработавших газов дизель-генератора 1 и обеспечивает выработку дополнительной электроэнергии в размере до 15% от его мощности, что повышает эффективность энергетической установки за счет повышения ее коэффициента полезного действия. Заполнение замкнутого газового контура осуществляется из баллона сжатым диоксидом углерода (не показано).

В утилизационном тепловом газотурбинном двигателе 19 отсутствует камера сгорания, а установка компрессора К и турбины ГТ между подогревателем 4, котлом-догревателем 9 и охладителем 18 утилизационного газа обеспечивает циркуляцию утилизационного газа (рабочего тела) в замкнутом газовом контуре за счет перепада давления и температуры утилизационного газа. Нагрев утилизационного газа перед турбиной ГТ и его охлаждение перед компрессором К производят в теплообменниках 4, 18 и котле-догревателе 9.

Подогреватель 4 утилизационного газа выполнен в виде газо-газового неконтактного теплообменника и предназначен для нагрева утилизационного газа газотурбинного двигателя 4 теплом отработанных газов дизель-генератора 1. При этом газовая камера отработанных газов подогревателя 4 утилизационного газа соединена с газовой камерой отработанных газов подогревателя 3 искусственной газовой смеси.

Котел-догреватель 9 утилизационного газа представляет собой горелочное устройство на дизельном топливе с вмонтированным пучком жаровых труб, по которым из газовой камеры утилизационного газа подогревателя 4 поступает утилизационный газ. Топливо в котел-догреватель 9 утилизационного газа подается по трубопроводу из расходного бака 20. В камере сгорания котла-догревателя 9 утилизационного газа происходит дожигание кислорода, содержащегося в отработавших газах дизель-генератора 1 подаваемых под давлением компрессором 8 системы удаления отработанных газов, что приводит к увеличению температурного потенциала утилизационного газа газотурбинного двигателя 19, тем самым повышается коэффициент полезного действия утилизационного газотурбинного двигателя 19 и в конечном итоге эффективность всей разработанной энергоустановки, а также увеличивается время ее функционирования (при фиксированных запасах окислителя) за счет исключения перерасхода кислорода. Движение нагретого утилизационного газа под давлением от компрессора К до турбины ГТ утилизационного газотурбинного двигателя 19 обеспечивается за счет последовательного соединения выхода компрессора К, газовой камеры утилизационного газа подогревателя 4, газохода котла-догревателя 9 утилизационного газа и входа турбины ГТ.

Охладитель 18 утилизационного газа выполнен в виде газоводяного неконтактного теплообменника и предназначен для охлаждения утилизационного газа после турбины ГТ утилизационного газотурбинного двигателя 19 отводом тепла в охлаждающую жидкость. Соединение выхода турбины ГТ с входом компрессора К утилизационного газотурбинного двигателя 19 через газовую камеру охладителя 18 утилизационного газа обеспечивает снижение температуры утилизационного газа перед компрессором К за счет теплообмена с охлаждающей жидкостью системы охлаждения (не показана) для реализации движения охлажденного утилизационного газа в утилизационном замкнутом контуре.

Газовые камеры отработавших газов подогревателя 3 искусственной газовой смеси, подогревателя 4 утилизационного газа и охладителя 5 отработавших газов соединены последовательно. Снижение температурного потенциала отработанных газов дизель-генератора 1 в подогревателях 3 и 4 обеспечивает снижение тепловой нагрузки на охладитель 5 и на систему водяного охлаждения отработанных газов (не показана) в газовом контуре дизель-генератора 1, что повышает надежность работы системы охлаждения и охладителя 5 и уменьшение его массогабаритов.

Охладитель 5 отработанных газов выполнен в виде газоводяного неконтактного теплообменника и обеспечивает дальнейшее снижение температуры отработанных газов за счет отвода тепла в охлаждающую жидкость. Водяная камера охладителя 5 соединена с системой водяного охлаждения (не показана). Охладитель 5 отработанных газов может быть выполнен в виде контактного водяного охладителя, например, скруббера со своей системой оборотной воды, включающей насос, фильтр и водоводяной охладитель.

Фильтр-влагоотделитель 6 удаляет из охлажденных отработанных газов твердые частицы сажи, смол и сконденсированные водяные пары.

После фильтра-влагоотделителя 6 установлен клапан регулирования рециркуляции 7, который обеспечивает разделение на два потока. Один его выход соединен с компрессором 8 системы удаления отработавших газов, второй выход соединен со смесителем 11.

Повышение давления отработанных газов до требуемых значений осуществляется компрессором 8 системы удаления отработавших газов.

Система газификации и подачи кислорода предназначена для обогащения кислородом искусственной газовой смеси и включает в себя криогенную емкость 12 хранения жидкого кислорода, ресивер 15 газифицированного кислорода, редукционный клапан 17 и замкнутый контур промежуточного теплоносителя (хладагента) состоящий из последовательно установленных насоса 16, теплообменного аппарата 14, испарителя-газификатора 13.

Применение в качестве окислителя криогенного кислорода позволяет запасти достаточно большое количество холода, тем самым снизить нагрузку на систему охлаждения энергоустановки и систему кондиционирования объекта.

Криогенная емкость 12 обеспечивает хранение жидкого кислорода при давлении 1,6 МПа. Соединение криогенной емкости с ресивером 15 газифицированного кислорода через испаритель-газификатор 13 обеспечивает возможность заполнения газифицированным кислородом объема ресивера 15, как при естественной газификации (потерях) жидкого кислорода, так и при газификации за счет использования тепла промежуточного теплоносителя, за счет чего формируется постоянный запас газифицированного кислорода, что позволяет обеспечить моментальный переход энергоустановки на режим работы по замкнутому циклу.

Насос 16 обеспечивает циркуляцию промежуточного теплоносителя в замкнутом контуре, где последовательно установлены теплообменный аппарат 14 и испаритель-газификатор 13.

Теплообменный аппарат 14 представляет собой водоводяной теплообменник и предназначен для нагрева промежуточного теплоносителя отбором тепла из жидкости, использующейся в системе охлаждения и кондиционирования.

Испаритель-газификатор 13 за счет передачи теплоты от промежуточного теплоносителя жидкому кислороду, поступающему из криогенной емкости 12, обеспечивает его газификацию.

Редукционный клапан 17 обеспечивает выравнивание давления потока газифицированного кислорода, идущего из ресивера 12 с давлением потока очищенных отработавших газов дизель-генератора 1 входящим в смеситель 11 путем его снижения.

Установка снабжена регулируемыми автоматическими клапанами (не показано), которые управляющими связями подключены к системе автоматического управления, контроля и защиты установки (стандартные), функционально состоящая из подсистемы управления дизель-генератором 1, подсистемы управления подготовкой искусственной газовой смеси и подсистемы управления утилизационным газотурбинным двигателем 19. Все клапаны и механизмы оснащены исполнительными механизмами, дистанционно управляемыми системой автоматического управления, что обеспечивает функционирование установки с оптимальными для текущего режима технико-экономическими характеристиками.

Работа энергетической установки замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных объектов осуществляется следующим образом:

отработанные газы дизель-генератора 1, проходя через газо-газовый подогреватель 3 искусственной газовой смеси и газо-газовый подогреватель 4 утилизационного газа отдают часть своей теплоты путем теплообмена потокам искусственной газовой смеси и утилизационного газа замкнутого контура утилизационного теплового газотурбинного двигателя 19 соответственно, после чего поступают в охладитель 5 (форсуночную камеру) и фильтр-влагоотделитель 6. Очищенные и охлажденные отработавшие газы разделяются клапаном регулирования рециркуляции 7 на два потока, один из которых компрессором 8 системы удаления отработавших газов подается в котел-догреватель 9 утилизационного газа, где в камере сгорания происходит дожигание кислорода, содержащегося в отработавших газах и отводится из системы через газовоздушные тракты. Количество отводимого из системы газа пропорционально количеству диоксида углерода, выделившегося в результате сгорания топлива, что обеспечивает поддержание постоянного давления в замкнутом контуре. Основной (второй) поток, обогащаясь кислородом в смесителе 11, преобразуется в искусственную газовую смесь, которая после прохождения сепаратора-разделителя 10, где дополнительно осушается, подается в подогреватель 3 искусственной газовой смеси и через ресивер 2 искусственной газовой смеси вновь поступает в дизель-генератор 1.

Обогащение кислородом в смесителе 11 происходит за счет работы системы газификации и подачи кислорода включающей в себя замкнутый контур, по которому за счет работы насоса 16 циркулирует промежуточный теплоноситель (хладагент), который проходя через теплообменный аппарат 14 забирает часть теплоты у потока воды идущей на охлаждение, а после отдает теплоту в испарителе-газификаторе 13 потоку жидкого кислорода, поступающему из криогенной емкости 12 хранения жидкого кислорода за счет чего жидкий кислород газифицируется и в газообразном состоянии поступает в смеситель 11 через ресивер 15 газифицированного кислорода с понижением давления в редукционном клапане 17 до значений равных давлению отработавших газов.

Замкнутый газовый контур утилизационного газотурбинного двигателя 19 заполняется из баллона (не показано) диоксидом углерода, который хранится в сжатом состоянии. После заполнения замкнутый газовый контур работает по замкнутой схеме без добавления утилизационного газа.

Из газовой камеры охладителя 18 диоксид углерода компрессором К утилизационного газотурбинного двигателя 19 подается под давлением в газовую камеру утилизационного газа подогревателя 4, где диоксид углерода нагревают в процессе теплообмена с горячими отработанными газами поступающими через подогреватель 3 искусственной газовой смеси от дизель-генератора 1. Далее, диоксид углерода, нагретый и сжатый под давлением компрессора К, поступает в котел-догреватель 9, где повышается его температурный потенциал, после чего поступает в турбину ГТ утилизационного газотурбинного двигателя 19 и расширяясь до меньшего давления, совершает работу. Из турбины ГТ диоксид углерода поступает в газовую камеру охладителя 18, где за счет теплообмена с охлаждающей жидкостью его температура снижается. После чего цикл повторяется.

Движение утилизационного газа из-за разницы температур и давления перед компрессором К и перед турбиной ГТ утилизационного газотурбинного двигателя 19 приводит в движение компрессорное колесо, турбинное колесо и генератор, который вырабатывает дополнительную электроэнергию. Вырабатываемую дополнительную электроэнергию направляют на питание вспомогательного оборудования (не показано).

Таким образом, при использовании энергоустановки замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных объектов достигается повышение эффективности и надежности энергетической установки замкнутого цикла, стабилизация давления в ее газовом контуре, снижение энергозатрат на собственные нужды и объема, занимаемого оборудованием, осуществляется возможность моментального перехода энергоустановки на режим работы по замкнутому циклу.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к воздухонезависимым энергетическим установкам с двигателями внутреннего сгорания, работающим по замкнутому циклу без доступа атмосферного воздуха, и может быть использовано при создании системы автономного энергообеспечения специальных объектов, функционирующих в условиях аномального состояния атмосферы. Разработка настоящего изобретения направлена на повышение эффективности и надежности энергетической установки замкнутого цикла, стабилизацию давления в ее газовом контуре, снижение энергозатрат на собственные нужды и объемов, занимаемых оборудованием, осуществление возможности моментального перехода энергоустановки на режим работы по замкнутому циклу. Энергетическая установка замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных объектов включает тепловой двигатель, систему автоматического управления, впускную систему, последовательно установленные охладитель отработанных газов, фильтр-влагоотделитель, клапан регулирования рециркуляции, своими выходами соединенный со смесителем и с компрессором системы удаления отработавших газов, криогенную емкость хранения жидкого окислителя, теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, которые управляющими связями подключены к системе автоматического управления, замкнутый газовый контур, включающий утилизационный тепловой газотурбинный двигатель с компрессором и турбиной, газоводяной охладитель и газо-газовый подогреватель утилизационного газа, отличается тем, что дополнительно введены дизель-генератор в качестве первичного теплового двигателя, смеситель, сепаратор-разделитель, подогреватель искусственной газовой смеси и ресивер искусственной газовой смеси, установленные последовательно и образующие впускную систему, при этом газовая камера отработанных газов подогревателя искусственной газовой смеси соединена с выходом дизель-генератора и с газовой камерой отработавших газов газо-газового подогревателя утилизационного газа, а газовая камера искусственной газовой смеси соединена с сепаратором-разделителем и с ресивером искусственной газовой смеси, установленный в замкнутый газовый контур котел-догреватель утилизационного газа, в камеру сгорания которого компрессором системы удаления отработавших газов подается и после выводится через газовоздушные тракты часть отработанных газов дизель-генератора, при этом котел-догреватель утилизационного газа соединен с выходом компрессора утилизационного теплового газотурбинного двигателя через газовую камеру утилизационного газа газо-газового подогревателя утилизационного газа и с входом турбины утилизационного теплового газотурбинного двигателя, выход которой через газовую камеру газоводяного охладителя утилизационного газа соединен с входом компрессора, система газификации и подачи кислорода, выполненная в виде замкнутого контура с промежуточным теплоносителем, образованного, в свою очередь, последовательно установленными насосом, теплообменным аппаратом, испарителем-газификатором, который при этом своим входом соединен с криогенной емкостью для хранения жидкого окислителя, а выходом с ресивером газифицированного кислорода, который, в свою очередь, через редукционный клапан соединен со смесителем. 1 ил.

Энергетическая установка замкнутого цикла системы автономного энергообеспечения специальных объектов, включающая тепловой двигатель, систему автоматического управления, впускную систему, последовательно установленные охладитель отработанных газов, фильтр-влагоотделитель, клапан регулирования рециркуляции, своими выходами соединенный со смесителем и с компрессором системы удаления отработавших газов, криогенную емкость хранения жидкого окислителя, теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, которые управляющими связями подключены к системе автоматического управления, замкнутый газовый контур, включающий утилизационный тепловой газотурбинный двигатель с компрессором и турбиной, газоводяной охладитель и газо-газовый подогреватель утилизационного газа, отличающаяся тем, что дополнительно введены дизель-генератор в качестве первичного теплового двигателя, смеситель, сепаратор-разделитель, подогреватель искусственной газовой смеси и ресивер искусственной газовой смеси, установленные последовательно и образующие впускную систему, при этом газовая камера отработанных газов подогревателя искусственной газовой смеси соединена с выходом дизель-генератора и с газовой камерой отработавших газов газо-газового подогревателя утилизационного газа, а газовая камера искусственной газовой смеси соединена с сепаратором-разделителем и с ресивером искусственной газовой смеси, установленный в замкнутый газовый контур котел-догреватель утилизационного газа, в камеру сгорания которого компрессором системы удаления отработавших газов подается и после выводится через газовоздушные тракты часть отработанных газов дизель-генератора, при этом котел-догреватель утилизационного газа соединен с выходом компрессора утилизационного теплового газотурбинного двигателя через газовую камеру утилизационного газа газо-газового подогревателя утилизационного газа и с входом турбины утилизационного теплового газотурбинного двигателя, выход которой через газовую камеру газоводяного охладителя утилизационного газа соединен с входом компрессора, система газификации и подачи кислорода, выполненная в виде замкнутого контура с промежуточным теплоносителем, образованного, в свою очередь, последовательно установленными насосом, теплообменным аппаратом, испарителем-газификатором, который при этом своим входом соединен с криогенной емкостью для хранения жидкого окислителя, а выходом с ресивером газифицированного кислорода, который, в свою очередь, через редукционный клапан соединен со смесителем.