CZ28231U1 - Unit for combined generation of electric power and heat in local heating plants - Google Patents

Description

Jednotka pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v lokálních výtopnáchUnit for cogeneration of electricity and heat in local heating plants

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká zařízení pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla. Jednotka pracuje na principu organického Rankinova cyklu (ORC). Zařízení je primárně určeno pro nasazení v lokálních výtopnách, které využívají tuhá fosilní paliva. Jednotka je navržena na tepelný výkon 70 až 120 kW. Je však principiálně vhodná i pro budoucí nasazení v domácnostech - 20 až 30 kW tepla.The technical solution relates to a cogeneration plant. The unit works on the principle of organic Rankine cycle (ORC). The device is primarily intended for use in local heating plants that use solid fossil fuels. The unit is designed for a heat output of 70 to 120 kW. In principle, however, it is also suitable for future domestic applications - 20 to 30 kW of heat.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Řada menších zdrojů pro centrální zásobování teplem je v současnosti na hranici své životnosti a často v poměrně špatném technickém stavu. Drtivá většina z nich stále využívá jako palivo hnědé uhlí. Současná legislativa však v případě nutnosti výměny zdroje požaduje plnění velmi přísných emisních limitů, které lze v mnoha případech splnit pouze využitím obnovitelných zdrojů paliva - biomasy. Její cena je však významně vyšší než cena původního paliva. Vzhledem ktomu, že provozovatel lokální výtopny prodává pouze teplo, musí se zvýšení nákupní ceny palivy zákonitě projevit i ve zvýšení ceny tepla pro odběratele. Provozovatel výtopny navíc musí do ceny tepla promítnout i výši investice do nového zařízení. Cena tepla takto může narůst nad únosnou mez a dojde k odpojení jednotlivých odběratelů tepla a jejich přechod na vlastní zdroj domácí kotel. Ve většině případů se jedná o uhelný kotel s ručním přikládáním, jehož provozní účinnost vlivem nesprávného provozování může být dokonce nižší než účinnost původního centrálního zdroje.Many smaller sources for central heat supply are currently at the limit of their service life and often in a relatively poor technical condition. The vast majority of them still use brown coal as fuel. The current legislation, however, requires the replacement of very strict emission limits, which in many cases can only be met by using renewable sources of fuel - biomass. However, its price is significantly higher than the price of the original fuel. Given that the operator of a local heating plant only sells heat, an increase in the fuel purchase price must inevitably translate into an increase in the price of heat for consumers. In addition, the heating plant operator must also reflect the amount of investment in new equipment in the heat price. The price of heat can thus rise above the carrying limit and the individual heat consumers will be disconnected and transferred to their own home boiler. In most cases, this is a manual stoking coal boiler whose operational efficiency due to improper operation may even be lower than that of the original central source.

Snaha o přechod na vytápění obnovitelnými zdroji - biomasou tak často naráží na ekonomickou nevýhodnost oproti tradičnímu uhlí.The effort to switch to heating with renewable sources - biomass often encounters an economic disadvantage compared to traditional coal.

K navýšení konkurenceschopnosti využití biomasy lze s výhodou využít tzv. kombinovanou výrobu elektřiny a tepla, která je obecně výrobou s nejvyšším stupněm využití paliva. Provozovatel lokální výtopny může kromě tepla prodávat i elektrickou energii. Vzhledem k tomu, že se jedná o výrobu elektřiny z obnovitelného zdroje, může provozovatel využít i státní podpory a navýšení výkupní ceny elektřiny o tzv. „Zelené bonusy“. Cena tepla pro odběratele tak může být výrazně nižší než v případě pouhé výroby tepla.In order to increase the competitiveness of biomass utilization, the so-called cogeneration of electricity and heat, which is generally the production with the highest degree of fuel utilization, can be advantageously used. The operator of the local heating plant can sell electricity in addition to heat. Given the fact that it is the production of electricity from renewable sources, the operator can also use state aid and increase the purchase price of electricity by the so-called "green bonuses". Thus, the cost of heat to the consumer can be significantly lower than that of mere heat production.

Pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla (KVĚT) nízkých výkonů do 120 kW tepelných se v současnosti využívají kogenerační plynové motory, který využívají jako palivo zemní plyn (popř. zpracovávají bioplyn generovaný v bioplynových stanicích). Jejich nasazení je proto limitováno zejména nutností existence plynové přípojky. Pro řadu subjektů je zemní plyn jako palivo příliš nákladný. Navíc se opět jedná o fosilní palivo.Cogeneration gas engines, which use natural gas as a fuel (or process biogas generated in biogas plants), are currently used for combined production of electricity and heat (CHP) of low outputs up to 120 kW thermal. Their use is therefore limited mainly by the necessity of a gas connection. For many, natural gas as fuel is too expensive. Moreover, it is again a fossil fuel.

Zařízení pro KVĚT z jiných paliv než je zemní plyn jsou v současnosti dostupná pouze pro řádově vyšší výkony (od jednotek MW), které proto nejsou vhodná pro menší instalace. V tomto případě jsou využívány různé druhy paliv - zejména dřevní štěpka, sláma, uhlí.Installations for CHP from fuels other than natural gas are currently only available for higher outputs (from MW units) and are therefore not suitable for smaller installations. In this case different types of fuels are used - especially wood chips, straw, coal.

Jednotka schopná kombinované výroby elektřiny a tepla z biomasy o tepelném výkonu do 120 kW, která by byla ekonomicky dostatečně výhodná, v současnosti na trhu neexistuje.A unit capable of cogenerating electricity and heat from biomass with a heat output of up to 120 kW, which would be economically sufficiently advantageous, does not currently exist on the market.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny jednotkou pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v lokálních výtopnách, obsahující zásobník paliva, ke kterému je připojen přes dopravník paliva hořák, umístěný ve spalovací komoře opatřené spalinovým výměníkem, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že spalinový výměník je opatřen lamelovým expandérem propojeným hřídelí s generátorem, a za expandérem je umístěn kondenzátor, opatřený potrubím s čerpadlem pro odvod zkapalněné pracovní látky do rozváděči komory spalinového výměníku a kondenzátor je propojen s otopnou soustavou.The above drawbacks are largely overcome by a cogeneration unit in local heating plants comprising a fuel reservoir to which a burner located in a combustion chamber equipped with a flue gas exchanger is connected via a fuel conveyor according to the present invention. Its essence is that the flue gas exchanger is equipped with a lamellar expander interconnected by a shaft with a generator, and downstream of the expander there is a condenser equipped with a piping with a pump for the liquefied working substance discharge into the distribution chamber of the flue exchanger.

-1 CZ 28231 Ul-1 CZ 28231 Ul

Spalovací komora je s výhodou připojena přímo ke spalinovému výměníku, který má ve výhodném provedení otevíratelný plášť. Kondenzátor může být zároveň akumulační nádobou pro vytápění. Dopravník pálívaje s výhodou šnekový dopravník.The combustion chamber is preferably connected directly to the flue gas exchanger, which preferably has an openable jacket. The condenser can also be an accumulation vessel for heating. The conveyor is preferably a screw conveyor.

Spalovací komora se ve výhodném provedení skládá z ocelového pláště a betonové žáruvzdorné vyzdívky. Spalinový výměník se ve výhodném provedení skládá z jádra z ocelového plechu, okolo kterého jsou umístěny vinuté trubky zakryté otevíratelným pláštěm, přičemž v horní části spalinového výměníku je sběmá komora a v jeho spodní části jsou rozváděči komory. Spalinový výměník může být opatřen vzduchovým ventilátorem pro přívod spalovacího vzduchu. Kondenzátor se s výhodou skládá z rozváděči komory, ke které jsou připojeny spirálově vinuté vlnovcové trubky, a na spodní části je umístěna sběmá komora.The combustion chamber preferably consists of a steel jacket and a concrete refractory lining. The flue gas heat exchanger preferably consists of a steel sheet core around which the coiled tubes are covered with an openable casing, with a collecting chamber in the upper part of the flue gas exchanger and distribution chambers in its lower part. The flue gas heat exchanger may be provided with an air fan for supplying combustion air. The capacitor preferably consists of a distribution chamber to which the helically wound bellows tubes are connected, and a collecting chamber is located at the bottom.

Podstata technického řešení spočívá ve spojení spalovacího zařízení na biomasy - dřevní štěpka, dřevní pelety, a technologie organického Rankinova cyklu.The essence of the technical solution lies in the combination of biomass combustion equipment - wood chips, wood pellets, and the technology of the organic Rankine cycle.

Zařízení je navrženo zejména s ohledem na co nejnižší výrobní náklady jednotlivých komponent. Oproti konkurenčním řešením je zde použit tzv. lamelový expandér, jehož konstrukce je řádově jednodušší než standardně používané expandéry, např. šroubový, scroll, turbína. Výsledná účinnost výroby elektřiny tak bude nižší než u konkurenčních řešení, celkový přínos zejména z ekonomického hlediska však bude vyšší.The device is designed especially with regard to the lowest production costs of individual components. Compared to competing solutions, the so-called lamella expander is used here, whose construction is much simpler than the standard expanders, such as screw, scroll, turbine. The resulting efficiency of electricity production will be lower than that of competing solutions, but the overall benefit, especially from the economic point of view, will be higher.

Objasnění obrázků na výkreseClarification of the figures in the drawing

Jednotka pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v lokálních výtopnách, podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsána na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde na Obr. 1 je schéma zařízení a na Obr. 2 je znázorněn řez příkladným zařízením. Příklady uskutečnění technického řešeníThe cogeneration unit in local heating plants according to the present invention will be described in more detail on a specific exemplary embodiment with the aid of the attached drawing, in which FIG. 1 is a schematic of the apparatus, and FIG. 2 is a cross-sectional view of an exemplary device. Examples of technical solutions

Zařízení se skládá ze zásobníku 1 paliva z oceli, ze kterého vede šnekový dopravník 2 z oceli do hořáku 3 z oceli, který je umístěn ve čtyřhranné spalovací komoře 4. Spalovací komora 4 se skládá z ocelového pláště 5 a betonové žáruvzdorné vyzdívky 6. Spalovací komora 4 zaúsťuje do spalinového výměníku 7. Spaliny vzniklé ve spalovací komoře 4 vstupují do vinutého spalinového výměníku 7. Spalinový výměník 7 se skládá z jádra 8 z ocelového plechu, vinutých trubek 9, sběrné komory 10, rozváděči komory H a otevíratelného pláště 12. který slouží zároveň jako tepelná izolace. Dostatečný přívod spalovacího vzduchu pro efektivní spalování zajišťuje vzduchový ventilátor 13.The device consists of a steel fuel container 1 from which a steel screw conveyor 2 leads to a steel burner 3, which is located in a square combustion chamber 4. The combustion chamber 4 consists of a steel jacket 5 and a concrete refractory lining 6. The combustion chamber The flue gas exchanger 7 consists of a steel plate core 8, coiled tubes 9, a collecting chamber 10, a distribution chamber 11 and an openable casing 12 which serves to form a flue gas exchanger. at the same time as thermal insulation. A sufficient supply of combustion air for efficient combustion is ensured by the air fan 13.

Ze sběrné komory 10 putují páry pracovní látky do lamelového expandéru 14, který je hřídelí 15 spojen s generátorem 16. Expandér 14 je spojen ocelovým potrubím s kondenzátorem 17. Kondenzátor 17 se skládá z rozváděči komory 18, spirálově vinutých vlnovcových trubek 19 z nerezové oceli, sběrné komory 20 a ocelového pláště 2E Zkapalněná pracovní látka putuje ocelovým potrubím do čerpadla 22 a poté do rozváděči komory 11 spalinového výměníku 7. Odvod tepla je zajištěn pomocí vodního oběhového čerpadla 23, které cirkuluje vodu v otopné soustavě 24, která předává teplo spotřebičům v otopné soustavě 24.From the collecting chamber 10, the working fluid vapors pass into the lamella expander 14, which is connected by a shaft 15 to the generator 16. The expander 14 is connected by a steel conduit to a condenser 17. The condenser 17 consists of a distribution chamber 18, spiral wound corrugated pipes 19 of stainless steel. collecting chamber 20 and steel jacket 2E The liquefied working medium flows through a steel pipe to the pump 22 and then to the distribution chamber 11 of the flue gas heat exchanger 7. Heat removal is provided by a water circulation pump 23 which circulates water in the heating system 24 system 24.

Pracovní látka ORC okruhu vstupuje do trubek spalinového výměníku 7, kde se ohřívá a odpařuje. Páry pracovní látky vstupují dále do expandéru 14, který roztáčejí a předávají mu tak část své energie. Expandér 14 je přímo spojen s generátorem 16, který mění mechanickou práci na elektrickou energii. Páry pracovní látky dále vstupují do kondenzátoru 17, kde předávají své teplo vodě a kondenzují. Kondenzace pracovní látky probíhá uvnitř trubek. Kondenzát dále stéká do oběhového čerpadla 22 ORC okruhu.The working substance of the ORC circuit enters the tubes of the flue gas heat exchanger 7, where it is heated and evaporated. The working substance vapors enter further into the expander 14, which rotates and thus transmits part of their energy. The expander 14 is directly coupled to a generator 16 that converts mechanical work into electrical energy. The working substance vapors further enter the condenser 17 where they transfer their heat to the water and condense. The condensation of the working substance takes place inside the tubes. The condensate further flows into the circulation pump 22 of the ORC circuit.

Parametry zařízení jsou omezeny zejména parametry expandéru 14. Ten je schopen dosahovat maximálního elektrického výkonu 5 kW. Pro vyšší výkony jednotky je proto nutná instalace více expandérů 14.The parameters of the device are limited mainly by the parameters of the expander 14. It is capable of achieving a maximum electrical output of 5 kW. Therefore, more expander 14 is required for higher unit performance.

Zařízení má maximální tepelný výkon 120 kW, maximální elektrický výkon generátoru 10 kW. Hmotnost zařízení je přibližně 600 kg, rozměry 2,5 x 1 x 2 m (d x š x v).The device has a maximum heat output of 120 kW, a maximum generator power of 10 kW. The weight of the device is approximately 600 kg, dimensions 2.5 x 1 x 2 m (L x W x H).

-2CZ 28231 U1-2GB 28231 U1

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení je využitelné především jako náhrada tepelného zdroje malých výtopen napojených na lokální soustavu centrálního vytápění (CZT).The equipment can be used primarily as a substitute for the heat source of small heating plants connected to the local central heating system (CHS).

Claims (9)

NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS 1. Jednotka pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v lokálních výtopnách, obsahující zásobník paliva (1), ke kterému je připojen přes dopravník (2) paliva hořák (3), umístěný ve spalovací komoře (4) opatřené spalinovým výměníkem (7), vyznačující se tím, že spalinový výměník (7) je opatřen lamelovým expandérem (14) propojeným hřídelí (15) s generátorem (16), a že za expandérem (14) je umístěn kondenzátor (17), opatřený potrubím s čerpadlem (22) pro odvod zkapalněné pracovní látky do rozváděči komory spalinového výměníku (7), přičemž kondenzátor (17) je propojen s otopnou soustavou (24).A cogeneration unit in local heating plants, comprising a fuel reservoir (1) to which a burner (3) is connected via a fuel conveyor (2), located in a combustion chamber (4) provided with a flue gas exchanger (7), characterized by characterized in that the flue gas exchanger (7) is provided with a vane expander (14) connected by a shaft (15) to a generator (16) and that a condenser (17) is provided downstream of the expander (14). liquefied working medium into the distribution chamber of the flue gas heat exchanger (7), the condenser (17) being connected to the heating system (24). 2. Jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že spalovací komora (4) je přímo připojena ke spalinovému výměníku (7).Unit according to claim 1, characterized in that the combustion chamber (4) is directly connected to the flue gas exchanger (7). 3. Jednotka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že spalinový výměník (7) má otevíratelný plášť (12).A unit according to claim 1 or 2, characterized in that the flue gas exchanger (7) has an openable housing (12). 4. Jednotka podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kondenzátor (17) je zároveň akumulační nádobou pro vytápění.Unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the capacitor (17) is also an accumulation vessel for heating. 5. Jednotka podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dopravník (2) paliva je šnekový dopravník.Unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the fuel conveyor (2) is a screw conveyor. 6. Jednotka podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že spalovací komora (4) se skládá z ocelového pláště (5) a betonové žáruvzdorné vyzdívky (6).Unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the combustion chamber (4) consists of a steel jacket (5) and a concrete refractory lining (6). 7. Jednotka podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že spalinový výměník (7) se skládá z jádra (8) z ocelového plechu, okolo kterého jsou umístěny vinuté trubky (9) zakryté otevíratelným pláštěm (12), přičemž v horní části spalinového výměníku (7) je sběrná komora (10) a v jeho spodní části jsou rozváděči komory (11).Unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the flue gas exchanger (7) consists of a steel plate core (8) around which the coiled tubes (9) covered by the openable casing (12) are arranged, with the upper part the exhaust gas exchanger (7) is a collecting chamber (10) and in its lower part there are distribution chambers (11). 8. Jednotka podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že spalinový výměník (7) je opatřen vzduchovým ventilátorem (13) pro přívod spalovacího vzduchu.Unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the flue gas heat exchanger (7) is provided with an air fan (13) for supplying combustion air. 9. Jednotka podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kondenzátor (17) se skládá z rozváděči komory (18), ke které jsou připojeny spirálově vinuté vlnovcové trubky (19) a na spodní části je sběrná komora (20).A unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the condenser (17) consists of a distribution chamber (18) to which the spiral wound bellows tubes (19) are connected and at the bottom there is a collection chamber (20).