RU2362027C1 - Mobile power installation - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to stand-alone power installations for supplying human life sustenance objects with electrical and thermal energy during emergency situations. The installation contains a small-sized gas turbine engine (turbo compressor) with air bleeding for actuating a free turbine and an exhaust heat boiler. Gas from the outlet channel of the turbo compressor, air from the outlet channel of the free turbine, and liquid in form of fine particles from the main pipeline of the heat energy user are simultaneously fed into the exhaust heat boiler. The exhaust heat boiler is of the mixing type and inside it there is evaporation and condensation of liquid, used in the user's network.

EFFECT: installation provides for independent power supply to 100 apartment houses at outdoor air temperature of up to - 40°C, and the new characteristic of the installation is its high mobility - possibility of delivering to an accident site by air.

1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике.The invention relates to a power system.

Наличие в стране большого количества тепловых и электрических сетей сопряжено с появлением аварийных ситуаций, приводящих к нарушению энергоснабжения объектов жизнедеятельности человека. Своевременное восстановление энергоснабжения позволяет избежать негативных технологических и социальных последствий, а также значительных материальных затрат, связанных с их устранением.The presence in the country of a large number of heat and electric networks is associated with the emergence of emergency situations that lead to a disruption in the energy supply of human vital objects. Timely restoration of energy supply avoids the negative technological and social consequences, as well as significant material costs associated with their elimination.

Целью изобретения является создание мобильного автономного источника тепловой и электрической энергий, предназначенного для оперативного восстановления энергоснабжения объектов жизнедеятельности человека при возникновении аварийных ситуаций.The aim of the invention is the creation of a mobile autonomous source of thermal and electric energy, designed for the rapid restoration of energy supply of human vital objects in case of emergency.

Известна автономная система обогрева помещения (RU 2148756, кл. МПК F24D 3/02, 2000), в которой нагрев жидкости осуществляется горячим газом посредством его контакта с водой, циркулирующей в системе обогрева помещения. Указанная система не является мобильной и обеспечивает потребителя только тепловой энергией.Known autonomous heating system of the room (RU 2148756, class IPC F24D 3/02, 2000), in which the heating of the liquid is carried out by hot gas through its contact with water circulating in the heating system of the room. The specified system is not mobile and provides the consumer only with thermal energy.

Известна парогазовая установка (SU 1693271, кл. МПК F01К 23/10, 1991) с котлом-утилизатором, в которой турбокомпрессор имеет установленный в выходном канале теплообменник, газовая магистраль которого является частью выходного канала турбокомпрессора, а воздушная магистраль соединяет воздушную полость за компрессором со свободной турбиной, в котел-утилизатор одновременно подводятся газ из выходного канала турбокомпрессора, воздух из выходного канала свободной турбины. Парогазовая установка является стационарной и имеет значительные габариты, которые во многом определяются размерами котла-утилизатора.A steam-gas installation is known (SU 1693271, class MPK F01K 23/10, 1991) with a recovery boiler, in which the turbocharger has a heat exchanger installed in the output channel, the gas main of which is part of the turbocharger output channel, and the air main connects the air cavity behind the compressor to free turbine, gas from the output channel of the turbocompressor and air from the output channel of the free turbine are simultaneously supplied to the recovery boiler. Combined-cycle plant is stationary and has significant dimensions, which are largely determined by the size of the recovery boiler.

Известен водонагреватель (US 4017277 A1, кл. МПК В04D 19/00, 1977), внутрь которого подводится жидкость в виде мелкодисперсных частиц из магистрали потребителя, забор жидкости в которую осуществляется в нижней части котла-утилизатора, а возврат - через коллектор с форсунками, расположенный в верхней части котла-утилизатора. Водонагреватель не является автономной энергетической системой.A well-known water heater (US 4017277 A1, class IPC B04D 19/00, 1977), into which liquid is supplied in the form of fine particles from the consumer line, the liquid is drawn into it in the lower part of the recovery boiler, and it is returned through a manifold with nozzles, located at the top of the recovery boiler. The water heater is not an autonomous energy system.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является мобильная энергетическая установка (RU 2123609 С1, кл. МПК F02С 6/18, 1998), содержащая турбокомпрессор, свободную турбину, на валу которой размещена полезная нагрузка, указанная установка имеет котел-утилизатор - емкость, внутрь которой одновременно подводятся газ из выходного канала свободной турбины и жидкость (вода). Недостатком установки является то, что в котле-утилизаторе использован теплообменник рекуперативного типа, эффективность которого существенно ниже чем у теплообменников смесительного типа, а габариты при тех же потоках энергии больше.The closest analogue of the present invention is a mobile power plant (RU 2123609 C1, class IPC F02C 6/18, 1998), containing a turbocharger, a free turbine, on the shaft of which a payload is placed, this installation has a recovery boiler - a tank inside which at the same time gas from the outlet channel of a free turbine and liquid (water) are supplied. The disadvantage of the installation is that a heat recovery heat exchanger is used in the waste heat boiler, the efficiency of which is significantly lower than that of the mixing heat exchangers, and the dimensions are larger for the same energy flows.

Поставленная цель достигается тем, что мобильная энергетическая установка, содержащая турбокомпрессор с установленным в выходном канале турбокомпрессора газовоздушным теплообменником, газовая магистраль которого является частью выходного канала турбокомпрессора, а воздушная магистраль соединяет воздушную полостью за компрессором с входным ресивером свободной турбины, на валу которой размещена полезная нагрузка, имеет котел-утилизатор - емкость, внутрь которой одновременно подводятся газ, воздух и жидкость в виде мелкодисперсных частиц. Газ подводится из выходного канала турбокомпрессора. Воздух подводится из выходного канала свободной турбины. Жидкость подводится из магистрали потребителя, которая закольцована: вход в магистраль осуществляется через нижнюю часть котла-утилизатора, а выход - через коллектор с жидкостными форсунками, расположенный в верхней части котла-утилизатора.This goal is achieved in that a mobile power plant containing a turbocharger with a gas-air heat exchanger installed in the output channel of the turbocompressor, the gas line of which is part of the output channel of the turbocompressor, and the air line connects the air cavity behind the compressor to the inlet receiver of the free turbine, on whose shaft a useful load is placed has a waste heat boiler - a tank inside which gas, air and liquid are simultaneously supplied in the form of finely divided particles astits. Gas is supplied from the output channel of the turbocharger. Air is supplied from the output channel of a free turbine. The liquid is supplied from the consumer line, which is looped: the entrance to the line is through the lower part of the recovery boiler, and the output is through the manifold with liquid nozzles located in the upper part of the recovery boiler.

Существенным является то, что передача теплоты от газа к жидкости, осуществляемая в котле-утилизаторе, происходит в момент фазового перехода жидкости из жидкого в газообразное состояние (пар) и обратно, что позволяет повысить теплоемкость теплоносителя (жидкости) на величину, равную теплоте парообразования и, соответственно, уменьшить массу жидкости, участвующую в передаче указанной теплоты, а следовательно, габариты и массу котла, что позволяет достичь заявленную (мобильная установка) цель изобретения. Данный эффект является следствием одновременной подачи в котел-утилизатор газа, воздуха и жидкости в виде мелкодисперсных частиц притом, что:It is significant that the transfer of heat from gas to liquid, carried out in a recovery boiler, occurs at the time of the phase transition of a liquid from a liquid to a gaseous state (steam) and vice versa, which makes it possible to increase the heat capacity of the heat carrier (liquid) by an amount equal to the heat of vaporization and , accordingly, to reduce the mass of liquid involved in the transfer of the specified heat, and therefore the dimensions and mass of the boiler, which allows to achieve the claimed (mobile installation) goal of the invention. This effect is a consequence of the simultaneous supply of gas, air and liquid in the form of fine particles to the waste heat boiler, despite the fact that:

1. Параллельно магистрали потребителя установлена обводная магистраль с коллектором (коллекторами) с жидкостными форсунками, расположенным в верхней части котла-утилизатора. Обводная магистраль позволяет повысить время пребывания мелкодисперсных частиц во взвешенном состоянии и тем самым улучшить теплообмен между паром и жидкостью.1. A bypass line with a collector (s) with liquid nozzles located in the upper part of the waste heat boiler is installed in parallel with the consumer line. The bypass line allows you to increase the residence time of fine particles in suspension and thereby improve heat transfer between steam and liquid.

2. Сопла выходных каналов газовой и воздушной магистралей направлены на поверхность жидкости, что позволяет усилить эффект парообразования и, соответственно, уменьшить объем котла-утилизатора, потребный для образования необходимого для передачи энергии количества пара.2. The nozzles of the outlet channels of the gas and air lines are directed to the surface of the liquid, which makes it possible to enhance the effect of vaporization and, accordingly, to reduce the volume of the recovery boiler needed to generate the amount of steam necessary for energy transfer.

На чертеже изображена мобильная энергетическая установка.The drawing shows a mobile power plant.

Мобильная энергетическая установка состоит из турбокомпрессора 1 с присоединенными к нему: свободной турбины 2 с электрогенератором 3 (полезная нагрузка); газовоздушным теплообменником 4; котлом-утилизатором 5, который наполнен водой (рабочей жидкостью).Mobile power plant consists of a turbocharger 1 with attached to it: a free turbine 2 with an electric generator 3 (payload); gas-air heat exchanger 4; waste heat boiler 5, which is filled with water (working fluid).

Турбокомпрессор 1 состоит из компрессора, турбины и камеры сгорания, которая расположена между компрессором и турбиной. Компрессор и турбина выполнены на одном диске: с одной стороны - центробежный компрессор, а с другой - центростремительная турбина. Воздушная магистраль газовоздушного теплообменника 4 соединяет воздушную полость за компрессором с входным ресивером свободной турбины 2. Газовая магистраль газовоздушного теплообменника 4 является частью выходного канала турбокомпрессора 1. Выходные каналы турбокомпрессора и свободной турбины соединены между собой и заканчиваются общим соплом, которое расположено внутри котла-утилизатора 5 и направлено на поверхность жидкости. Забор воды, поступающей в магистраль потребителя 6, осуществляется в нижней части котла-утилизатора 5. Возврат воды из магистрали потребителя осуществляется через коллектор 7 с жидкостными форсунками, который размещен в верхней части котла-утилизатора. Параллельно магистрали потребителя 6 установлена обводная магистраль, забор воды для которой осуществляется в нижней части котла-утилизатора 5, а возврат - через коллектор 8 с жидкостными форсунками, расположенный в верхней части котла-утилизатора 5. Для прокачки воды через магистраль потребителя и обводную магистраль используется насос (н).Turbocharger 1 consists of a compressor, a turbine and a combustion chamber, which is located between the compressor and the turbine. The compressor and turbine are made on the same disk: on the one hand, a centrifugal compressor, and on the other, a centripetal turbine. The air line of the gas-air heat exchanger 4 connects the air cavity behind the compressor to the inlet receiver of the free turbine 2. The gas line of the gas-air heat exchanger 4 is part of the output channel of the turbocompressor 1. The output channels of the turbocompressor and the free turbine are interconnected and end with a common nozzle, which is located inside the recovery boiler 5 and directed to the surface of the liquid. The water entering the consumer line 6 is drawn in the lower part of the recovery boiler 5. Water is returned from the consumer line through a collector 7 with liquid nozzles, which is located in the upper part of the recovery boiler. A bypass line is installed in parallel with the consumer line 6, water is drawn for it in the lower part of the recovery boiler 5, and return is through the collector 8 with liquid nozzles located in the upper part of the recovery boiler 5. For pumping water through the consumer line and the bypass line, pump (n).

Работа установки осуществляется следующим образом.The installation is as follows.

Сжатый в турбокомпрессоре воздух по линии высокого давления поступает в газовоздушный теплообменник. Горячий газ, выходящий из турбины турбокомпрессора, по линии низкого давления поступает в тот же теплообменник.Compressed air in a turbocompressor through a high pressure line enters the gas-air heat exchanger. The hot gas leaving the turbine of the turbocharger flows through the low pressure line to the same heat exchanger.

Нагретый в теплообменнике воздух поступает в свободную турбину и совершает механическую работу, которая затем в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию. Из свободной турбины воздух, имеющий температуру более 100°С, через сопло поступает в котел-утилизатор 5.The air heated in the heat exchanger enters a free turbine and performs mechanical work, which is then converted into electrical energy in an electric generator. From a free turbine, air having a temperature of more than 100 ° C through the nozzle enters the waste heat boiler 5.

Горячий газ, имеющий температуру более 300°С, из теплообменника также через сопло поступает в котел утилизатор.Hot gas, having a temperature of more than 300 ° C, from the heat exchanger also through the nozzle enters the boiler utilizer.

При контакте горячего газа (воздуха) с поверхностью жидкости часть жидкости превращается в пар, поглощая при этом значительное количество тепловой энергии и, как следствие, резко (скачкообразно) понижая температуру газа. Образовавшийся пар вступает в контакт с мелкодисперсными частицами жидкости, которые образуются при истечении из форсунок в результате циркуляции воды в магистралях: потребителя и обводной. Указанные частицы имеют среднюю температуру менее 70°С (за счет охлаждения воды в магистрали потребителя). При контакте указанных частиц с паром происходит конденсация пара с одновременным нагревом частиц (жидкости). При этом процесс конденсации нейтрализует процесс парообразования, в результате чего за короткий промежуток времени от газа к жидкости передается значительное количество энергии, что позволяет существенно уменьшить габариты котла-утилизатора.Upon contact of hot gas (air) with the surface of the liquid, part of the liquid turns into steam, absorbing a significant amount of thermal energy and, as a result, drastically (stepwise) lowering the temperature of the gas. The resulting vapor comes into contact with fine particles of liquid that are formed upon expiration from the nozzles as a result of water circulation in the mains: consumer and bypass. These particles have an average temperature of less than 70 ° C (due to cooling water in the consumer line). Upon contact of these particles with steam, condensation occurs while heating the particles (liquid). In this case, the condensation process neutralizes the process of vaporization, as a result of which a significant amount of energy is transferred from the gas to the liquid in a short period of time, which can significantly reduce the dimensions of the recovery boiler.

Мобильная энергетическая установка предназначена (в первую очередь) для Министерства по чрезвычайным ситуациям (МЧС). С целью обеспечения оперативности устранения аварийных ситуаций установка имеет габариты и вес, позволяющие разместить ее на подвижной платформе на борту вертолета (самолета) или другого вида транспорта, используемого МЧС. Мобильная энергетическая установка может быть создана на базе вспомогательной силовой установки ТА 14, имеющей вес ~ 60 кг. В этом случае в стандартных атмосферных условиях (t=15°C, Р=760 мм рт.ст.) энергетическая установка будет иметь следующие энергетические и весовые характеристики:The mobile power plant is intended (primarily) for the Ministry of Emergency Situations (MES). In order to ensure prompt response to emergency situations, the installation has dimensions and weight that allow it to be placed on a mobile platform on board a helicopter (airplane) or other type of transport used by the Ministry of Emergencies. A mobile power plant can be created on the basis of the TA 14 auxiliary power plant, which has a weight of ~ 60 kg. In this case, under standard atmospheric conditions (t = 15 ° C, P = 760 mm Hg), the power plant will have the following energy and weight characteristics:

электрическая мощность ~ 90 кВт;electric power ~ 90 kW;

тепловая мощность (горячая вода) ~ 450 кВт;thermal power (hot water) ~ 450 kW;

вес - 400÷600 кг.weight - 400 ÷ 600 kg.

Указанные энергетические характеристики позволяют обеспечить автономное энергоснабжение 100-квартирного жилого дома при температурах наружного воздуха до минус 40°С. При этом новым по отношению к известным качеством энергетической установки является ее высокая мобильность - возможность доставки к месту аварии воздушным транспортом. Указанное качество достигается совокупностью признаков, указанных в формуле изобретения, основным из которых является котел-утилизатор смесительного типа, позволяющий кардинально уменьшить габариты и вес установки.The specified energy characteristics make it possible to provide autonomous power supply to a 100-apartment residential building at outdoor temperatures up to minus 40 ° С. At the same time, a new mobility in relation to the well-known quality of the power plant is its high mobility - the ability to deliver to the accident site by air. The specified quality is achieved by a combination of features specified in the claims, the main of which is a waste heat boiler of the mixing type, which can dramatically reduce the dimensions and weight of the installation.

В условиях России, где расстояния измеряются тысячами километров, использование мобильных энергетических установок позволяет предотвратить развитие аварийных ситуаций по негативному сценарию и соответственно сэкономить миллиарды рублей, затрачиваемых на ликвидацию последствий аварий, а в некоторых случаях сберечь жизни людей.In Russia, where distances are measured in thousands of kilometers, the use of mobile power plants can prevent the development of emergencies in a negative scenario and, accordingly, save billions of rubles spent on eliminating the consequences of accidents, and in some cases save lives.

Claims (1)

Мобильная энергетическая установка, содержащая турбокомпрессор, свободную турбину, на валу которой размещена полезная нагрузка, котел-утилизатор, отличающаяся тем, что перед свободной турбиной установлен ресивер, в выходном канале турбокомпрессора установлен газовоздушный теплообменник, газовая магистраль которого является частью выходного канала турбокомпрессора, а воздушная магистраль соединяет воздушную полость за компрессором со входным ресивером свободной турбины, кроме того, внутрь котла-утилизатора через сопла, направленные на поверхность жидкости, одновременно подводятся газ из выходного канала турбокомпрессора, воздух из выходного канала свободной турбины, жидкость в виде мелкодисперсных частиц из магистрали потребителя, забор жидкости в которую осуществляют в нижней части котла-утилизатора, а возврат - через коллектор с форсунками, расположенный в верхней части котла-утилизатора. A mobile power plant comprising a turbocharger, a free turbine with a payload placed on its shaft, a waste heat boiler, characterized in that a receiver is installed in front of the free turbine, a gas-air heat exchanger is installed in the turbocharger output channel, the gas main of which is part of the turbocharger output channel, and the air the line connects the air cavity behind the compressor with the inlet receiver of a free turbine, in addition, into the recovery boiler through nozzles directed e to the liquid surface, simultaneously gas is supplied from the outlet channel of the turbocharger, air from the outlet channel of the free turbine, liquid in the form of fine particles from the consumer line, the liquid is taken to the bottom of the recovery boiler, and the return is through the manifold with nozzles located at the top of the recovery boiler.