теплогидроэлектростанция кошеварова "тгэск"

Формула изобретения

1. Теплогидроэлектростанция, содержащая гидротурбину, связанную с электрогенератором, теплотрассой и паровым котлом, включающим жаростойкий кожух с топкой, к которой присоединены устройства для подачи топлива из бункера, компрессор с воздухопроводом, трубопровод для воды, отводной трубопровод, электросвеча с факельной форсункой и устройство для золоудаления, отличающаяся тем, что она снабжена гидрокомпрессором парогазовой смеси и кольцевой трубой, заполненной водой, при этом гидротурбина установлена в кольцевой трубе, а гидрокомпрессор выполнен в виде цилиндра с газовой и водяной полостями и емкости, верхняя часть которой соединена воздухопроводом с компрессором, а нижняя с водяной полостью цилиндра, бункер и паровой котел помещены в герметичный кожух с образованием между последним и жаропрочным кожухом воздушного зазора, соединенного с воздухопроводом компрессора, устройство для подачи топлива выполнено в виде архимедова винта с электродвигателем, установленного в цилиндрическом канале, а газовая полость цилиндра через распределительный клапан периодически сообщена с отводным трубопроводом топки, воздухопроводом компрессора и посредством трубопровода с коленом с кольцевой трубой.

2. Теплогидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что герметичный кожух выполнен стальным с внутренним теплоизолирующим покрытием, жаропрочный кожух топки выполнен из огнеупорного материала, в верхней части воздушного зазора между кожухами установлена кольцевая труба, перфорированная отверстиями, в нижней части воздушного зазора сообщена с поддувом топки радиальными отверстиями, выполненными в огнеупорной кладке, поддувало топки отделено от верхней части топки колосником в виде решетки с отверстиями, меньшими одного из размеров частиц твердого топлива, воздушный зазор между кожухами соединен патрубком с внутренним объемом бункера, поддувало топки имеет в нижней части куполообразного днища кран, наружный конец которого имеет винтовую резьбу с навинченной на этой резьбе заглушкой, электросвечи с факельной форсункой установлены в поддувале топки, а в верхней части топки установлены форсунки, соединенные трубками с водяным насосом, кроме того, в горловине верхней части топки установлен цилиндрический клапан с каналом, соединяющим эту горловину с распределительным каналом, при этом цилиндрический клапан имеет в своей верхней части коническую шестерню, находящуюся в зацеплении с конической шестерней вала электродвигателя, горловина топки ниже цилиндрического клапана присоединена посредством трубы с клапаном к колену кольцевой трубы.

3. Теплогидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что бункер имеет цилиндрический корпус, в нижней части которого установлен архимедов винт с наклонной в сторону топки осью вращения, верхняя часть этого винта, находящаяся под цилиндрической частью бункера, вписывается в поверхность усеченного конуса, имеющего диаметр верхнего основания больше, чем диаметр нижнего основания, который равен диаметру цилиндрического канала, соединяющего бункер с топкой, в котором помещена нижняя цилиндрическая часть архимедова винта, верхняя часть архимедова винта соединена с осью вращения ротора электродвигателя через соответствующий редуктор, а верхняя часть бункера имеет отверстие, в которое ввинчена заглушка, герметизирующая бункер.

4. Теплогидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в цилиндр гидрокомпрессора установлен эластичный термоизолирующий плавающий поршень, а емкость выполнена колбообразной и установлена над цилиндром, верхняя часть колбообразной емкости помещена в резервуар с проточной холодной водой и имеет двойной клапан, сообщающий емкость через воздухопровод компрессора с кольцевой трубкой, перфорированной отверстиями, и патрубком, соединяющим емкость с атмосферным воздухом.

5. Теплогидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевая труба составлена из участков, начало и конец участков этой трубы установлены в колене трубопровода с кольцевым зазором, к которому подключен трубопровод от газовой полости цилиндра, кольцевая труба снабжена отстойником, теплотрассой, отходящей от отстойника, и вертикальной трубой, установленной над отстойником, соединенной патрубком с баком, наполненным водой, и с бункером, наполненным известью, а в дне сферообразного углубления отстойника установлен кран с навинченной на его конец заглушкой.

6. Теплогидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что теплотрасса отходит от верхней части отстойника кольцевой трубы и на ней установлена гидротурбина с электродвигателем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэлектростанциям, работающим на твердом низкосортном углеводородном топливе и предназначается главным образом для фермерских хозяйств.

Аналогами и прототипом "ТГЭСК" являются теплоэлектростанции ТЭЦ, работающие на каменном угле.

Основными недостатками ТЭЦ являются:

базовый режим работы;

высокие требования к качеству углеводородного топлива и воды;

невозможность создания ТЭЦ малой мощности для фермерских хозяйств;

большие капитальные и эксплуатационные затраты;

большой срок строительства и окупаемости капитальных затрат.

Технической задачей предлагаемой ТГЭСК является устранение всех вышеперечисленных недостатком ТЭЦ. Эта задача достигается в результате того, что:

сжигание низкоуглеродного топлива производится в сжатом воздухе, поставляемом в камеру сгорания компрессорами;

в камеру сгорания с помощью насосов через форсунки нагнетается вода, превращающаяся в пар, смешанный с продуктами сгорания топлива-парогаз;

парогаз, имеющий давление поставляемого компрессорами сжатого воздуха, направляется через кольцевую щель в кольцевую трубу, заполненную водой, приводит ее в движение и подогревает ее, отдавая ей скрытую теплоту парообразования;

в кольцевой трубе установлена гидротурбина, вращаемая движением воды, которая вращает ротор электрогенератора;

от кольцевой трубы отходит теплотрасса, отбирающая горячую воду для теплоснабжения; компрессор, поставляющий сжатый воздух, приводится в движение парогазом, поступающим из камеры сгорания.

ТГЭСК может найти эффективное применение не только на фермерских хозяйствах, но также на любых предприятиях лесного хозяйства, имеющих древесные отходы, а также в кооперативах и совхозах с использованием любых низкосортных видов топлива, в виде отходов производства. Применение ТГЭСК дает возможность существенно снизить потребление жидкого горючего в сельском хозяйстве и, тем самым, уменьшить себестоимость сельскохозяйственной продукции. Кроме того ТГЭСК может в значительной мере улучшить социально-бытовые условия сельского населения и увеличить энерговооруженность сельского производства.

Устройство ТГЭСК поясняется чертежами где: на фиг. 1 дан вертикальный разрез ТГЭСК (по Б-Б на фиг. 2), на фиг. 2 сечение по А-А на фиг. 1, на фиг. 3 сечение по В-В на фиг. 2, на фиг. 4 узел I на фиг. 1, на фиг. 5 - сечение по Г-Г на фиг. 4, на фиг. 6 сечение по Д-Д на фиг. 4, на фиг. 7 - вертикальное сечение колена, соединяющего трубы.

ТГЭСК имеет топку 1, бункер 2 для топлива, бак 3 с водой, цилиндр 4 и емкость 5 гидрокомпрессора, кольцевую трубу 6 с гидротурбиной 7, вращающей электрогенератор 8, стальной герметичный кожух 9 бункера 2 и топки 1, водяной насос 10.

Топка 1 имеет овальный жаропрочный кожух 11 из огнеупорного кирпича или керамики с решетчатым колосником 12, на котором происходит горение топлива, размер отверстий в колоснике меньше частиц топлива, и стальной кожух 9. Кожух 9 отделен от кожуха 11 воздушным зазором 13 с кольцевой трубой 14, перфорированной отверстиями через которую сжатый воздух поступает в зазор 13 и далее в поддувало 15, находящееся под колосником 12, через радиальные отверстия 16 в кладке 11.

Поддувало 15 имеет факельную форсунку 17, электросвечи 18 и кран 19 с заглушкой 20. Кран 19 устроен так же как у самовара, а заглушка 20 навертывается на кран 19, предотвращая спуск сжатого воздуха из топки 1 и кожуха 9 при случайном повороте крана 19 или при его неисправности, не обеспечивающей надлежащую герметичность топки 1 и кожуха 9.

Кран 19 предназначен для удаления золы из поддувала 15 путем его продувки после ежедневного окончания работы электростанции. При этом на кран 19 предварительно навинчивается вместо заглушки 20 гайка с прикрепленным к ней мешком для золы, подобным тому, который употребляется для сбора пыли у пылесоса.

Сжатый воздух в кольцевую трубу 14 поступает из верхней горловины емкости 5 гидрокомпрессора по трубе 21 через самооткрывающийся или управляемый компьютером клапан 22. Самооткрывающийся клапан 22 отрегулирован так, что он открывается при достижении расчетной величины давления, воздуха в емкости 5. Клапан 22 одновременно является впускным клапаном атмосферного воздуха после того, как весь сжатый воздух из емкости 5 поступит в трубу 21.

В электростанциях большой мощности и большим давлением сжатого воздуха (более 6 кг/см₂), подаваемого гидрокомпрессором в топку 1, целесообразно в емкость 5 через клапан 22 вводить от вспомогательного компрессора предварительно сжатый воздух до давления более 2 кг/см₂.

Топливо в топку 1 поступает из бункера 2 с помощью архимедова винта 23, который приводится во вращение электродвигателем 24. Винт 23 имеет конусную и цилиндрическую части, при этом конусная часть расположена в пределах нижней части цилиндрического бункера 2, а цилиндрическая часть в цилиндрическом канале 25, соединяющим бункер 2 с топкой 1.

Бункер 2 имеет воронку 26 с навинтованным отверстием для загрузки топлива, в которое завертывается заглушка 27, герметизирующая кожух 9 бункера 2 и топки 1. В бункер 2 при завинченной заглушке 27 поступает по патрубку 28, отходящему от зазора 13 и трубки 14, сжатый воздух, уравнивающий давление воздуха в бункере 2 с давлением воздуха и продуктов горения топлива в топке 1.

В топку 1 по форсункам 29 впрыскивается вода, подаваемая насосом 10 из бака 3 по трубкам 30. Из верхней части топки 1 продукты сгоревшего топлива и испарившейся воды парогаз непрерывно поступает в трубу 31, которая жестко соединена (приварена или навинчена) с коленом 32 (фиг. 7), соединяющим между собой начало и конец двух участков трубы 6 с кольцевым зазором К3. Одновременно парогаз из верхней части топки поступает в канал цилиндрического клапана 33, который, вращаясь поочередно, соединяет горловину топки 1 с одной из шасси труб 34 (фиг. 6), идущих к шести цилиндрам 4 компрессоров. Вращение цилиндрического клапана 33 (фиг.4) производит электродвигатель 35 с помощью вала 36, соединенного с конической шестерней 37, которая одновременно передает давление парогаза через цилиндрический клапан 33 на подпятник 38. С этой же целью с противоположной стороны шестерни 37 установлена сателлитная коническая шестерня 39. На цилиндрический выступ кожуха 9, в котором установлен цилиндрический клапан 33 с шестернями 37, 38 и 39, навинчивается заглушка 40, герметизирующая кожух 9, с опорным сферическим подшипником скольжения 41. Пространство между заглушкой 40, подпятником 38 и шестернями заполняется смазкой.

В цилиндре 4 при движении плавающего эластичного термоизолированного поршня 42 вверх отработанный парогаз через клапан 43 поступает в трубу 44. Шесть труб 44 от шести цилиндров 4 объединены в одну общую трубу 44, которая соединена с первым коленом 32, труба 31 соединена со вторым коленом 32 по ходу движения воды в трубе 6. Кольцевой зазор К3 между участками трубы 6 имеет площадь на 20-30% меньшую, чем площадь поперечного сечения трубы 44, в результате чего скорость парогаза, выходящего из кольцевого зазора К3, на 20-30% выше скорости парогаза в общей трубе 44.

Поршень 42 цилиндра 4 уменьшает тепловые потери парогаза за счет своего термоизолирующего покрытия, препятствующего утечке тепла в воду, на поверхности которой он плавает, исключая контакт парогаза с поверхностью этой воды. При изменении уровня воды в цилиндре 4 поршень 42 скользит по его стенкам своей граничной окружностью, диаметр которой меньше диаметра цилиндра на 0,2-0,4 мм.

Клапан 43 имеет три положения. В условно первом положении он открывает выход парогаза из трубы 34 в цилиндр 4 и перекрывает трубу 44, во втором положении он перекрывает трубы 34 и 44 и при третьем положении он оставляет перекрытой трубу 34 и открывает трубу 44. При движении поршня 42 вверх клапан 43 находится в третьем положении, при котором парогаз выходит из цилиндра через трубу 44 в кольцевой зазор К3 (для изображения этого процесса на фиг. 7 позиция 44 дана в скобках). Двигаясь вверх, поршень 42 (фиг. 1) коснется электродатчика 45, по электросигналу которого клапан 43 займет первое положение, т.е. перекроет трубу 44 и откроет трубу 34, через которую в цилиндр 4 начнет поступать парогаз. При движении вниз поршень 42 коснется электродатчика 46, по электросигналу которого клапан 43 перейдет во второе положение, перекрыв трубы 34, 44, двигаясь далее вниз, поршень 42 коснется электродатчика 47, по электросигналу которого поршень займет первое положение, т. е. откроет трубу 44 при закрытой трубе 34. При движении поршня 42 вниз вода из цилиндра 4 по водоводу 48 будет поступать в емкость 5, при движении воды по водоводу в обратном направлении поршень 42 будет подниматься, вытесняя отработанный парогаз в трубу 44.

За гидротурбиной 7 (по ходу движения воды) труба 6 имеет наибольшее поперечное сечение (фиг. 8) и в этой части трубы 6 скорость движения воды будет минимальной. Здесь в отстойнике 49 будут осаждаться твердые частицы, попавшие в воду с парогазом. На вогнутом дне отстойника 49 установлен кран 50, на конце которого нанесена резьба для навинчивания на него заглушки 51, исключающей слив воды из отстойника 49 при случайном повреждении крана 50 или при его неисправности. Кран 50 предназначен для слива отстоя. Над отстойником 49 установлена труба 52, через которую выходят газообразные продукты сгоревшего топлива и не растворившиеся в воде.

Труба 52 соединена патрубком 53 с баком 3, в результате чего в отстойнике 49 поддерживается постоянное давление, обусловленное разностью высот верхнего уровня воды в баке 3 и в отстойнике 49. От отстойника отходит теплотрасса 54. На фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 крестообразной штриховкой показаны поверхности стальных корпусов, деталей и труб, имеющих термо- или/и гидроизолирующее покрытие.

Работа теплогидроэлектростанции ТГЭСК.

Пуск ТГЭСК производится при закрытом клапане 55, перекрывающим трубу 31, с использованием аккумулятора 56, который подзаряжается в процессе работы гидротурбины 7, вращающей электрогенератор 8.

Перед пуском станции в бункер 2 загружается через воронку 26 (при вывинченной заглушке) твердое измельченное топливо, которым может быть резанная солома, хвоя, тростник, опилки, стружка, кора и другие древесные отходы, а также торф, каменный и бурый уголь.

При загрузке бункера 2 в его нижнюю часть на винт 23 засыпают наиболее легко воспламеняющееся сухое топливо. Сырое топливо и топливо с малой теплотворной способностью загружается в верхнюю половину бункера. В качестве топлива может быть использован также кустарник, переработанный в щепу. Бак 2, кольцевую трубу 6 и цилиндры 4 заполняют водой. Завинчивают заглушки 27, 20 и 51 при закрытых кранах 19 и 50, закрывают кран 55, перекрывающий трубу 31. Включают аккумулятор 56 в электросеть станции, открывают кран 57 и запускают компрессор 58 малой мощности обычного типа, работающий от электромотора и поставляющий сжатый воздух через патрубок 59 в трубу 21.

После 10-15 минутной работы компрессора 58, когда давление воздуха во всех емкостях, соединенных с трубой 21, поднимается до 2 кг/см² (до 2-х атмосфер) включается электросвечи 18, факельная форсунка 17 и электродвигатель 24. От огня факельной форсунки 17 загорается топливо на колоснике 12, которое подается винтом 23, вращаемым электродвигателем 24, повышается температура и давление в топке 1. Включается электродвигатель 35 и водяной насос 10 с форсунками 29, и начинает работать гидрокомпрессор в результате поступления парогазовой смеси в цилиндры 4. Через 3-5 минут работы гидрокомпрессора давление в топке 1 достигнет расчетного значения. Останавливается компрессор 58, закрывается кран 57 и открывается кран 55 на трубе 31 к колену 32.

В зазор 41 между трубами 6 колена 32 поступает с большой скоростью и под давлением парогаз, передавая воде, заполняющей кольцевую трубу, кинетическую энергию своего движения и потенциальную энергию давления, преобразуемые в кинетическую энергию движения воды. Вода в трубе 6, получив скорость движения, давлением на лопасти гидротурбины 7 приводит ее во вращение вместе с электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию.

После прохода через гидротурбину 7 вода поступает в отстойник 49, имеющий поперечное сечение в 5-7 раз большее, чем при входе в гидротурбину 7, при этом скорость движения воды уменьшается в 25-49 раз и из нее осаждаются на дно твердые частицы и поднимаются в трубу 52 пузырьки газов, выделяющиеся из воды. Кислотные компоненты газов, растворившиеся в воде, нейтрализуются известью, равномерно высыпающейся из бункера 60 в трубу 52. От верхней части трубу 6 за отстойником отходит теплотрасса 54, по которой избыток горячей воды, находящейся в трубе 6, используется для обогрева помещений для бытовых и технологических целей. Охлажденная вода из противоположного конца 61 теплотрассы поступает в резервуар 62, предназначенный для охлаждения верхней части емкости 5. На фиг. 1 резервуар 62 показан на одном уровне с баком 3, однако в ряде случаев резервуар 62 с емкостью 5 может быть установлен выше бака 3 для увеличения разности высот между емкостью 5 и цилиндром 4.

В теплотрассу 54 включена гидротурбина 63 с электродвигателем 64 малой мощности для регулирования в ней скорости движения воды.

В начальный момент запуска станции вода гидрокомпрессора заполняет весь цилиндр 4 и водовод 48, поршень 42 находится в верхнем положении в контакте с электродатчиком 45, клапан 43 закрыт для труб 34 и 44 и будет открыт для трубы 34 в момент, когда давление воздуха, создаваемое компрессором 58, достигнет расчетного уровня (например 2 кг на квадратный сантиметр). Тогда клапан 43 откроется для трубы 34 и останется закрытым для трубы 44.

Клапан 22 закрыт для трубы 21 и патрубка впуска атмосферного воздуха, емкость 5 заполнена воздухом при атмосферном давлении.

В топке 1 будет повышаться давление парогаза выше расчетного, поршень 42 начнет движение вниз, вытесняя воду из цилиндра 4 через водовод 48 в емкость 5. При этом воздух, находящийся над водой в емкости 5, начнет сжиматься поднимающимся уровнем воды до тех пор, пока его давление не достигнет той расчетной величины, на которую отрегулирован самооткрывающийся клапан 22. В момент открытия клапана 22 сжатый воздух начнет поступать по трубе 21 в кольцевую трубу 14.

При движении поршня 42 вниз он коснется электродатчика 46, по электросигналу которого управляющий компьютер (система управления работы станции) включит электродвигатель 35, который повернет цилиндрический клапан на угол, равный 360^o, деленный на число цилиндров 4 в гидрокомпрессоре (например, на 60^o на фиг. 6 при шести цилиндрах 4, изображенных на фиг. 2). Одновременно будет перекрыта труба 34 клапаном 43, затем клапан 22 откроет отверстие трубы 21. Движение поршня 42 вниз продолжится при убывающем давлении газов над ним в силу инерционности движения воды в водоводе 48, а также по той причине, что площадь поверхности воды в верхней части емкости 5 будет уже существенно меньше площади поперечного сечения цилиндра 4 и будет непрерывно уменьшаться по мере подъема уровня воды в емкости 5 так, что произведение давления газов на площадь поршня 42 будет больше, чем произведение давления сжимаемого воздуха на площадь поверхности воды в емкости 5. Вытеснив почти всю воду из цилиндра 4 поршень 42 коснется электродатчика 47, по сигналу которого клапан 43 соединит отверстие трубы 44 с цилиндром 4, а клапан 22 перекроет трубу 21 и откроет доступ атмосферного воздуха в емкость 5. В этот момент уровень воды в емкости 5 почти достигнет клапана 22. При открытой трубе 44 давление над поршнем 42 станет меньше, чем давление воды на поршень снизу, идущей через водоводную трубу 48, в соответствии с разностью высот уровней воды в емкости 5 и в цилиндре 4.

При сжатии воздуха в емкости 5 воздух будет нагреваться и тем самым препятствовать своему сжатию. Для устранения этого противодействия верхняя часть емкости 5 охлаждается проточной охлажденной водой, поступающей из конца 61 теплотрассы в резервуар 62 и далее в бак 3, заполненный водой.

В установившемся режиме работы компрессора переключение парогаза цилиндрическим клапаном 33 в трубы 34, идущие к цилиндрам 4, будет происходить в результате равномерной работы электродвигателя 35 с такой скоростью, при которой один оборот цилиндрического клапана 33 будет занимать время, равное одному циклу работы цилиндра 4, обусловленному движением поршня 42 от датчика 45 до датчика 47 и в обратном направлении.

Центральным устройством электростанции является топка 1, образованная кожухом 11, в средней части которой температура может достигать более 1000^oC. Наружная поверхность кожуха 11, охлаждаясь, отдает свое тепло сжатому воздуху в зазоре 13, поступающему из отверстий трубы 14 и уходящему через радиальные отверстия 16 в поддувало 15. При этом тепловая энергия, прошедшая через кожух 11 из топки 1, возвращается в топку 1 вместе с нагретым ею сжатым воздухом. Для уменьшения тепловых потерь внутренняя поверхность стального кожуха 10 покрыта теплоизоляцией. Таким образом, кожух 9 не подвергается существенному нагреву и может выдерживать давление сжатого воздуха с необходимым запасом прочности.

Высокая температура в топке 1 не создает опасности воспламенения топлива в бункере 2, так как цилиндрический участок винта 23 своим винтовым выступом многократно перекрывает цилиндрический канал 25, соединяющий бункер 2 с топкой 1. Кроме того, в верхней части бункера 2 на его кожухе установлен клапан 65, через который в бункер будет поступать вода из бака 3, если в бункере 2 электродатчик 66 подаст электросигнал в систему управления (в компьютер) о повышении температуры в бункере 2 выше допустимой. Клапан 65 и электродатчик температуры 66 имеют больше противоаварийное, чем эксплуатационное значение, так как бункер 2 помещен в бак 3 с водой, охлаждающей бункер 2, и повышение температуры в нем выше допустимой имеет весьма малую вероятность.

Использование в верхней половине бункера 2 увлажненного и низкосортного топлива вполне допустимо, так как при работе в установившемся режиме увлажненное и низкосортное топливо будет сгорать с допустимой интенсивностью, обусловленной тем, что в сжатом воздухе интенсивность горения топлива увеличивается в прямой зависимости от степени сжатия воздуха.

Циркуляция воды в предлагаемой электростанции, связанная с ее эксплуатацией, имеет замкнутый характер, по этой причине долив воды в бак 3 потребуется только в случае использования горячей воды из теплотрассы 54 для бытовых и хозяйственных нужд. Электростанция может работать после ее пуска в автоматическом режиме, так как все процессы ее функционирования поддаются автоматизации.

Запуск электростанции может производиться за 15-20 минут и затраты топлива на этот запуск составят при 16 часов ее работы в сутки не более (0,3 ч: 16 ч) 100% 2% Столь малые затраты топлива и времени на запуск станции делает целесообразным ее ежесуточную остановку в ночное время, когда потребность в электроэнергии и тепле минимальны, для загрузки топлива, слива осадка из отстойника 49 и удаления золы из поддувала 15.

Остановка электростанции производится перекрытием трубы 34 клапаном 43, выключения из электросети электродвигателей 24, 25 и 64 и водяного насоса 10. Запуск, остановка и установившийся режим работы электростанции может производиться автоматической системой управления специализированным компьютером по соответствующим программам.

Предлагаемая электростанция может найти эффективное применение как в фермерском хозяйстве мощностью 50-100 кВт, вырабатываемой электроэнерии, так и на предприятиях, различных по масштабам потребляемой электроэнергии с мощностью от 1 до 100 тыс. кВт.