Парова електрична установка малої потужності

Реферат: Парова електрична установка малої потужності містить камеру згоряння, паровий котел, парову мікротурбіну з електрогенератором, водяний трансформатор, насос живильний та систему трубопроводів, які з'єднані в основний пароводяний контур, тепловий насос, який з'єднаний із водяним трансформатором та охолоджуючою рідиною у вторинний тепловий контур. Електрогенератор та тепловий насос розташовані на головному валу парової мікротурбіни. Установка додатково містить розгінний механічний пристрій, який за допомогою храпової муфти з'єднаний із насосом живильним, який, в свою чергу, за допомогою муфти зчеплення з'єднаний з головним валом. UA 109704 U (54) ПАРОВА ЕЛЕКТРИЧНА УСТАНОВКА МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ UA 109704 U UA 109704 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем мобільного автономного електро- та теплопостачання і може бути використана в умовах дефіциту або відсутності джерел енергії таких, як бензин, солярка, газ, електричні мережі, крім деревини. Автономне виробництво електричного струму потужністю до 10 кВт здійснюється за допомогою потужних бензинових та дизель-генераторних установках, які мають можливість мобільного пересування. Але цей спосіб потребує постійної наявності запасів високовартісного пального. Сонячна та вітрова енергетика потребує, як правило, стаціонарних умов, та їх обладнання не може вільно змінювати своє місце розташування. Тому, в різних кліматичних умовах та умовах наявності деревини, як джерела пального, є актуальними розробки мобільних установок для автономного електро- та теплопостачання, потужністю до 10 кВт. Відомі спосіб та пристрій (схема) для його здійснення, які полягають в тому, що водяну пару перегрівають в котлі і направляють в парову турбіну, що обертає електрогенератор, відпрацьовану в турбіні пару охолоджують в холодильнику, стискають в компресорі до початкового тиску і повертають в котел на перегрів [1]. Недоліками даного пристрою є значні витрати часу на запуск турбіни в автономному режимі без додаткових джерел енергії та в різних кліматичних умовах. Найбільш близьким аналогом є пароелектростанції на основі конденсаційних парових турбін, які служать для перетворення максимально можливої частини теплоти пари в механічну роботу, відомі, наприклад з [2]. У такій пароелектростанції необхідна для роботи парової турбіни водяна пара, яка спочатку виробляється в паровому котлі з, як правило, попередньо очищеної і підготовленої (живильної) води. За рахунок подальшого нагріву пари в перегрівнику зростають температура і питомий об'єм пари. З парового котла пара рухається по трубопроводах в парову турбіну, де вона віддає їй частину своєї кінетичної енергії. До турбіні підключений електрогенератор, що перетворює механічну енергію в електричну енергію, яка у вигляді електричного струму подається в мережу. Після цього розширена, відпрацьована пара направляється в водяной трансформатор, в якому пара передає більшу частину свого тепла через водяний трансформатор у вторинний контур, наприклад теплову мережу, за допомогою конденсатного (теплового) насоса. Під час цього процесу пара за рахунок конденсації перетворюється в рідину, а потім насосом живильним знову подається в паровий котел, в результаті чого контур замикається. При конструюванні автономних, мобільних пароелектростанцій малої потужності, наприклад, до 5-10 кВт, як правило, на валу парової турбіни, крім електрогенератора, додатково розміщують насоси - живильний та тепловий. Недоліки вказаної паро електростанції. 1. На етапі запуску парової турбіни утворюється так звана двофазна пароводяна суміш з гарячої пари та сконденсованої води. Тобто, таке робоче тіло утворюється при "холодному" запуску турбіни, без попереднього прогріву примусовою циркуляцією. Як правило, лопатки турбіни розраховані на "суху" пару, в тому числі, кут їх повороту і напрямок сопел турбіни. Ця, двофазна, суміш через сопло попадає на лопатки турбіни, причому краплі води будуть мати меншу швидкість, чим пара, тому що мають більшу масу. Ці краплі води будуть "вдаряти" в лопатки під іншим кутом, чим пара, що викликатиме ерозію і підвищений знос лопаток і турбіни в цілому. Так як експлуатація парової електроустановки передбачається в мобільному режимі з неминучими частими включеннями/виключеннями, то це різко знижує надійність експлуатації таких установок. 2. У холодну пору року при запуску турбіни прогрів такого складного виробу з металу буде вкрай нерівномірним. Як правило, при виготовленні мікротурбін проявляється ефект масштабування, який поширюється і на зазор між лопатками ротора і статором. Тому, нерівномірність прогріву всіх деталей турбіни навіть при незначній різниці температур верху та низу турбіни, призведе до того, що лопатки ротора прогріються швидше статора, а також до вигину вала турбіни, що призведе до торкання лопаток ротора за статор і виходу з ладу турбіни. Виникає необхідність прокручування вала парової турбіни, тобто, валоповорот, що потребує значних витрат часу на примусовий рівномірний прогрів турбіни на етапі запуску. Але, в умовах відсутності додаткових джерел енергії, таких, як електрична мережа, акумулятор та інші, виникає фізична трудність ручного провороту вала турбіни із додатковими пристроями на ньому, що позначається на часі запуску установки в цілому. Задачею корисної моделі є розробка такої установки, яка забезпечувала б підвищену надійність та легкість запуску в мобільних умовах експлуатації і скорочення часу запуску в 1 UA 109704 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 холодну пору шляхом примусової циркуляції робочого тіла та рівномірного прогріву всіх елементів основної парової турбіни та інших пристроїв установки за рахунок розділення автономних режимів роботи насоса живильного та валоповороту в умовах відсутності додаткових джерел енергії, електронних систем автоматики та регулювання. Поставлена задача вирішується тим, що парова електрична установка малої потужності, яка містить камеру згоряння, паровий котел, парову мікротурбіну з електрогенератором, водяний трансформатор, насос живильний та систему трубопроводів, які з'єднані в основний пароводяний контур, тепловий насос, який з'єднаний із водяним трансформатором та охолоджуючою рідиною у вторинний тепловий контур, причому електрогенератор та тепловий насос розташовані на головному валу парової мікротурбіни, згідно з корисною моделлю, установка додатково містить розгінний механічний пристрій, який за допомогою храпової муфти з'єднаний із насосом живильним, який в свою чергу, за допомогою муфти зчеплення з'єднаний з головним валом. При цьому розгінний механічний пристрій виконаний як мотузковий стартер або як кікстартер, або являє собою пускову рукоятку. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображена принципова схема запропонованої парової електричної установки малої потужності. Поз. 1 позначено камеру згоряння, поз. 2 - паровий котел, поз. 3 - парова мікротурбіна, поз. 4 - електрогенератор, поз. 5 - насос живильний, поз. 6 - водяний трансформатор, поз. 7 - тепловий насос, поз. 8 - головний вал, поз. 9 - розгінний механічний пристрій, поз. 10 - храпова муфта, поз. 11 - муфта зчеплення, нормально замкнена, поз. 12 - автономна електрична мережа, поз. 13 - охолоджуюча рідина. Парова електрична установка малої потужності містить камеру згоряння 1, об'єднану із паровим котлом 3. По трубопроводу (умовно не позначено) пароводяна суміш при запуску або перегріта пара у подальшій роботі надходить на вхід парової мікротурбіни 3, а вихід якої з'єднаний з водяним трансформатором 6, в якому перегріта пара віддає тепло у вторинний контур. Далі, охолоджена пара або вода насосом живильним 5 по трубопроводу знову подається в паровий котел 2. Тобто, утворюється замкнений основний пароводяний контур. Вторинний контур, тобто, теплова мережа, утворюється водяним трансформатором 6, тепловим насосом 7 та охолоджуючою рідиною. На головному валу 8 парової мікротурбіни 3 розташовані електрогенератор 4 та тепловий насос 7. Насос живильний 5 кінематично з'єднаний із головним валом 8 за допомогою муфти зчеплення 11. Електрогенератор 4 з'єднаний з автономною електричною мережею 12. Розгінний механічний пристрій 9 через храпову муфту 10 з'єднаний із зворотною стороною осі насоса живильного 5. Розгінний механічний пристрій 9 може бути виконаний у різних варіантах, наприклад мотузковий стартер, тобто тросик, який намотано на маховик, або пусковий барабан. Можливо також використання пускової рукоятки, так званий "кривий стартер", або спеціальний важіль, який різко натискають ногою, так званий кікстартер, та інші. Храпова муфта 10 використовується як обгінна або муфта вільного ходу - задля передачі обертання вала лише в одному напрямку. Але, у разі, коли кутова швидкість вала турбіни буде вищою, ніж розгінного механічного пристрою 9, то така храпова муфта 10 роз'єднається із валом, на якому розташовано насос живильний 5. Муфта зчеплення 11 в режимі штатної роботи установки, тобто, виробляння електричного струму та тепла - нормально замкнена. Це означає механічне з'єднання головного вала 8 парової мікротурбіни з насосом живильним 5. Але при пуску установки, для полегшення початку роботи розгінного механічного пристрою 9, цю муфта зчеплення 11 роз'єднують, тим самим, розгінний механічний пристрій 9 приєднують тільки до насоса живильного 5. Парова електрична установка малої потужності використовують таким чином. З початку розпалюється камера згоряння 1 деревиною з одночасним заповненням парового котла 2 водою, очищеною від механічних домішок. 2 UA 109704 U 5 10 15 20 25 30 35 Для полегшення пуску при мінусовій температурі, після початку пароутворення, за допомогою розгінного механічного пристрою 9 та храпової муфти 10 здійснюють примусове обертання насоса живильного 5, причому насос живильний 5 від'єднаний від головного вала 8 муфтою зчеплення 11. Після того, як робоче тіло - пароводяна суміш частково прогріє весь основний пароводяний контур установки та будуть усунені умови вигину вала турбіни й усунені ризики торкання лопаток ротора за статор, тоді муфту зчеплення 11 замикають і розгінний механічний пристрій 9 кінематично приєднується до всього головного вала 8. Тобто, з'являється можливість здійснення валоповороту парової мікротурбіни 3, що приводить до повної циркуляції пари та води в основному пароводяному контурі та через тепловий насос 7 циркуляції води у вторинному тепловому контурі. Після досягнення необхідного тиску пари на вході парової мікротурбіни 3 та збільшення кутової швидкості головного вала 8, храпова муфта 10 від'єднує розгінний механічний пристрій 9. Починається циркуляція води в вторинному тепловому контурі та електрогенератор 4 починає виробляти електричний струм, тобто парова електрична установка переходить у штатний режим роботи. Промислова придатність та можливість конструювання різних парових електричних установок малої потужності забезпечується, наприклад, обладнанням, яке виробляє та реалізує компанія MIZUN CONSULTANTS & ENGINEERS, Індія. Це - серія "Мікропарових турбін для генераторів" від 1 кВт до 50 кВт і вище, [3]. Ці турбіни працюють на пару низького тиску 10,5 Ваr, та температурі від 190 °C до 240 °C, та споживають 25 кілограм пари в годину для виробляння до 1 кВт електричної енергії. Для отримання 10 кВт електричної енергії, треба забезпечити 250 кілограм пари в годину. Експлуатація запропонованої парової електричної установки малої потужності дуже проста треба залити воду в бак, укласти дрова в піч, здійснити розігрів парової мікротурбіни за рахунок циркуляції в основному пароводяному та вторинному тепловому контурі й отримати від 5 до 10 кВт автономної електричної мережі та теплопостачання - дуже простий мобільний автономний варіант, без додаткових джерел живлення та керуючої електроніки. Використання запропонованої корисної моделі може знайти застосування в віддалених точках, наприклад, на блок-постах, прикордонних заставах, віддалених населених пунктах, в лісі, тощо. Джерела інформації: 1. Аксютин С.А. Перспективы развития паровых и газовых турбин. - М.: Машгиз, 1957, с. 9294, фиг. 34. 2. Стаття "Паровые турбины" https://ru.wikipedia.org/wiki/Паровая турбина (відомості станом на 04.04.2016). 3. Опис обладнання компанії MIZUN CONSULTANTS & ENGINEERS, Індія, http://russian.alibaba.coin/product-gs-img/-l-50--50008154951.html 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 1. Парова електрична установка малої потужності, яка містить камеру згоряння, паровий котел, парову мікротурбіну з електрогенератором, водяний трансформатор, насос живильний та систему трубопроводів, які з'єднані в основний пароводяний контур, тепловий насос, який з'єднаний із водяним трансформатором та охолоджуючою рідиною у вторинний тепловий контур, причому електрогенератор та тепловий насос розташовані на головному валу парової мікротурбіни, яка відрізняється тим, що установка додатково містить розгінний механічний пристрій, який за допомогою храпової муфти з'єднаний із насосом живильним, який, в свою чергу, за допомогою муфти зчеплення з'єднаний з головним валом. 2. Парова електрична установка малої потужності за п. 1, яка відрізняється тим, що розгінний механічний пристрій виконаний як мотузковий стартер або як кікстартер, або являє собою пускову рукоятку. 3 UA 109704 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4