RU2847681C1

RU2847681C1 - Power plant

Info

Publication number: RU2847681C1
Application number: RU2025100377A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Сизов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Новый цикл"
Filing date: 2025-01-13
Publication date: 2025-10-15

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to installations for converting the thermal energy of a working fluid into another form of energy. The installation contains a condenser and a steam generator installed on the fuel gas discharge channel from the expansion valve and connected to the combustion chamber. The compressor is a liquid piston compressor, and the fuel gas inlet to the combustion chamber is connected to the outlet of an additional fuel gas compressor, which is a liquid piston compressor. The expander is designed as a rotary piston expansion machine. The fuel gas discharge channel from the expander is a heat supply channel to an auxiliary engine with external heat supply. The heater with external heat supply is also a condenser from which lines supply distilled water to the steam generator, the liquid piston compressor and the liquid piston compressor for compressing fuel gas.

EFFECT: expansion of the arsenal of thermal power plants and the increase in their efficiency is achieved by the fact that in a power plant containing a compressor, the inlet of which is connected to an air separation unit, and the outlet of the compressor is connected to a combustion chamber, a expansion valve is installed at the outlet of the combustion chamber.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к установкам для преобразования тепловой энергии рабочего тела в иной вид энергии. Может использоваться как комбинированная тепловая энергетическая установка для применения в электроэнергетике, в двигателестроении, в судостроении, в газоэнергетической отрасли.The invention relates to thermal power engineering, specifically to systems for converting the thermal energy of a working fluid into another form of energy. It can be used as a combined heat and power plant for applications in electric power generation, engine manufacturing, shipbuilding, and the gas energy industry.

Известна система выработки электроэнергии комбинированного цикла с тремя рабочими средами - газом, воздухом и паром по патенту Китая на изобретение CN113202584, F01K 23/10, 2021. Система содержит модуль накопления сжатого воздуха, соединенный с устройством накопления газа, модуль охлаждения, где для охлаждения после сжатия используется вода в качестве теплоносителя. Выходящий из накопителя газ нагревается с помощью воздушного нагревателя и поступает в модуль турбины для выполнения работы и выработки электроэнергии. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре и поступает в камеру сгорания для смешанного горения с природным газом. Затем поступает в газовую турбину для расширения. В котле-утилизаторе происходит нагрев воды с использованием тепла выходящих из турбины газов для выработки пара. После повторного нагрева дымового газа в устройстве дожигания дымовых газов происходит конденсация. Модуль выработки паровой энергии приводит в действие паровую турбину для выработки электроэнергии за счет использования пара высокой температуры и высокого давления, образующегося после нагрева воды в процессе циркуляции пара. Недостаточный КПД системы выработки электроэнергии обусловлен применением котла-утилизатора, имеющим большую массу и габариты, применением паровой турбины, не обладающими достаточной эффективностью.A combined-cycle power generation system using three working fluids—gas, air, and steam—is known from Chinese Patent CN113202584, F01K 23/10, 2021. The system comprises a compressed air storage module connected to a gas storage device and a cooling module, where water is used as a coolant for cooling after compression. The gas exiting the storage module is heated by an air heater and enters the turbine module to perform work and generate electricity. Atmospheric air is compressed in the compressor and enters the combustion chamber for mixed combustion with natural gas. It then enters the gas turbine for expansion. A waste heat boiler heats water using the heat from the exhaust gases to generate steam. After the flue gas is reheated, condensation occurs in the flue gas afterburner. The steam power generation module drives a steam turbine to generate electricity using high-temperature, high-pressure steam generated by heating water during steam circulation. The power generation system's insufficient efficiency is due to the use of a large and bulky waste heat recovery boiler and the use of a steam turbine that is insufficiently efficient.

Известна кислородно-топливная энергоустановка по патенту России на изобретение RU2749081, F02C 6/00, 2020. Кислородно-топливная энергоустановка содержит многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, который выполнен в виде двух теплообменников - газоводяного двухпоточного теплообменника, содержащего горячий газовый контур теплоносителя и холодный водяной контур теплоносителя, а также газовоздушного двухпоточного теплообменника, содержащего горячий газовый контур теплоносителя и холодный углекислотный контур теплоносителя. Энергоустановка так же содержит охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, насос, турбодетандер, дополнительный конденсатор, дополнительный насос, первый электрогенератор, второй электрогенератор, третий электрогенератор. Вход горячего газового контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника подсоединен к выходу горячего газового контура теплоносителя газоводяного двухпоточного теплообменника. Выход горячего газового контура теплоносителя присоединен к охладителю-сепаратору. Выход холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника соединен с турбодетандером. Турбодетандер последовательно соединен с дополнительным конденсатором и дополнительным насосом. Выход насоса соединен с входом холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника. Турбодетандер механически соединен с третьим электрогенератором. Недостатком является сложность конструкции и недостаточная эффективность энергоустановки.An oxygen-fuel power plant is known according to Russian patent for invention RU2749081, F02C 6/00, 2020. The oxygen-fuel power plant comprises a multi-stage compressor, a combustion chamber, a fuel compressor, an air separation unit, a gas turbine, and a waste heat boiler, which is designed as two heat exchangers: a two-flow gas-water heat exchanger containing a hot gas coolant circuit and a cold water coolant circuit, as well as a two-flow gas-air heat exchanger containing a hot gas coolant circuit and a cold carbon dioxide coolant circuit. The power plant also comprises a cooler-separator, a multi-stage compressor with intermediate cooling, a steam turbine, a condenser, a pump, a turboexpander, an additional condenser, an additional pump, a first electric generator, a second electric generator, and a third electric generator. The inlet of the hot gas circuit of the gas-air dual-flow heat exchanger is connected to the outlet of the hot gas circuit of the gas-water dual-flow heat exchanger. The outlet of the hot gas circuit is connected to a cooler-separator. The outlet of the cold carbon dioxide circuit of the gas-air dual-flow heat exchanger is connected to a turboexpander. The turboexpander is connected in series with an additional condenser and an additional pump. The pump outlet is connected to the inlet of the cold carbon dioxide circuit of the gas-air dual-flow heat exchanger. The turboexpander is mechanically connected to a third electric generator. The disadvantages of this design are the complexity of the design and the insufficient efficiency of the power plant.

Известна система преобразования тепловой энергии по патенту России на изобретение RU2806951, F01K 27/00, 2023. Система преобразования тепловой энергии содержит замкнутый контур с двумя компонентам внутри. Одним компонентом является газ, а вторым компонентом является жидкость. Рабочим телом в замкнутом контуре является газ, а жидкость используется в качестве поршней в компрессоре и расширителе. В контур последовательно включены компрессор объемного сжатия, нагреватель, выполненный в виде подогреваемой снаружи емкости, расширитель для совершения работы. Компрессор выполнен в виде двух емкостей, полностью или частично заполненных жидкостью, емкости компрессора соединены верхней и нижней линиями сообщения, которые соединены с охлаждающим устройством компрессора. На нижней линии сообщения емкостей компрессора установлен гидронасос, связанный через гидрораспределители со входом охлаждающего устройства компрессора, выход этого охлаждающего устройства через гидрораспределитель связан с верхней линией сообщения емкостей компрессора. Концы этой линии соединены с рассеивателями жидкости, расположенными внутри емкостей компрессора в их верхних частях. Замкнутый контур на участке между компрессором и расширителем выполнен с разветвлением на две линии, на каждой из которых расположен свой нагреватель с внешним подводом тепла, связанный с расширителем. Расширитель выполнен в виде двух емкостей, частично заполненных жидкостью, на линии сообщения которых установлен гидромотор. На линиях сообщения нагревателей с компрессором и расширителем установлены обратные клапаны. Недостатком является неполное использование энергии внешнего источника тепла, подводимого снаружи к нагревателю, и как следствие, недостаточная эффективность системы преобразования тепловой энергии.A thermal energy conversion system is known under Russian patent RU2806951, F01K 27/00, 2023. The thermal energy conversion system comprises a closed loop with two components. One component is a gas, and the other is a liquid. The working fluid in the closed loop is the gas, and the liquid is used as pistons in the compressor and expander. The loop sequentially includes a positive-displacement compressor, a heater in the form of an externally heated tank, and an expander for performing work. The compressor is designed as two tanks, completely or partially filled with liquid. The compressor tanks are connected by upper and lower communication lines, which are connected to the compressor's cooling device. A hydraulic pump is installed on the lower communication line between the compressor tanks, connected via hydraulic distributors to the inlet of the compressor's cooling device. The outlet of this cooling device is connected via a hydraulic distributor to the upper communication line between the compressor tanks. The ends of this line are connected to liquid diffusers located inside the compressor tanks at their upper sections. The closed loop between the compressor and the expander is designed with two lines, each with its own heater with an external heat supply, connected to the expander. The expander consists of two tanks, partially filled with liquid, with a hydraulic motor installed in the line connecting them. Check valves are installed in the lines connecting the heaters to the compressor and expander. A disadvantage is the incomplete utilization of the energy from the external heat source supplied to the heater, resulting in insufficient efficiency of the thermal energy conversion system.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана энергетическая установка по патенту России на изобретение RU2744743, F01K 21/04, 2020. Энергетическая установка содержит установку вакуумной короткоцикловой абсорбции (ВКЦА), выход которой связан со входом винтового компрессора. Выход винтового компрессора связан со входом камеры сгорания. На выходе камеры сгорания установлена турбина, в части выходного канала отходящих из турбины газов установлен парогенератор. Парогенератор может быть установлен в потоке газов, исходящих из камеры сгорания. В выходном канале исходящих газов установлен конденсатор, связанный с внешним охладителем. Выходной канал связан с емкостью для сбора дистиллированной воды. Части энергетической установки связаны между собой системой трубопроводов с запорной арматурой. Емкость для сбора дистиллированной воды связана с парогенератором. Парогенератор связан с камерой сгорания линией подачи пара. Камера сгорания связана с линией подачи топлива. Емкость для сбора дистиллированной воды связана с винтовым компрессором линией подачи воды. Недостатком являются потери энергии, связанные с подводом теплоносителя из внешнего охладителя, с потерями энергии на сжатие в камере сгорания топлива, поступающего из линии подачи топлива, с потерями, связанными с неполным использованием тепла отходящих в атмосферу газов. Данные потери снижают КПД установки.The power plant according to Russian patent for invention RU2744743, F01K 21/04, 2020, was selected as the closest analogue to the claimed technical solution. The power plant comprises a vacuum pressure swing absorption (VPSA) unit, the outlet of which is connected to the inlet of a screw compressor. The screw compressor outlet is connected to the inlet of a combustion chamber. A turbine is installed at the outlet of the combustion chamber, and a steam generator is installed in part of the outlet duct of the turbine exhaust gases. The steam generator can be installed in the gas flow leaving the combustion chamber. A condenser is installed in the outlet duct of the exhaust gases, connected to an external cooler. The outlet duct is connected to a tank for collecting distilled water. The parts of the power plant are interconnected by a piping system with shut-off valves. The distilled water collection tank is connected to the steam generator. The steam generator is connected to the combustion chamber via a steam supply line. The combustion chamber is connected to a fuel supply line. The distilled water collection tank is connected to the screw compressor via a water supply line. The disadvantages include energy losses associated with supplying coolant from an external cooler, energy losses due to compression of the fuel supplied from the fuel supply line in the combustion chamber, and losses associated with incomplete heat recovery from exhaust gases. These losses reduce the unit's efficiency.

Техническим результатом изобретения является расширение арсенала тепловых энергетических установок.The technical result of the invention is the expansion of the arsenal of thermal power plants.

Техническим результатом является реализация изобретения за счет создания энергетической установки с повышенной эффективностью работы, повышение КПД энергоустановки.The technical result is the implementation of the invention by creating a power plant with increased operating efficiency and increasing the efficiency of the power plant.

Технический результат достигается за счет того, что в энергетической установке, содержащей компрессор, вход которого связан с воздухоразделительной установкой, а выход компрессора связан с камерой сгорания, на выходе камеры сгорания установлен детандер, установка содержит конденсатор и парогенератор, установленный на канале отвода топливных газов из детандера и связанный с камерой сгорания, согласно изобретению, компрессор является жидко-поршневым компрессором, вход топливного газа в камеру сгорания связан с выходом дополнительного компрессора топливного газа, который является жидко-поршневым компрессором, детандер выполнен в виде роторно-поршневой расширительной машины, канал отвода топливных газов из детандера является каналом подвода тепла к дополнительному двигателю с внешним подводом тепла, в дополнительном двигателе с внешним подводом тепла нагреватель с внешним подводом тепла и канал подвода тепла к нему образуют конденсатор, из которого выходят линии подачи дистиллированной воды в парогенератор, в жидко-поршневой компрессор и в жидко-поршневой компрессор сжатия топливного газа.The technical result is achieved due to the fact that in a power plant containing a compressor, the inlet of which is connected to an air separation unit, and the outlet of the compressor is connected to a combustion chamber, an expander is installed at the outlet of the combustion chamber, the plant contains a condenser and a steam generator installed on the channel for removing fuel gases from the expander and connected to the combustion chamber, according to the invention, the compressor is a liquid-piston compressor, the inlet of the fuel gas into the combustion chamber is connected to the outlet of an additional fuel gas compressor, which is a liquid-piston compressor, the expander is made in the form of a rotary-piston expansion machine, the channel for removing fuel gases from the expander is a channel for supplying heat to an additional engine with an external heat supply, in an additional engine with an external heat supply, a heater with an external heat supply and a channel for supplying heat to it form a condenser, from which lines for supplying distilled water to the steam generator, to the liquid-piston compressor and to the liquid-piston compressor for compressing the fuel gas come out.

Технический результат обеспечивается за счет использования жидко-поршневого компрессора для сжатия воздуха, прошедшего через воздухоразделительную установку ВКЦА. Отделение азота и выделение из атмосферного воздуха кислорода на первом этапе позволяет исключить потери на сжатие азота, не участвующего в дальнейшем процессе горения. Использование жидко-поршневого компрессора позволяет осуществить политропное сжатие воздуха с высокой степенью сжатия при V=const. Повышение степени сжатия происходит за счет отсутствия подпоршневого пространства в жидко-поршневом компрессоре. При сжатии воздуха в данном компрессоре не происходит нагрев сжимаемого воздуха, и он далее поступает в камеру сгорания при температуре около 20°С. Это позволяет исключить затраты на охлаждение воздуха, поступающего на горение, повысив эффективность работы установки в целом. За счет того, что вход топливного газа в камеру сгорания связан с выходом жидко-поршневого компрессора сжатия топливного газа происходит предварительное сжатие топливного газа перед его горением. А за счет применения для его предварительного сжатия топливного жидко-поршневого компрессора топливный газ не нагревается при сжатии, не изменяется его теплоемкость и не требуется его охлаждение при подаче в камеру сгорания. Исключаются затраты энергии на охлаждение стенок камеры сгорания для предотвращения их повреждения от высокой температуры. Этому способствует и связь парогенератора с камерой охлаждения для охлаждения паром ее стенок от выгорания. Все это значительно снижает энергозатраты при работе установки и повышает ее КПД. Выполнение детандера объемного типа в виде роторно-поршневой расширительной машины позволяет снизить массу вращаемых частей, уменьшить частоту их вращения, снизить количество применяемых деталей, по сравнению с газовой турбиной динамического типа. Это снижает энергозатраты на совершение работы по вращению выходного вала детандера, соединенного с потребителем, например, электрогенератором. Кроме того, экспериментально определено, что наибольшую эффективность цикл с V=const может показать при использовании в качестве турбины высокого давления роторно-поршневой расширительной машины, например, выполненной по типу двигателя Ванкеля. Использование канала отвода топливных газов из детандера в качестве канала подвода тепла позволяет применить в энергоустановке двигатель с внешним подводом тепла. Включение в состав энергетической установки дополнительного двигателя с внешним подводом тепла, работающим от тепла выходных газов, исходящих из детандера после расширения и совершения работы, позволяет повторно использовать тепловую энергию установки для получения дополнительной механической энергии и повысить ее КПД. В данном двигателе используют два компонента внутри замкнутого контура. Одним компонентом является газ, а вторым - жидкость. Рабочим телом в замкнутом контуре является газ, а жидкость используется в качестве жидких поршней в компрессоре и расширителе. В таком двигателе для преобразования тепла в иной вид энергии не требуется охлаждение двухкомпонентного рабочего тела для возвращения одного из компонентов в жидкую фазу, не требуется применение специального холодильного оборудования. Не требуется применение нескольких блоков защиты от перегрева в системе охлаждения компрессора. Использование локального охлаждающего устройства, установленного внутри компрессора и охлаждающего жидкость в емкостях жидко-поршневого компрессора, позволяет значительно снизить затраты энергии на преобразование тепловой энергии данного двигателя в иной вид энергии. Таким образом, использование в энергоустановке дополнительного двигателя с внешним подводом тепла позволяет применить тепло исходящих выхлопных газов для совершения дополнительной работы по выработке дополнительной энергии с минимальными энергозатратами. Кроме того, в дополнительном двигателе с внешним подводом тепла нагреватель в сочетании с каналом подвода тепла к нему является так же конденсатором, работающим за счет потери тепловой энергии подводимых от детандера выхлопных газов и за счет образования при этом конденсата. Процесс конденсации при этом происходит без специальной подачи холодного теплоносителя, т.е., без дополнительных энергетических затрат. Кроме того, от конденсатора отходят линии подачи дистиллированной воды в парогенератор, в жидко-поршневой компрессор и в жидко-поршневой компрессор сжатия топливного газа. Таким образом, при утилизации тепла отходящих газов наряду с выработкой дополнительной энергии без дополнительных энергетических затрат происходит выработка большого количества дистиллированной воды для нужд энергетических установки. И без дополнительного подвода энергии происходит охлаждение жидко-поршневых компрессоров системы, обеспечивается их работа по сжатию газа и обеспечивается подача дистиллированной воды в парогенератор, что значительно повышает эффективность энергетической установки. The technical result is achieved by using a liquid-piston compressor to compress air passing through the VKSA air separation unit. Separating nitrogen and extracting oxygen from atmospheric air in the first stage eliminates compression losses for nitrogen, which is not used in the subsequent combustion process. Using a liquid-piston compressor enables polytropic air compression with a high compression ratio at V=const. The increased compression ratio is achieved by eliminating the sub-piston space in the liquid-piston compressor. When compressing air in this compressor, the compressed air does not heat up, and it then enters the combustion chamber at a temperature of approximately 20°C. This eliminates the cost of cooling the air entering the combustion chamber, increasing the efficiency of the overall unit. Since the fuel gas inlet to the combustion chamber is connected to the outlet of the liquid-piston fuel gas compressor, the fuel gas is pre-compressed before combustion. By using a liquid-piston fuel compressor for pre-compression, the fuel gas does not heat up during compression, its heat capacity does not change, and there is no need to cool it when entering the combustion chamber. Energy is wasted cooling the combustion chamber walls to prevent damage from high temperatures. This is further facilitated by the connection of the steam generator to the cooling chamber, which uses steam to cool the chamber walls against burnout. All this significantly reduces energy consumption during operation and increases its efficiency. Designing the positive displacement expander as a rotary piston expansion machine reduces the weight of rotating parts, reduces their rotational speed, and reduces the number of components used, compared to a dynamic gas turbine. This reduces the energy consumed to rotate the expander's output shaft, which is connected to a consumer, such as an electric generator. Furthermore, it has been experimentally determined that the V=const cycle can demonstrate the greatest efficiency when using a rotary piston expansion machine, such as a Wankel engine, as the high-pressure turbine. Using the expander's fuel gas exhaust duct as a heat supply channel allows for the use of an engine with external heat supply in the power plant. Incorporating an additional engine with external heat supply into the power plant, powered by the heat of the expander's exhaust gases after expansion and work, allows for the reuse of the plant's thermal energy to generate additional mechanical energy and increase its efficiency. This engine utilizes two components within a closed loop. One component is a gas, and the other is a liquid. The working fluid in the closed loop is the gas, and the liquid is used as liquid pistons in the compressor and expander. In this engine, the conversion of heat into another form of energy does not require cooling the two-component working fluid to return one of the components to the liquid phase, nor does it require the use of specialized refrigeration equipment. The compressor cooling system eliminates the need for multiple overheat protection units. A local cooling device installed inside the compressor, cooling the liquid in the liquid piston compressor's tanks, significantly reduces the energy required to convert the engine's thermal energy into another form of energy. Thus, the use of an additional engine with an external heat supply in the power plant allows the heat from the exhaust gases to be utilized for additional work, generating additional energy with minimal energy consumption. Furthermore, in an additional engine with an external heat supply, the heater, combined with the heat supply channel to it, also functions as a condenser, operating due to the loss of thermal energy from the exhaust gases supplied by the expander and the resulting condensate. The condensation process occurs without the need for a separate supply of cold coolant, meaning no additional energy consumption. Furthermore, the condenser supplies distilled water to the steam generator, the liquid piston compressor, and the liquid piston fuel gas compressor. Thus, by utilizing exhaust gas heat, in addition to generating additional energy without additional energy consumption, a large amount of distilled water is produced for the power plant. And without additional energy input, the system's liquid piston compressors are cooled, compressing gas, and supplying distilled water to the steam generator, significantly increasing the efficiency of the power plant.

На фигуре 1 представлена схема энергетической установки.Figure 1 shows a diagram of the power plant.

На фигуре 2 представлена схема жидко-поршневого компрессора.Figure 2 shows a diagram of a liquid piston compressor.

Энергетическая установка содержит воздухоразделительную установку 1, например ВКЦА, выход которой связан со входом жидко-поршневого компрессора 2 сжатия воздуха, выход которого связан с камерой сгорания 3. Камера сгорания 3 так же связана с дополнительным жидко-поршневым компрессором топливного газа 4. На выходе камеры сгорания 3 установлен детандер 5, выполненный в виде роторно-поршневой расширительной машины. На выходном канале отходящих из детандера 5 газов установлен парогенератор 6. Выходной канал, отходящих из детандера 5 газов является так же каналом подвода внешнего тепла к дополнительному двигателю 7 с внешним подводом тепла. Дополнительный двигатель 7 содержит замкнутый контур, в который включены нагреватель 8 с внешним подводом тепла, компрессор 9 и расширитель 10. The power plant comprises an air separation unit 1, for example, a VKSA, the outlet of which is connected to the inlet of a liquid-piston air compressor 2, the outlet of which is connected to a combustion chamber 3. Combustion chamber 3 is also connected to an additional liquid-piston fuel gas compressor 4. An expander 5, implemented in the form of a rotary-piston expansion machine, is installed at the outlet of combustion chamber 3. A steam generator 6 is installed in the outlet channel of the gases leaving the expander 5. The outlet channel of the gases leaving the expander 5 also serves as a channel for supplying external heat to an additional engine 7 with an external heat supply. Auxiliary engine 7 comprises a closed circuit, which includes a heater 8 with an external heat supply, a compressor 9, and an expander 10.

Жидко-поршневой воздушный компрессор 2 состоит из двух вертикально ориентированных емкостей 11 и 12, частично заполненных жидкостью, в качестве которой используют воду. Емкости 11 и 12 соединены внизу трубопроводом в котором установлен гидронасос, сверху емкости 11 и 12 так же соединены трубопроводом. Через данные трубопроводы емкости 11 и 12 соединены с охлаждающим устройством 13 компрессора 2. В качестве охлаждающего устройства используют теплообменник, в котором охладителем является вода. На линии сообщения охлаждающего устройства 13 с нижним трубопроводом и гидронасосом установлены гидрораспределители. Охлаждающее устройство 13 через гидрораспределитель связано с верхним трубопроводом, концы которого соединены с устройствами ввода охладителя в емкости 11 и 12. Эти устройства выполнены в виде рассеивателей жидкости. Каждая из емкостей 11 и 12 соединена с линией подвода воздуха, идущей от воздухоразделительной установки 1 и с линией отвода сжатого воздуха, соединенной с камерой сгорания 3. Подобную конструкцию имеет и дополнительный жидко-поршневой компрессор 4 топливного газа. У компрессора топливного газа 4 емкости с жидкостью, являющиеся жидкими поршнями, связаны с линией подвода топливного газа и с линией отвода сжатого топливного газа, связанной с камерой сгорания 3.Liquid piston air compressor 2 consists of two vertically oriented tanks 11 and 12, partially filled with liquid, which is water. Tanks 11 and 12 are connected at the bottom by a pipeline in which a hydraulic pump is installed, and tanks 11 and 12 are also connected at the top by a pipeline. Tanks 11 and 12 are connected via these pipelines to cooling device 13 of compressor 2. A heat exchanger, in which water is the coolant, serves as the cooling device. Hydraulic distributors are installed in the line connecting cooling device 13 to the lower pipeline and hydraulic pump. Cooling device 13 is connected via a hydraulic distributor to the upper pipeline, the ends of which are connected to coolant inlet devices in tanks 11 and 12. These devices are designed as liquid dissipators. Each of the tanks 11 and 12 is connected to an air supply line from the air separation unit 1 and to a compressed air outlet line connected to the combustion chamber 3. The auxiliary liquid-piston fuel gas compressor 4 has a similar design. The fuel gas compressor's four liquid tanks, which act as liquid pistons, are connected to the fuel gas supply line and to the compressed fuel gas outlet line connected to the combustion chamber 3.

Детандер 5 является расширителем и выполнен в виде роторно-поршневой расширительной машины объемного типа. Детандер 5 содержит рабочий орган треугольного сечения со скругленными вершинами, вращающийся во внутренней овальной полости корпуса, эксцентриковый вал воспринимающий крутящий момент, впускное отверстие для газа, поступающего из камеры сгорания 3 и выпускное отверстие исходящих газов. Выходной вал детандера связан с потребителем энергии 14 или преобразователем механической энергии в иной вид энергии. Например, выходной вал детандера 5 может быть связан с генератором электрической энергии. На канале отвода газов из детандера 5 установлен парогенератор 6, выполненный в виде трубчатого теплообменника, в котором охладителем является вода. Выход парогенератора 6 связан с камерой сгорания 3 для подачи в нее пара. Expander 5 is an expander and is designed as a positive displacement rotary piston expansion machine. Expander 5 comprises a working element of triangular cross-section with rounded vertices, rotating within the internal oval cavity of the housing, an eccentric shaft that receives torque, an inlet for gas coming from combustion chamber 3, and an outlet for the exhaust gases. The expander's output shaft is connected to energy consumer 14 or a converter of mechanical energy into another form of energy. For example, the output shaft of expander 5 may be connected to an electric generator. A steam generator 6, designed as a tubular heat exchanger in which water is the coolant, is installed on the gas outlet channel from expander 5. The outlet of steam generator 6 is connected to combustion chamber 3 for supplying steam thereto.

Дополнительный двигатель 7 с внешним подводом тепла содержит замкнутый контур 17, в который последовательно включены компрессор 9, нагреватель 8 с внешним подводом тепла, расширитель 10. В замкнутом контуре заключено рабочее тело, рабочим телом может являться любой благородный одноатомный газ, например, могут использовать аргон или могут использовать смеси таких газов. Компрессор 9 выполнен в виде жидко-поршневого компрессора, описанного выше. Каждая из емкостей компрессора 9, являющихся жидкими поршнями, соединена с линией подвода газа замкнутого контура 17 и с линией отвода сжатого газа, связанной с нагревателем 8. Нагреватель 8 может выполнен в виде нагревательного блока и содержать более одного нагревательного устройства. Нагревательные устройства выполнены в виде подогреваемых снаружи емкостей. В качестве нагревателя 8 могут использовать теплообменные аппараты, например, конвективного типа, теплообменники "труба в трубе" однопоточные неразборные (ТТОН). В качестве источника тепла используют отходящие от детандера 5 горячие газы. Выход нагревателя 8 соединен с расширителем 10. Расширитель 10 состоит из двух вертикально ориентированных емкостей (на чертеже не показаны), частично заполненных жидкостью. Емкости соединены внизу трубопроводом, в котором установлен гидромотор. Каждая из емкостей соединена с линией подвода газа из нагревателя 8. Выход каждой из емкостей соединен с основной линией замкнутого контура 17. Выходной вал гидромотора связан с потребителем энергии 15, например, с генератором электрической энергии. Нагреватель 8 в сочетании с каналом подвода горячих газов от детандера 5 является поверхностным конденсатором. Канал подвода горячих газов может быть выполнен в форме змеевика теплообменника, расположенного над поверхностью нагревателя 8. Змеевик теплообменника может быть расположен с кольцевым охватом поверхности нагревателя 8, или может быт выполнен продольным, расположенным вдоль поверхности нагревателя 8. Конденсатор снабжен емкостью сбора дистиллированной воды 16 и установленным в ней гидронасосом. Емкость сбора дистиллированной воды 16 соединена линией подачи дистиллированной воды с теплообменником парогенератора 6, соединена линией подачи дистиллированной воды с жидко-поршневым компрессором 2 сжатия воздуха, соединена линией подачи дистиллированной воды с жидко-поршневым компрессором 4 топливного газа.An additional engine 7 with an external heat supply comprises a closed circuit 17, in which a compressor 9, a heater 8 with an external heat supply, and an expander 10 are connected in series. The closed circuit contains a working fluid, which may be any noble monatomic gas, for example, argon or mixtures of such gases may be used. Compressor 9 is designed as a liquid-piston compressor, as described above. Each of the compressor 9 tanks, which are liquid pistons, is connected to a gas supply line of closed circuit 17 and to a compressed gas outlet line connected to heater 8. Heater 8 may be designed as a heating unit and contain more than one heating device. The heating devices are designed as externally heated tanks. Heat exchangers, for example, convective type heat exchangers "pipe in pipe" single-flow non-separable (TTON), may be used as heater 8. The hot gases exhausted from expander 5 are used as the heat source. The outlet of heater 8 is connected to expander 10. Expander 10 consists of two vertically oriented tanks (not shown in the drawing) partially filled with liquid. The tanks are connected at the bottom by a pipeline in which a hydraulic motor is installed. Each tank is connected to the gas supply line from heater 8. The outlet of each tank is connected to the main line of closed circuit 17. The output shaft of the hydraulic motor is connected to energy consumer 15, for example, an electric generator. Heater 8, in combination with the hot gas supply channel from expander 5, serves as a surface condenser. The hot gas supply channel may be implemented in the form of a heat exchanger coil located above the surface of the heater 8. The heat exchanger coil may be arranged with annular coverage of the surface of the heater 8, or may be implemented longitudinally, located along the surface of the heater 8. The condenser is equipped with a distilled water collection tank 16 and a hydraulic pump installed therein. The distilled water collection tank 16 is connected via a distilled water supply line to the heat exchanger of the steam generator 6, is connected via a distilled water supply line to the liquid-piston compressor 2 for air compression, is connected via a distilled water supply line to the liquid-piston compressor 4 for fuel gas.

Энергетическая установка работает следующим образом.The power plant operates as follows.

Атмосферный воздух с объемным содержанием кислорода около 10% и содержанием азота до 80% подают в воздухоразделительную установку ВКЦА 1, где из воздуха удаляют азот и насыщают его кислородом. На выходе из установки ВКЦА 1 объемная (и молярная) концентрация азота в воздухе составляет 15%, концентрация кислорода - до 85%. Обогащенный кислородом воздух подают в жидко-поршневой компрессор 2 сжатия воздуха, где происходит его сжатие без изменения теплоемкости газа. Значение показателя политропы составляет практически 1. Данный процесс обеспечивают использованием жидко-поршневого компрессора 2. В компрессоре 2 гидронасосом перекачивают жидкость из емкости 12 в емкость 11. Жидкость, в качестве которой используют воду, через гидрораспределитель поступает в охлаждающее устройство 13 и далее по верхнему трубопроводу поступает в емкость 11. В емкости 11 охлажденная жидкость разбрызгивается через рассеиватель, проходит в виде струй и капель вертикально внутри емкости 11, охлаждая при этом находящийся внутри воздух, и снижая энергию частиц сжимаемого воздуха за счет соударения с частицами водной взвеси, и осаждается на дно емкости 11. По мере накопления жидкости, ее уровень поднимается, воздух, находящийся над жидкостью, сжимается, его давление увеличивается. При увеличении давления открывают соответствующий клапан и сжатый воздух под давлением около 40МПа вытесняют в линию подачи воздуха камеры сгорания 3. Далее с помощью датчика уровня переключают работу гидронасоса в обратную сторону и перекачивают жидкость в обратном направлении - из емкости 11 в емкость 12. Процесс повторяется в обратном направлении. Направление вращения вала обеспечивают работой системы управления гидронасосом с помощью управляющих сигналов. Подобным образом происходит работа по перекачиванию топливного газа, например метана, в дополнительном жидко-поршневом компрессоре топливного газа 4. Таким образом, в камеру сгорания 3 подают предварительно сжатый обогащенный кислородом воздух и предварительно сжатый топливный газ. При этом при предварительном сжатии воздух не нагревается, и выходит из компрессора 2 при температуре 20°С. Что позволяет значительно уменьшить охлаждение стенок камеры сгорания 3 для исключения их повреждения при выгорании, снизить энергозатраты на их охлаждение. Кроме того, в камеру сгорания 3 подают пары воды, поступающие из парогенератора 6. За счет подачи пара в камеру сгорания 3 происходит экономия тепловой энергии из-за отсутствия фазового перехода из воды в пар, что повышает КПД энергетической установки. В камере сгорания 3 происходит возгорание метана и идет процесс его горения при стехиометрическом отношении, которое равно 1. Далее продукты горения, содержащие азот и углекислый газ, вместе с паром направляют в детандер 5, который является роторно-поршневой расширительной машиной. В роторно-поршневой расширительной машине рабочий орган треугольного сечения со скругленными вершинами, выполняет роль поршней, вращаясь в корпусе с внутренней овальной полостью под действием давления входящих горячих газов из камеры сгорания 3. При таком вращении создаются отдельные серповидные камеры, в которых происходит сжатие газа и вращение эксцентрикового вала за счет планетарной зубчатой передачи от вращения рабочего органа. Через преобразователь энергия вращения от эксцентрикового вала детандера 5 передается потребителю энергии 14. Далее через выпускное отверстие детандера 5 выходные газы направляют в канал подвода тепла к дополнительному двигателю 7 с внешним подводом тепла. На выходе из детандера 5 выходные газы частично охлаждаются от теплоносителя парогенератора 6, где теплоносителем является вода. Эту воду подают из емкости сбора дистиллированной воды 16 конденсатора. Отходящие горячие газы продуктов сгорания способствуют образованию пара в парогенераторе 6. Образовавшийся пар подают в камеру сгорания 3 для ее охлаждения. Поток горячих газов далее попадая в канал подвода внешнего тепла двигателя 7 нагревает рабочее тело замкнутого контура 17 в нагревателе 8. Рабочее тело, которым является одноатомный газ, например аргон, перед подачей в нагреватель 8 предварительно сжимают в жидко-поршневом компрессоре 9. При подводе внешнего тепла газ в нагревателе нагревают практически изохорно. При достижении газом необходимого давления газ из нагревателя 8 поступает в расширитель 10, где давление газа преобразуется в механическую работу с передачей энергии потребителю 15. Газ, попадая в одну из двух сообщающихся емкостей с жидкостью расширителя 10, начинает передавливать жидкость по трубопроводу во вторую емкость. При этом происходит вращение вала гидромотора. При достижении нижнего уровня жидкости в первой емкости соответствующим клапаном открывают выход газа в магистраль замкнутого контура 17. Газ из нагревателя 8 поступает во вторую емкость расширителя 10 и вновь передавливает жидкость в другую емкость, совершая при этом работу по вращению вала гидромотора. При этом вал гидромотора не меняет направление вращения, но при подаче управляющего сигнала от системы управления изменяется направление потока жидкости. В расширителе 10 давление газа преобразуется в механическую работу. Далее рабочий цикл повторяется. Таким образом, в дополнительном двигателе 7, работающем от тепла отходящих из детандера 5 газов одноатомный газ сжимается, нагревается, расширяется, совершает дополнительную работу, повышая КПД всей установки. В отходящих от детандера 5 газах содержится азот, углекислый газ и вода, причем за счет подачи пара в камеру сгорания 3 количество воды значительно превышает содержание остальных компонентов и составляет порядка 80%. При нагреве этими газами нагревателя 8 дополнительного двигателя 7 происходит их остывание и конденсация дистиллированной воды. Контур канала отходящих газов и нагреватель 8 в сочетании представляют собой поверхностный конденсатор в котором происходит процесс фазового перехода выходных газов из парообразного состояния в жидкое за счет отвода тепла при нагревании газа в двигателе 7. Выделяемую при конденсации дистиллированную воду скапливают в емкости 16 и с помощью гидронасоса направляют в парогенератор 6, в жидко-поршневой компрессор сжатия воздуха 2 и в жидко-поршневой компрессор сжатия топливного газа 4. КПД энергетической установки значительно повышается за счет выработки для ее функционирования большого количества дистиллированной воды без дополнительных энергетических затрат. Выходные газы после нагрева поверхности нагревателя 8 выводят наружу из энергетической установки.Atmospheric air with an oxygen content of approximately 10% by volume and a nitrogen content of up to 80% is fed to the VKTSA 1 air separation unit, where nitrogen is removed and saturated with oxygen. At the outlet of the VKTSA 1 unit, the volumetric (and molar) concentration of nitrogen in the air is 15%, and the oxygen concentration is up to 85%. The oxygen-enriched air is fed to the liquid piston compressor 2, where it is compressed without changing the gas's heat capacity. The value of the polytropic index is practically 1. This process is provided by using a liquid-piston compressor 2. In compressor 2, a hydraulic pump pumps liquid from tank 12 to tank 11. The liquid, which is water, enters the cooling device 13 through the hydraulic distributor and then enters tank 11 through the upper pipeline. In tank 11, the cooled liquid is sprayed through a diffuser, passes in the form of jets and drops vertically inside tank 11, cooling the air inside and reducing the energy of the particles of compressed air due to collision with particles of water suspension, and settles to the bottom of tank 11. As the liquid accumulates, its level rises, the air located above the liquid is compressed, its pressure increases. As the pressure increases, the corresponding valve opens, forcing compressed air at approximately 40 MPa into the air supply line of combustion chamber 3. The hydraulic pump is then switched to the opposite direction using a level sensor, pumping fluid in the opposite direction—from tank 11 to tank 12. The process is repeated in the opposite direction. The direction of shaft rotation is controlled by the hydraulic pump control system using control signals. Fuel gas, such as methane, is pumped in a similar manner in auxiliary liquid-piston fuel gas compressor 4. Thus, pre-compressed oxygen-enriched air and pre-compressed fuel gas are fed to combustion chamber 3. During pre-compression, the air is not heated and exits compressor 2 at a temperature of 20°C. This significantly reduces the cooling of the combustion chamber 3 walls to prevent damage during burnout, reducing the energy costs for cooling them. In addition, water vapor from steam generator 6 is fed into combustion chamber 3. By feeding steam into combustion chamber 3, thermal energy is saved due to the absence of a phase transition from water to steam, which increases the efficiency of the power plant. In combustion chamber 3, methane is ignited and burns at a stoichiometric ratio of 1. The combustion products, containing nitrogen and carbon dioxide, are then fed, along with steam, to expander 5, which is a rotary piston expansion machine. In this rotary piston expansion machine, the working element, a triangular cross-section with rounded tops, acts as a piston, rotating within a housing with an oval internal cavity under the pressure of the incoming hot gases from combustion chamber 3. This rotation creates separate crescent-shaped chambers in which the gas is compressed and the eccentric shaft rotates due to a planetary gear transmission driven by the rotation of the working element. The rotational energy from the eccentric shaft of the expander 5 is transferred to the energy consumer 14 via the converter. The exhaust gases are then directed through the outlet of the expander 5 into the heat supply channel to the additional engine 7 with an external heat supply. At the outlet of the expander 5, the exhaust gases are partially cooled by the coolant of the steam generator 6, where the coolant is water. This water is supplied from the distilled water collection tank 16 of the condenser. The outgoing hot gases of the combustion products contribute to the formation of steam in the steam generator 6. The resulting steam is supplied to the combustion chamber 3 for its cooling. The flow of hot gases then enters the external heat supply channel of the engine 7 and heats the working fluid of the closed circuit 17 in the heater 8. The working fluid, which is a monatomic gas, such as argon, is pre-compressed in the liquid-piston compressor 9 before being supplied to the heater 8. When external heat is supplied, the gas in the heater is heated almost isochorically. When the gas reaches the required pressure, it flows from heater 8 into expander 10, where the gas pressure is converted into mechanical work, transferring energy to consumer 15. Gas, entering one of the two communicating liquid tanks of expander 10, begins to force liquid through a pipeline into the second tank. This causes the hydraulic motor shaft to rotate. When the liquid level in the first tank reaches the lower limit, a corresponding valve opens the gas outlet into closed-loop line 17. Gas from heater 8 flows into the second tank of expander 10 and again forces liquid into the other tank, performing work by rotating the hydraulic motor shaft. The direction of rotation of the hydraulic motor shaft does not change, but when a control signal is sent from the control system, the direction of liquid flow changes. In expander 10, the gas pressure is converted into mechanical work. The work cycle then repeats. Thus, in auxiliary engine 7, powered by the heat of the exhaust gases from expander 5, the monatomic gas is compressed, heated, expanded, and performs additional work, increasing the efficiency of the entire unit. The exhaust gases from expander 5 contain nitrogen, carbon dioxide, and water. Due to the supply of steam to combustion chamber 3, the amount of water significantly exceeds the other components, reaching approximately 80%. When these gases heat heater 8 of auxiliary engine 7, they cool and condense into distilled water. The exhaust gas circuit and heater 8, when combined, form a surface condenser, where the exhaust gases undergo a phase transition from a vapor to a liquid state due to heat removal during gas heating in engine 7. The distilled water released during condensation is collected in tank 16 and sent via a hydraulic pump to steam generator 6, liquid-piston air compressor 2, and liquid-piston fuel gas compressor 4. The efficiency of the power plant is significantly increased by generating a large amount of distilled water for its operation without additional energy consumption. After heating the surface of heater 8, the exhaust gases are discharged from the power plant.

Таким образом, изобретение позволяет расширить арсенал тепловых энергетических установок, повысить эффективность энергоустановки.Thus, the invention makes it possible to expand the range of thermal power plants and increase the efficiency of the power plant.

Claims

A power plant comprising a compressor, the inlet of which is connected to an air separation unit, and the outlet of the compressor is connected to a combustion chamber, an expander is installed at the outlet of the combustion chamber, the plant contains a condenser and a steam generator, the steam generator is installed on the channel for removing fuel gases from the expander and is connected to the combustion chamber, characterized in that the compressor is a liquid-piston compressor, the inlet of fuel gas into the combustion chamber is connected to the outlet of an additional fuel gas compressor, which is a liquid-piston compressor, the expander is made in the form of a rotary-piston expansion machine, the channel for removing fuel gases from the expander is a channel for supplying heat to an additional engine with an external heat supply, containing a closed circuit, in which a compressor with a cooling device, a heater with an external heat supply and an expander are connected in series, wherein the heater in combination with the channel for supplying hot gases from the expander is a surface condenser, from which lines for supplying distilled water to the steam generator, to the liquid-piston compressor and to liquid piston compressor for fuel gas compression.