RU85216U1

RU85216U1 - POWER PLANT FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICAL AND THERMAL ENERGY

Info

Publication number: RU85216U1
Application number: RU2009105646/22U
Authority: RU
Inventors: Алексей Алексеевич Ипатов; Николай Анатольевич Хрипач; Лев Юрьевич Лежнев; Николай Владимирович Хазов
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2009-07-27

Abstract

1. Энергоустановка для выработки электрической и тепловой энергии, содержащая двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, имеющий привод от двигателя, водонагревательный котел, средства нагрева воды в котле отработавшими газами двигателя, жидкостью системы охлаждения двигателя и электрической энергией, аппарат для получения из биомассы пиролизного масла, аппарат для получения из пиролизного масла биотоплива для двигателя, электрическую линию для подачи электрической энергии к указанным аппаратам и потребителям электрической энергии, средства для подачи к аппаратам и потребителям тепловой энергии от водонагревательного котла. ! 2. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что средства нагрева воды в котле отработавшими газами двигателя и жидкостью системы охлаждения двигателя и средства для подачи тепловой энергии от водонагревательного котла к аппаратам и потребителям тепловой энергии выполнены в виде теплообменников, установленных в водонагревательном котле.1. An energy installation for generating electric and thermal energy, comprising an internal combustion engine, an electric generator driven by an engine, a water boiler, means for heating water in the boiler with exhaust gases of the engine, a liquid of the engine cooling system and electric energy, an apparatus for producing pyrolysis oil from biomass, apparatus for producing biofuels for an engine from pyrolysis oil, an electric line for supplying electric energy to said apparatus and electric consumers nergii, means for supplying to apparatuses and consumers of heat energy from hot water boiler. ! 2. The power plant according to claim 1, characterized in that the means for heating the water in the boiler with exhaust gases of the engine and the liquid of the engine cooling system and the means for supplying thermal energy from the water boiler to the apparatus and consumers of thermal energy are made in the form of heat exchangers installed in the water heating boiler.

Description

Техническое решение относится к энергоустановкам, предназначенным для получения тепловой и электрической энергии для энергоснабжения стационарных объектов.The technical solution relates to power plants designed to produce heat and electricity for energy supply of stationary objects.

Известны энергоустановки для получения электрической и тепловой энергии, например, из US 4752697, в которых электроэнергия вырабатывается электрогенератором, приводимым поршневым двигателем внутреннего сгорания, а тепловая энергия получается от теплоносителя системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.Known power plants for generating electric and thermal energy, for example, from US 4752697, in which electricity is generated by an electric generator driven by a reciprocating internal combustion engine, and thermal energy is obtained from a coolant of a cooling system of an internal combustion engine.

Потребность питаемых объектов в тепловой и электрической энергии в разные периоды времени различна, а значит, необходимо и сбалансированное вырабатывание тепловой и электрической энергии в каждый момент времени. Это является трудно разрешимой задачей, т.к. вырабатываемая двигателем тепловая энергия находится в зависимости от его мощности - мощности вырабатываемой электроэнергии. Большинство реализованных в настоящее время таких энергоустановок при выработке энергии ориентируется на потребителя электроэнергии. Тепловую же составляющую пытаются использовать в целях отопления или обеспечения горячей водой, а при отсутствии такой возможности просто сбрасывают в систему охлаждения. Это приводит к значительным потерям энергии. Известны разные способы обеспечения сбалансированного вырабатывания тепловой и электрической энергии в зависимости от нужд потребителя.The demand for heat and electric energy for different objects at different periods of time is different, which means that a balanced production of heat and electric energy at every moment is necessary. This is a difficult task, because Thermal energy generated by the engine depends on its power - the power of the generated electricity. Most of the currently implemented such power plants in energy generation focuses on the consumer of electricity. They are trying to use the thermal component for heating or providing hot water, and in the absence of such an opportunity they simply dump it into the cooling system. This leads to significant energy losses. There are various ways to ensure a balanced generation of heat and electricity, depending on the needs of the consumer.

В патенте US 4686378 предлагается соединение электрогенератора с двигателем внутреннего сгорания через специальный редуктор, обеспечивающий независимость частоты вращения вала электрогенератора от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Это позволяет сделать в определенных пределах независимыми количество вырабатываемой тепловой и электрической энергии. Однако из-за особенностей работы двигателя внутреннего сгорания эти пределы являются весьма узкими.US Pat. No. 4,686,378 proposes the connection of an electric generator with an internal combustion engine through a special gearbox that ensures that the rotational speed of the electric generator shaft is independent of the rotational speed of the engine crankshaft. This allows you to make within certain limits independent of the amount of heat and electricity generated. However, due to the nature of the internal combustion engine, these limits are very narrow.

Как показано в патенте US 5617504, для утилизации избыточной электроэнергии и перевода ее потребителю тепловой энергии в контуре обращения теплоносителя может устанавливаться электрический нагреватель. Однако при таком решении отсутствует утилизация избыточной тепловой энергии.As shown in US Pat. No. 5,617,504, an electric heater can be installed in the heat-transfer circuit to utilize the excess electricity and transfer it to the consumer of thermal energy. However, with this solution, there is no utilization of excess thermal energy.

Наиболее простой схемой утилизации избыточной тепловой энергии, указанной в патенте US 4510756, является ее аккумулирование, путем нагрева большого объема воды. Однако это дает возможность накапливать лишь небольшое количество тепловой энергии для уравновешивания суточного ее потребления. При этом невозможно сбалансировать ее сезонное потребление зимой и летом.The simplest scheme for the disposal of excess thermal energy specified in US Pat. No. 4,510,756 is its storage by heating a large volume of water. However, this makes it possible to accumulate only a small amount of thermal energy to balance its daily consumption. However, it is impossible to balance its seasonal consumption in winter and summer.

В ряде патентов, например в US 7143589, предлагается избыточную тепловую энергию использовать для получения холода, который использовать в системах кондиционирования. Согласно этому патенту зимой избыточное тепло используется для отопления, а летом - для кондиционирования воздуха. Однако такое распределение энергии не всегда соответствует потребностям обеспечиваемого помещения.In a number of patents, for example, in US 7143589, it is proposed to use excess thermal energy to produce cold, which can be used in air conditioning systems. According to this patent, excess heat is used in winter for heating, and in summer for air conditioning. However, this distribution of energy does not always meet the needs of the premises provided.

Некоторые изобретатели предлагают избыточное тепло использовать для осуществления химических реакций. Например, в энергоустановке в патенте US 5343699, избыточное тепло используется для получения из топлива синтез-газа. Однако для осуществления химических реакций необходимо высокопотенциальное тепло, источником которого могут служить только отработавшие газы. В то же время температура охлаждающей жидкости, являющейся основным носителем избыточного тепла, в контуре охлаждения двигателя внутреннего сгорания не может превышать 110°С.Some inventors suggest using excess heat for chemical reactions. For example, in a power plant in US Pat. No. 5,343,699, excess heat is used to produce synthesis gas from a fuel. However, for the implementation of chemical reactions, high-grade heat is needed, the source of which can only be exhaust gases. At the same time, the temperature of the coolant, which is the main carrier of excess heat, in the cooling circuit of the internal combustion engine cannot exceed 110 ° C.

Более близким аналогом является показанная в выданном в США патенте US 2051240 энергоустановка для выработки электрической и тепловой энергии, содержащая двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, имеющий привод от двигателя, водонагревательный котел, средства нагрева воды в котле отработавшими газами двигателя, жидкостью системы охлаждения двигателя и электрической энергией, электрическую линию для подачи электрической энергии потребителям электрической энергии, средства для подачи потребителям тепловой энергии от водонагревательного котла. В этой энергоустановке для работы двигателя используется топливо нефтяного происхождения, что существенно повышает стоимость вырабатываемой энергии.A closer analogue is shown in the US patent US 2051240, a power plant for generating electric and thermal energy, comprising an internal combustion engine, an electric generator driven by an engine, a water boiler, means for heating water in the boiler with exhaust gases of the engine, engine cooling system fluid and electric energy, an electric line for supplying electric energy to consumers of electric energy, means for supplying consumers with thermal energy from water heating boiler. In this power plant, fuel of petroleum origin is used to operate the engine, which significantly increases the cost of generated energy.

Значительное сокращение запасов нефти, служащей сырьем для производства топлив, а также накопление неиспользуемых остатков растительного сырья послужило стимулом для разработки способов получения энергии из биомассы. Одним из наиболее перспективных направлений является получение из биомассы биотоплива, которое можно использовать в традиционных двигателях внутреннего сгорания для выработки электрической и тепловой энергии. Кроме того, растительное происхождение такого биотоплива позволяет организовать циркуляцию углекислого газа СО₂ в природе, тем самым значительно ограничив появление новых объемов этого газа в атмосфере для уменьшения парникового эффекта.A significant reduction in the reserves of oil, which serves as a raw material for the production of fuels, as well as the accumulation of unused residues of plant materials served as an incentive for the development of methods for generating energy from biomass. One of the most promising areas is the production of biofuels from biomass, which can be used in traditional internal combustion engines to generate electric and thermal energy. Moreover, vegetable origin such biofuel allows to arrange the circulation of carbon dioxide CO ₂ in nature, thereby greatly restricting the volume of the emergence of new gas in the atmosphere to reduce the greenhouse effect.

Задача - создание энергоустановки для выработки электрической и тепловой энергии из биомассы с обеспечением утилизации возможного избыточного тепла путем сбалансированной выработки тепловой и электрической энергии в соответствии с требованиями стационарного объекта.The task is to create a power plant for generating electric and thermal energy from biomass, ensuring the utilization of possible excess heat by balanced generation of thermal and electric energy in accordance with the requirements of a stationary facility.

Решение задачи обеспечено тем, что энергоустановка для выработки электрической и тепловой энергии содержит двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, имеющий привод от двигателя, водонагревательный котел, средства нагрева воды в котле отработавшими газами двигателя, жидкостью системы охлаждения двигателя и электрической энергией, аппарат для получения из биомассы пиролизного масла, аппарат для получения из пиролизного масла биотоплива для двигателя, электрическую линию для подачи электрической энергии к указанным аппаратам и потребителям электрической энергии, средства для подачи к аппаратам и потребителям тепловой энергии от водонагревательного котла.The solution to the problem is provided by the fact that the power plant for generating electric and thermal energy contains an internal combustion engine, an electric generator having a drive from the engine, a water boiler, means for heating water in the boiler with exhaust gases of the engine, a liquid of the engine cooling system and electric energy, an apparatus for producing from biomass pyrolysis oil, apparatus for producing biofuels for an engine from pyrolysis oil, an electric line for supplying electrical energy to said apparatus and consumers of electric energy, means for supplying heaters and devices to consumers and devices from a water heating boiler.

В энергоустановке, охарактеризованной приведенной совокупностью признаков, производится выработка электрической и тепловой энергии из биомассы с обеспечением возможности гибкого варьирования соотношения вырабатываемых электрической и тепловой энергии в зависимости от текущих потребностей. Технологическая цепочка получения энергии из биомассы состоит из этапов получения из биомассы методом быстрого пиролиза масла, получения из пиролизного масла биотоплива, подачи биотоплива в двигатель для выработки тепловой и электрической энергии. При объединении всех элементов в одной энергоустановке, часть вырабатываемой электроэнергии необходимо отводить на осуществление процессов получения пиролизного масла и биотоплива. Т.к. эти процессы происходят при повышенных температурах, избыточная тепловая энергия может поступать на частичное обеспечение этих тепловых затрат, сокращая тем самым потребление технологическим процессом электроэнергии. При преобразовании же избыточной электроэнергии, она может переводиться в тепловую посредством электронагревателя, расположенного в водонагревательном котле.In a power plant, characterized by the above set of features, electric and thermal energy is produced from biomass with the possibility of flexible variation of the ratio of generated electric and thermal energy depending on current needs. The technological chain of energy production from biomass consists of the steps of obtaining oil from biomass by the method of rapid pyrolysis of oil, obtaining biofuel from pyrolysis oil, supplying biofuel to the engine to generate heat and electric energy. When combining all the elements in one power plant, part of the generated electricity must be allocated to the implementation of processes for the production of pyrolysis oil and biofuel. Because these processes occur at elevated temperatures, excess heat energy can be supplied to partially provide these heat costs, thereby reducing the process’s electricity consumption. When converting excess electricity, it can be converted into heat by means of an electric heater located in the boiler.

Средства нагрева воды в котле обработавшими газами двигателя и жидкостью системы охлаждения двигателя и средства для подачи тепловой энергии выполнены в виде теплообменников, установленных в водонагревательном котле.Means for heating water in the boiler with treated engine gases and liquid of the engine cooling system and means for supplying thermal energy are made in the form of heat exchangers installed in a water heating boiler.

Созданная энергоустановка для выработки электрической и тепловой энергии содержит двигатель внутреннего сгорания 1, электрогенератор 2, имеющий привод от двигателя 1, водонагревательный котел 3 со средствами нагрева воды в нем жидкостью системы охлаждения двигателя, отработавшими горячими газами двигателя и электрической энергией, получаемой от электрогенератора 2. Средства нагрева воды в котле 3 жидкостью системы охлаждения двигателя выполнены в виде расположенного в котле 3 теплообменника 4, соединенного трубопроводами 5 с рубашкой системы охлаждения двигателя. Средства нагрева воды в котле отработавшими газами двигателя выполнены в виде газожидкостного теплообменника 6, расположенного в выпускном тракте 7 двигателя и соединенного трубопроводами с теплообменником 8, установленным в котле 3. Средства подогрева воды в котле электрической энергией выполнены в виде электронагревателя 9, соединенного электрической линией 10 с подключенным к электрогенератору 2 распределительным щитом 11, к которому подключен потребитель 12 электрической энергии.The created power plant for generating electric and thermal energy contains an internal combustion engine 1, an electric generator 2 having a drive from an engine 1, a water boiler 3 with means for heating water in it with a liquid of an engine cooling system, exhaust hot engine gases and electric energy received from an electric generator 2. Means for heating water in the boiler 3 with the liquid of the engine cooling system are made in the form of a heat exchanger 4 located in the boiler 3, connected by pipelines 5 to the jacket engine cooling systems. Means for heating the water in the boiler with exhaust gases of the engine are made in the form of a gas-liquid heat exchanger 6 located in the exhaust tract 7 of the engine and connected by pipelines to the heat exchanger 8 installed in the boiler 3. Means for heating the water in the boiler with electric energy are made in the form of an electric heater 9 connected by an electric line 10 with a switchboard 11 connected to the generator 2, to which the consumer 12 of electrical energy is connected.

Энергоустановка содержит аппарат 13 для получения из биомассы пиролизного масла и аппарат 14 для получения из пиролизного масла биотоплива, подаваемого по трубопроводу 15 к двигателю 1. Аппараты 13 и 14 соединены электрической линией 16 с распределительным щитом 11 для подачи к ним электрической энергии. Для подачи к аппаратам 13, 14 тепловой энергии, а именно горячей воды, они соединены трубопроводами 17 с теплообменником 18, установленным в котле 3. Кроме того, в котле 3 расположен теплообменник 19, соединенный трубопроводами 20 с потребителями 21 тепловой энергии.The power plant includes an apparatus 13 for producing pyrolysis oil from biomass and an apparatus 14 for producing biofuel from pyrolysis oil supplied through a pipe 15 to engine 1. Apparatuses 13 and 14 are connected by electrical line 16 to a distribution board 11 for supplying electric energy to them. To supply thermal energy to the apparatus 13, 14, namely hot water, they are connected by pipelines 17 to a heat exchanger 18 installed in the boiler 3. In addition, in the boiler 3 there is a heat exchanger 19 connected by pipelines 20 to consumers 21 of thermal energy.

Данная энергоустановка работает следующим образом. На вход энергоустановки подается биомасса, представляющая собою отходы сырья растительного происхождения. В аппарате 13 по получению пиролизного масла в результате процесса быстрого пиролиза получается масло. Это масло с целью улучшения его физико-химических свойств и обеспечения возможности его применения в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания 1 поступает в аппарат 14 по получению биотоплива. Созданное биотопливо поступает в двигатель внутреннего сгорания по трубопроводам 15, обеспечивая его работу. Двигатель внутреннего сгорания 3 приводит электрогенератор 2, вырабатывающий электроэнергию.This power plant operates as follows. At the input of the power plant is fed biomass, which is a waste of raw materials of plant origin. In the apparatus 13 for producing pyrolysis oil, an oil is obtained as a result of the fast pyrolysis process. This oil in order to improve its physico-chemical properties and to ensure the possibility of its use as fuel for an internal combustion engine 1 enters the apparatus 14 for biofuel production. Created biofuel enters the internal combustion engine through pipelines 15, ensuring its operation. An internal combustion engine 3 drives an electric generator 2 that generates electricity.

От электрогенератора 2 электроэнергия поступает в распределительный щит 11, где при необходимости происходит ее преобразование и передача к потребителю 12 электрической энергии. Кроме того, часть выработанной электроэнергии от распределительного щита 11 поступает на обеспечение нужд аппарата 13 по получению пиролизного масла и аппарата 14 по получению биотоплива.From the generator 2, the electric power enters the switchboard 11, where, if necessary, it is converted and transferred to the consumer 12 of electric energy. In addition, part of the generated electricity from the switchboard 11 is supplied to meet the needs of apparatus 13 for producing pyrolysis oil and apparatus 14 for producing biofuel.

Нагретая вода, поступающая из рубашки системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания 1, направляется по трубопроводам 5 в водонагревательный котел 3, где посредством теплообменника 4 происходит нагрев воды в водонагревательном котле 3. Также вода в водонагревательном котле подогревается теплом, поступающим от отработавших газов через теплообменники 6 и 8. Тепло от воды в водонагревательном котле 3 через теплообменник 19 нагревает воду, которая по трубопроводам 20 поступает к потребителю 21 тепловой энергии. Кроме того, часть тепловой энергии передается через теплообменник 18 воде, циркулирующей в трубопроводах 17 системы снабжения горячей водой аппаратов по получению пиролизного масла и биотоплива.The heated water coming from the jacket of the cooling system of the internal combustion engine 1 is sent through pipelines 5 to the water boiler 3, where the water in the water boiler 3 is heated by means of a heat exchanger 4. Also, the water in the water boiler is heated by the heat coming from the exhaust gases through heat exchangers 6 and 8. Heat from the water in the boiler 3 through a heat exchanger 19 heats the water, which through pipelines 20 enters the consumer 21 of thermal energy. In addition, part of the thermal energy is transmitted through the heat exchanger 18 to the water circulating in the pipelines 17 of the hot water supply system of the apparatus for producing pyrolysis oil and biofuel.

Варьирование соотношения электрической и тепловой энергии в зависимости от текущих потребностей осуществляется следующим образом.Varying the ratio of electric and thermal energy depending on current needs is as follows.

При наличии избыточной электроэнергии и недостаточности тепловой энергии на данном режиме работы двигателя внутреннего сгорания 1 избыточное количество электроэнергии от распределительного щита 11 поступает к электронагревателю 9, который дополнительно нагревает воду в водонагревательном котле 3. При этом система управления всей энергоустановкой приводит режим работы двигателя к оптимальному по количеству вырабатываемой тепловой и электрической энергии с учетом поступления дополнительного тепла от электронагревателя 9. Таким образом осуществляется преобразование избыточной электрической энергии в необходимую тепловую.In the presence of excess electricity and insufficient thermal energy in this mode of operation of the internal combustion engine 1, an excess amount of electricity from the switchboard 11 is supplied to the electric heater 9, which additionally heats the water in the boiler 3. In this case, the control system of the entire power plant brings the engine operation mode to the optimum the amount of generated heat and electric energy, taking into account the additional heat from the electric heater 9. Thus Ohm, the conversion of excess electrical energy into the necessary heat is carried out.

При наличии избыточной тепловой энергии и недостаточности электрической энергии на данном режиме работы двигателя внутреннего сгорания 1 избыточная тепловая энергия поступает посредством горячей воды от водонагревательного котла 3 по трубопроводам 17 к аппаратам по получению пиролизного масла и биотоплива, тем самым высвобождая часть электрической энергии, участвующей в таких технологических процессах получения биотоплива, как подогрев сырья, его сушка и др. При этом система управления всей энергоустановкой приводит режим работы двигателя к оптимальному по количеству вырабатываемой тепловой и электрической энергии с учетом поступления дополнительной энергии к аппаратам 13, 14 по получению пиролизного масла и биотоплива. Таким образом осуществляется преобразование избыточной тепловой энергии в необходимую электрическую энергию. В результате обеспечена сбалансированная выработка тепловой и электрической энергии из биомассы.In the presence of excess thermal energy and insufficient electric energy in this mode of operation of the internal combustion engine 1, excess thermal energy is supplied by hot water from the water boiler 3 through pipelines 17 to the apparatus for producing pyrolysis oil and biofuel, thereby releasing some of the electrical energy involved in such technological processes for the production of biofuels, such as heating raw materials, drying them, etc. Moreover, the control system of the entire power installation leads to a mode of operation STUDIO the optimal amount of generated heat and electric energy in view of the additional energy input to apparatuses 13, 14 for receiving pyrolysis oil and a biofuel. Thus, the conversion of excess thermal energy into the necessary electrical energy is carried out. As a result, a balanced production of thermal and electric energy from biomass is ensured.

Claims

1. An energy installation for generating electric and thermal energy, comprising an internal combustion engine, an electric generator driven by an engine, a water boiler, means for heating water in the boiler with exhaust gases of the engine, a liquid of the engine cooling system and electric energy, an apparatus for producing pyrolysis oil from biomass, apparatus for producing biofuels for an engine from pyrolysis oil, an electric line for supplying electric energy to said apparatus and electric consumers nergii, means for supplying to apparatuses and consumers of heat energy from hot water boiler.

2. The power plant according to claim 1, characterized in that the means for heating the water in the boiler with exhaust gases of the engine and the liquid of the engine cooling system and the means for supplying heat energy from the water boiler to the apparatus and consumers of heat energy are made in the form of heat exchangers installed in the water heating boiler.