RU190148U1 - Установка автономного теплового и электрического энергоснабжения - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области энергетики, а именно к установкам автономного теплового и электрического энергоснабжения, имеющим транспортабельный корпус, содержащий силовой модуль с газотурбинным двигателем (ГТД), связанным с генератором электрического тока через понижающий редуктор, модуль отвода отработавших газов, модуль электроснабжения потребителей, и может быть использована для организации системы локального энергоснабжения производственных предприятий или непроизводственных объектов, удаленных от центрального энергоснабжения. Согласно полезной модели силовой модуль с газотурбинным двигателем имеет блок питания топливом газотурбинного двигателя, соединенный с двухконтурными топливными форсунками и включающий в себя автоматизированные дозаторы газового и жидкого топлива, управляемые модулем автоматизированного управления установкой. Достигаемый технический результат - возможность запуска и работы установки на газообразном топливе, в том числе существенно отличном по своему составу и характеристикам от природного газа, например - попутный нефтяной газ, сжиженный газ, биогаз - с возможностью перевода питания газотурбинного двигателя на жидкое топливо и обратный переход без остановки газотурбинного двигателя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель.

Полезная модель относится к области энергетики, а именно к установкам автономного теплового и электрического энергоснабжения, имеющим транспортабельный корпус, содержащий силовой модуль с газотурбинным двигателем (ГТД), связанным с генератором электрического тока через понижающий редуктор, модуль отвода отработавших газов, модуль электроснабжения потребителей, и может быть использована для организации системы локального энергоснабжения производственных предприятий или непроизводственных объектов, удаленных от центрального энергоснабжения.

В описании использованы сокращения

ГТД - газотурбинный двигатель

РСА - регулируемый сопловый аппарат

ПЛК - программируемый логический контроллер.

Уровень техники.

Известны передвижные установки автономного теплового и электрического энергоснабжения, выполненные с возможностью транспортировки по железнодорожным или водным путям (См. «Электротехнический справочник», ред. Голован А.Т., Грудинский П.Г. и др., «Передвижные электрические станции», М.-Л., «Энергия», 1964г., стр. 326-339). Применение их ограничено «привязкой» к упомянутым транспортным артериям и специализацией на выработку только электрической энергии.

В последнее время широкое распространение получают установки автономного энергоснабжения малой мощности, так называемые мини-ТЭЦ (См. Мартынов В. «Автономное энергоснабжение XXI века», «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», №2, 2005г., стр. 40,41; Рекламный лист «Основные области применения блочных мини-ТЭЦ…» подразделения «Jenbacher» компании «General Electric», ООО «Эко-Энерджи Компани», г. Новосибирск.; Губич А. «Применение газотурбинных двигателей малой мощности в энергетике», «Газотурбинные технологии», ноябрь-декабрь 2001г., стр. 30, 31) которые могут транспортироваться любыми видами транспорта и находят применение в качестве источников электрической и тепловой энергии в местах, отдаленных от транспортных коммуникаций, например, на нефте- и газодобывающих предприятиях. В отдельных случаях применение мини-ТЭЦ оказалось экономически выгодным также для тепло-электроснабжения малых предприятий, подключение которых к централизованному энергообеспечению требует подвода теплотрасс, реконструкции снабжающих котельных, строительства подстанций и т.п.

Известны блочные мини-ТЭЦ, например австрийской компании "Jenbacher" (См. рекламный лист «Основные области применения блочных мини-ТЭЦ…» подразделения «Jenbacher» компании «General Electric», ООО «Эко-Энерджи Компани», г. Новосибирск) использующие газо-поршневые двигатели в когенерационных установках для производства электрической и попутной тепловой энергии.

Недостаток заключается в ограниченных возможностях работы на жидкостных видах топлива и существенном снижением уровня КПД в условиях, когда преимущественно требуется выработка тепловой энергии.

Известно применение газотурбинных двигателей (типа ПТ-100К или ГТГ-100М) малой мощности (100 кВт) в установках автономного энергоснабжения (См. Губич А. «Применение газотурбинных двигателей малой мощности в энергетике», «Газотурбинные технологии», ноябрь-декабрь 2001г., стр. 30, 31) для производства электрической энергии. Структурная схема таких установок автономного энергоснабжения представляет собой следующее. В качестве силового агрегата в ней используется газотурбинный двигатель, снабженный системами, обеспечивающими его нормальную работу, включая системы: питания топливом и воздухом, отвода отработавших газов, смазки, а так же запуска, контроля работы и защиты турбины от температурных и силовых перегрузок. Двигатель установки связан с генератором электрического тока через понижающий редуктор для синхронизации оборотов выходного вала ГТД с оборотами генератора. Установка оборудована системой управления работой ГТД и снабжена коммуникациями электрического контура системы электроснабжения потребителей. Кроме того, в работе (См. Губич А. «Применение газотурбинных двигателей малой мощности в энергетике», «Газотурбинные технологии», ноябрь-декабрь 2001г., стр. 30, 31) отмечены потенциальные возможности использования отработанных газов в таких установках для попутной выработки тепловой энергии.

Известна установка автономного теплового и электрического энергоснабжения, работающая как на жидком, так и газообразном топливе и содержащая в своем составе: газотурбинный двигатель ГТД-1000ТФ или ГТД-1250 с установленными на нем системами и агрегатами, обеспечивающими функционирование двигателя (в том числе: топливную систему, с возможностью перевода питания двигателя после его запуска с жидкостного топлива на газообразное, систему смазки двигателя, электрооборудование), РСА, редуктор промежуточный, муфту, генератор синхронный, систему управления и контроля работы газотурбинного двигателя, котел-утилизатор, батарею аккумуляторную, установку выхлопа, электрораспределительное устройство низкого напряжения. (См. патент на полезную модель RU 109222 U1, опубликованный 10.10.2011, Бюл. № 28.)

Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели и взято за прототип к предлагаемой полезной модели.

Недостатками прототипа являются:

- невозможность прямого пуска двигателя на газообразном топливе ввиду отсутствия автоматизированной системы управления подачей топлива, дозирующего устройства для необходимых изменений подачи газового топлива в камеру сгорания и конструктивном несоответствии топливных форсунок;

- невозможность управления подачей топлива, дозирующего устройства и двухконтурных топливных форсунок, обеспечивающих возможность перевода питания двигателя с газообразного на жидкое топливо и обратный переход без остановки газотурбинного двигателя;

- невозможность обеспечения работы установки на газообразном топливе низкого и среднего давления ввиду отсутствия встроенной компрессорной станции;

- невозможность работы на иных видах газообразного топлива, таких как попутный нефтяной газ, биогаз, компримированный газ и т.д., ввиду склонности к нагарообразованию на торцевой поверхности распылителя топливных форсунок;

- невозможность автоматизированного управления газотурбинной теплоэлектростанцией;

- невозможность параллельной работы с внешней электрической сетью, ввиду отсутствия низковольтного комплектного устройства с системой защиты от перепадов напряжения и блока синхронизации.

- отсутствие реле-регулятора, обеспечивающего питание бортовой сети и подзарядку аккумуляторных батарей.

Совокупность указанных недостатков приводит к:

- невозможности запуска и работы установки на газообразном топливе низкого и среднего давления;

- несоответствию требованиям промышленной безопасности в аварийных ситуациях;

- невозможности перевода питания двигателя с газообразного на жидкое топливо и обратный переход без остановки газотурбинного двигателя; использования в качестве топлива газообразное топливо существенно отличного по своему составу и характеристикам от природного газа (попутный нефтяной газ, сжиженный газ, биогаз и др.) без увеличения расхода топлива и потери мощности ГТД;

- невозможности обеспечения полного контроля за процессом запуска, работы и остановки теплоэлектростанции, с плавным изменением рабочей мощности;

- невозможности организации автоматической защиты от перепадов напряжения, питания бортовой сети установки и подзарядки аккумуляторных батарей.

Это приводит к существенному ограничению применения данных установок на объектах промышленной, нефтегазовой, жилищно-коммунальной сферы, ввиду отсутствия высоких требований к организации топливоподачи и отсутствию возможности автоматизированной параллельной работы с внешней электрической сетью.

Раскрытие полезной модели.

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить установку автономного теплового и электрического энергоснабжения, позволяющую как минимум сгладить, указанный выше недостаток, а именно обеспечить возможность запуска и работы установки на газообразном топливе, в том числе существенно отличном по своему составу и характеристикам от природного газа, например - попутный нефтяной газ, сжиженный газ, биогаз - с возможностью перевода питания газотурбинного двигателя на жидкое топливо и обратный переход без остановки газотурбинного двигателя, что и является поставленной технической задачей настоящей полезной модели.

Для достижения этой цели силовой модуль с газотурбинным двигателем имеет блок питания топливом газотурбинного двигателя, соединенный с двухконтурными топливными форсунками, и включающий в себя автоматизированные дозаторы газового и жидкого топлива, управляемые модулем автоматизированного управления установкой.

Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность прямого запуска и работы установки, как на газообразном, так и на жидком топливе. Двухконтурные топливные форсунки в совокупности с автоматизированными дозаторами газового и жидкого топлива обеспечивают возможность перевода питания двигателя после его запуска на жидкое топливо с обратным переходом на газообразное топливо без остановки двигателя. Входящие в состав газотурбинного двигателя двухконтурные топливные форсунки и камера сгорания ГТД, выполненная с учетом потребности в увеличении жаропрочности, обеспечивают возможность работы на газообразных топливах, существенно отличных по своему составу и характеристикам от природного газа (попутный нефтяной газ, сжиженный газ, биогаз и др.) без увеличения расхода топлива и потери мощности ГТД. Модуль автоматизированного управления установкой обеспечивает управление и защиту на всех режимах работы, всережимное регулирование, контроль технологических параметров и состояния механизмов с плавным изменением рабочей мощности, в соответствии с текущими потребностями потребителя;

Существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором блок питания топливом газотурбинного двигателя выполнен с возможностью прямого запуска и работы установки как на газообразном, так и на жидком топливе, и включает в себя блок газорегулирующих агрегатов, отсечной клапан и датчики давления газа.

Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность прямого запуска и работы установки как на газообразном, так и на жидком топливе.

Существует еще один возможный вариант исполнения полезной модели, в котором блок питания топливом газотурбинного двигателя выполнен с возможностью, осуществления перехода с питания газообразным топливом на питание жидким топливом, с обеспечением автоматизированного обратного перехода на питание газообразным топливом без остановки ГТД, и включает в себя обратные клапаны газового и жидкого топлива, клапан сброса газа в свечу и блок устройств для очистки топливных форсунок и камеры сгорания от остаточного топлива.

Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность осуществления перехода с питания газообразным топливом на питание жидким топливом, и возможность обеспечения автоматизированного обратного перехода на питание газообразным топливом без остановки ГТД.

Существует и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором двухконтурные топливные форсунки имеют средство обдува и блок защиты от образования нагара на торцевой поверхности распылителя.

Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность защиты от образования нагара на торцевой поверхности распылителя.

Существует кроме того и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором модуль автоматизированного управления установкой, выполнен с возможностью полного контроля за процессом запуска, работы, перехода между видами топлива и аварийной остановки электростанции, с плавным изменением рабочей мощности, в соответствии с текущими потребностями потребителя, за счет входящих в его состав блоков сбора и обработки аналоговых и дискретных сигналов, поступающих от датчиков, расположенных на раме и отдельных конструктивных элементах установки

Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность полного контроля за процессом запуска, работы, перехода между видами топлива и аварийной остановки электростанции, с плавным изменением рабочей мощности, в соответствии с текущими потребностями потребителя.

Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых изображено:

на фиг.1 - функциональная схема установки автономного теплового и электрического энергоснабжения, согласно полезной модели;

на фиг.2 – схема топливной форсунки, согласно полезной модели

на фиг 3 - функциональная схема модуля питания топливом ГТД, согласно полезной модели.

На фигурах обозначено:

1 - транспортабельный корпус,

2 - газотурбинный двигатель

3 - генератор электрического тока

4 - понижающий редуктор

5 - модуль отвода отработавших газов

6 - модуль электроснабжения потребителей (низковольтное комплектное устройство)

7 - бак жидкого топлива

8 - преобразователь давления бака жидкого топлива

9 - блок автоматической дозаправки бака жидкого топлива

10 - блок питания топливом газотурбинного двигателя

11 - двухконтурные топливные форсунки

12 - автоматизированный дозатор газового топлива

13 - автоматизированный дозатор жидкого топлива

14 - модуль автоматизированного управления установкой

15 - блок газорегулирующих агрегатов

16 - отсечной клапан газового топлива

17 - отсечной клапан жидкого топлива

18 - датчики давления газового топлива

19 - датчики давления жидкого топлива

20 - обратный клапан газового топлива

21 - обратный клапан жидкого топлива

22 - клапан сброса газа в свечу

23 - блок устройств для очистки топливных форсунок и камеры сгорания от остаточного топлива

24 - средство обдува и защиты от образования нагара на торцевой поверхности распылителя,

25 - блоков сбора и обработки аналоговых и дискретных сигналов

26 - пульт управления работой установки

27 - котел-утилизатор

28 - газоход

29 - пульт управления котельным оборудованием

30 - корпус форсунки

31 - штуцеры подвода топлива

32 - канал газообразного топлива

33 - канал жидкого топлива

34 - фильтрующая гильза

35 - камера распылителя газообразного топлива

36 - камера распылителя жидкого топлива

37 - распылительные сопла

38 - завихритель

39 - воздушный канал

40 - воздушный фильтр

41 - воздушное сопло

42 - отверстие для впрыска газа

43 - распылитель жидкого топлива

44 - отверстия для пропуска воздуха

45 - кольцевая щель

46 - обдувочные воздушные отверстия

47 - малогабаритная компрессорная установка

48 - блок управления компрессорной установки

49 - газовый контур топливных форсунок

50 - жидкотопливный контур топливных форсунок

51 - дренажные каналы

52 - клапаны продувки

Стрелками обозначены направления движения топлива, электроэнергии.

Установка автономного теплового и электрического энергоснабжения, схема которой представлена на фиг.1, состоит из транспортабельного корпуса 1 - , содержащего силовой модуль с газотурбинным двигателем 2, связанным с генератором электрического тока 3 - через понижающий редуктор 4 - , модуль отвода отработавших газов 5, модуль электроснабжения потребителей (низковольтное комплектное устройство) 6 - , бак жидкого топлива 7 - , оборудованный преобразователем давления 8 - и блоком автоматической дозаправки 9.

Силовой модуль с газотурбинным двигателем 2 - имеет блок питания 10 - топливом газотурбинного двигателя, соединенный с двухконтурными топливными форсунками 11 - и включающий в себя автоматизированные дозаторы газового 12 - и жидкого 13 - топлива, управляемые модулем 14 - автоматизированного управления установкой.

Блок питания 10 - топливом газотурбинного двигателя выполнен с возможностью прямого запуска и работы установки как на газообразном, так и на жидком топливе, и включает в себя блок газорегулирующих агрегатов 15 - , отсечные клапаны 16 - , 17 - и датчики давления газообразного 18 - и жидкого 19 - топлива.

Блок питания 10 - топливом газотурбинного двигателя выполнен с возможностью, осуществления перехода с питания газообразным топливом на питание жидким топливом, с обеспечением автоматизированного обратного перехода на питание газообразным топливом без остановки ГТД, и включает в себя обратные клапаны газового 20 - и жидкого 21 - топлива, клапан сброса газа в свечу 22 - и блок устройств 23 - для очистки топливных форсунок и камеры сгорания от остаточного топлива.

Двухконтурные топливные форсунки имеют средство обдува и защиты 24 - от образования нагара на торцевой поверхности распылителя.

Модуль автоматизированного управления установкой 14 - выполнен с возможностью полного контроля за процессом запуска, работы, перехода между видами топлива и аварийной остановки электростанции, с плавным изменением рабочей мощности, в соответствии с текущими потребностями потребителя, за счет входящих в его состав блоков 25 - сбора и обработки аналоговых и дискретных сигналов, поступающих от датчиков, расположенных на раме корпуса и отдельных конструктивных элементах установки.

В результате анализа, проведенного заявителем, установлено, что для достижения целей, поставленных в задаче, для установки автономного теплового и электрического энергоснабжения наиболее приемлемы танковые двигатели: серийно выпускаемые ГТД-1000ТФ, имеющий мощность 736 кВт (1000 л.с.) и модифицированный газотурбинный двигатель ГТД-1250, имеющий мощность 920 кВт (1250 л.с.).

Принципиально важной особенностью и отличием танковых ГТД (См. «Объект 219Р. Техническое описание и инструкция по эксплуатации», Военизд, МО СССР, 1986г., стр. 254-380, рис. 103) является наличие регулируемого соплового аппарата (РСА) (См . ред. Н.С. Попов, С.П. Изотов и др., «Транспортные машины с газотурбинным двигателем», Л., «Машиностроение», 1987г., стр. 28, 29), служащего для управляемого изменения газового потока, поступающего на рабочее колесо силовой турбины. Как показано в этой работе, изменением направления поступления газового потока можно создавать на рабочем колесе силовой турбины тормозной момент. Это, позволяет реализовать в установке автономного энергоснабжения обеспечение защиты ГТД от нештатных условий работы. Кроме того, упомянутые танковые ГТД, в отличие от широко распространенных авиационных, адаптированы к запуску и долговременной работе не только на жидком, но и на газообразном топливе. Это позволяет расширить номенклатуру применяемых топлив, что особенно важно для условий работы на отдаленных предприятиях добывающей нефтяной и газовой промышленности.

Используемый в установке автономного теплового и электрического энергоснабжения упомянутый танковый двигатель ГТД-1000ТФ или ГТД-1250 (далее именуемые ГТД) 2 - с регулируемым сопловым аппаратом (РСА) является источником механической энергии, для привода синхронного генератора 3 - , который преобразует механическую энергию в электричество.

Автоматическое управление режимами работы установки осуществляется модулем автоматизированного управления установкой 14 - , предназначенным для автоматического управления и защиты на всех режимах работы, всережимного регулирования, контроля технологических параметров и состояния механизмов установки. Модуль автоматизированного управления установкой обеспечивает:

Автоматический пуск с выходом на режим заданной нагрузки;

Переключение между применяемыми видами топлива (газообразное – жидкое);

Стабилизацию заданного режима;

Ограничение предельных значений параметров газотурбинного двигателя;

Максимальной частоты вращения турбин турбокомпрессора;

Максимального расхода топлива;

Максимальной частоты вращения ротора свободной турбины;

Максимальной температуры газов за турбинной турбокомпрессора и за свободной турбиной;

Автоматическое уменьшение подачи топлива и перевод ГТД в тормозной режим без его выключения по достижению максимальной частоты вращения свободной турбины привода генератора, изменению нагрузки на генератор;

Контроль работы низковольтного комплектного устройства в части синхронизации работы установки в составе многоагрегатных блоков, состоящих из нескольких установок, и при параллельной работе с внешней электрической сетью;

Сигнализацию достижению предельно-допустимого уровня вибрации ГТД и генератора;

Сигнализацию максимальной температуры газов за турбиной и за свободной турбиной;

Сигнализацию минимально-допустимого давления масла;

Сигнализацию наличия стружки в масле.

Информация о работе пускорегулирующей аппаратуры ГТД выводится на пульт управления 26 - , с которого непосредственно осуществляется передача команд модулю автоматизированного управления установкой, с возможностью запуска, остановки и контроля работы ГТД.

ГТД 2 - состоит из турбокомпрессора, редуктора с силовой турбинной, верхней коробки приводов, агрегатов топливной и дренажной систем, стартера-генератора, трубопроводов топливной, масляной и воздушной систем и электрооборудования.

Силовой редуктор ГТД передает крутящий момент от свободной турбины на промежуточный редуктор 4 - далее на вал съема мощности и, через зубчатую муфту, состоящую из самой муфты и двух полумуфт, приводит во вращение вал синхронного генератора 3 - , в качестве которого в установке может использоваться генератор мощностью до 1000 кВт.

Для выработки установкой тепловой энергии служит водонагревательный котел-утилизатор 27 - , который не входит в состав установки автономного теплового и электрического энергоснабжения, но может использоваться с ней совместно.

Подключенный к системе отвода отработавших газов от газотурбинного двигателя через газоход 28 - , расположенный между выпускным патрубком ГТД и котлом-утилизатором 27 - . Для регулирования температуры выходящей из котла воды путём перепуска части газов мимо теплообменных поверхностей служит байпасная магистраль. Она состоит из газохода и управляемых жалюзи. Управление байпасной заслонкой выполняется с пульта котельного оборудования. Подача команд на пульт 29 - котельного оборудования может осуществляться как в ручном режиме, так и по средствам модуля автоматизированного управления установкой установки 14 - . Электрический сигнал поступает на электромеханизм, который перемещает байпасную жалюзи и фиксирует положение заслонки при снятии электрического сигнала в зависимости от заданной температуры на выходе из утилизационного теплообменника. Из газоходов отработавшие газы отводятся в атмосферу через выхлопную трубу.

В жидкостном контуре теплообменника тепловая энергия отработавших в ГТД газов обеспечивает нагрев воды, которая используется в качестве теплоносителя и подается далее потребителю по трубопроводам системы жидкостного теплоснабжения.

Двухконтурные топливные форсунки 11 - состоят из корпуса 30 - со штуцерами подвода жидкого и газообразного топлива 31 - , каналами газообразного 32 - и жидкого 33 - топлива, фильтра 34 - , камеры распылителя газообразного 35 - и жидкого 36 - топлива. Распыливающими элементами форсунки являются сопла 37 - и завихритель 38 - . В корпусе форсунки дополнительно размещен воздушный канал 39 - , воздушный фильтр 40 - , воздушное сопло 41 - и штуцер подвода воздуха. Впрыск газового топлива в камеру сгорания осуществляется через отверстия 42 - распылителя, впрыск жидкого топлива через распылитель 43 - .

При работе на жидком или газообразном топливе неиспользуемые топливные контура продуваются воздухом, отбираемым из-за компрессора высокого давления. С целью исключения нагара на торцевой поверхности распылителя при работе изделия на газообразных топливах, существенно отличных по своему составу и характеристикам от природного газа (попутный нефтяной газ, сжиженный газ, биогаз и др.) без увеличения расхода топлива и потери мощности ГТД, форсунки оборудованы средством 24 - обдува и защиты от образования нагара на торцевой поверхности распылителя. Подвод воздуха из камеры сгорания осуществляется двенадцатью отверстиями 44 - диаметром 2 мм и по кольцевой щели 45 - шириной 1 мм. Выход обдувочного воздуха осуществляется через двенадцать отверстий 46 - диаметром 0,8 мм. Количество и размер отверстий подобраны таким образом, чтобы обеспечить высокое значение коэффициента полноты сгорания и равномерное температурное поле газа перед турбиной.

Осуществление полезной модели

Подача воздуха для работы ГТД осуществляется через воздухозаборное устройство. Для запуска ГТД используется блок аккумуляторных батарей. На раме установки размещено низковольтное комплектное устройство 6 - , укомплектованное реле-регулятором и блоком синхронизации. Возможны варианты размещения низковольтного комплектного устройства отдельно от установки, в том числе в отдельном помещении. Низковольтное комплектное устройство 6 - представляет собой устройство, состоящее из блоков со встроенной в них аппаратами и устройствами защиты и автоматики, и предназначен для приема, распределения и контроля электроэнергии переменного трехфазного тока напряжением 400 В, а также для трансформации напряжения до 220 В для обеспечения питания собственных нужд, бортовой сети, подзарядки аккумуляторных батарей и дистанционного контроля. Низковольтное комплектное устройство, позволяет повысить безопасность процесса передачи электрической энергии потребителям, путем передачи модулю автоматизированного управления установкой 14 - команды к аварийной остановке теплоэлектростанции, и, под контролем модуля автоматизированного управления установкой 14 - , параллельную работу с внешней электрической сетью.

Запуск ГТД установки осуществляется как на газообразном, так и на жидком топливе. В процессе дальнейшей работы ГТД может осуществляться переход между видами топлива, по соответствующей команде модуля автоматизированного управления установкой 14 - . При запуске ГТД подается команда на стартер ГТД блока пускорегулирующей аппаратуры, осуществляется процесс раскрутки ротора турбокомпрессора высокого давления. На девятой секунде запуска включается топливный дозатор или для подачи топлива в камеру сгорания, который управляется модулем автоматизированного управления установкой 14 - на всех режимах работы.

Обеспечение требуемого выходного давления газообразного топлива обеспечивается за счет съемной малогабаритной компрессорной установки 47 - , размещаемой в одном блоке с установкой. Одним из главных элементов компрессорной установки является винтовой блок, работающий по принципу объемного сжатия. Топливный газ после очистки магистральным фильтром поступает к винтовому блоку, где вращаются два ротора. Рабочий цикл винтового блока начинается, когда выступы роторов выходят из впадин, с этого момента объем, образованный выступами роторов, их впадинами и корпусом, начинает расти. В объеме возникает разрежение и начинается впуск поступающего от фильтра газа. Процесс сжатия начинается, когда выступы роторов подходят на минимальное расстояние к корпусу и входят во впадины роторов. Заканчивается процесс сжатия, когда одновременно выступ и впадина каждого ротора совмещаются с окном нагнетателя. Регулировка объема сжатого топливного газа подаваемого на вход газового дозатора установки осуществляется по средствам регулирующего клапана компрессорной установки, контролируемого блоком управления компрессорной установки. Подача команд на блок управления 48 - компрессорной установки может осуществляться как в ручном режиме, так и по средствам модуля автоматизированного управления установкой 14 - .

Входящая в состав ГТД камера сгорания служит для преобразования химической энергии топлива в тепловую путем организации эффективного сгорания топлива в потоке воздуха, поступающего из компрессора. Камера сгорания состоит из жаровой трубы, отражателя, подвесок жаровой трубы, завихрителей, восемнадцати модернизированных двухконтурных газожидкостных топливных форсунок 11 - (фиг. 2), разделенных на две группы (по девять в каждой). Для предотвращения прогорания стенок камеры сгорания при работе на различных видах газообразного топлива, выполнены мероприятия по повышению жаропрочности камеры сгорания.

При запуске ГТД или его работе на газообразном топливе подача топлива к газовому контору 49 - модернизированных двухконтурных форсунок 11 - коллектора осуществляется из магистрали, связанной с системой питания двигателя газообразным топливом, состоящей из блока газовой аппаратуры и блока управления газовым дозатором. Топливо подается к газовому дозатору 12 - напрямую или через съемную малогабаритную компрессорную установку 47 - . При подаче команды с модуля автоматизированного управления установкой 14 - отсечной клапан 16 - открывается и газообразное топливо поступает в дозатор газа 12 - , который осуществляет дозированную подачу топлива к газовому контору 49 - модернизированных двухконтурных топливных форсунок камеры сгорания в зависимости от алгоритма управления модуля автоматизированного управления установкой 14 - и сигналов обратной связи. Сигнал к подаче топлива передается от модуля автоматизированного управления установкой 14 - на блок управления газовым дозатором 15 - , далее сигнал переводится в контроллер газового дозатора, определяющего положение дозирующей иглы. Шаговый двигатель газового дозатора получает команду от контроллера и приводит во вращение вал, который устанавливает положение дозирующей иглы.

При работе на газообразном топливе производится подача топлива через штуцер 31 - и по каналу 32 - к камере распылителя 35 - организованной параллельно оси форсунки, где топливо перемешивается с воздухом, поступающим из завихрителя 38 - , и образовавшаяся топливовоздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания ГТД через отверстия 42 - . Часть воздуха дополнительно поступает через двенадцать косых отверстий 44 - в корпусе распылителя и, проходя по кольцевой щели 45 - , осуществляет сдув образовывающегося нагара через отверстия 46 -.. При применении в качестве топлива газообразного топлива с высоким содержанием тяжёлых примесей (попутный нефтяной газ, серный газ, биогаз и т.д.), дополнительный объем воздуха, подается в завихритель 38 - через канал подвода жидкого топлива 33 - , что позволяет обеспечить сдутие оседающих тяжёлых примесей.

При работе ГТД на жидком топливе топливо через штуцер 31 - по каналу 33 - поступает в камеру 36 - в корпусе форсунки. Проходя через фильтр 34 - топливо поступает к завихрителю 38 - , затем топливо поступает к двум завихривающим канавкам, расположенным под углом 45° к оси завихрителя и по ним - в конусную камеру завихривания. Воздух подается в корпус форсунки через штуцер и по каналу 39 - поступает в воздушный фильтр 40 - , затем, пройдя завихривающие канавки, образованные соплами 41 - , смешивается с топливом. Распыленная топливовоздушная смесь выбрасывается через выходное отверстие 43 - . При работе ГТД на жидких топливах высокой вязкости (мазут) дополнительный объем воздуха подается через канал подвода газообразного топлива 32 - , что позволяет обеспечить требуемый состав и полноту сгорания топливовоздушной смеси.

При подаче сигнала от модуля автоматизированного управления установкой 14 - к переходу с газообразного на жидкое топливо (см. фиг. 3), после стабилизации работы ГТД осуществляется переключение питания на этот вид топлива из магистрали. При переключении по заданному алгоритму модуля автоматизированного управления установкой открываются электромагнитные клапаны 17 - и, обеспечивая подачу топлива в жидкотоплиный контур 50 - модернизированных двухконтурных топливных форсунок. Топливный бак 7 - снабжен блоком 9 - автоматической дозаправки бака жидкого топлива от внешнего источника, подводимого к входному штуцеру. В конструкции топливного бака имеется преобразователь давления 8,, следящий за уровнем топлива. При снижении уровня ниже минимального, преобразователь 8 - подает сигнал на модуль автоматизированного управления 14 - , который передает команду блоку 9 - , включая его. Электронасосный агрегат заправляет топливный бак 7 - . При получении команды с модуля автоматизированного управления установкой 14 - на подачу жидкого топлива топливный бак 7 - гидравлически соединяется с входом насоса-дозатора 13 - . Под давлением вытеснительной системы топливо поступает в насос-дозатор. Далее через клапанные устройства и трубопроводы топливо подаётся к модернизированным двухконтурным топливным форсункам 11 - ГТД.

При осуществлении обратного перехода с жидкого на газообразное топливо по команде с модуля автоматизированного управления установкой 14 - осуществляется запуск съемной малогабаритной компрессорной установки 47 - (при наличии) и открытие отсечного клапана газового дозатора 16 - для обеспечения питания модернизированных двухконтурных топливных форсунок 11 - . Одновременно производится открытие дренажных клапанов 51 - , остатки жидкого топлива из топливных форсунок 11 - выдавливаются в камеру сгорания и топливный бак 7 - под действием воздуха подаваемого из-за компрессора высокого давления через клапаны продувки 52 - . Сопровождающее процесс перевода питания ГТД с одного вида топлива на другой изменение температуры в камере сгорания, определяющее мощность на силовой турбине двигателя, корректируется в дозаторе давления, расположенном перед входом в магистраль (на фигурах не показана), и определяющем объем газа поступающего на сгорание в форсунки газовых коллекторов.

Контроль и поддержание работы установки в автономном режиме производится по средствам модуля автоматизированного управления установкой 14 - , предназначенной для автоматического управления и защиты на всех режимах работы, всережимного регулирования, контроля технологических параметров и состояния механизмов установки. Конструктивно все блоки модуля автоматизированного управления установкой 14 - размещены в шкафу управления, располагаемого в корпусе установки или обособленно, на лицевую панель которого вынесены сенсорная панель местного управления, физические кнопки и индикаторы. Модуль автоматизированного управления установкой построен на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) с необходимым набором блоков, обеспечивающих преобразование стандартных входных сигналов и формирование стандартных выходных сигналов. Необходимая входная информация поступает в ПЛК от первичных датчиков, нормирующих преобразователей и сигнализаторов положения исполнительных механизмов установки. Модуль автоматизированного управления установкой обеспечивает прием следующих типов аналоговых каналов:

- каналы измерения сигналов от термопар;

- каналы измерения сигналов от термометров сопротивления;

- каналы измерения датчиков с унифицированным сигналом 4…20 мА;

- каналы измерения частоты периодических сигналов.

При возникновении аварийных ситуаций модуля автоматизированного управления установкой 14 - производит немедленный аварийный останов установки с применением дополнительных метропатией противопожарной защиты. Пульт управления 26 - оператора модуля автоматизированного управления установкой 14 - позволяет контролировать работу установки в режиме реального времени и осуществился прямое управление работой установки.

Промышленная применимость

Предлагаемая установка автономного теплового и электрического энергоснабжения может быть осуществлена специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления специалистом на практике следует из того, что для каждого признака, включённого в формулу полезной модели на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для полезной модели и критерию «полнота раскрытия» для полезной модели.

За счет того, что силовой модуль с газотурбинным двигателем имеет блок питания топливом газотурбинного двигателя, соединенный с двухконтурными топливными форсунками и включающий в себя автоматизированные дозаторы газового и жидкого топлива, управляемыми модулем автоматизированного управления установкой и достигается заявленный технический результат - возможность запуска и работы установки на газообразном топливе, в том числе существенно отличном по своему составу и характеристикам от природного газа, например - попутный нефтяной газ, сжиженный газ, биогаз - с возможностью перевода питания газотурбинного двигателя на жидкое топливо и обратный переход без остановки газотурбинного двигателя.

Дополнительно достигаемый технический результат заключается:

- в повышении стабильности и бесперебойности выдачи энергоресурсов и работы установки и достижении соответствия требованиям промышленной безопасности в аварийных ситуациях;

- в расширении номенклатуры используемых видов топлива; в обеспечении возможности запуска и работы установки на газообразном топливе низкого, среднего и высокого давления; в обеспечении возможности перевода питания двигателя с газообразного на жидкое топливо и обратного перехода;

- в обеспечения полного контроля за процессом запуска, работы и остановки теплоэлектростанции, с плавным изменением рабочей мощности;

- в организации автоматической защиты от перепадов напряжения, питания бортовой сети установки и подзарядки аккумуляторных батарей.

Предлагаемая установка обладает возможностью изменения количественного соотношения между вырабатываемой тепловой и электрической энергией. Так, в наиболее характерном режиме работы, когда требуется выработка и тепловой, и электрической энергии, полная мощность силовой турбины ГТД используется для вращения генератора, вырабатывающего электрический ток, а отработавшие в двигателе высокотемпературные газы через газопровод поступают в коллектор, и в зависимости от потребностей потребителя служат нагреву теплоносителя в теплообменнике котла утилизатора до установленного уровня, либо частично (или полностью) отводятся в атмосферу через газоход. В режиме работы, когда потребности в электроэнергии отсутствуют, а тепловая энергия необходима, с пульта управления модуля автоматизированного управления установкой выключается муфта, мощность силовой турбины ГТД снижается до минимального или близкого к минимальному уровней, отработавшие в двигателе газы через газопровод поступают в водогрейный котел-утилизатор и далее служат нагреву теплоносителя в теплообменнике. Регулирование температуры осуществляется, путем направления части потока газов в газоход, регулируя положение байпасной заслонки.

Следует отметить, что коэффициент полезного действия (КПД) предлагаемой установки будет максимальным в режиме, когда требуются и электрическая, и тепловая энергии, и будет уменьшаться при изменении количественного соотношения в пользу любого из этих видов вырабатываемой энергии.

Суммируя вышесказанное, поставленная задача решена в полном объеме. Полезная модель обладает повышенными эксплуатационными характеристиками в сравнении с прототипом, заключающимся в обеспечении запуска и работы установки на газообразном и жидком топливе, в том числе видах газообразного топлива существенно отличных по своему составу и характеристикам от природного газа (попутный нефтяной газ, сжиженный газ, биогаз и др.), с возможностью перевода питания двигателя на жидкое топливо и обратный переход без остановки газотурбинного двигателя. Проведенные усовершенствования позволят расширить сферы возможного применения установок, в том числе на объектах промышленной, нефтегазовой, жилищно-коммунальной сферы.

Claims (4)

1. Установка автономного теплового и электрического энергоснабжения, имеющая транспортабельный корпус, содержащий силовой модуль с газотурбинным двигателем (ГТД), связанным с генератором электрического тока через понижающий редуктор, модуль отвода отработавших газов, модуль электроснабжения потребителей, отличающаяся тем, что силовой модуль с газотурбинным двигателем имеет блок питания топливом газотурбинного двигателя, соединенный с двухконтурными топливными форсунками и включающий в себя автоматизированные дозаторы газового и жидкого топлива, управляемые модулем автоматизированного управления установкой, при этом блок питания топливом газотурбинного двигателя выполнен с возможностью прямого запуска и работы установки как на газообразном, так и на жидком топливе и включает в себя блок газорегулирующих агрегатов, отсечной клапан и датчики давления газа.

2. Установка энергоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что блок питания топливом газотурбинного двигателя выполнен с возможностью осуществления перехода с питания газообразным топливом на питание жидким топливом с обеспечением автоматизированного обратного перехода на питание газообразным топливом без остановки ГТД и включает в себя обратные клапаны газового и жидкого топлива, клапан сброса газа в свечу и блок устройств для очистки топливных форсунок и камеры сгорания от остаточного топлива.

3. Установка энергоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что двухконтурные топливные форсунки имеют блок обдува и блок защиты от образования нагара на торцевой поверхности распылителя.

4. Установка энергоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что модуль автоматизированного управления установкой выполнен с возможностью полного контроля за процессом запуска, работы, перехода между видами топлива и аварийной остановки электростанции с плавным изменением рабочей мощности в соответствии с текущими потребностями потребителя за счет входящих в его состав блоков сбора и обработки аналоговых и дискретных сигналов, поступающих от датчиков, расположенных на раме и отдельных конструктивных элементах установки.

Images