RU2772096C2

RU2772096C2 - System for joint production of heat and electric energy for a boiler

Info

Publication number: RU2772096C2
Application number: RU2020122345A
Authority: RU
Inventors: Джованни Д'АРЬЕНЦО
Original assignee: Джованни Д'АРЬЕНЦО
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2022-05-16

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of power engineering and can be used in units for producing heat and electric energy. System (200, 300) for joint production of heat and electric energy comprises a boiler (201, 301) configured to heat water for domestic needs, a combustion chamber (201A, 301a) for liquid or gaseous fuel, located in said boiler (201, 301), wherefrom flue gases exit, a compressor (204, 304) for gaseous fluid medium, a heat exchanger (202, 302) configured to exchange energy between the flue gases formed in the combustion chamber (201A, 301a) and the fluid medium exiting the compressor (204, 304), a gas turbine (203, 303) whereto the compressed and heated fluid medium is supplied from the heat exchanger (202, 302), a current generator (205, 305) and a current converter (206, 306), connected with the gas turbine (203, 303) and configured to generate electric energy, a primary heat exchanger (207, 307) with transfer of heat from the flue gases to the water, located behind said heat exchanger (202, 302) and configured to recover heat energy between the flue gases formed in the combustion chamber (201A, 301a) and the water, and a bypass valve (210, 310) located before the turbine (203, 303) and configured to adjust the flow rate of part of the fluid medium supplied to the gas turbine (203, 303) and redirect the remaining fluid medium, wherein the system comprises an additional heat exchanger (209, 309) configured to recover of the remaining heat energy of said part of the fluid medium exiting the turbine (203, 303) and the remaining flow of the fluid medium redirected by the bypass valve (210, 310), and preheat the water supplied to the primary heat exchanger (207, 307).

EFFECT: increase in the operating efficiency of the system.

3 cl, 2 dwg

Description

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Предложенное изобретение относится к системе совместного производства тепловой и электрической энергии для котла.The proposed invention relates to a system for the joint production of heat and electricity for a boiler.

В частности, предложенное изобретение относится к системе совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, например, для котла бытового применения или для парогенераторного котла.In particular, the proposed invention relates to a system for co-production of heat and electricity for a boiler, for example, for a boiler for domestic use or for a steam generator boiler.

Как известно, в стандартном бытовом котле для производства горячей воды топливо (жидкое или газообразное) сжигается с воздухом (с окисляющим компонентом) обычно при комнатной температуре (при температуре Tamb окружающей среды). В общем случае котел содержит теплоизолированную камеру сгорания, в которую вставлен основной теплообменник, в котором рабочая жидкость, которую нужно нагреть, как правило, вода, протекает при температуре в диапазоне от 15°С до 80°С.As is known, in a standard domestic hot water boiler, a fuel (liquid or gaseous) is combusted with air (with an oxidizing component) usually at room temperature (ambient temperature Tamb). In general, the boiler comprises a thermally insulated combustion chamber into which a main heat exchanger is inserted, in which the working fluid to be heated, typically water, flows at a temperature in the range of 15°C to 80°C.

Известны системы совместного производства тепловой и электрической энергии, используемые с котлами, например, описанная в заявке на патент CN 105222203, в которой описано нагревательное устройство, содержащее парогазовое устройство совместного производства тепловой и электрической энергии.Known systems for the cogeneration of heat and electricity used with boilers, for example, described in patent application CN 105222203, which describes a heating device containing a combined-cycle device for cogeneration of heat and electricity.

Тем не менее, известные устройства совместного производства тепловой и электрической энергии для котлов не оптимизированы для гражданского и бытового применения, а также громоздки и дороги. Более того, в известных устройствах совместного производства тепловой и электрической энергии, когда посредством сжигания подается фиксированная мощность, производство тепловой энергии связано с производством электрической энергии так, что их соотношение не может быть изменено. Как следствие данного ограничения при увеличении только части тепловой энергии необходимо увеличить подаваемую энергию, и в результате также увеличится производство электрической энергии. Таким образом, в известных устройствах количество вырабатываемой тепловой энергии связано с количеством вырабатываемой электрической энергии.However, known cogeneration devices for boilers are not optimized for civil and domestic use, and are bulky and expensive. Moreover, in known heat and power cogeneration devices, when a fixed power is supplied by combustion, the heat production is coupled with the electric power production so that the ratio cannot be changed. As a consequence of this limitation, if only a part of the thermal energy is increased, it is necessary to increase the supplied energy, and as a result, the production of electrical energy will also increase. Thus, in known devices, the amount of generated thermal energy is related to the amount of generated electrical energy.

Решение, в котором предпринята попытка решить указанные проблемы, раскрыто в заявке на патент DE 102009057100, в которой раскрыто электрическое устройство совместного производства тепловой и электрической энергии для небольших жилых блоков, содержащее газовую турбину, компрессор и генератор. Турбодетандер газовой турбины, компрессор и генератор расположены на общем валу. Газ для подшипника вала доводится до положительного давления компрессором. Рабочий газ это инертный газ, такой как гелий.A solution that attempts to solve these problems is disclosed in patent application DE 102009057100, which discloses an electrical device for the cogeneration of heat and electricity for small residential units, containing a gas turbine, a compressor and a generator. The gas turbine expander, compressor and generator are located on a common shaft. The gas for the shaft bearing is brought to positive pressure by the compressor. The working gas is an inert gas such as helium.

Решение указанной проблемы описано в патенте GB 1309589, в котором раскрыт способ использования энергии топочных газов, возникающих в установках каталитического крекинга. Энергия получается из топочных газов, возникающих при восстановлении катализатора в установке крекинга, с помощью подачи воздуха для регенерации с помощью компрессора, пропускания топочных газов через циклон к турбине, сжигания СО в газах в каталитическом котле, работающем на СО, ниже по потоку после турбины, и нагревания избыточного воздуха из компрессора в котле, работающем на СО, и смешивания указанного нагретого воздуха с топочными газами выше по потоку от циклона. Тепло, оставшееся в топочных газах, может быть использовано для создания пара перед поступлением газов в дымовую трубу.The solution to this problem is described in the patent GB 1309589, which discloses a method of using the energy of flue gases arising from catalytic cracking units. Energy is obtained from flue gases from catalyst reduction in the cracker, by supplying regeneration air with a compressor, passing flue gases through a cyclone to a turbine, burning CO in the gases in a CO catalytic boiler downstream of the turbine, and heating excess air from the compressor in the CO boiler and mixing said heated air with flue gases upstream of the cyclone. The heat left in the flue gases can be used to create steam before the gases enter the chimney.

Проблема данного решения состоит в том, что произведенная энергия не может быть отрегулирована и не может разделяться на электрическую часть и тепловую часть изменяемым образом.The problem with this solution is that the energy produced cannot be adjusted and cannot be divided into an electrical part and a thermal part in a variable manner.

Целью предложенного изобретения является создание системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, которая рекуперирует тепло топочных газов для преобразования его в электрическую энергию и в тепловую энергию, обеспечивая возможность изменения в соответствии с потребностями соотношения между частью, преобразовываемой в электрическую энергию, и частью, предназначенной для производства тепловой энергии, таким образом, поддерживая постоянный общий выход на максимальном значении и обеспечивая преодоление ограничений известных технических решений.The purpose of the proposed invention is to provide a system for the joint production of heat and electricity for a boiler, which recovers the heat of the flue gases to convert it into electrical energy and into thermal energy, providing the possibility of changing, in accordance with the needs, the ratio between the part converted into electrical energy and the part, intended for the production of thermal energy, thus maintaining a constant total output at a maximum value and providing overcoming the limitations of known technical solutions.

Кроме того, целью предложенного изобретения является создание эффективной, экономичной и не громоздкой системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла.In addition, the purpose of the proposed invention is to create an efficient, economical and not cumbersome system for the joint production of heat and electricity for the boiler.

Наконец, целью предложенного изобретения является создание системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, которая обеспечивает возможность производства тепловой энергии и, при необходимости, электрической энергии, поддерживая постоянный общий выход.Finally, the object of the proposed invention is to provide a system for co-production of heat and electricity for the boiler, which allows the production of heat and, if necessary, electricity, while maintaining a constant overall output.

В соответствии с изобретением предложено устройство совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, как заявлено в п. 1.In accordance with the invention, a device for the joint production of heat and electricity for a boiler is proposed, as stated in paragraph 1.

Для лучшего понимания предложенного изобретения исключительно в качестве неограничивающего примера далее описан предпочтительный вариант выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:For a better understanding of the present invention, by way of a non-limiting example only, a preferred embodiment is described below with reference to the accompanying drawings, in which:

Фиг. 1 изображает блок-схему первого варианта выполнения системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла в соответствии с изобретением;Fig. 1 is a block diagram of a first embodiment of a system for co-production of heat and electricity for a boiler in accordance with the invention;

Фиг. 2 изображает блок-схему второго варианта выполнения системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла в соответствии с изобретением;Fig. 2 is a block diagram of a second embodiment of a co-generation system for a boiler in accordance with the invention;

Со ссылкой на чертежи показано устройство 200, 300 в соответствии с изобретением.With reference to the drawings, an apparatus 200, 300 according to the invention is shown.

Система 200, 300 совместного производства тепловой и электрической энергии для котла содержит котел 201, 301, выполненный с возможностью нагревания воды, предпочтительно для бытового использования, и содержащий внутри камеру 201а, 301а сгорания жидкого или газообразного топлива; компрессор 204, 304; теплообменник 202, 302 для обмена тепловой энергией между топочными газами, образующимися в камере 201а, 301а, и текучей средой, выходящей из компрессора 204, 304; газовую турбину работающую на текучей среде, сжатой и нагретой теплообменником 202, 302; генератор 205, 305 тока и преобразователь 1, 206, 306 тока, соединенный с газовой турбиной 203, 303, выполненный с возможностью выработки электрической энергии; и основной теплообменник 207, 307 с передачей тепла от топочных газов к воде, расположенный за теплообменником 202, 302 и выполненный с возможностью рекуперации оставшейся части тепловой энергии, которая вырабатывается при сгорании в камере 201а, 301а сгорания, содержится в топочных газах и не поглощена в теплообменнике 202, 302.The boiler co-generation system 200, 300 comprises a boiler 201, 301 configured to heat water, preferably for domestic use, and containing inside a liquid or gaseous fuel combustion chamber 201a, 301a; compressor 204, 304; a heat exchanger 202, 302 for exchanging thermal energy between the flue gases generated in the chamber 201a, 301a and the fluid leaving the compressor 204, 304; a gas turbine powered by fluid compressed and heated by heat exchanger 202, 302; a current generator 205, 305 and a current converter 1, 206, 306 connected to the gas turbine 203, 303, configured to generate electric power; and a main heat exchanger 207, 307 with heat transfer from flue gases to water, located behind the heat exchanger 202, 302 and configured to recover the remaining part of the thermal energy that is generated during combustion in the combustion chamber 201a, 301a, is contained in the flue gases and is not absorbed in heat exchanger 202, 302.

Кроме того, система 200, 300 перед газовой турбиной 203, 303 содержит обходной клапан 210, 310, выполненный с возможностью регулировки части потока сжатой и нагретой текучей среды, поступающей в газовую турбину 203, 303 и предназначенной для выработки электрической энергии. Оставшийся поток текучей среды для рекуперации содержащейся в нем тепловой энергии смешивается с потоком, выходящим из газовой турбины 203, 303 и направляется в теплообменник 209, 309 в системах 200, 300.In addition, the system 200, 300 upstream of the gas turbine 203, 303 includes a bypass valve 210, 310 configured to control a portion of the flow of pressurized and heated fluid entering the gas turbine 203, 303 to generate electrical power. The remaining fluid stream for recovery of the thermal energy contained therein is mixed with the stream leaving the gas turbine 203, 303 and sent to the heat exchanger 209, 309 in the systems 200, 300.

В соответствии с одним аспектом изобретения открытием и закрытием обходного клапана 210, 310 управляет электронный блок управления в зависимости от текущих тепловых и электрических потребностей. Такой электронный блок управления также управляет количеством топлива, сжигаемого в камере 201а, 301а сгорания, таким образом, чтобы избежать превышения выработки тепловой и электрической энергии по сравнению с текущей потребностью.In accordance with one aspect of the invention, the opening and closing of the bypass valve 210, 310 is controlled by an electronic control unit depending on the current thermal and electrical needs. Such an electronic control unit also controls the amount of fuel combusted in the combustion chamber 201a, 301a so as to avoid exceeding the heat and electricity generation in comparison with the current demand.

Согласно одному аспекту изобретения, в дополнение к обходному клапану 210, 310, система 200, 300 содержит также турбину с изменяемой геометрией, которая, в свою очередь, приводится в действие с помощью электронного блока управления.According to one aspect of the invention, in addition to the bypass valve 210, 310, the system 200, 300 also includes a variable geometry turbine, which in turn is driven by an electronic control unit.

Согласно одному аспекту изобретения теплообменник 202 представляет собой теплообменник с передачей тепла от топочных газов к воздуху в устройстве 200 и теплообменник с передачей тепла от топочных газов к газообразной текучей среде в устройстве 300. Теплообменник 202, 302 выполнен с возможностью поглощения по меньшей мере 5% тепловой энергии топочных газов для обеспечения их прохождения через основной теплообменник 207, 307 при температуре, превышающей или равной 320°С.According to one aspect of the invention, heat exchanger 202 is a flue gas to air heat exchanger in device 200 and a flue gas to gaseous fluid heat exchanger in device 300. Heat exchanger 202, 302 is configured to absorb at least 5% of the heat energy flue gases to ensure their passage through the main heat exchanger 207, 307 at a temperature greater than or equal to 320°C.

Преимущественно, предложенная система 200, 300 обеспечивает возможность использования совместного производства тепловой и электрической энергии даже в тех в ситуациях, когда потребление электроэнергии по отношению к расходу топлива (выраженное в кВт⋅ч) для отопления составляет менее 30%, то есть:Advantageously, the proposed system 200, 300 allows the use of co-generation of heat and electricity even in situations where electricity consumption in relation to fuel consumption (expressed in kWh) for heating is less than 30%, that is:

0,30≥(кВт⋅ч электроэнергии)/(кВт⋅ч тепла).0.30≥(kWh electricity)/(kWh heat).

Кроме того, преимущественно, система 200, 300 может использоваться с конденсационным или обычным котлом, маленьким или большим, путем внесения соответствующих изменений.Further advantageously, the system 200, 300 can be used with a condensing or conventional boiler, small or large, by making appropriate modifications.

На Фиг. 1 и 2 показаны первый и второй вариант выполнения системы 200 и 300 совместного производства тепловой и электрической энергии для котла, содержащей котел 201, 301, содержащий камеру 201а, 301а сгорания жидкого или газообразного топлива, теплообменник 202, 302 с передачей тепла от топочных газов к воздуху, соединенный с камерой 201а, 301а сгорания, и основной теплообменник 207, 307 с передачей тепла от топочных газов к воде, расположенный последовательно с теплообменником 202, 302; компрессор 204, 304 для сжатия окружающего воздуха и для направления его в теплообменник 202, 302; и газовую турбину 203, 303 с открытым циклом внешнего сгорания, термически питаемую теплообменником 202, 302 и соединенную с камерой 201а, 301а сгорания.On FIG. 1 and 2 show first and second embodiments of a system 200 and 300 for co-production of heat and power for a boiler, comprising a boiler 201, 301 containing a liquid or gaseous fuel combustion chamber 201a, 301a, a heat exchanger 202, 302 with heat transfer from flue gases to air connected to the combustion chamber 201a, 301a, and the main heat exchanger 207, 307 with heat transfer from flue gases to water, located in series with the heat exchanger 202, 302; a compressor 204, 304 for compressing the ambient air and for directing it to the heat exchanger 202, 302; and an external combustion gas turbine 203, 303 thermally supplied by a heat exchanger 202, 302 and connected to the combustion chamber 201a, 301a.

В результате расположения теплообменника 202, 302 внутри котла, преимущественно, система 200, 300 поглощает часть тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании, преобразует ее в электрическую энергию и рекуперирует часть тепловой энергии, потерянной при таком преобразовании.By positioning the heat exchanger 202, 302 within the boiler, the system 200, 300 advantageously absorbs a portion of the thermal energy generated by combustion, converts it into electrical energy, and recovers a portion of the thermal energy lost during such conversion.

Например, в жилых помещениях, где используется бытовой котел, соотношение между электрическими кВт⋅ч и тепловыми кВт⋅ч составляет ≤0,10, то есть средняя потребность в электрической энергии в жилых помещениях в течение одного года приблизительно равна 10% от потребности в газе, используемом для отопления (выражается в кВт⋅ч). Таким образом, при таких условиях теплообменник 202, 302 будет поглощать 10% тепловой энергии топочных газов, обеспечивая, в случае котла для бытового использования, их прохождение через основной теплообменник 207, 307 при температуре не более 350°С, а при температуре около 325°С.For example, in residential premises where a household boiler is used, the ratio between electrical kWh and thermal kWh is ≤0.10, i.e. the average demand for electrical energy in residential premises during one year is approximately 10% of the gas demand used for heating (expressed in kWh). Thus, under these conditions, the heat exchanger 202, 302 will absorb 10% of the thermal energy of the flue gases, ensuring, in the case of a boiler for domestic use, their passage through the main heat exchanger 207, 307 at a temperature of no more than 350°C, and at a temperature of about 325° WITH.

В соответствии с изобретением, преимущественно, основной теплообменник 207, 307 с передачей тепла от топочных газов к воде выполнен с возможностью рекуперации тепла, содержащегося в топочных газах.Advantageously, according to the invention, the main flue gas-to-water heat exchanger 207, 307 is configured to recover the heat contained in the flue gases.

В соответствии с изобретением, преимущественно, часть тепловой энергии, предпочтительно более 70% энергии, произведенной камерой 201а, 301а сгорания, но не переданной в теплообменник 202, 302 с передачей тепла от топочных газов к воздуху, будет передаваться посредством топочных газов в основной теплообменник 207, 307 для нагревания воды.In accordance with the invention, advantageously a part of the heat energy, preferably more than 70% of the energy produced by the combustion chamber 201a, 301a, but not transferred to the heat exchanger 202, 302 with heat transfer from flue gases to air, will be transferred via flue gases to the main heat exchanger 207 , 307 for heating water.

В соответствии с одним аспектом изобретения генератор 205, 305 тока, генерирующий постоянный (DC) или переменный (АС) ток, и преобразователь 206, 306 тока, будь то преобразователь DC/DC постоянного тока, преобразователь DC/AC постоянного тока в переменный или преобразователь АС/АС переменного тока в переменный, выполнен с возможностью производства электрической энергии в соответствии с техническими характеристиками электрической сети.In accordance with one aspect of the invention, a current generator 205, 305 that generates direct (DC) or alternating (AC) current, and a current converter 206, 306, whether it be a DC/DC converter, a DC/AC DC-to-AC converter, or a converter AC/AC AC to AC, made with the ability to produce electrical energy in accordance with the technical characteristics of the electrical network.

Во время работы компрессор 204, 304 сжимает воздух, взятый из окружающей среды, и направляет его в теплообменник 202, 302 с передачей тепла от топочных газов к воздуху, в котором воздух получает часть тепловой энергии, вырабатываемой камерой 201а, 301а сгорания в котле 201, 301. Нагретый таким образом воздух поступает в турбину 203, 303, где он расширяется, генерирует энергию, которую генератор 205, 305 (постоянного DC или переменного АС тока) и преобразователь 206, 306 тока преобразуют в электрическую энергию в соответствии с техническими характеристиками электрической сети.During operation, the compressor 204, 304 compresses the air taken from the environment and sends it to the heat exchanger 202, 302 with heat transfer from flue gases to air, in which the air receives part of the thermal energy generated by the combustion chamber 201a, 301a in the boiler 201, 301. The air thus heated enters the turbine 203, 303, where it expands, generates energy, which the generator 205, 305 (DC or AC) and the current converter 206, 306 convert into electrical energy in accordance with the technical characteristics of the electrical network .

В соответствии с одним аспектом изобретения воздух, выходящий из турбины 203, 303, смешивается с воздухом для горения в котле 201, 301.In accordance with one aspect of the invention, the air leaving the turbine 203, 303 is mixed with combustion air in the boiler 201, 301.

Преимущественно, остаточная тепловая энергия воздуха, выходящего из турбины 203, 303, рекуперируется для увеличения температуры воздуха для горения, подаваемого в камеру 201а, 301а сгорания котла 201, 301, смешиванием или непосредственно в 201, 301 для обеспечения достижения высоких температур.Preferably, the residual thermal energy of the air leaving the turbine 203, 303 is recovered to increase the temperature of the combustion air supplied to the combustion chamber 201a, 301a of the boiler 201, 301, by mixing or directly into 201, 301 to achieve high temperatures.

Преимущественно, система 200, 300 обеспечивает возможность получения выработки механической энергии с помощью газовой турбины 203, 303 с открытым циклом и, таким образом, электрической энергии с помощью генератора 205, 305 и преобразователя 206, 306, остаточная тепловая мощность которого рекуперируется в котле совместно с теплом, присутствующим в текучей среде, которая, возможно, была перенаправлена с помощью обходного клапана 210, 310. Таким образом, общая эффективность системы 200, 300 остается аналогичной тепловой эффективности классического котла, но при современном производстве применяемой электрической энергии.Advantageously, the system 200, 300 enables the generation of mechanical power by the open cycle gas turbine 203, 303 and thus electrical power by means of a generator 205, 305 and a converter 206, 306 whose residual heat output is recovered in the boiler together with the heat present in the fluid, which may have been redirected by the bypass valve 210, 310. Thus, the overall efficiency of the system 200, 300 remains similar to the thermal efficiency of a classic boiler, but with modern production of applied electrical energy.

Преимущественно, система 200, 300 вырабатывает электрическую энергию в процентах, превышающих 5% от подаваемой мощности, обеспечивая возможность совместного производства тепловой и электрической энергии даже в ситуациях, когда потребность в тепловой энергии (в форме воды или пара) и потребность в электрической энергии сильно разбалансированы в сторону тепловой энергии.Advantageously, the system 200, 300 generates electrical energy at a percentage greater than 5% of the supplied power, allowing the co-generation of heat and electricity even in situations where the demand for heat (in the form of water or steam) and the demand for electricity are highly unbalanced. towards thermal energy.

Преимущественно, поддерживая постоянной общую эффективность, как количество используемого топлива, так и часть выработки электроэнергии могут быть отрегулированы с помощью обходного клапана 210, 310 в пользу выработки тепловой энергии, внося соответствующие изменения в циркуляцию воздуха в турбине с помощью обходного клапана 210, 310 или не подключая генератор к электрической сети.Advantageously, while maintaining the overall efficiency constant, both the amount of fuel used and part of the power generation can be adjusted with the bypass valve 210, 310 in favor of heat generation by making appropriate changes to the air circulation in the turbine with the bypass valve 210, 310 or not. connecting the generator to the mains.

Система 200, 300 содержит дополнительный теплообменник 209, 309, выполненный с возможностью рекуперации остаточной тепловой энергии текучей среды, выходящей из турбины 203, 303, и, возможно, текучей среды, отведенной обходным клапаном 210, 310, и с возможностью предварительного нагрева воды, которая должна быть нагрета и которая поступает в основной теплообменник 207, 307.The system 200, 300 includes an additional heat exchanger 209, 309 configured to recover the residual thermal energy of the fluid exiting the turbine 203, 303, and possibly the fluid diverted by the bypass valve 210, 310, and to preheat the water, which must be heated and which enters the main heat exchanger 207, 307.

В частности, система 200 включает дополнительный теплообменник 209 с передачей тепла от воздуха к воде, с которым соединена турбина 203, которая в системе 200 является турбиной 203 с замкнутым циклом внешнего сгорания. В данном случае воздух, выходящий из турбины 203, также смешивается с воздухом, отводимым обходным клапаном 210, с его остаточной тепловой энергией, подается в теплообменник 209, где он отдает тепловую энергию непосредственно воде, которая должна быть нагрета в котле.In particular, system 200 includes an additional air-to-water heat exchanger 209 to which is connected a turbine 203, which in system 200 is an external combustion turbine 203. In this case, the air leaving the turbine 203 also mixes with the air discharged by the bypass valve 210, with its residual thermal energy, is fed into the heat exchanger 209, where it releases the thermal energy directly to the water to be heated in the boiler.

Преимущественно, дополнительный теплообменник 209, 309 обеспечивает возможность предварительного нагрева воды и, таким образом, сокращения времени ожидания нагрева воды до желаемой температуры при выходе из котла. В то же время воздух охлаждается и доводится до температуры, которая также может быть ниже температуры окружающей среды, например, для забора компрессором 204. Таким образом, турбинный цикл становится замкнутым циклом с общей эффективностью турбинного/котельного блока близкой к первому варианту выполнения с преимуществом, заключающемся в более быстром нагреве воды и в возможности использования воздуха в турбинной установке с минимальным давлением, превышающим атмосферное давление, для получения меньших общих размеров с той же выходной мощностью или более высокими рабочими характеристиками турбины и, таким образом, с большей выработкой электрической энергии (причем всегда оставаясь в указанном выше процентном диапазоне производительности).Advantageously, the additional heat exchanger 209, 309 allows the water to be preheated and thus reduce the waiting time for the water to reach the desired temperature when leaving the boiler. At the same time, the air is cooled and brought to a temperature that can also be lower than the ambient temperature, for example, for intake by the compressor 204. Thus, the turbine cycle becomes a closed cycle with an overall efficiency of the turbine/boiler unit close to the first embodiment with the advantage that heating water faster and allowing the use of air in a turbine plant with a minimum pressure above atmospheric pressure to achieve smaller overall dimensions with the same power output or higher turbine performance and thus more electrical power generation (and always staying within the performance percentage range above).

При работе, в системе 200 компрессор 204 сжимает воздух и направляет его в теплообменник 202, где воздух получает часть тепловой мощности, выработанной камерой 201а сгорания в котле 201. Воздух, нагретый таким образом, поступает с потоком, отрегулированным обходным клапаном 210, в турбину 203, где он расширяется, производя энергию, которую генератор 205 (постоянного DC или переменного АС тока) и преобразователь 206 тока преобразуют в электрическую энергию.In operation, in system 200, compressor 204 compresses air and directs it to heat exchanger 202, where the air receives a portion of the heat output generated by combustion chamber 201a in boiler 201. The air thus heated enters, with a flow regulated by bypass valve 210, into turbine 203 , where it expands to produce power, which the generator 205 (DC or AC) and the current converter 206 convert into electrical power.

В соответствии со вторым вариантом выполнения предложенного изобретения, показанным на Фиг. 2, в компрессор 304 вместо воздуха поступает инертная газообразная текучая среда, отличающаяся более эффективными для целей выполняемой функции характеристиками по сравнению с характеристиками воздуха.In accordance with the second embodiment of the proposed invention shown in FIG. 2, instead of air, the compressor 304 receives an inert gaseous fluid that is more efficient for its function than air.

В соответствии с одним аспектом изобретения газовая турбина 303 представляет собой турбину с замкнутым циклом внешнего сгорания, соединенную с камерой 301а сгорания, а дополнительный теплообменник 309 представляет собой теплообменник с передачей тепла от газообразной текучей среды к воде, расположенный на выходе турбины 303, так что остаточная тепловая энергия передается в теплообменник 309.In accordance with one aspect of the invention, the gas turbine 303 is an external combustion turbine connected to the combustion chamber 301a, and the additional heat exchanger 309 is a gaseous fluid-to-water heat exchanger located at the outlet of the turbine 303 so that the residual thermal energy is transferred to heat exchanger 309.

Таким образом, система 200, 300 совместного производства тепловой и электрической энергии для котла в соответствии с изобретением обеспечивает регулируемый предварительный нагрев воды и, таким образом, сокращение времени ожидания достижения требуемой температуры воды при выходе из котла.Thus, the boiler cogeneration system 200, 300 according to the invention provides controlled pre-heating of the water and thus reduces the waiting time for the water to reach the desired temperature when leaving the boiler.

Преимущественно, в соответствии с изобретением система характеризуется выбросами выхлопных газов, аналогичными выбросам котла, таким образом, они очень низкие по сравнению с выбросами, возникающими в других устройствах, вырабатывающих электрическую энергию.Advantageously, according to the invention, the system has exhaust emissions similar to those of a boiler, thus being very low compared to emissions from other electrical energy generating devices.

Дополнительное преимущество системы в соответствии с изобретением заключается в ее конструктивной простоте и легкости выполнения с любой мощностью и с возможностью распространения в большом масштабе.An additional advantage of the system according to the invention lies in its structural simplicity and ease of implementation with any power and with the possibility of distribution on a large scale.

Дополнительное преимущество предложенной системы заключается в более быстром нагреве воды и обеспечении возможности использования инертного газа благодаря тому, что инертный газ одновременно охлаждается и доводится до температуры, которая может быть даже ниже комнатной температуры, для возвращения в компрессор.An additional advantage of the proposed system is faster heating of water and the possibility of using inert gas due to the fact that the inert gas is simultaneously cooled and brought to a temperature, which may even be below room temperature, for returning to the compressor.

Еще одно преимущество предложенной системы совместного производства тепловой и электрической энергии для котла заключается в том, что при той же вырабатываемой мощности она имеет меньшие размеры и более высокие рабочие характеристики турбины и, таким образом, обеспечивает повышенную выработку электрической энергии.Another advantage of the proposed boiler co-generation system is that, for the same power output, it has a smaller and higher turbine performance and thus provides increased electrical power generation.

Наконец, ясно, что, описанная и проиллюстрированная в настоящем описании система совместного производства тепловой и электрической энергии для котла может быть модифицирована и изменена без выхода за пределы объема предложенного изобретения, заявленного в прилагаемой формуле изобретения.Finally, it is clear that the boiler co-production system described and illustrated herein can be modified and changed without departing from the scope of the proposed invention as claimed in the appended claims.

Claims

1. System (200, 300) for the joint production of heat and electricity, comprising:

a boiler (201, 301) configured to heat domestic water, a liquid or gaseous fuel combustion chamber (201a, 301a) located in said boiler (201, 301) and from which flue gases exit, a compressor (204, 304 ) for a gaseous fluid,

a heat exchanger (202, 302) configured to exchange thermal energy between the flue gases generated in the combustion chamber (201a, 301a) and the fluid leaving the compressor (204, 304),

gas turbine (203, 303), which receives compressed and heated fluid from the heat exchanger (202, 302),

a current generator (205, 305) and a current converter (206, 306) connected to the gas turbine (203, 303) and configured to generate electrical energy,

the main heat exchanger (207, 307) with heat transfer from flue gases to water, located behind the said heat exchanger (202, 302) and configured to recover thermal energy between flue gases formed in the combustion chamber (201a, 301a) and water,

a bypass valve (210, 310) located in front of the turbine (203, 303) and configured to control the flow of part of the fluid entering the gas turbine (203, 303) and redirect the rest of the fluid flow,

characterized in that it contains an additional heat exchanger (209, 309) configured to recover the remaining thermal energy of the specified part of the fluid leaving the turbine (203, 303) and the rest of the fluid flow redirected by the bypass valve (210, 310), and pre-heating of water entering the main heat exchanger (207, 307).

2. The system (200, 300) according to claim. 1, characterized in that it further comprises an electronic control unit, while the control of the closing and opening of the specified bypass valve (210, 310) is performed using the specified electronic control unit.

3. The system (200, 300) according to claim 1, characterized in that said heat exchanger (202, 302) is a heat exchanger with heat transfer from flue gases to a gaseous fluid, configured to absorb at least 5% of the heat energy of the flue gases and ensuring their passage through the specified main heat exchanger (207, 307) at a temperature greater than or equal to 320°C.