RU2826039C1

RU2826039C1 - Energy-safe combined power plant

Info

Publication number: RU2826039C1
Application number: RU2024104497A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Ильюша; Гарник Левонович Амбарцумян; Николай Евгеньевич Гавриков; Сергей Вячеславович Топилин; Дмитрий Анатольевич Панков; Андрей Николаевич Хангажеев; Екатерина Николаевна Горелкина; Вячеслав Витальевич Темкин; Вячеслав Геннадиевич Певгов; Михаил Анатольевич Андреев
Filing date: 2024-02-22
Publication date: 2024-09-03

Abstract

FIELD: electric power industry.

SUBSTANCE: proposed invention relates to electric power engineering and transport-power plants with continuous and/or pulse detonation-explosive combustion of fossil or synthetic energy carriers and fuels. Purpose of the present invention is to create a power plant of a higher technical level (generation) due to the combined use of various structural and technical schemes of power plants and conversion principles, conversion and use of internal chemical energy of primary energy carriers in the form of fossil and synthetic combustible substances and/or mixtures thereof. Power plant is characterized by essential distinctive features, which together allow to carry out thermodynamically high-efficiency detonation-explosive combustion of fuel mixture to obtain high-temperature, high-speed jets of combustion products relatively safe in production, transportation, storage and use of initial fuel by means of shock waves generated by continuous spin and/or pulsed detonation-explosive combustion. Proposed power plant provides expansion of capabilities and ways to increase energy efficiency and energy safety in a wide range of conditions of application of power plants, such as engines of space and aviation equipment, land and water (sea) vehicles, as well as objects of generation of small and large thermal power engineering.

EFFECT: providing the possibility of the installation operation according to the unified (single) highly efficient method of burning the energy carriers with different aggregate state and calorific value, including cheaper and readily available primary energy carriers (initial fuels), with increased degree of fire and explosion safety of power plant.

1 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и транспортно-энергетическим установкам с непрерывным и/или импульсным детонационно-взрывным горением ископаемых или синтетических энергоносителей и топлив.The proposed invention relates to electric power engineering and transport and energy installations with continuous and/or pulsed detonation-explosive combustion of fossil or synthetic energy carriers and fuels.

Известны и широко применяются традиционные тепловые электрические станции и силовые транспортно-энергетические установки, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе с теми или иными термогазодинамическими циклами преобразования химической энергии первичного энергоносителя (топлива) путем формирования и последующего традиционного сжигания топливовоздушных смесей или других топливных пар (энергоносителя и окислителя) в котлоагрегатах или в специальных камерах сгорания. Однако при традиционном горении, т.е. при обычном сжигании топлива, внутри камеры сгорания реализуется так называемый изобарический цикл с поддержанием постоянного давления и формированием стационарного фронта пламени. При этом происходит относительно медленное горение топлива, называемое дефлаграцией, с выделением газообразных продуктов сгорания, температура которых существенным образом зависит от теплотворной и реакционной способности компонентов топливной пары, а также от конструктивных особенностей камеры сгорания. Кроме того, поскольку при этом в качестве окислителя обычно используется кислород воздуха, в котором более 70% содержится фактически балластного азота, то для повышения эффективности такого процесса сжигания топлива приходится использовать более дорогостоящие исходные энергоносители (топлива) и/или применять конструктивно и технологически более сложные топки и камеры сгорания энергоустановок.Traditional thermal power plants and power transport and energy installations operating on solid, liquid or gaseous fuel with certain thermogasdynamic cycles of conversion of chemical energy of the primary energy carrier (fuel) by formation and subsequent traditional combustion of fuel-air mixtures or other fuel pairs (energy carrier and oxidizer) in boiler units or in special combustion chambers are known and widely used. However, during traditional combustion, i.e. during normal combustion of fuel, the so-called isobaric cycle is implemented inside the combustion chamber with maintenance of constant pressure and formation of a stationary flame front. In this case, relatively slow combustion of fuel occurs, called deflagration, with the release of gaseous combustion products, the temperature of which significantly depends on the calorific value and reactivity of the components of the fuel pair, as well as on the design features of the combustion chamber. In addition, since atmospheric oxygen, which contains more than 70% ballast nitrogen, is usually used as an oxidizer, then in order to increase the efficiency of such a fuel combustion process, it is necessary to use more expensive initial energy sources (fuels) and/or use more structurally and technologically complex furnaces and combustion chambers of power plants.

Известно значительное количество электродуговых генераторов плазмы (плазмотронов), например, №№2374791, 2577332, 2578197, 2646858 2680318, 2698905, 2699124, 2754917, 2775363, 2777603 и 2780330, постоянного и переменного тока различных по мощности и конструктивно-техническим решениям, которые находят все более широкое практическое применение для интенсификации и повышения эффективности различных технологических процессов и промышленных производств.A significant number of electric arc plasma generators (plasmatrons) are known, for example, No. 2374791, 2577332, 2578197, 2646858 2680318, 2698905, 2699124, 2754917, 2775363, 2777603 and 2780330, direct and alternating current of varying power and design and technical solutions, which are finding ever wider practical application for the intensification and increase in the efficiency of various technological processes and industrial production.

Известны плазмохимические способы и устройства подготовки, активации и стабилизации традиционного факельного сжигания (дефлаграционного горения) твердого топлива в пылеугольном состоянии для котлоагрегатов энергетических объектов [1] (RU 2230991, 04.12.2000 F23Q 5/00), [2] (RU 2399842, 29.07.2010 F23Q 5/00), включающие подачу транспортирующим воздухом угольной аэросмеси (топливной смеси - ТС) в камеру термохимической подготовки топлива плазменно-угольной горелки, генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подачу внешней струи плазмы на вход камеры термохимической подготовки топлива, подачу полученной в камере термохимической подготовки топлива из плазменно-угольной горелки в топку котлоагрегата, топливной смеси и вторичного воздуха и смешивание их в топке котла с образованием горящего факела. К основным недостаткам этих известных способа и устройств относится относительно низкая скорость традиционного (дефлаграционного) горения топлива и, как показывает длительный опыт эксплуатации крупных энергоблоков пылеугольных электрический станций, достаточно высокая степень их пожаро- и взрывоопасности. Кроме того, и вся традиционная технология добычи и транспортировки угля, производства из него угольной пыли являются достаточно устаревшими и не безопасными с позиции высоких современных требований по экологической чистоте промышленного производства. Известна топливная система газотурбинного двигателя [3] (RU 2702454, 20.05.2019 F02C 9/32), содержащая криогенный топливный бак соединенный последовательно через отсечной клапан, криогенный топливный насос, теплообменник-парогенератор, разделитель жидкой и паровой фаз криогенного топлива, первый регулятор расхода с форсунками в камере сгорания газотурбинного двигателя, а также эжекторный насос, вход активной жидкой фазы которого соединен с выходом криогенного топливного насоса, а его первый пассивный вход соединен с выходом жидкой фазы из разделителя жидкой и паровой фаз криогенного топлива, при этом выход эжекторного насоса соединен с входом теплообменника-парогенератора, а между первым пассивным входом эжекторного насоса и выходом жидкой фазы из разделителя жидкой и паровой фаз криогенного топлива установлен запорный клапан, соединенный с блоком управления. К недостаткам этой топливной системы газотурбинного двигателя можно отнести необходимость применения дорогостоящего и достаточно сложного в производстве, транспортировке, хранении и использовании криогенного углеводородного (нефтяного происхождения) топлива, что также связано с высокой взрыво- и пожароопасностью его использования. Известен роторный детонационный двигатель внутреннего сгорания [4] (RU 2685175, 09.04.2018 F02B 53/08), содержащий входную и рабочую секции со средней стенкой - секцией, в которой расположена камера детонационного сгорания топлива, запирающаяся на время полного сгорания топливовоздушной смеси тремя клапанами соответственно для впуска топливовоздушной смеси из входной секции в камеру сгорания, выпуска рабочего тела в рабочую секцию и для стравливания газов с остаточным давлением из камеры сгорания в атмосферу перед впуском в камеру сгорания очередной порции топливовоздушной смеси. При этом детонационная камера сгорания выполняется без сопряженных вращающихся элементов, требующих смазки, а охлаждение двигателя осуществляется впрыском необходимого количества воды в рабочую секцию с получением при этом дополнительного давления водяного пара. К недостаткам этого известного роторного двигателя внутреннего сгорания относится то, что в детонационной камере сгорания (в его средней секции) отсутствует возможность эффективной подготовки и акселерации (запуска и ускорения перехода горения в детонацию) детонационного сжигания топливовоздушной смеси (топливной пары) при том, что, как известно, при использовании воздуха в качестве окислителя для такой топливной пары эффективность двигателя внутреннего сгорания в конечном итоге оказывается достаточно ограниченной. Известен комбинированный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания [5] (RU 2593858, 24.04.2015 F02B 41/02), состоящий из поршневого двигателя внутреннего сгорания с расположенным на его рабочем валу роторным двигателем и вытяжным насосом, последние заключены в общую рабочую камеру, в которую отводятся отработанные газы из поршневого двигателя внутреннего сгорания. При этом объем рабочей камеры роторного двигателя превышает объем цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) настолько, чтобы в конце рабочего цикла роторного двигателя давление газов в рабочей камере роторного двигателя было несколько ниже атмосферного для эффективного удаления отработанных газов роторного двигателя. К недостаткам известного комбинированного роторного двигателя относится необходимость совмещать в одной и той же схеме и конструкции силовой установки такие взаимоисключающие явления и процессы сжигания горючих смесей, как борьба с детонацией в поршневых ДВС и повышенные расходы топлива и смазочных материалов в роторных двигателях.Known are plasma-chemical methods and devices for the preparation, activation and stabilization of traditional flare combustion (deflagration combustion) of solid fuel in a pulverized coal state for boiler units of power facilities [1] (RU 2230991, 04.12.2000 F23Q 5/00), [2] (RU 2399842, 29.07.2010 F23Q 5/00), including the supply of coal air mixture (fuel mixture - SM) by transport air into the chamber of thermochemical fuel preparation of a plasma-coal burner, the generation of low-temperature plasma in a plasma torch, the supply of an external plasma jet to the input of the chamber of thermochemical fuel preparation, the supply of fuel obtained in the chamber of thermochemical preparation from the plasma-coal burner into the furnace of the boiler unit, the fuel mixture and secondary air and their mixing in the furnace of the boiler with the formation of a burning torch. The main disadvantages of these known methods and devices include the relatively low rate of traditional (deflagration) combustion of fuel and, as long-term experience in operating large power units of coal-fired power plants shows, a fairly high degree of their fire and explosion hazard. In addition, the entire traditional technology of coal mining and transportation, and the production of coal dust from it are quite outdated and unsafe from the standpoint of high modern requirements for the environmental friendliness of industrial production. A fuel system for a gas turbine engine is known [3] (RU 2702454, 20.05.2019 F02C 9/32), comprising a cryogenic fuel tank connected in series through a shut-off valve, a cryogenic fuel pump, a heat exchanger-steam generator, a separator of the liquid and vapor phases of the cryogenic fuel, a first flow regulator with nozzles in the combustion chamber of the gas turbine engine, as well as an ejector pump, the inlet of the active liquid phase of which is connected to the outlet of the cryogenic fuel pump, and its first passive inlet is connected to the outlet of the liquid phase from the separator of the liquid and vapor phases of the cryogenic fuel, wherein the outlet of the ejector pump is connected to the inlet of the heat exchanger-steam generator, and between the first passive inlet of the ejector pump and the outlet of the liquid phase from the separator of the liquid and vapor phases of the cryogenic fuel, a shut-off valve is installed, connected to the control unit. The disadvantages of this fuel system of a gas turbine engine include the need to use expensive and rather complex in production, transportation, storage and use cryogenic hydrocarbon (petroleum origin) fuel, which is also associated with a high explosion and fire hazard of its use. A rotary detonation internal combustion engine is known [4] (RU 2685175, 09.04.2018 F02B 53/08), containing an inlet and a working section with a middle wall - a section in which the detonation combustion chamber of the fuel is located, locked for the time of complete combustion of the fuel-air mixture by three valves, respectively, for the admission of the fuel-air mixture from the inlet section into the combustion chamber, the release of the working fluid into the working section and for the bleed of gases with residual pressure from the combustion chamber into the atmosphere before the admission of the next portion of the fuel-air mixture into the combustion chamber. In this case, the detonation combustion chamber is made without associated rotating elements that require lubrication, and the engine is cooled by injecting the required amount of water into the working section, thereby obtaining additional water vapor pressure. The disadvantages of this well-known rotary internal combustion engine include the fact that in the detonation combustion chamber (in its middle section) there is no possibility of effective preparation and acceleration (starting and accelerating the transition of combustion to detonation) of the detonation combustion of the fuel-air mixture (fuel pair), given that, as is known, when using air as an oxidizer for such a fuel pair, the efficiency of the internal combustion engine ultimately turns out to be quite limited. A combined rotary-piston internal combustion engine is known [5] (RU 2593858, 24.04.2015 F02B 41/02), consisting of a piston internal combustion engine with a rotary engine located on its working shaft and an exhaust pump, the latter are enclosed in a common working chamber into which exhaust gases from the piston internal combustion engine are discharged. In this case, the volume of the working chamber of the rotary engine exceeds the volume of the cylinder of the piston internal combustion engine (ICE) so much that at the end of the working cycle of the rotary engine, the gas pressure in the working chamber of the rotary engine is slightly lower than atmospheric pressure for effective removal of exhaust gases from the rotary engine. The disadvantages of the known combined rotary engine include the need to combine in the same circuit and design of the power plant such mutually exclusive phenomena and processes of combustion of combustible mixtures as the fight against detonation in piston ICEs and increased fuel and lubricant consumption in rotary engines.

Известны энергетические установки и двигатели внутреннего сгорания с детонационным режимом (видом) горения кислородно-керосинового топлива в жидкостно реактивных установках для ракетно-космической техники и в авиационном двигателестроении [6] (RU 2728931, 02.10.2019 F02K 7/08). При детонационном горении в топливной смеси образуется детонационная волна, которая распространяется (движется) по топливной смеси со сверхзвуковой скоростью. На ударном фронте этой волны и происходит сжигание (детонация) смеси горючего и окислителя путем практически мгновенного и высоко энергетически эффективного превращения их в газообразные высокотемпературные продукты сгорания, необходимые для последующего использования в той или энергетической установке. Детонационный режим горения может существенно повысить термодинамическую эффективность перспективных газотурбинных двигателей (ГТД), поскольку в детонационной волне (ДВ) достигается максимальная скорость выделения химической энергии, запасенной в горючем, а полное давление в детонационной камере сгорания можно повысить примерно на 15-20% по сравнению с обычными камерами сгорания ГТД.Power plants and internal combustion engines with a detonation mode (type) of combustion of oxygen-kerosene fuel in liquid-propellant rocket installations for rocket and space technology and in aircraft engine building are known [6] (RU 2728931, 02.10.2019 F02K 7/08). During detonation combustion, a detonation wave is formed in the fuel mixture, which propagates (moves) through the fuel mixture at supersonic speed. At the shock front of this wave, combustion (detonation) of the mixture of fuel and oxidizer occurs through their almost instantaneous and highly energetically efficient conversion into gaseous high-temperature combustion products necessary for subsequent use in a particular power plant. The detonation combustion mode can significantly increase the thermodynamic efficiency of advanced gas turbine engines (GTE), since the detonation wave (DW) achieves the maximum rate of release of chemical energy stored in the fuel, and the total pressure in the detonation combustion chamber can be increased by approximately 15-20% compared to conventional GTE combustion chambers.

К недостаткам энергетических установок и двигателей внутреннего сгорания с детонационным режимом (видом) горения топливной смеси кислородно-керосинового топлива (топливной пары горючее-окислитель), а также и в целом гомогенной пары с углеводородным горючим соответственно, относится высокая пожаро- и взрывоопасность каждого из этих компонентов в отдельности и тем более в случае их одновременного (совместного) широкого использования при высокой их стоимости.The disadvantages of power plants and internal combustion engines with a detonation mode (type) of combustion of a fuel mixture of oxygen-kerosene fuel (fuel pair fuel-oxidizer), as well as a generally homogeneous pair with hydrocarbon fuel, respectively, include the high fire and explosion hazard of each of these components separately and even more so in the case of their simultaneous (joint) widespread use at their high cost.

Известны способ плазмохимической переработки угля и устройство плазмохимической переработки угля [7] (RU 2538252, 15.09.2011 B01J 19/08), включающие переработку угля потоком низкотемпературной плазмы в камере формирования пленочного потока жидкой среды в виде угольной крошки в водородосодержащем растворителе с содержанием газообразных компонентов, разделение на фракции и сорбционную очистку продукта переработки пленочного потока, а также повторное направление неизрасходованного сырья в камеру подготовки для последующей переработки и смешения с жидкими и/или газообразными веществами донорами водорода.A method for plasma-chemical processing of coal and a device for plasma-chemical processing of coal are known [7] (RU 2538252, 15.09.2011 B01J 19/08), including processing coal with a low-temperature plasma flow in a chamber for forming a film flow of a liquid medium in the form of coal chips in a hydrogen-containing solvent containing gaseous components, separation into fractions and sorption purification of the product of processing of the film flow, as well as redirecting unused raw materials into a preparation chamber for subsequent processing and mixing with liquid and/or gaseous hydrogen donor substances.

К недостаткам этих известных способа и устройства относится то, что что получаемые при этом плазмохимические целевые синтетические продукты переработки угля сами по себе еще не являются достаточными для эффективной конкуренции с энергоносителями нефтяного происхождения, которые главным образом сегодня и используются в таких высокотехнологических отраслях как низкоуглеродная энергетика, космическое, авиационное и транспортное двигателестроение.The disadvantages of these known methods and devices include the fact that the plasma-chemical target synthetic coal processing products obtained in this way are not yet sufficient in themselves to effectively compete with energy sources of oil origin, which are mainly used today in such high-tech industries as low-carbon energy, space, aviation and transport engine building.

Известны плазмохимический способ и установка его осуществления для получения синтез-газа из природного газа (метана) [8] (RU 2699124, 30.01.2019 С01 В 3/24), включающие электродуговой трехфазный плазмотрон, в который подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие. Основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов. Получаемый синтез-газ охлаждают и высвобождающимся при его охлаждении теплом подогревают основной исходный компонент.A plasma-chemical method and an installation for its implementation for producing synthesis gas from natural gas (methane) are known [8] (RU 2699124, 30.01.2019 C01 B 3/24), including an electric arc three-phase plasma torch, into which the main and additional initial components are fed and their plasma-chemical interaction is carried out. The main initial component is fed into the arc chambers, and the additional initial component is fed into the mixing chamber of the electric arc three-phase plasma torch directly at the junction of three electric arc discharges. The resulting synthesis gas is cooled and the heat released during its cooling is used to heat the main initial component.

К недостаткам этих известных способа и установки относится необходимость использования дорогостоящего исходного основного компонента (горючего - топлива) в виде природного газа и относительно низкая температура генерируемой плазмотроном плазмы, что ограничивает интенсивность (скорость) плазмохимического взаимодействия в плазмотроне основного и дополнительного компонентов, а следовательно, снижает производительность и термодинамическую эффективность получения синтез-газа и тем более на последующих стадиях его использования.The disadvantages of these known methods and installations include the need to use an expensive initial main component (fuel) in the form of natural gas and the relatively low temperature of the plasma generated by the plasma torch, which limits the intensity (speed) of the plasma-chemical interaction in the plasma torch of the main and additional components, and therefore reduces the productivity and thermodynamic efficiency of obtaining synthesis gas and especially at subsequent stages of its use.

Известна система подачи топлива судового дизельного двигателя [9] (RU 2761286, 22.04.2021 F02B 43/10), содержащая резервуар для хранения аммиака и резервуар для его испарения, соединенные трубопроводами с фильтровальной камерой и отсечными клапанами, а также резервуар для повышения давления аммиака в топливной системе дизельного двигателя. В дизельном двигателе для повышения экономической эффективности, безопасности и экологической чистоты использования двигателя реализуется режим сгорания топливной смеси путем смешения аммиака с дизельным топливом, имеющим более высокую реакционную способность. К недостаткам такой системы использования, подготовки и подачи исходного топлива относится все же необходимость применения двух видов исходного топлива (аммиака и дизельного топлива) и относительно низкая скорость горения топливной смеси при существующем традиционном (дефлаграционном) сжигании горючих веществ.A known fuel supply system for a marine diesel engine [9] (RU 2761286, 22.04.2021 F02B 43/10) contains a tank for storing ammonia and a tank for its evaporation, connected by pipelines to a filter chamber and shut-off valves, as well as a tank for increasing the ammonia pressure in the fuel system of the diesel engine. In a diesel engine, in order to increase the economic efficiency, safety and environmental friendliness of the engine, a fuel mixture combustion mode is implemented by mixing ammonia with diesel fuel, which has a higher reactivity. The disadvantages of such a system for the use, preparation and supply of the original fuel still include the need to use two types of original fuel (ammonia and diesel fuel) and a relatively low combustion rate of the fuel mixture with the existing traditional (deflagration) combustion of combustible substances.

Наиболее близкой к предлагаемой силовой установке является известная энергетическая установка [10] (RU 2663607, 05.10.2017 F02C 5/00) (прототип), в которой реализуется импульсно-детонационное сжигание ископаемого или синтетического горючего вещества (топлива). Известная установка включает импульсно-детонационную трубу, промежуточный демпфирующий объем, турбонагнетатель, а также системы для подачи воздуха и горючего, зажигания и охлаждения установки. К импульсно-детонационной трубе присоединены зубчатый маховик в герметичном корпусе и промежуточный демпфирующий объем, из которого высокотемпературные продукты детонации подаются потребителям для получения тепловой, механической и электрической энергии. К недостаткам известной установки по прототипу можно отнести то, что в силу недостаточной изученности на сегодняшний день условий формирования (инициирования) ударных волн и перехода горения в детонацию (ПГД) для гетерогенных горючих веществ, в том числе и для многих исходных энергоносителей и топлив обладающих свойствами последних, которые достаточно широко применяются сегодня на практике, остается нерешенным вопрос о существовании и тем более эффективном управлении непрерывным и/или импульсным детонационно-взрывным горении, что сдерживает область практического применения известной по прототипу энергоустановки.The closest to the proposed power plant is the known power plant [10] (RU 2663607, 05.10.2017 F02C 5/00) (prototype), which implements pulse-detonation combustion of fossil or synthetic combustible substance (fuel). The known plant includes a pulse-detonation tube, an intermediate damping volume, a turbocharger, as well as systems for supplying air and fuel, ignition and cooling the plant. A toothed flywheel in a sealed casing and an intermediate damping volume, from which high-temperature detonation products are supplied to consumers to obtain thermal, mechanical and electrical energy, are connected to the pulse-detonation tube. The disadvantages of the known prototype installation include the fact that, due to the insufficient study to date of the conditions for the formation (initiation) of shock waves and the transition of combustion into detonation (TCD) for heterogeneous combustible substances, including many initial energy carriers and fuels with the properties of the latter, which are widely used today in practice, the question of the existence and, moreover, the effective control of continuous and/or pulsed detonation-explosive combustion remains unresolved, which restrains the scope of practical application of the power installation known from the prototype.

Существенным признаком предлагаемой энергобезопасной комбинированной силовой энергетической установки, совпадающим с признаками аналога - прототипа, является использование в камере детонационно-взрывного сгорания непрерывного спинового и/или импульсного детонационного горения топливной смеси горючих веществ, обладающих способностью к инициированию, переходу и устойчивому детонационному горению исходного топлива в виде того или иного первичного энергоносителя.An essential feature of the proposed energy-safe combined power plant, which coincides with the features of the prototype analogue, is the use in the detonation-explosive combustion chamber of continuous spin and/or pulsed detonation combustion of a fuel mixture of combustible substances that have the ability to initiate, transition and stable detonation combustion of the original fuel in the form of one or another primary energy carrier.

Целью предлагаемого изобретения является создание силовой энергетической установки более высокого технического уровня за счет комбинированного совместного использования различных конструктивно-технических схем энергетических установок и принципов конверсии, преобразования и использования внутренней химической энергии первичных энергоносителей в виде ископаемых и синтетических горючих веществ и/или их смесей.The aim of the proposed invention is to create a power plant of a higher technical level due to the combined joint use of various design and technical schemes of power plants and principles of conversion, transformation and use of the internal chemical energy of primary energy carriers in the form of fossil and synthetic combustible substances and/or their mixtures.

Задача предлагаемого изобретения состоит в получении высокотемпературных, высокоскоростных струй продуктов сгорания относительно безопасного в производстве, транспортировке, хранении и использовании исходного топлива путем ударных волн, генерируемых с помощью непрерывного спинового и/или импульсного детонационно-взрывного сгорания исходного топлива, а также в эффективном преобразовании высокоэнергетических струй его сгорания для выдачи потребителям механической, электрической и/или тепловой энергии. Техническим результатом осуществления и использования предлагаемого изобретения является обеспечение возможности работы установки по унифицированному высокоэффективному способу сжигания различных по агрегатному состоянию и теплотворной способности энергоносителей, включая более дешевые и доступные первичные энергоносители (исходные топлива), с повышением степени пожаро- и взрывобезопасности силовой энергетической установки. Достижение технического результата обеспечивается тем, что энергобезопасная комбинированная силовая энергетическая установка, содержащая бак исходного энергоносителя-топлива, соединительные трубопроводы, топливо-подающую и запорно-регулирующую аппаратуру для формирования и зажигания топливной смеси, смазки и охлаждения, электрогидравлический микропроцессорный блок управления, камеру непрерывного спинового или импульсно-детонационного горения топливной смеси, электродуговой плазмохимический генератор синтез-газа, а также поршневой и/или газотурбинный привод для преобразования в механическую работу потенциальной и кинетической энергии высокотемпературных газообразных продуктов сжигания исходного энергоносителя-топлива, отличающаяся тем, что силовая энергоустановка снабжена электродуговым генератором синтез-газа - плазмотроном постоянного или переменного тока с совмещенным или вынесенным факелом электрической дуги, вход которого через топливный насос низкого давления соединен с топливным баком, а его выход соединен через клапан микропроцессорного блока управления с одним из входов камеры сгорания, обеспечивающей детонационно-взрывное сгорание смеси синтез-газа и исходного топлива, поступающего через насос высокого давления на другой вход камеры детонационно-взрывного сгорания, ее выход непосредственно или через демпфирующий резервуар подается на вход поршневого и/или газотурбинного привода, каналами для охлаждения плазмотрона и камеры сгорания топливной смеси с топливным баком и/или с демпфирующим резервуаром для охлаждения двигателя, в состав энергоустановки дополнительно включено устройство инициирования и акселерации перехода горения топливной смеси в детонацию и взрывное сгорание, один из входов устройства акселерации соединен со впускным коллектором через свои теплообменные полости со входом насоса высокого давления, а другой его вход соединен с выходами используемых приводов, преобразующих энергию газообразных продуктов сжигания топлива в требуемый потребителям вид энергии, обеспечивая также отвод отработанных газов в окружающее пространство.The objective of the proposed invention is to obtain high-temperature, high-speed jets of combustion products of the initial fuel that is relatively safe to produce, transport, store and use by means of shock waves generated by means of continuous spin and/or pulsed detonation-explosive combustion of the initial fuel, as well as in the efficient conversion of high-energy jets of its combustion for the delivery of mechanical, electrical and/or thermal energy to consumers. The technical result of the implementation and use of the proposed invention is to ensure the possibility of operating the plant using a unified, highly efficient method for burning energy carriers of various aggregate states and calorific values, including cheaper and more accessible primary energy carriers (initial fuels), with an increase in the degree of fire and explosion safety of the power plant. The achievement of the technical result is ensured by the fact that the energy-safe combined power plant, containing a tank of the initial energy carrier-fuel, connecting pipelines, fuel-feeding and shut-off and control equipment for the formation and ignition of the fuel mixture, lubrication and cooling, an electrohydraulic microprocessor control unit, a chamber for continuous spin or pulse-detonation combustion of the fuel mixture, an electric arc plasma-chemical generator of synthesis gas, as well as a piston and/or gas turbine drive for converting the potential and kinetic energy of high-temperature gaseous products of combustion of the initial energy carrier-fuel into mechanical work, characterized in that the power plant is equipped with an electric arc generator of synthesis gas - a direct or alternating current plasma torch with a combined or remote electric arc torch, the input of which is connected to the fuel tank through a low-pressure fuel pump, and its output is connected through a valve of the microprocessor control unit to one of inlets of the combustion chamber, providing detonation-explosive combustion of the mixture of synthesis gas and the initial fuel, supplied through the high-pressure pump to the other inlet of the detonation-explosive combustion chamber, its outlet directly or through the damping reservoir is fed to the inlet of the piston and/or gas turbine drive, channels for cooling the plasma torch and the combustion chamber of the fuel mixture with the fuel tank and/or with the damping reservoir for cooling the engine, the power plant additionally includes a device for initiating and accelerating the transition of combustion of the fuel mixture to detonation and explosive combustion, one of the inlets of the acceleration device is connected to the intake manifold through its heat exchange cavities with the inlet of the high-pressure pump, and its other inlet is connected to the outputs of the used drives, converting the energy of the gaseous products of fuel combustion into the type of energy required by consumers, also ensuring the removal of exhaust gases into the surrounding space.

Предлагаемое изобретение изображено и поясняется иллюстрациями, представленными на фигурах 1-5.The proposed invention is depicted and explained by the illustrations presented in Figures 1-5.

На фигуре 1 показаны: 1 топливный бак; 2 -отсечной клапан; 3 - впускной коллектор; 4 - топливопровод подачи исходного топлива; 5 - устройство инициирования и акселерации детонационно-взрывного горения топлива; 6 - трубопроводы подачи исходного топлива и электрические цепи и каналы охлаждения электрогидравлического микропроцессорного блока управления силовой установки; 7 - электрогидравлический микропроцессорный блок управления; 8 - топливный насос подачи низкого давления исходного топлива; 9 - топливный насос подачи исходного топлива высокого давления; 10 - электродуговой плазмохимический генератор синтез-газа (плазмотрон); 11 - трубопровод подачи синтез-газа; 12 - камера детонационно-взрывного сгорания синтез-газа и исходного топлива; 13 - трубопровод подачи исходного топлива высокого давления; 14 - информационно-управляющие цепи и каналы охлаждения камеры детонационно-взрывного сгорания топливной смеси исходного топлива и синтез-газа; 15 - демпфирующий резервуар, сопряженный с выходом высокотемпературных продуктов сгорания детонационно-взрывной камеры сгорания смеси исходного топлива и синтез-газа; 16 - трубопровод выдачи пульсационно сглаженных высокоэнергетических газообразных продуктов детонационно-взрывного сгорания топлива; 17 - газотурбинный и/или роторно-поршневой привод; 18 - приводной вал (канал выдачи энергии) газовой турбины; 19 - устройство (узел) согласования и выдачи вырабатываемой энергии; 20 - канал выдачи энергии; 21 - преобразователь энергии собственных нужд; 22 - канал (цепь) подачи энергии собственных нужд; 23 - канал выдачи газообразных отработанных продуктов сгорания топлива; 24 - выходная полость отвода отработанных газов акселератора детонационно-взрывного сгорания топлива; 25 - теплообменный канал (полость) акселератора для предварительного подогрева исходного топлива. На фигуре 2 представлены те же элементы установки, обозначенные теми же цифровыми позициями соответственно, что и на фиг. 1. Дополнительно здесь изображены: 26 - трехсекционный роторный двигатель детонационного сгорания топлива с разделенными рабочими полостями (секциями) с защитной оболочкой (корпусом); 27 - входная секция роторного двигателя; 12 - камера детонационно-взрывного сгорания - средняя (разделительная) секция роторного двигателя; 28 - рабочая (выходная) секция. На фигуре 3 представлены те же элементы установки, обозначенные теми же цифровыми позициями соответственно, что и на фиг. 1. Дополнительно здесь изображены: 29 - котел-утилизатор; 30 - паровая турбина; 31 - паросиловой энергоблок.Figure 1 shows: 1 - fuel tank; 2 - shut-off valve; 3 - intake manifold; 4 - fuel line for feeding the original fuel; 5 - device for initiating and accelerating detonation-explosive combustion of fuel; 6 - pipelines for feeding the original fuel and electrical circuits and cooling channels of the electrohydraulic microprocessor control unit of the power plant; 7 - electrohydraulic microprocessor control unit; 8 - fuel pump for feeding low pressure original fuel; 9 - fuel pump for feeding high pressure original fuel; 10 - electric arc plasma-chemical generator of synthesis gas (plasma torch); 11 - pipeline for feeding synthesis gas; 12 - chamber for detonation-explosive combustion of synthesis gas and original fuel; 13 - pipeline for feeding high pressure original fuel; 14 - information and control circuits and cooling channels of the chamber of detonation-explosive combustion of the fuel mixture of the original fuel and synthesis gas; 15 - a damping reservoir coupled with the outlet of high-temperature combustion products of the detonation-explosive combustion chamber of the mixture of the original fuel and synthesis gas; 16 - a pipeline for dispensing pulsation-smoothed high-energy gaseous products of detonation-explosive combustion of fuel; 17 - a gas turbine and/or rotary-piston drive; 18 - a drive shaft (energy output channel) of a gas turbine; 19 - a device (unit) for matching and dispensing the generated energy; 20 - an energy output channel; 21 - an auxiliary energy converter; 22 - a channel (circuit) for supplying auxiliary energy; 23 - a channel for dispensing gaseous exhaust products of fuel combustion; 24 - outlet cavity for removing exhaust gases of the detonation-explosive combustion accelerator; 25 - heat exchange channel (cavity) of the accelerator for preliminary heating of the initial fuel. Figure 2 shows the same elements of the installation, designated by the same digital positions, respectively, as in Fig. 1. Additionally shown here: 26 - a three-section rotary detonation combustion engine with separated working cavities (sections) with a protective shell (housing); 27 - the inlet section of the rotary engine; 12 - the detonation-explosive combustion chamber - the middle (separating) section of the rotary engine; 28 - the working (output) section. Figure 3 shows the same elements of the installation, designated by the same digital positions, respectively, as in Fig. 1. Additionally shown here: 29 - a waste heat boiler; 30 - a steam turbine; 31 - steam power unit.

На фигуре 4 представлены те же элементы установки, обозначенные теми же цифровыми позициями соответственно, что и на фиг. 1. Дополнительно здесь показаны: 32 - газотурбинный энергоблок; 33 - газовая турбина; 34 - блок выдачи энергии внутренним и внешним потребителям. На фигуре 5 представлены те же элементы установки, обозначенные теми же цифровыми позициями соответственно, что и на фиг. 1. Дополнительно здесь показаны только изменения, касающиеся схемы выполнения резервуара исходного топлива при использовании аммиака: 1.1 - первый бак исходного аммиака; 1.2 - второй бак отфильтрованного топлива; 2 - отсечной фильтрующий клапан с защитой соединительного трубопровода и датчиками аварийных утечек аммиака.Figure 4 shows the same elements of the installation, designated by the same digital positions, respectively, as in Fig. 1. Additionally shown here are: 32 - gas turbine power unit; 33 - gas turbine; 34 - unit for delivering energy to internal and external consumers. Figure 5 shows the same elements of the installation, designated by the same digital positions, respectively, as in Fig. 1. Additionally shown here are only the changes concerning the design of the initial fuel tank when using ammonia: 1.1 - first tank of initial ammonia; 1.2 - second tank of filtered fuel; 2 - shut-off filter valve with protection of the connecting pipeline and sensors for emergency ammonia leaks.

Схемы реализации (осуществления) предлагаемой энергобезопасной комбинированной силовой энергетической установки заключаются в следующем. Топливный бак 1 энергоустановки имеет отсечной клапан 2 (фиг. 1-4) или же (фиг. 5) состоящий как бы из двух частей 1.1 и 1.2, соединенных между собой через защитный отсечной фильтрующий клапан 2 с датчиками аварийных утечек при использовании в качестве исходного топлива аммиака. Как видно топливные баки энергоустановки выполняются по известным схемам, что так или иначе определяется применяемым видом и агрегатным состоянием применяемого в ней исходного энергоносителя (топлива), которое подается во впускной коллектор 3 по трубопроводу 4. Во всех схемах работа предлагаемой установки происходит с помощью трех как бы основных устройств. Одним из основных элементов силовой энергоустановки, условно называемым первым, является устройство инициирования и акселерации детонационно-взрывного горения топлива (акселератор) 5, которое трубопроводами 6, соединено с другим (условно названным вторым) основным элементом энергоустановки, выполненным в виде электрогидравлического микропроцессорного блока управления 7, который с системой датчиков информации и управляющих клапанов формирует и подает из входного коллектора 4 исходное топливо на топливный насос низкого давления 8 и топливный насос высокого давления 9. Исходное топливо от насоса низкого давления 8 подается на вход электродугового плазмохимического генератора синтез-газа (плазмотрона) 10, который трубопроводом 11 подключен к третьему основному элементу энергоустановки, выполненному в виде камеры 12 для непрерывного спинового или импульсного детонационно-взрывного сгорания синтез-газа и исходного топлива, поступающего в камеру 12 от насоса высокого давления 9 по трубопроводу 13. Вся работа детонационно-взрывной камеры сгорания 12, включая ее охлаждение, производится по командам и алгоритмам управления от микропроцессорного блока управления 7 через информационно-управляющие цепи и каналы 14 для подачи топливной смеси исходного топлива и синтез-газа, а также условно не показанные каналы охлаждения камеры детонационно-взрывного сгорания 12. Важными особенностями работы и схемы выполнения камеры сгорания детонационно-взрывного сгорания 12 по сравнению с известными камерами непрерывного спинового или импульсного детонационного горения является обеспечение возможности именно взрывного характера сжигания горючих составляющих исходного топлива и дополнительных компонентов к нему, используемых в процессе подготовки и сжигания рабочей топливной смеси. В целом это достигается тем, что камера детонационно-взрывного сгорания 12 работает в циклическом - дискретном режиме под управлением микропроцессорного блока управления 7 и акселератора 5, имеющего ускоритель перехода горения в детонацию (ускоритель ПГД) и инициатор горения-взрыва, с одновременным повышением при этом и энергетической безопасности (энергобезопасности) работы установки в самом широком смысле. Последнее подразумевает как бы внутреннее (непосредственно в самой силовой энергоустановке) снижение пожарной и взрывной опасности переработки исходного топлива, а также внешнюю составляющую с позиций экологической чистоты добычи, транспортировки, хранения и производства исходных энергоносителей (топлив) или же для удовлетворения других специальных требований по условиям использования и применения предлагаемой силовой установки, как например, для силовых установок оборонной промышленной сферы. В конечном итоге особый интерес представляет создание предлагаемых силовых установок с использованием в них альтернативных экологически чистых инновационных высокореакционных энергоносителей и топлив в виде диметилового эфира (ДМЭ) и/или электролизного водорода, производимых на основе относительно дешевых и доступных первичных источников энергии в виде тонкодисперсной водоугольной суспензии (водоугольного топлива ВУТ).The implementation (carrying out) schemes of the proposed energy-safe combined power energy plant are as follows. The fuel tank 1 of the power plant has a shut-off valve 2 (Fig. 1-4) or (Fig. 5) consisting of two parts 1.1 and 1.2, connected to each other through a protective shut-off filter valve 2 with emergency leak sensors when using ammonia as the initial fuel. As can be seen, the fuel tanks of the power plant are made according to known schemes, which is determined in one way or another by the type and aggregate state of the initial energy carrier (fuel) used in it, which is fed to the inlet manifold 3 through the pipeline 4. In all schemes, the operation of the proposed plant occurs with the help of three, so to speak, main devices. One of the main elements of the power plant, conventionally called the first, is the device for initiating and accelerating the detonation-explosive combustion of fuel (accelerator) 5, which is connected by pipelines 6 to another (conventionally called the second) main element of the power plant, made in the form of an electrohydraulic microprocessor control unit 7, which, with a system of information sensors and control valves, forms and supplies the initial fuel from the input manifold 4 to the low-pressure fuel pump 8 and the high-pressure fuel pump 9. The initial fuel from the low-pressure pump 8 is fed to the input of the electric arc plasma-chemical generator of synthesis gas (plasma torch) 10, which is connected by pipeline 11 to the third main element of the power plant, made in the form of a chamber 12 for continuous spin or pulsed detonation-explosive combustion of synthesis gas and the initial fuel entering the chamber 12 from the high-pressure pump 9 through the pipeline 13. All work of the detonation-explosion combustion chamber 12, including its cooling, is performed according to commands and control algorithms from the microprocessor control unit 7 through the information-control circuits and channels 14 for feeding the fuel mixture of the initial fuel and synthesis gas, as well as the cooling channels of the detonation-explosive combustion chamber 12, which are not shown. Important features of the operation and design of the detonation-explosive combustion chamber 12 in comparison with known chambers of continuous spin or pulsed detonation combustion is the provision of the possibility of the explosive nature of combustion of the combustible components of the initial fuel and additional components to it, used in the process of preparing and burning the working fuel mixture. In general, this is achieved by the fact that the detonation-explosive combustion chamber 12 operates in a cyclic-discrete mode under the control of the microprocessor control unit 7 and the accelerator 5, which has an accelerator of the transition of combustion to detonation (accelerator PGD) and an initiator of combustion-explosion, with a simultaneous increase in the energy safety (energy security) of the operation of the plant in the broadest sense. The latter implies both an internal (directly in the power plant itself) reduction in the fire and explosion hazard of processing the original fuel, as well as an external component from the standpoint of environmental friendliness of the extraction, transportation, storage and production of the original energy carriers (fuels) or to meet other special requirements for the conditions of use and application of the proposed power plant, such as for power plants in the defense industrial sphere. Ultimately, of particular interest is the creation of the proposed power plants using alternative environmentally friendly innovative highly reactive energy carriers and fuels in the form of dimethyl ether (DME) and/or electrolytic hydrogen, produced on the basis of relatively cheap and accessible primary energy sources in the form of finely dispersed coal-water suspension (coal-water fuel VUT).

Кроме того, водоугольное топливо само по себе (по определению) является наиболее энергобезопасным в указанном выше широком смысле, но является так называемой гетерогенной топливной смесью, обладает весьма низкой способностью с позиций инициирования и устойчивого детонационного горения. При этом очень давно уже известно, что детонация и взрывы угольной пыли (углерода) в замкнутом подземном пространстве угольных шахт с чудовищными энергетическими проявлениями имеют место быть и многократно происходили ранее. Это дает основания для возможности осуществления детонационно-взрывного горения водоугольного топлива в камере сгорания 12 предлагаемой комбинированной силовой энергобезопасной установки. Поэтому высокопотенциальные струи детонационно-взрывного сгорания смеси исходного топлива и синтез-газа из камеры 12 подаются на демпфирующий резервуар 15, сопряженный с выходом детонационно-взрывной камеры, и далее по трубопроводу 16 на газотурбинный привод (ГТД) 17. На выходном валу 18 газовой турбины имеется устройство (узел) выдачи вырабатываемой энергии 19, которая по каналу 20 через преобразователь 21 и канал (цепь) 22 подается на собственные нужды самой силовой энергоустановки. Энергия ГТД 17 по каналу 20 поступает также и внешним по отношению к энергоустановке потребителям, а отработанные газы по каналу выдачи 23 поступают в выходную полость отвода 24 акселератора 5 и идут на выхлоп.При этом они охлаждаются до температуры окружающей среда за счет теплопередачи тепловой энергии в теплообменном канале (полости) подогрева 25 акселератора 5, поступающим исходным топливом из топливного бака 1. Кроме того, по командам и каналам 14 микропроцессорного блока управления 7 часть отработанных газов, состоящих из инертного газа СО₂ и некоторых других сопутствующих компонентов, отбирается и подается в камеру детонационно-взрывного сгорания 12, а также на вход электродугового плазмохимического генератора синтез-газа (плазмотрона) 10. Это обеспечивает определенное (некоторое) улавливание и рециркуляцию СО₂ и тем самым как бы «замыкание» топливного цикла использования исходного энергоносителя (топлива), что способствует повышению безопасности и эффективности работы самой силой установки, а также повышению энергетической безопасности применения и использования двигателей внутреннего сгорания в целом в указанном выше более широком смысле.In addition, coal-water fuel itself (by definition) is the most energy-safe in the broad sense specified above, but is a so-called heterogeneous fuel mixture, has a very low ability from the standpoint of initiation and stable detonation combustion. At the same time, it has been known for a very long time that detonation and explosions of coal dust (carbon) in a closed underground space of coal mines with monstrous energy manifestations take place and have occurred many times before. This provides grounds for the possibility of implementing detonation-explosive combustion of coal-water fuel in combustion chamber 12 of the proposed combined energy-safe power plant. Therefore, high-potential jets of detonation-explosive combustion of the mixture of the initial fuel and synthesis gas from chamber 12 are fed to damping reservoir 15, coupled with the outlet of the detonation-explosion chamber, and then through pipeline 16 to gas turbine drive (GTD) 17. On the output shaft 18 of the gas turbine there is a device (unit) for delivering the generated energy 19, which is fed through channel 20 through converter 21 and channel (circuit) 22 for the own needs of the power plant itself. The energy of the GTE 17 is also supplied via channel 20 to consumers external to the power plant, and the exhaust gases via the discharge channel 23 are supplied to the outlet cavity of the branch 24 of the accelerator 5 and are exhausted. In this case, they are cooled to the ambient temperature due to the heat transfer of thermal energy in the heat exchange channel (cavity) of the heating 25 of the accelerator 5, supplied by the initial fuel from the fuel tank 1. In addition, according to the commands and channels 14 of the microprocessor control unit 7, part of the exhaust gases, consisting of inert gas CO ₂ and some other accompanying components, are collected and fed to the detonation-explosive combustion chamber 12, as well as to the input of the electric arc plasma-chemical synthesis gas generator (plasma torch) 10. This ensures a certain (some) capture and recirculation of CO ₂ and thus, as it were, “closing” the fuel cycle of using the original energy source (fuel), which contributes to increasing the safety and efficiency of the operation of the power plant itself, as well as increasing the energy safety of the application and use of internal combustion engines in general in the broader sense indicated above.

Отличительная особенность выполнения и работы предлагаемой энергобезопасной силовой комбинированной энергетической установки, представленной на фиг. 2, заключается в том, что камера детонационно-взрывного сгорания 12 выполнена (является) как составная часть трехсекционного роторного двигателя внутреннего сгорания 26 с разделенным циклом, имеющим входную секцию 27 и рабочую (выходную) секцию 28, между которыми находится разделительная секция (стенка) в виде камеры детонационно-взрывного сгорания 12. В остальном работа предлагаемой энергоустановки в этом варианте осуществляется таким же образом, как и в предыдущем случае, представленном на фиг. 1. При этом достигается значительное упрощение конструктивной схемы всей силовой установки и, как известно, в частности, возможность значительного снижения ее габаритных размеров при масштабировании, которая присуща поршневым, газотурбинным и роторным двигателям в отличие, например, от все еще широко используемых паросиловых установок. Однако в известных роторных двигателях имеются и определенные недостатки, заключающиеся в повышенном расходе исходного топлива и смазочных материалов. Это в значительной мере компенсируется возможностью применения в предлагаемых силовых энергетических установках, работающих по схемам, которые представлены на фиг. 1 и на фиг. 2, возможностью использования значительно более дешевых и доступных исходных энергоносителей в виде водоугольного топлива, а в более широком плане и альтернативных экологически чистых инновационных энергоносителей и топлив в виде диметилового эфира и/или электролизного водорода. Более того, на основе комбинирования схем работы роторных двигателей и поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) предлагаемая силовая энергетическая установка по схеме на фиг. 2 содержит в своем корпусе (единой оболочке) 26 поршневой двигатель внутреннего сгорания 27, соединенный (питающийся) с выходом электродугового плазмохимического генератора синтез-газа (плазмотрона) 10. Поршневой ДВС 27 при этом является входной секцией роторного двигателя, а выход камеры детонационно-взрывного сгорания 12 соединяется с рабочей (выходной) секцией 28 роторного двигателя.A distinctive feature of the design and operation of the proposed energy-safe combined power plant shown in Fig. 2 is that the detonation-explosive combustion chamber 12 is made (is) an integral part of a three-section rotary internal combustion engine 26 with a split cycle having an input section 27 and a working (output) section 28, between which there is a dividing section (wall) in the form of a detonation-explosive combustion chamber 12. Otherwise, the operation of the proposed power plant in this embodiment is carried out in the same way as in the previous case shown in Fig. 1. In this case, a significant simplification of the design scheme of the entire power plant is achieved and, as is known, in particular, the possibility of a significant reduction in its overall dimensions during scaling, which is inherent in piston, gas turbine and rotary engines in contrast, for example, to the still widely used steam power plants. However, the known rotary engines also have certain disadvantages, consisting in the increased consumption of the initial fuel and lubricants. This is largely compensated by the possibility of using in the proposed power plants, operating according to the schemes shown in Fig. 1 and Fig. 2, the possibility of using significantly cheaper and more accessible initial energy carriers in the form of coal-water fuel, and, more broadly, alternative environmentally friendly innovative energy carriers and fuels in the form of dimethyl ether and/or electrolytic hydrogen. Moreover, based on a combination of the operating schemes of rotary engines and piston internal combustion engines (ICE), the proposed power plant according to the scheme in Fig. 2 contains in its housing (single shell) 26 a piston internal combustion engine 27, connected (fed) to the output of an electric arc plasma-chemical synthesis gas generator (plasma torch) 10. The piston internal combustion engine 27 is the input section of the rotary engine, and the output of the detonation-explosive combustion chamber 12 is connected to the working (output) section 28 of the rotary engine.

Сегодня в традиционной тепловой генерации с использованием ископаемых горючих веществ (энергоносителей) в виде угля, нефти, газа и даже урана для атомной энергетики, все еще достаточно широко используется паросиловой цикл преобразования энергии с помощью тех или иных котлоагрегатов, парогенераторов и паровых турбин, в которых так или иначе уже почти достигнуты пределы и потенциальные возможности дальнейшего повышения термодинамической эффективности, не говоря уже о повышении энергетической безопасности во всех ее многоаспектных проявлениях. Поэтому значительный практический интерес представляет осуществление и применение предлагаемой комбинированной энергоустановки с детонационно-взрывным сжиганием исходного топлива путем использования в них паровых турбин со сверхкритическими параметрами пара, но как это показано на фиг. 1. В этой схеме реализации и работы предлагаемой энергобезопасной силовой энергоустановки, представленном на фиг. 3, она имеет (включает) котел-утилизатор 29, скомпонованный с паровой турбиной 30 в виде паросилового энергоблока 31, который в свою очередь последовательно соединен с выходом камеры детонационно-взрывного сгорания 12 через демпфирующий резервуар 15. Следующим этапом в переходе традиционной тепловой энергетики с использованием ископаемых энергоносителей от паросилового цикла может явиться осуществление схемы предлагаемой энергоустановки как это показано на фиг. 4. Здесь реализуется более эффективный газотурбинный цикл преобразования энергии за счет того, что предлагаемая энергоустановка содержит газотурбинный энергоблок 32, включающий газовую турбину 33, соединенную через демпфирующий резервуар 15 с выходом камеры детонационно-взрывного сгорания 12. Устройство (блок) выдачи вырабатываемой энергии 34, находящееся на приводном валу 35 газовой турбины 33, которое выполняется в том или ином виде в зависимости от того, какой вид вырабатываемой установкой энергии является необходимым и подается внешним и внутренним потребителям. Наиболее универсальным, разумеется, при этом, является выполнение блока 34 в виде генератора электрической энергии, являющейся наиболее ценным и высокоэффективным видом энергии, широко использующимся во всех сферах жизнедеятельности. Выход блока 34 по соответствующему каналу 18 далее, как и в предыдущих схемах осуществления предлагаемой энергоустановки, поступает на устройство 19.Today, in traditional thermal generation using fossil fuels (energy carriers) in the form of coal, oil, gas and even uranium for nuclear power, the steam power cycle of energy conversion is still widely used with the help of certain boiler units, steam generators and steam turbines, in which the limits and potential possibilities for further increasing thermodynamic efficiency have already been almost reached, not to mention increasing energy safety in all its multi-aspect manifestations. Therefore, the implementation and application of the proposed combined power plant with detonation-explosive combustion of the original fuel by using steam turbines with supercritical steam parameters in them is of considerable practical interest, but as shown in Fig. 1. In this scheme of implementation and operation of the proposed energy-safe power plant, shown in Fig. 3, it has (includes) a waste heat boiler 29, assembled with a steam turbine 30 in the form of a steam power unit 31, which in turn is sequentially connected to the outlet of the detonation-explosive combustion chamber 12 through a damping tank 15. The next stage in the transition of traditional thermal energy using fossil energy carriers from the steam power cycle may be the implementation of the proposed power plant scheme as shown in Fig. 4. Here, a more efficient gas turbine energy conversion cycle is implemented due to the fact that the proposed power plant contains a gas turbine power unit 32, including a gas turbine 33, connected through a damping tank 15 to the outlet of the detonation-explosive combustion chamber 12. A device (block) for delivering generated energy 34, located on the drive shaft 35 of the gas turbine 33, which is implemented in one form or another depending on what type of energy generated by the plant is necessary and is supplied to external and internal consumers. The most universal, of course, is the implementation of block 34 in the form of a generator of electric energy, which is the most valuable and highly efficient type of energy, widely used in all spheres of life. The output of block 34 through the corresponding channel 18 then, as in the previous schemes for implementing the proposed power plant, goes to device 19.

Одним из относительно безопасных в широком смысле и все более широко использующимся сегодня в качестве исходного топлива является, в частности, аммиак для судовых дизельных двигателей внутреннего сгорания. Схема реализации и работы предлагаемой энергобезопасной комбинированной энергетической установки для этого коммерчески перспективного применения представлена на фиг. 5. Здесь так или иначе реализуются все перечисленные схемно-технические решения и дополнительно добавлены только изменения, касающиеся выполнения топливного бака для хранения и последующего использования аммиака. В этом случае бак исходного топлива состоит из двух частей, а именно: первый бак 1.1 для хранения аммиака и второй бак 1.2 отфильтрованного топлива, соединенных трубопроводом через отсечной фильтрующий клапан 2 с датчиками аварийных утечек аммиака. В остальном работа предлагаемой силовой энергоустановки остается без изменений и дополнительных пояснений не требует.One of the relatively safe in a broad sense and increasingly widely used today as a source fuel is, in particular, ammonia for marine diesel internal combustion engines. The scheme of implementation and operation of the proposed energy-safe combined power plant for this commercially promising application is shown in Fig. 5. Here, all the listed circuit and technical solutions are implemented in one way or another and only changes are additionally added concerning the implementation of the fuel tank for storing and subsequent use of ammonia. In this case, the source fuel tank consists of two parts, namely: the first tank 1.1 for storing ammonia and the second tank 1.2 for filtered fuel, connected by a pipeline through a shut-off filter valve 2 with sensors for emergency ammonia leaks. Otherwise, the operation of the proposed power plant remains unchanged and does not require additional explanations.

Как уже отмечалось выше во всех описанных схемах осуществления и работы предлагаемой силовой энергетической установки как бы основными являются следующие три входящие в установку схемно-технические составляющие (устройства), а именно: электрогидравлический микропроцессорный блок управления 7, камера детонационно-взрывного сгорания синтез-газа и исходного топлива 12, а также устройство инициирования и акселерации детонационно-взрывного сгорания (акселератор) 5. Каждое из этих устройств в рамках своего функционального назначения выполняет и вносит свой существенный и отличительный вклад в работу энергетической установки, а также в обеспечение достижения поставленных целей и решение задач по получению технического результата при реализации предлагаемого изобретения.As already noted above, in all the described schemes for the implementation and operation of the proposed power energy plant, the following three circuit and technical components (devices) included in the plant are, as it were, the main ones, namely: the electrohydraulic microprocessor control unit 7, the chamber for detonation-explosive combustion of synthesis gas and the initial fuel 12, as well as the device for initiating and accelerating detonation-explosive combustion (accelerator) 5. Each of these devices, within the framework of its functional purpose, performs and makes its own significant and distinctive contribution to the operation of the power plant, as well as to ensuring the achievement of the set goals and solving the problems of obtaining a technical result when implementing the proposed invention.

В целом путем изложенной схемно-технической интеграции (соединения) этих основных устройств с другими составляющими, входящими в предлагаемую энергобезопасную комбинированную силовую энергетическую установку (ЭКСЭУ), а также с использованием соответствующего для них программно-алгоритмического взаимодействия (обеспечения), описанная выше силовая энергоустановка обеспечивает получение новых и существенно важных возможностей и путей повышения энергоэффективности и энергобезопасности в широкой области условий применения силовых энергетических установок, таких прежде всего, как двигатели космической и авиационной техники, наземных и морских транспортных средств, а также объекты генерации малой и большой тепловой энергетики.In general, by means of the described circuit and technical integration (connection) of these main devices with other components included in the proposed energy-safe combined power plant (ESCPPP), as well as using the corresponding software and algorithmic interaction (support) for them, the power plant described above provides new and essential opportunities and ways of increasing energy efficiency and energy security in a wide range of conditions for the use of power plants, such as, first of all, engines of space and aviation equipment, land and sea vehicles, as well as small and large thermal power generation facilities.

Claims

An energy-safe combined power plant comprising a tank of the initial energy carrier-fuel, connecting pipelines, fuel supply and shut-off and control equipment for forming and igniting the fuel mixture, lubrication and cooling, an electrohydraulic microprocessor control unit, a chamber for continuous spin or pulse-detonation combustion of the fuel mixture, an electric arc plasma-chemical generator of synthesis gas, as well as a piston and/or gas turbine drive for converting the potential and kinetic energy of high-temperature gaseous products of combustion of the initial energy carrier-fuel into mechanical work, characterized in that the power plant is equipped with an electric arc generator of synthesis gas - a direct or alternating current plasma torch with a combined or remote electric arc torch, the inlet of which is connected to the fuel tank through a low-pressure fuel pump, and its outlet is connected through a valve of the microprocessor control unit to one of the inlets of the combustion chamber, providing detonation-explosive combustion of a mixture of synthesis gas and the initial fuel supplied through a high-pressure pump to another input of the detonation-explosive combustion chamber, its output directly or through a damping reservoir is fed to the input of a piston and/or gas turbine drive, channels for cooling the plasma torch and the combustion chamber of the fuel mixture with a fuel tank and/or with a damping reservoir for cooling the engine, the power plant additionally includes a device for initiating and accelerating the transition of combustion of the fuel mixture to detonation and explosive combustion, one of the inputs of the acceleration device is connected to the intake manifold through its heat exchange cavities with the input of the high-pressure pump, and its other input is connected to the outputs of the drives used, converting the energy of the gaseous products of fuel combustion into the type of energy required by consumers, also ensuring the removal of exhaust gases into the surrounding space.