Компоновка модуля подачи и отведения технологических газов

Полезная модель относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначена для подачи технологических газов в горячий бокс энергоустановки и отведения переработанных технологических газов из горячего бокса энергоустановки. Задачей технического решения является оптимизация подготовительного этапа работы энергоустановок на топливных элементах, обеспечение оптимального режима работы топливного элемента энергоустановки, а так же повышение безопасности энергоустановки на топливных элементах. Модуль подачи и отведения топлива содержит несколько каналов подачи воздуха с различной скоростью подачи, канал подачи природного газа, причем может использоваться любой природный газ, канал подачи топлива для горелки и канал отвода технологических газов. 1 н.п. ф-лы, 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники.

Полезная модель относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначена для подачи технологических газов в горячий бокс энергоустановки и отведения переработанных технологических газов из горячего бокса энергоустановки.

Уровень техники.

Известно техническое решение «Энергетическая установка для самолета с использованием топливных элементов» (RU 2391749 C1, МПК H01M 8/12, B64D 41/00, 07.04.2009). Согласно изобретению энергетическая установка для самолета с использованием топливных элементов содержит систему подачи окислителя энергетической установки, включающую компрессор для сжатия атмосферного воздуха, используемую в качестве окислителя кислород воздуха. На одном валу с компрессором установлена выходная турбина, соединенная с химическим реактором трубопроводом для отвода газа от химического реактора, и дополнительная турбина, на валу которой установлен электрогенератор для выработки дополнительного электрического тока.

Рабочая температура составляет 900^... 1000°C. Недостатком данного изобретения является невозможность автономного старта при разогреве топливных элементов, при этом не описано каким образом достигается рабочая температура.

За прототип принято техническое решение «Система топливного элемента и способ его контроля» (Патент RU 2472256 C1, МПК H01M 8/04, 16.11.2009), содержащее систему подачи топлива. Согласно изобретению система топливного элемента дополнительно включает в себя водородную систему для подачи водорода в блок топливных элементов и воздушную систему для подачи воздуха в блок топливных элементов. Система для подачи водорода в блок топливных элементов соединяет топливный бак (например, водородный баллон высокого давления) и блок топливных элементов за счет проточного канала подачи водорода, имеющего коневую часть, присоединенную к топливному баку, и вторую концевую часть, присоединенную к входной стороне внутреннего проточного канала подачи топливного газа блока топливных элементов. Так же проточный канал подачи водорода снабжен клапаном стока из бака, перевод которого в открытое состояние позволяет водородному газу высокого давления из топливного бака механически снижать давление до заданного давления с помощью редукционного клапана, расположенного ниже по потоку от топливного бака. Этот водородный газ пониженного давления дополнительно снижает давление с помощью вентиля регулировки давления водорода, расположенного далее ниже по потоку от редукционного клапана, и затем подается в блок топливных элементов. Таким образом, топливный бак, проточный канал подачи водорода и вентиль регулировки давления водорода, который расположен в проточном канале подачи водорода, составляют систему Н8 подачи водорода (систему Н8 подачи топливного газа) для подачи водорода на топливный электрод блока топливных элементов. Система для подачи воздуха в блок топливных элементов состоит из компрессора, проточного канала подачи воздуха и вентиля регулировки давления воздуха, который расположен в проточном канале отходящего газа электрода окислителя, составляют систему подачи OS газа-окислителя для подачи воздуха на электрод окислителя блока топливных элементов.

Данная система обеспечивает только систему подачи топлива (а именно: водорода и воздуха). Недостатком предлагаемого решения является необходимость первоначальной подготовки топлива, а именно использование сжатого водорода.

Раскрытие полезной модели

Задачей предлагаемого технического решения является оптимизация подготовительного этапа работы энергоустановок на топливных элементах, обеспечение оптимального режима работы (максимальной эффективности) горячего бокса (топливного элемента энергоустановки), а так же повышение безопасности энергоустановки на топливных элементах.

Оптимизация подготовительного этапа работы достигается за счет универсальности: возможность использования любой природный газ, из которого в результате получается водород и CO, необходимый для топливного элемента энергоустановки. Обеспечение оптимального режима работы (максимальной эффективности) горячего бокса для энергоустановок на основе топливных элементов достигается с помощью точного соблюдения пропорций и параметров топлива, поступаемого в горячий бокс, а следовательно и в топливный элемент энергоустановки. Повышение безопасности энергоустановки достигается за счет наличия механических задвижек (шаровых кранов) в начале проточного канала каждого вида топлива как элемента модуля подачи и отведения технологических газов.

Новизна данного технического решения достигается за счет универсальности системы, а именно, возможности использования в качестве топлива любого природного газа. Предлагаемое техническое решение обеспечивает работоспособность топливных элементов при использовании в качестве топлива газа любого месторождения, что достаточно актуально для газовой отрасли, так как на различных месторождениях газ различен по составу (% содержания воды, сероводрода и других соединений серы). Помимо этого за счет применения системного подхода: ввода дополнительных клапанов и задвижек, обеспечивающих повышенную безопасность системы и позволяющих соблюдать оптимальные пропорции подаваемого топлива.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как оно может быть использовано для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - принципиальная схема компоновки модуля подачи и отведения технологических газов

Осуществление полезной модели

Фиг.1 представляет собой принципиальную схему компоновки модуля подачи и отведения технологических газов (22). Система 22 устанавливается для энергоустановок топливных элементов и осуществляет подготовку топлива для подачи в горячий бокс (19).

Горячий бокс (19) включает в себя инжектор для нагнетания газа в реформер, реформер для генерации синтез-газа, топливная батарея, а так же теплообменник. Из горячего бокса (19) полученная энергия поступает в модуль распределения электрической энергии для дальнейшего перераспределения энергии на нужды самой установки и потребителя.

Система 22 содержит несколько каналов подачи воздуха K1 (со скоростью подачи 250 Nl/min) и K2 (со скоростью подачи 850 Nl/min), канал подачи природного газа, причем может использоваться любой природный газ, канал подачи топлива для горелки (K4) и канал отвода технологических газов (K5).

Газ поступает в энергоустановку, а именно в модуль подачи и отведения технологических газов (23), где происходит его подготовка. В рамках подготовки газа происходит сероочистка в фильтре (Ф2.1), она происходит после понижения давления газа с помощью редуктора (с 7-12 Мпа до 4-6 бар) вне установки.

После сероочистки газ в случае первоначального запуска энергетической установки поступает в стартовую горелку, предварительно проходя через редуктор постоянного давления (6), который проверяет давление и поддерживает его постоянным на запрограммированном уровне. Стартовая горелка (21) занимается непосредственно нагревом горячего бокса, а точнее батареи (стек) ТОТЭ, и продуктов для реформинга. В стартовую горелку (21) так же подходит воздух, предварительно проходящий очистку в фильтре Ф1.1, проходит через воздуходувку (11) и поступает в инжектор (10), который нагнетает его (воздух) и газ в горелку, которая нагревает горячий бокс (19) до температуры, необходимой для протечения реакции. Следует учитывать, что горелка осуществляет нагрев за счет воздуха и природного газа, а не электричества, что позволяет обеспечить автономный запуск энергоустановки без использования внешних источников электроэнергии. Проточный канал K3.1 так же снабжен системой клапанов (26), состоящей из нескольких электрически управляемых клапанов (7, 8, 9), в том числе клапанами открытия/закрытия.

Газ, прошедший сероочистку для дальнейшего использования в реакции (преобразование в синтез газ, водород и CO, и превращение химической энергии топлива в электрическую) поступает по проточному каналу K3.2 в горячий бокс (19). Кроме того в проточном канале K3.2 расположен фильтр (Ф2.2) для дополнительной очистки газа после сероочистки. В проточном канале K3.2 подачи природного газа ниже по протоку после Ф2.2 располагается электрически управляемый клапан открытия/закрытия (3), электрически управляемый регулируемый клапан (4). Проточный канал K3.2 может быть дополнительно снабжен редуктором (5), с функцией постоянное давление, находящимся ниже клапана 4 по протоку, для и повышения безопасности энергоустановки за счет осуществления контроля за параметрами постигаемого топлива в горячий бокс (19).

Воздух поступает в модуль подачи и отведения технологических газов энергоустановки по нескольким каналам подачи воздуха K1 (со скоростью подачи 250 Nl/min) и K2 (со скоростью подачи 50-850 Nl/min).

Воздух по каналу подачи K1 поступает непосредственно в стартовую горелку (21).

Воздух по каналу подачи K2, проходя фильтрацию через фильтр Ф1.0, поступает в воздуходувку, которая в свою очередь нагнетает воздух в горячий бокс (19). Канал подачи K2 так же содержит редуктор, описывающий постоянное давление (14), регулирующий электрически управляемый клапан (15), электрически управляемый клапан открытия/закрытия (16), аппаратный клапан (17) и еще один редуктор, описывающий постоянное давление (18). Таким образом, воздух необходимый для реакции проходит всю необходимую предварительную подготовку (фильтрацию), а так же подвергается необходимому контролю, который обеспечивает более надежную работу энергоустановки.

После осуществления реакции выхлопные газы отводятся по проточному каналу отходящего газа K5. Канал K5 дополнительно оснащен воздуходувкой 20 для более быстрого и эффективного отвода технологических газов. Данное решение позволяет упростить систему подачи и отведения технологических газов за счет исключения необходимости продувки от анодного тракта топливной батареи инертными газами при выключении энергетической установки. Это упрощает систему эксплуатации энергоустановки на необслуживаемых объектах, так как нет необходимости хранения емкостей с инертными газами, хранения и обслуживания, а так же мониторинга текучести инертного газа в баллоны.

1. Модуль подачи и отведения технологических газов, содержащий проточный канал подачи топлива, отличающийся тем, что содержит несколько каналов подачи воздуха с различной скоростью подачи, канал подачи природного газа, канал подачи топлива для горелки и канал отвода технологических газов.

2. Модуль подачи и отведения технологических газов по п.1, отличающийся тем, что один из каналов подачи воздуха для первоначального запуска энергоустановки оснащен фильтром, воздуходувкой, аппаратным клапаном и инжектором.

3. Модуль подачи и отведения технологических газов по п.1, отличающийся тем, что один из каналов подачи воздуха содержит фильтр, воздуходувку, редуктор, описывающий постоянное давление, регулирующий электрически управляемый клапан, электрически управляемый клапан открытия/закрытия, аппаратный клапан и еще один редуктор, описывающий постоянное давление.

4. Модуль подачи и отведения технологических газов по п.1, отличающийся тем, что канал подачи природного газа содержит электрически управляемый клапан открытия/закрытия и фильтр.

5. Модуль подачи и отведения технологических газов по п.4, отличающийся тем, что канал подачи природного газа разделяется на канал подачи природного газа для первоначального запуска энергоустановки и канал подачи природного газа для топливной батареи.

6. Модуль подачи и отведения технологических газов по п.5, отличающийся тем, что канал подачи природного газа для первоначального запуска энергоустановки содержит редуктор постоянного давления, электрически управляемый клапан открытия/закрытия, регулирующий клапан и инжектор.

7. Модуль подачи и отведения технологических газов по п.5, отличающийся тем, что канал подачи природного газа для топливной батареи содержит фильтр, электрически управляемый клапан открытия/закрытия, регулирующий клапан и редуктор постоянного давления.

8. Модуль подачи и отведения технологических газов по п.1, отличающийся тем, что канал отвода технологических газов дополнительно содержит воздуходувку.