Гибридная электрохимическая энергоустановка с разделением рабочего тела

Предлагаемое техническое решение относится к высокотемпературным топливным элементам, в частности к твердооксидным топливным элементам.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в совмещении высокотемпературных топливных элементов, работающих при атмосферном давлении с газотурбинной установкой, и обеспечении возможности регулирования нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство, содержащее последовательно соединенные электрогенератор 1 и газотурбинную установку 2, состоящую из компрессора 3, камеры сгорания 4 и газовой турбины 5, соединенные электрически электрохимический генератор 6, содержащий батарею высокотемпературных топливных элементов и инвертор 7, системы подготовки топлива 8 и воды 9, выходы которых соединены с входами электрохимического генератора 6, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена первой системой подачи воздуха 10 и первым регенеративным воздухоподогревателем 11, соединенными последовательно, причем первый выход первого регенеративного воздухоподогревателя 11 соединен с другим входом электрохимического генератора 6, второй системой подачи воздуха 12, выход которой соединен с входом компрессора 3, вторым 13 и третьим 14 последовательно соединенными регенеративными воздухоподогревателями, причем выход компрессора 3 соединен с первым входом второго регенеративного воздухоподогревателя 13, а первый выход третьего регенеративного воздухоподогревателя 14 соединен с первым входом камеры сгорания 4, выход газовой турбины 5 соединен со вторым входом второго регенеративного воздухоподогревателя 13, дожигателем 15, вход которого соединен с выходами электрохимического генератора 6, а выход соединен со вторым входом третьего регенеративного воздухоподогревателя 14, а второй выход третьего регенеративного воздухоподогревателя 14 соединен со вторым входом первого регенеративного воздухоподогревателя 11, дожимным компрессором 16, выход которого соединен со вторым входом камеры сгорания 4, и конвертором, вход которого соединен с системой подготовки топлива 8, а выход соединен с батареей высокотемпературных топливных элементов. Кроме того, гибридная электрохимическая установка может быть дополнительно снабжена электролизером с щелочным электролитом 17, электрически соединенным с электрохимическим генератором 6 и сетью 18 через выпрямитель 19, причем система подготовки воды 9 соединена с входом электролизера с щелочным электролитом 17, системами хранения кислорода 20 и водорода 21, причем одни выходы электролизера с щелочным электролитом 17 соединены с входами систем хранения водорода 21 и кислорода 20, другой выход электролизера с щелочным электролитом 17 соединен с системой подготовки топлива 8, третий выход электролизера с щелочным электролитом 17 соединен с дожигателем 15, выходы систем хранения кислорода 20 и водорода 21 соединены с другими входами камеры сгорания 4. Кроме того, гибридная электрохимическая установка может быть дополнительно снабжена батареей свинцовых аккумуляторов 22, соединенной электрически с электрохимическим генератором 6 и инвертором 7.

Предлагаемое техническое решение относится к высокотемпературным топливным элементам, в частности к твердооксидным топливным элементам.

Известно устройство (RU 2334113 C1, опубл. 20.09.08), содержащее микротурбину, состоящую из генератора и газотурбинного двигателя, который содержит турбокомпрессор и турбину, и электрохимический реактор. Электрохимический реактор установлен в газовоздушном тракте между турбокомпрессором и турбиной вместо камеры сгорания. Электрохимический реактор содержит секции высокотемпературных топливных элементов прямого окисления углеводородного топлива, либо с внутренней конверсией углеводородного топлива; либо секции топливных элементов, работающих на синтез-газе с высоким содержанием свободного водорода, и топливные процессоры для переработки углеводородного топлива в синтез-газ.

Преимуществом данного устройства является достижение электрического КПД 45-65% и более, в зависимости от типа топливных элементов и состава топлива; снижение себестоимости; возможность быстрого ремонта путем замены основных узлов.

Недостатком данного устройства является необходимость работы высокотемпературных топливных элементов под давлением, что снижает ресурс электрохимического реактора, а также невозможность регулирования нагрузки.

Известно устройство (US 7410713 В2, опубл. 12.08.08), содержащее гибридную электростанцию, которая включает, по крайней мере, один топливный элемент, имеющий катод, и выход катода соединен с входом катода по пути рециркуляции, конвертор, преобразующий воздух и топливо. Топливный элемент включает анод, вход которого соединен с выходом конвертора, а выход анода соединен с входом конвертора по пути рециркуляции. Сжатый воздух подается в рекуператор, подогреваемый выхлопом турбины, и горячий сжатый воздух до входа в топливный элемент смешивается с подающимся на рециркуляцию выхлопом от топливного элемента. В концевом дожигателе сжигается смесь выхлопа катода и остаточного конвертированного топлива, и газы после сгорания направляются в турбину.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в совмещении высокотемпературных топливных элементов, работающих при атмосферном давлении с газотурбинной установкой, и обеспечении возможности регулирования нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство, содержащее последовательно соединенные электрогенератор и газотурбинную установку, состоящую из компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, соединенные электрически электрохимический генератор, содержащий батарею высокотемпературных топливных элементов и инвертор, системы подготовки топлива и воды, выходы которых соединены с входами электрохимического генератора, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена первой системой подачи воздуха и первым регенеративным воздухоподогревателем, соединенными последовательно, причем первый выход первого регенеративного воздухоподогревателя соединен с другим входом электрохимического генератора, второй системой подачи воздуха, выход которой соединен с входом компрессора, вторым и третьим последовательно соединенными регенеративными воздухоподогревателями, причем выход компрессора соединен с первым входом второго регенеративного воздухоподогревателя, а первый выход третьего регенеративного воздухоподогревателя соединен с первым входом камеры сгорания, выход газовой турбины соединен со вторым входом второго регенеративного воздухоподогревателя, дожигателем, вход которого соединен с выходами электрохимического генератора, а выход соединен со вторым входом третьего регенеративного воздухоподогревателя, а второй выход третьего регенеративного воздухоподогревателя соединен со вторым входом первого регенеративного воздухоподогревателя, дожимным компрессором, выход которого соединен со вторым входом камеры сгорания, и конвертором, вход которого соединен с системой подготовки топлива, а выход соединен с батареей высокотемпературных топливных элементов. Кроме того, гибридная электрохимическая установка может быть дополнительно снабжена электролизером с щелочным электролитом, электрически соединенным с электрохимическим генератором и сетью через выпрямитель, причем система подготовки воды соединена с входом электролизера с щелочным электролитом, системами хранения кислорода и водорода, причем одни выходы электролизера с щелочным электролитом соединены с входами систем хранения водорода и кислорода, другой выход электролизера с щелочным электролитом соединен с системой подготовки топлива, третий выход электролизера с щелочным электролитом соединен с дожигателем, выходы систем хранения кислорода и водорода соединены с другими входами камеры сгорания. Кроме того, гибридная электрохимическая установка может быть дополнительно снабжена батареей свинцовых аккумуляторов, соединенной электрически с электрохимическим генератором и инвертором.

На фиг.1 представлена структурная схема гибридной электрохимической энергоустановки на основе высокотемпературных топливных элементов и газотурбинной установки, на фиг.2 - структурная схема гибридной электрохимической энергоустановки на основе высокотемпературных топливных элементов и газотурбинной установки, снабженная электролизером с щелочным электролитом, на фиг.3 - структурная схема гибридной электрохимической энергоустановки на основе высокотемпературных топливных элементов и газотурбинной установки, снабженная батареей свинцовых стационарных необслуживаемых аккумуляторов.

Гибридная электрохимическая установка (фиг.1), содержащая последовательно соединенные электрогенератор 1 и газотурбинную установку 2, состоящую из компрессора 3, камеры сгорания 4 и газовой турбины 5, соединенные электрически электрохимический генератор 6, содержащий батарею высокотемпературных топливных элементов и инвертор 7, системы подготовки топлива 8 и воды 9, выходы которых соединены с входами электрохимического генератора 6, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена первой системой подачи воздуха 10 и первым регенеративным воздухоподогревателем 11, соединенными последовательно, причем первый выход первого регенеративного воздухоподогревателя 11 соединен с другим входом электрохимического генератора 6, второй системой подачи воздуха 12, выход которой соединен с входом компрессора 3, вторым 13 и третьим 14 последовательно соединенными регенеративными воздухоподогревателями, причем выход компрессора 3 соединен с первым входом второго регенеративного воздухоподогревателя 13, а первый выход третьего регенеративного воздухоподогревателя 14 соединен с первым входом камеры сгорания 4, выход газовой турбины 5 соединен со вторым входом второго регенеративного воздухоподогревателя 13, дожигателем 15, вход которого соединен с выходами электрохимического генератора 6, а выход соединен со вторым входом третьего регенеративного воздухоподогревателя 14, а второй выход третьего регенеративного воздухоподогревателя 14 соединен со вторым входом первого регенеративного воздухоподогревателя 11, дожимным компрессором 16, выход которого соединен со вторым входом камеры сгорания 4, а вход соединен со вторым выходом системы подготовки топлива 8, и конвертором, вход которого соединен с системой подготовки топлива 8, а выход соединен с батареей высокотемпературных топливных элементов.

Кроме того, гибридная электрохимическая установка может быть дополнительно снабжена электролизером с щелочным электролитом 17, электрически соединенным с электрохимическим генератором 6 и сетью 18 через выпрямитель 19, причем система подготовки воды 9 соединена с входом электролизера с щелочным электролитом 17, системами хранения кислорода 20 и водорода 21, причем одни выходы электролизера с щелочным электролитом 17 соединены с входами систем хранения водорода 20 и кислорода 21, другой выход электролизера с щелочным электролитом 17 соединен с системой подготовки топлива 8, третий выход электролизера с щелочным электролитом 17 соединен с дожигателем 11, выходы систем хранения кислорода 20 и водорода 21 соединены с другими входами камеры сгорания 4.

Кроме того, гибридная электрохимическая установка может быть дополнительно снабжена батареей свинцовых аккумуляторов 22, соединенной электрически с электрохимическим генератором 6 и инвертором 7.

Воздух газотурбинной установки 2 (ГТУ), сжатый в компрессоре 3, нагревается в двух регенеративных воздухоподогревателях (РВ) 13, 14. В первом РВ 13 нагрев идет от газов газовой турбины, а во втором РВ 14 от газов электрохимического генератора (ЭХГ) 6. Нагретый воздух поступает в камеру сгорания ГТУ 4. Далее уже продукты сгорания проходят через газовую турбину 5, совершая работу и приводя в движение компрессор 3 и электрогенератор ГТУ 1. Отработавшие газы охлаждаются в регенеративном воздухоподогревателе 13 и выбрасываются в атмосферу или направляются на теплофикацию.

Воздух ЭХГ 6 поступает через систему подачи воздуха (вентилятор) 10 в регенеративный воздухоподогреватель 11, где нагревается продуктами реакции ЭХГ 6. Далее горячий воздух поступает на катод высокотемпературных топливных элементов (ТЭ) ЭХГ 6, а топливо, пройдя внутреннюю паровую конверсию в ЭХГ 6, поступает на анод ТЭ. При этом проходит электрохимическая реакция и вырабатывается постоянный электрический ток, который преобразуется в переменный посредствам инвертора 7. Продукты электрохимической реакции поступают в камеру сгорания 15, где дожигается непрореагировавшее топливо. После камеры сгорания горячие газы последовательно охлаждаются в двух регенеративных воздухоподогревателях 14, 11 и выбрасываются в атмосферу. Повышение мощности гибридной энергоустановки может обеспечиваться путем дополнительной подачи топлива в камеру сгорания 4 газотурбинной установки 2 через дожимной компрессор 16, отбираемого после системы подготовки топлива 8.

Кроме того, для регулирования нагрузки в схему может быть включен электролизер с щелочным электролитом 17 (фиг.2), который может работать как потребляя электричество от ЭХГ 6, так и от сети 18. Электролизер с щелочным электролитом 17 работает в режиме переменной мощности, высокой в часы провала нагрузки и относительно низкой в часы пиковой и полупиковой нагрузки. Вода подается из системы водоподготовки 9, водород и кислород, вырабатываемые в электролизере с щелочным электролитом 17, поступают в системы хранения кислорода 20 и водорода 21. В часы пиковых и полупиковых нагрузок кислород и водород подаются в камеру сгорания ГТУ 4 для увеличения выработки электроэнергии. В часы провала нагрузки кислород непосредственно от электролизера с щелочным электролитом 17 поступает на дожигание непрореагировавшего в электрохимической установке 6 топлива в дожигатель 15, а водород непосредственно от электролизера с щелочным электролитом 17 поступает в систему подготовки топлива 8 для очистки топлива от соединений серы.

Кроме того, в схему может быть включена батарея свинцовых стационарных необслуживаемых аккумуляторов 22 (фиг.3), соединенная электрически с электрохимическим генератором 6 и инвертором 7. В часы провала нагрузки батарея заряжается, в часы пиковой нагрузки разряжается.

За счет раздельной подачи воздуха для газотурбинной установки и электрохимического генератора обеспечивается регулирование мощности гибридной энергоустановки, сглаживание пиковых нагрузок. Провалы нагрузки в ночные часы могут регулироваться электролизером с щелочным электролитом.

1. Гибридная электрохимическая установка, содержащая последовательно соединенные электрогенератор и газотурбинную установку, состоящую из компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, соединенные электрически электрохимический генератор, содержащий батарею высокотемпературных топливных элементов и инвертор, системы подготовки топлива и воды, выходы которых соединены с входами электрохимического генератора, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена первой системой подачи воздуха и первым регенеративным воздухоподогревателем, соединенными последовательно, причем первый выход первого регенеративного воздухоподогревателя соединен с другим входом электрохимического генератора, второй системой подачи воздуха, выход которой соединен с входом компрессора, вторым и третьим последовательно соединенными регенеративными воздухоподогревателями, причем выход компрессора соединен с первым входом второго регенеративного воздухоподогревателя, а первый выход третьего регенеративного воздухоподогревателя соединен с первым входом камеры сгорания, выход газовой турбины соединен со вторым входом второго регенеративного воздухоподогревателя, дожигателем, вход которого соединен с выходами электрохимического генератора, а выход соединен со вторым входом третьего регенеративного воздухоподогревателя, а второй выход третьего регенеративного воздухоподогревателя соединен со вторым входом первого регенеративного воздухоподогревателя, дожимным компрессором, выход которого соединен со вторым входом камеры сгорания, а вход соединен со вторым выходом системы подготовки топлива и конвертором, вход которого соединен с системой подготовки топлива, а выход соединен с батареей высокотемпературных топливных элементов.

2. Гибридная электрохимическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена электролизером с щелочным электролитом, электрически соединенным с электрохимическим генератором и сетью через выпрямитель, причем система подготовки воды соединена с входом электролизера с щелочным электролитом, системами хранения кислорода и водорода, причем одни выходы электролизера с щелочным электролитом соединены с входами систем хранения водорода и кислорода, другой выход электролизера с щелочным электролитом соединен с системой подготовки топлива, третий выход электролизера с щелочным электролитом соединен с дожигателем, выходы систем хранения кислорода и водорода соединены с другими входами камеры сгорания.

3. Гибридная электрохимическая установка по 1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена батареей свинцовых аккумуляторов, соединенной электрически с электрохимическим генератором и инвертором.