ПАКЕТ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА
PACKAGE OF SOLID OXIDE FUEL CELLS OF ELECTRIC GENERATOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе в системе генерирования мощности на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ), и в частности к комплекту пакетов в системе в системе генерирования мощности на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ).
Уровень техники
Система генерирования мощности на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) является устройством, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую энергию непосредственно, обычно используя в качестве топлива легкий углеводород, такой как природный газ, при этом химическая энергия в топливе эффективно и чисто преобразуется в электрическую энергию. Сеть электростанций на основе системы на ТОТЭ может удобным образом использовать природный газ, подаваемый из существующей системы газопроводов, для генерирования электричества и может обеспечивать мощностью электрическую сеть, поэтому система генерирования мощности на ТОТЭ является способом генерирования мощности, имеющим широкие коммерческие перспективы.
Основным компонентом системы генерирования мощности на ТОТЭ является комплект пакетов твердооксидных топливных элементов, состоящий из множества пакетов, распределенных по определенной схеме, при этом реакция генерирования мощности происходит в комплекте пакетов. В качестве сырьевого материала легкий углеводород, такой как природный газ, подается в систему генерирования мощности на ТОТЭ, при этом сырьевой материал вначале подвергается реакции риформинга в аппарате риформинга, а затем синтез-газ подается в комплект пакетов для генерирования мощности. Таким образом, комплект пакетов системы генерирования мощности на ТОТЭ является компонентом генерирования мощности.
Конфигурация комплекта пакетов является одним из ключевых факторов в конструкции системы генерирования мощности на ТОТЭ. Существующая схема системы генерирования мощности на ТОТЭ описана, например, в патентах US 7659022 В2 и US 2012/0178003 А1. На фиг. 1 показана конфигурация комплекта Г пакетов, представляющая собой кольцеобразную схему расположения множества групп 2' пакетов, расположенных по круговой форме; каждая из групп 2' пакетов состоит из множества пакетов 4', сложенных стопкой в вертикальном направлении. Как показано на фиг. 2, каждый пакет 4' ориентирован вертикально, то есть плоскость, где находятся впуск и выпуск каждого пакета 4' для газа, примерно горизонтальна.
Раскрытие изобретения
В соответствии с изобретением предлагается новый комплект пакетов в системе генерирования мощности на ТОТЭ. Комплект пакетов содержит несущий корпус и группы пакетов; несущий корпус имеет многоуровневую конструкцию, содержащую по меньшей мере один уровень несущих секций; комплект пакетов состоит по меньшей мере из одной группы пакетов; каждый уровень несущих секций поддерживает по меньшей мере одну группу пакетов, а каждая группа пакетов состоит из множества пакетов и, как это показано на фиг. 3, каждый пакет расположен горизонтально, то есть плоскость, в которой расположены газовый впуск и газовый выпуск каждого пакета, расположена примерно вертикально к горизонтальной плоскости.
В данном техническом решении расположение множества пакетов в каждой группе пакетов не ограничено определенной формой, они могут быть расположены по открытой кольцевой схеме (то есть передний конец не соединен с задним концом), такой как линейное расположение множества пакетов и т.д.; или они могут быть расположены по замкнутой кольцевой схеме (то есть передний конец соединен с задним концом), такой как круговое расположение множества пакетов и т.д. Предпочтительно группа пакетов содержит множество пакетов, а множество пакетов расположены последовательно для образования кольцеобразной конструкции.
В данном техническом решении нет ограничений в отношении конструкции и положения аппарата риформинга, подающего газ к комплекту пакетов. Аппарат риформинга может быть аппаратом, выбранным из группы, содержащей аппарат риформинга трубчатого типа с одной трубой, аппарат риформинга трубчатого типа с множеством труб или аппарат риформинга пластинчатого или другого типа, при этом предпочтителен пластинчатый аппарат риформинга. На положение аппарата риформинга нет ограничений, предпочтительно аппарат риформинга и газовая труба между аппаратом риформинга и пакетами предусмотрены в крепежном устройстве, а генерируемый аппаратом риформинга синтез-газ подается к пакетам по газовой трубе. В предпочтительной конструкции комплекта пакетов аппарат риформинга и газовая труба могут быть предусмотрены в каждом крепежном устройстве, предпочтительно аппарат риформинга и газовая труба могут быть предусмотрены по следующим схемам (а)-(d) для снижения числа аппаратов риформинга и тем самым снижения затрат.
(a) Когда группы пакетов расположены в кольцеобразной конструкции и число крепежных устройств равно 2N (где N - натуральное число), если принять любое из крепежных устройств за начальную точку отсчета, аппарат риформинга и газовая труба предусмотрены по меньшей мере в каждом крепежном устройстве 2n (где n - каждое из всех натуральных чисел, равных или меньше N).
(b) Когда группы пакетов расположены в кольцеобразной конструкции и число крепежных устройств равно 2N+1 (где N - натуральное число), если принять любое из крепежных устройств за начальную точку отсчета, аппарат риформинга и газовая труба предусмотрены по меньшей мере в каждом крепежном устройстве 2n (где n - каждое из всех натуральных чисел, равных или меньше N), а первое крепежное устройство и крепежное устройство (2N+1) также содержат внутри аппарат риформинга и газовую трубу.
(c) Когда группы пакетов расположены в разомкнутой кольцеобразной конструкции и число крепежных устройств равно 2N (где N - натуральное число), если принять первое крепежное устройство на одном конце открытой кольцеобразной конструкции за начальную точку отсчета, аппарат риформинга и газовая труба предусмотрены по меньшей мере в крепежных устройствах (2n-1) и 2n (где n - каждое из всех натуральных чисел, равных или меньше N).
(d) Когда группы пакетов расположены в разомкнутой кольцеобразной конструкции и число крепежных устройств равно 2N+1 (где N - натуральное число), если принять первое крепежное устройство на одном конце открытой кольцеобразной конструкции за начальную точку отсчета, аппарат риформинга и газовая труба предусмотрены по меньшей мере в крепежном устройстве (2n-1) (где n - каждое из всех натуральных чисел, равных или меньше N).
В данном техническом решении нет ограничений на число пакетов в группе пакетов, в зависимости от практических потребностей оно предпочтительно составляет от 3 до 12 пакетов на группу.
В данном техническом решении нет ограничений на число уровней в несущем корпусе, в зависимости от практических потребностей оно предпочтительно составляет от 2 до 10 уровней.
В данном техническом решении нет ограничений на материалы крепежных устройств, предпочтительно крепежные устройства изготовлены из керамики или из нержавеющей стали. В одном примере выполнения крепежные устройства и несущие секции скреплены и соединены с помощью винтов и винтовых крепежных проточек.
Газовая труба расположена в крепежных устройствах для обеспечения газового потока между аппаратом риформинга и пакетами, что защищает трубу от внешнего воздействия и позволяет сделать комплект пакетов более простым и компактным.
На основе описанного выше в соответствии с изобретением создан новый комплект пакетов в системе генерирования мощности на ТОТЭ, в котором пакеты расположены горизонтально на многоуровневом несущем корпусе; при этом на каждом уровне несущих секций множество горизонтально ориентированных пакетов расположены последовательно для образования группы пакетов, при этом между пакетами предусмотрены крепежные устройства для обеспечения возможности устойчивой установки групп пакетов на несущих секциях. Изобретение дает следующие преимущества:
(1) Улучшено расположение пакетов, и для их поддержки используется несущий корпус многоуровневой конструкции, так что комплект пакетов более прост и устойчив; при опоре на несущий корпус многоуровневой конструкции число несущих секций и число пакетов на каждом уровне несущих секций может быть подобрано в соответствии с практическими потребностями, что дает более гибкий способ управления.
(2) Для дальнейшего улучшения устойчивости комплекта пакетов в соответствии с практическими потребностями между пакетами могут быть предусмотрены крепежные устройства; в предпочтительной конструкции аппараты риформинга и газовые трубы в горячей зоне могут быть предусмотрены в крепежных устройствах, при этом аппараты риформинга и газовые трубы расположены внутри комплекта пакетов, что не только улучшает использование пространства, но также позволяет избежать слишком большой открытости газовых труб к воздействию внешней среды в горячей зоне и способствует более компактному соединению функциональных компонентов в горячей зоне. В решениях уровня техники аппарат риформинга расположен в центре круглого комплекта пакетов, так что соединения газовых труб между аппаратами риформинга и газовым впуском или выпуском каждого пакета расположены радиально. Это делает соединения газовых труб сложными и открытыми к внешней среде, что неблагоприятно для компоновки системы, тогда как новый комплект пакетов в соответствии с изобретением позволяет эффективно решать указанные проблемы. Кроме того, в предпочтительном примере выполнения на каждом уровне несущих секций возможно гибкое расположение аппаратов риформинга. При этом аппараты риформинга могут быть расположены в каждом крепежном устройстве для подачи генерируемого газа от одного аппарата риформинга к одному пакету через газовые трубы для генерирования мощности; аппарат риформинга может быть также расположен в промежутках между расположенными по кругу крепежными устройствами для подачи генерируемого газа от одного аппарата риформинга к двум соседним пакетам через газовые трубы для генерирования мощности, что снижает число аппаратов риформинга и стоимость изготовления, улучшая эффективность работы.
Краткий перечень чертежей
На чертежах:
фиг. 1 схематично изображает комплект пакетов в системе генерирования мощности на ТОТЭ в соответствии с известным решением уровня техники;
фиг. 2 схематично изображает вертикально ориентированный пакет в комплекте пакетов по фиг. 1;
фиг. 3 схематично изображает горизонтально ориентированный пакет в комплекте пакетов в соответствии с изобретением в примере 1 выполнения изобретения;
фиг. 4 схематично изображает конфигурацию комплекта пакетов в соответствии с изобретением в примере 1 выполнения изобретения;
фиг. 5 изображает схему расположения группы пакетов на каждой несущей секции в комплекте пакетов в примере 1 выполнения изобретения;
фиг. 6 изображает другую схему расположение группы пакетов на каждой несущей секции в комплекте пакетов в примере 1 выполнения изобретения;
фиг. 7 изображает другую схему расположение группы пакетов на каждой несущей секции в комплекте пакетов в примере 2 выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на чертежи и примеры выполнения. Следует заметить, что примеры выполнения даны в целях иллюстрации и не имеют ограничительного характера.
На фиг. 1-10 позициями обозначены следующие компоненты: комплект 1' пакетов, группа 2' пакетов, аппарат 3' риформинга, единичный вертикальный пакет 4', комплект 1 пакетов, группа 2 пакетов, аппарат 3 риформинга, единичный горизонтальный пакет 4, несущий корпус 5, несущая секция 6, крепежное устройство 7 и газовая труба 8.
Пример 1
В данном примере выполнения комплект пакетов в системе генерирования мощности на ТОТЭ, показанной на фиг. 4 и 5, содержит несущий корпус 5 и группу 2 пакетов. Несущий корпус имеет многоуровневую конструкцию из шести несущих секций 6. Несущие секции изготовлены из нержавеющей стали.
Как показано на фиг. 5, на каждом уровне несущих секций 6 восемь пакетов 4 расположены по кругу для образования круговой группы 2 пакетов, так что группы 2 на шести уровнях несущих секций 6, то есть в сумме сорок восемь (48) пакетов, образуют полный комплект пакетов.
Как показано на фиг. 3, каждый из пакетов 4 расположен горизонтально, то есть плоскость, в которой расположены газовый впуск и газовый выпуск каждого пакета, расположена по существу вертикально к горизонтальной плоскости.
Как показано на фиг. 5, между двумя соседними пакетами 4 предусмотрено крепежное устройство 7. Крепежное устройство 7 выбрано в виде клиновой детали из стали или из керамики или из их комбинации, при этом керамическая клиновая деталь используется для изоляции.
Как показано на фиг. 5, аппарат 3 риформинга для подачи газа к комплекту пакетов предусмотрен в каждом из крепежных устройств 7, а также газовая труба 8 между аппаратом 3 риформинга и пакетом 4 предусмотрена в каждом из крепежных устройств 7, так что генерируемый каждым аппаратом 3 риформинга синтез-газ может подаваться к пакету 4 по трубе 8 для генерирования мощности.
Когда описанный комплект пакетов начинает работать, его мощность может достигать 40 кВт в устойчивом рабочем режиме.
В другом варианте выполнения, как показано на фиг. 6, на каждом уровне несущих секций по кругу расположены восемь крепежных устройств, и если принять любое из крепежных устройств 7 за начальную точку 1 отсчета, аппарат 3 риформинга может быть предусмотрен только во втором, четвертом, шестом и восьмом крепежных устройствах, а газовая труба 8 может быть предусмотрена только во втором, четвертом, шестом и восьмом крепежных устройствах, так что для генерирования мощности синтез-газ, генерируемый одним аппаратом 3 риформинга, может подаваться к двум соседним пакетам 4 по газовой трубе 8, что снижает число аппаратов риформинга и стоимость изготовления и повышает эффективность работы.
Пример 2
В данном примере выполнения комплект пакетов в системе генерирования мощности на ТОТЭ, показанной на фиг. 4 и 5, содержит несущий корпус 5 и группу 2 пакетов. Несущий корпус 5 имеет многоуровневую конструкцию из пяти несущих секций 6, а несущие секции 6 изготовлены из нержавеющей стали.
Подобно конструкции по фиг. 5 на каждом уровне несущих секций 6 семь пакетов 4 расположены по кругу для образования круговой группы 2 пакетов, так что группы 2 на шести уровнях несущих секций 6, то есть в сумме тридцать пять (35) пакетов, образуют полный комплект пакетов.
Как показано на фиг. 3, каждый пакет 4 расположен горизонтально, то есть плоскость, в которой расположены газовый впуск и газовый выпуск каждого пакета, расположена по существу вертикально к горизонтальной плоскости.
Подобно конструкции по фиг. 5 между двумя соседними пакетами 4 предусмотрено крепежное устройство 7. Крепежное устройство 7 выбрано в виде клиновой детали из стали или из керамики или из их комбинации, при этом керамическая клиновая деталь используется для изоляции.
Подобно конструкции по фиг. 5 аппарат 3 риформинга предусмотрен в каждом из крепежных устройств 7, а также газовая труба 8 между аппаратом 3 риформинга и пакетом 4 предусмотрена в каждом из крепежных устройств 7, так что генерируемый каждым аппаратом 3 риформинга синтез-газ может подаваться к пакету 4 по трубе 8 для генерирования мощности.
Когда описанный комплект пакетов начинает работать, его мощность может достигать 30 кВт в устойчивом рабочем режиме.
В другом варианте выполнения, как показано на фиг. 7, на каждом уровне несущих секций по кругу расположены семь крепежных устройств, и если принять любое из крепежных устройств 7 за начальную точку 1 отсчета, аппарат 3 риформинга может быть предусмотрен только в первом, втором, четвертом и шестом крепежных устройствах или только во втором, четвертом, шестом и седьмом крепежных устройствах, а газовая труба 8 может быть предусмотрена только в первом, втором, четвертом и шестом крепежных устройствах или только во втором, четвертом, шестом и седьмом крепежных устройствах, так что для генерирования мощности синтез-газ, генерируемый одним аппаратом 3 риформинга, может подаваться к двум соседним пакетам 4 по газовой трубе 8, что снижает число аппаратов риформинга и стоимость изготовления и повышает эффективность работы.
Хотя со ссылками на примеры выполнения был описан технический замысел настоящего изобретения, следует понимать, что примеры выполнения являются частными примерами для иллюстрации и не ограничивают настоящего изобретения. Все модификации, дополнения или эквивалентные замены в пределах принципиальной идеи изобретения следует рассматривать как входящие в сферу защиты настоящего изобретения.