СИСТЕМА С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
SYSTEM WITH HIGH-TEMPERATURE FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к системе с множеством последовательно соединенных высокотемпературных топливных элементов, в частности топливных элементов типа твердотопливных элементов на основе оксида (ТТЭО), для генерирования, по меньшей мере, электрической энергии.
В известном уровне техники известно, что высокотемпературные топливные элементы пригодны для «крупномасштабного (децентрализованного) генерирования энергии». Топливные элементы этого типа, под которыми в настоящее время подразумеваются топливные элементы на основе расплавленного карбоната (ТЭРК), а также ТТЭО, имеют рабочую температуру выше 600°С, и в случае ТЭРК предпочтительно между 650-1000°С. Для подачи кислорода к топливному элементу используется воздух, и топливом, используемым для обеспечения водорода, может быть, например, природный газ или водород, который уже был произведен до этого.
Известные системы, которые включают в себя топливные элементы этого типа, не являются особенно удовлетворительными. Изобретение относится не к конструированию и производству топливных элементов этого типа, а скорее к способу их встраивания в систему для генерирования энергии.
Целью настоящего изобретения является обеспечение системы, которая позволяет эффективно использовать высокотемпературные топливные элементы.
Другой целью настоящего изобретения является предложить средства, которые ведут к улучшению системы.
В частности целью изобретения является обеспечение более высокой эффективности, чем известные системы. Другой целью изобретения является предложить средства, которые позволяют оптимально использовать тепло отработанных газов из системы.
Еще одной целью является обеспечение системы с более низкими уровнями загрязняющих выбросов, чем известные системы.
Еще одной целью является обеспечение системы, в которой формируются оптимальные рабочие условия для одного или более компонентов системы, которые особенно предпочтительны для технического воплощения компонента (компонентов).
Изобретение предусматривает систему согласно п.1 формулы изобретения. Например, топливные элементы предназначены для снабжения воздуха, которое обеспечивает воздух температурой приблизительно 900°С. Средства, определенные в данном пункте формулы изобретения, гарантируют, что поток, выходящий из выхода катода первого топливного элемента, который имеет температуру, например, около 1100°С, смешивается с «холодным воздухом», например, температурой приблизительно 600°С, так что температура воздуха, который подается ко второму топливному элементу, снова составляет 900°С. Это дает возможность объединить значительную мощность топливного элемента в систему, которая обеспечивает оптимальные условия для каждого элемента.
Ясно, что последовательность может также содержать более двух высокотемпературных топливных элементов, в этом случае «принцип пришивания воздуха» повторяется для каждого топливного элемента, и каждый топливный элемент, в свою очередь, получает воздух, подаваемый при подходящей температуре.
Источник топлива предпочтительно соединен с входом анода первого топливного элемента, и выход анода первого топливного элемента предпочтительно соединен с входом анода второго топливного элемента, в результате формируется «последовательное соединение» в том, что касается способа, которым топливо подается к топливным элементам.
Между источником воздуха и входом катода первого топливного элемента система предпочтительно содержит устройство предварительного нагрева-сгорания для нагрева воздуха, поступающего от источника воздуха, так что к первому топливному элементу подается нагретый воздух. Данное устройство предварительного нагрева-сгорания может, в частности, быть полезно при запуске системы.
В предпочтительном варианте воплощения устройство предварительного нагрева-сгорания соединено с выходом анода одного или более топливных элементов, предпочтительно первого топливного элемента последовательности.
В предпочтительном варианте воплощения система содержит турбину, которая соединена с выходом катода последнего топливного элемента последовательности, так что энергия высокотемпературных газов, которые выходят из него, может быть использована для приведения в движение турбины.
В частности, если система содержит турбину, которая соединена с выходом катода последнего топливного элемента последовательности или одним или более других выходов катода последовательности, система предпочтительно содержит обходное воздушное соединение для воздуха между источником воздуха и выходом катода указанного топливного элемента (элементов) последовательности топливных элементов, который/которые соединены с турбиной. Этим способом, в свою очередь, возможно понизить температуру, например, до приблизительно 900°С, что является предпочтительным для конструкции и работы турбины этого типа.
Система предпочтительно содержит сборку компрессора для сжатия воздуха, имеющую, по меньшей мере, один компрессор с входом для воздуха и выходом, который соединен с входом катода первого топливного элемента последовательности, так что сжатый воздух подается к последовательности топливных элементов.
Сборка компрессора предпочтительно содержит компрессор низкого давления с входом для воздуха и выходом, компрессор высокого давления с входом и выходом, причем выход компрессора низкого давления соединен через канал первичного воздуха с входом компрессора высокого давления.
Предпочтительно система содержит сборку турбины компрессора для приведения в движение сборки компрессора, причем сборка турбины компрессора содержит одну турбину компрессора или множество турбин компрессора, расположенных последовательно, и сборка турбины компрессора имеет вход и выход, причем вход соединен с выходом катода последнего топливного элемента последовательности.
Генерирование энергии предпочтительно также выполняется посредством системы, также содержащей силовую турбину с вращающимся валом для выведения механической энергии, предпочтительно соединенную с электрическим генератором для генерирования электрической энергии.
Предпочтительно силовая турбина имеет вход, который соединен с выходом сборки турбины компрессора, и выход для отработанного газа.
В данной системе устройство сгорания может быть размещено между выходом сборки турбины компрессора и входом силовой турбины.
Как вариант, один или более высокотемпературных топливных элементов, предпочтительно последовательность высокотемпературных топливных элементов, как описано выше, размещается между выходом сборки турбины компрессора и входом силовой турбины.
Система, имеющая силовую турбину, предпочтительно содержит систему трубопровода для отработанного газа, входной конец которой соединен с выходом для отработанного газа силовой турбины.
Система, имеющая компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, предпочтительно содержит канал вторичного воздуха, который на его входном конце присоединен между выходом компрессора низкого давления и входом компрессора высокого давления таким образом, что когда сжатый воздух выходит из выхода компрессора низкого давления, поток первичного воздуха проходит через канал первичного воздуха к компрессору высокого давления, и поток вторичного воздуха входит в канал вторичного воздуха, и предпочтительно в канале вторичного воздуха имеется средство впрыска воды для впрыска воды в поток вторичного воздуха, и канал вторичного воздуха на его выходном конце присоединен к соединению между выходом сборки турбины компрессора и входом силовой турбины.
Канал вторичного воздуха может, если требуется, включать в себя вентилятор для увеличения давления потока вторичного воздуха.
Предпочтительно предварительный нагрев подаваемого воздуха выполняется (частично) с помощью теплообменника, который использует тепло отработанных газов системы, и который предусмотрен, например, между сборкой турбиной компрессора и последовательностью высокотемпературных топливных элементов.
Особенно предпочтительно система согласно изобретению содержит один или более генераторов пара для генерирования пара, и в этом случае генератор пара предпочтительно присоединяется к системе трубопровода для отработанного газа с целью использования тепла отработанных газов для создания пара, причем генератор пара имеет выход, который соединен с выходом анода одного или более топливных элементов, предпочтительно с отверстием для примешивания в соединении между выходом анода топливного элемента и входом анода топливного элемента. Это дает возможность поддерживать оптимальные рабочие условия также и на этом этапе.
Ясно, что если множество топливных элементов соединены последовательно, примешивание пара этого типа может в каждом случае происходить между соединенными друг с другом выходом анода и входом анода.
Изобретение предпочтительно также предусматривает решение, в котором система содержит генератор пара для генерирования пара, причем генератор пара предпочтительно соединен с системой трубопровода для отработанного газа для использования тепла отработанных газов для создания пара, и в котором генератор пара имеет выход, который соединен с выходом катода последнего топливного элемента в последовательности. В частности, предпочтительно, если указанный выход соединен с турбиной, и это решение может также быть применено, если один или более других выходов катодов последовательности соединены с турбиной.
В системе, имеющий компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, оптимальные рабочие условия для компрессора высокого давления могут быть обеспечены путем разделения воздушного потока, выходящего из компрессора низкого давления на поток первичного воздуха и поток вторичного воздуха, при этом вода может также впрыскиваться в поток вторичного воздуха.
В одном возможном варианте воплощения система содержит средство охлаждения, которое охлаждает поток первичного воздуха; причем это средство охлаждения может быть выполнено в виде средства впрыска воды, которое независимо от средства впрыска воды для потока вторичного воздуха.
Предпочтительно поток первичного воздуха больше потока вторичного воздуха, например поток первичного воздуха составляет 70-90% и поток вторичного воздуха составляет 10-30% от общего воздушного потока, выводимого компрессором низкого давления.
Поток вторичного воздуха может быть объединен с потоком первичного воздуха ниже по потоку относительно опциональной сборки турбины компрессора системы, так что в указанном потоке вторичного воздуха может поддерживаться относительно низкое давление. Если давление в точке, в которой два воздушных потока объединяются, выше, чем на выходе компрессора низкого давления, возможно предусмотреть вентилятор, вспомогательный компрессор, который увеличивает давление потока вторичного воздуха. Например, этот вентилятор представляет собой электрический вентилятор.
Предпочтительно предусмотреть теплообменник, который осуществляет передачу тепла между отработанными газами в системе трубопровода для отработанных газов, с одной стороны, и потоком вторичного воздуха, с другой стороны, предпочтительно ниже по потоку относительно первого средства впрыска воды. Это дает возможность осуществить введение максимально возможного количества воды в поток вторичного воздуха и испарить эту воду, используя тепло от отработанных газов.
Необходимо отметить, что термин «впрыск воды» в контексте настоящего изобретения содержит любой вид впрыска воды, т.е. включая распыление воды, вспрыск предварительно нагретой воды или пара и т.д.
Одной из возможных областей применения системы по изобретению является «децентрализованное генерирование энергии» для (технологической) установки (например, в нефтехимической промышленности) или для строительства жилых районов и т.д.
Согласно одному частному варианту изобретение предусматривает систему, которая будет размещена на месте добычи природного газа, вблизи одной или более газовых скважин, предпочтительно в пределах радиуса 10 км от скважин добычи природного газа этого типа, если она требуется непосредственно на скважине добычи природного газа. Например, таким образом возможно найти применение природному газу, подаваемому из скважин, который не (больше не) представляет интереса для производства природного газа, например, из-за того, что уровень давления был или становится слишком низким.
Дополнительные предпочтительные варианты воплощения системы согласно изобретению описываются в формуле изобретения и нижеследующем описании со ссылкой на чертежи, на которых
Фиг. 1 показывает схему, иллюстрирующую неограничивающий примерный вариант воплощения системы согласно изобретению,
Фиг. 2 показывает часть последовательности высокотемпературных топливных элементов системы на фиг. 1.
Фиг. 1 показывает систему для генерирования энергии согласно изобретению.
Система содержит источник 1 воздуха для воздуха, который будет сжигаться, в данном случае воздуха из окружающей среды. Если требуется, также возможно обеспечить другой источник для подачи кислорода.
Система также содержит сборку компрессора для сжатия воздуха. В данном примере сборка компрессора содержит компрессор 2 низкого давления, имеющий вход 3 для воздуха и выход 4, компрессор 5 высокого давления, имеющий вход 6 и выход, причем выход 4 компрессора низкого давления соединен с входом 6 компрессора 5 высокого давления.
Дополнительно иллюстрируемая система содержит сборку турбины компрессора для приведения в движение компрессора 2 низкого давления и компрессора 5 высокого давления, причем сборка турбины компрессора в этом случае содержит одну турбину 8 компрессора, и сборка турбины компрессора имеет вход 9 и выход 10.
В настоящем примере воздушные компрессоры 4, 5 и турбина 8 компрессора установлены на одном общем валу 11.
Между выходом 4 и входом 6 идет канал 12 первичного воздуха, через который проходит поток первичного воздуха от компрессора 2 низкого давления к компрессору 5 высокого давления. На входном конце канал 13 вторичного воздуха соединен с указанным каналом 12 первичного воздуха таким образом, что когда сжатый воздух выходит из выхода 4 компрессора 2 низкого давления, поток первичного воздуха проходит к компрессору 5 высокого давления, и поток вторичного воздуха проходит в канал 13 вторичного воздуха.
Предпочтительно воздушный поток из компрессора 2 низкого давления разделяется таким образом, что поток первичного воздуха больше потока вторичного воздуха, например, поток первичного воздуха составляет 85% и поток вторичного воздуха составляет 15% от общего воздушного потока. Соотношение между двумя воздушными потоками может быть постоянным, например, за счет канала вторичного воздуха, имеющего особое поперечное сечение прохода относительно поперечного сечения прохода канала 12 первичного воздуха. Если требуется, возможно обеспечить средство управления, например средство вентиля, предпочтительно в канале 13 вторичного воздуха, для открывания/закрывания и/или управления размером поперечного сечения прохода канала 13 вторичного воздуха относительно канала 12 первичного воздуха.
В канале 13 вторичного воздуха имеется первое средство 15 впрыска воды для впрыска воды в поток вторичного воздуха.
Средство охлаждения, в данном случае содержащие теплообменник 17, предусмотрено для охлаждения потока первичного воздуха в канале 12 первичного воздуха.
Как известно, впрыск воды, как бы она не осуществлялась, выполняется для охлаждения воздуха и увеличения массового расхода в системе, что дает различные преимущества.
Вверху по потоку относительно первого средства 15 впрыска воды возможно предусмотреть вентилятор в канале 13 вторичного воздуха для осуществления ограниченного увеличения давления потока вторичного воздуха. Этот вентилятор может иметь низкую мощность и может, если требуется, иметь электрический привод.
Система содержит теплообменник (или рекуператор) 20, который нагревает воздух, выходящий из выхода сборки компрессора, используя тепло, которое выделяется из отработанных газов системы, как будет пояснено ниже.
Между сборкой компрессора, в этом случае ниже по потоку относительно теплообменника 20, с одной стороны, и турбиной 8 компрессора, с другой стороны, система содержит размещение топливных элементов, которое иллюстрируется более подробно на фиг. 2.
Система содержит источник 21 топлива для топлива, в данном примере для натурального газа или как вариант водорода.
Размещение топливных элементов содержит множество высокотемпературных топливных элементов, соединенных последовательно, для генерирования, по меньшей мере, электрической энергии, в частности твердотопливных элементов на основе оксидов (ТТЭО).
В показанном примере изображены первый, второй и третий высокотемпературные топливные элементы, которые соответственно обозначены ссылочными позициями 30, 40 и 50.
Эти топливные элементы 30, 40, 50 соединены последовательно предпочтительным образом, описанным ниже.
Каждый из топливных элементов 30, 40, 50 имеет соответствующий вход (а) анода для топлива, например природного газа, и выход (b) анода, а также вход (с) катода для воздуха, и выход (d) катода, а также электрическое соединение для выведения электрической энергии (е), которая была сгенерирована.
Иллюстрируемая часть содержит устройство 60 предварительного нагрева-сгорания для нагрева сжатого воздуха, выходящего из сборки компрессора, который в этом случае уже был предварительно нагрет теплообменником 20, так что к первому топливному элементу 30 подается сжатый нагретый воздух. Например, этот воздух находится под давлением приблизительно 9 бар и имеет температуру 900°С.
Пример, представленный на фиг.1 и 2, показывает, что вход (с) катода первого топливного элемента 30 соединен с устройством 60 предварительного нагрева-сгорания.
Выход (d) катода первого топливного элемента 30 соединен с входом (с) катода второго топливного элемента 40, и выход (d) катода второго топливного элемента 40 в этом случае соединен с входом (с) катода третьего и в этом случае последнего топливного элемента 50 в последовательности.
Дополнительно в данном предпочтительном размещении вход (а) анода первого топливного элемента 30 соединен с источником 21 топлива. Выход (b) анода первого топливного элемента 30 соединен с входом (а) анода второго топливного элемента 40, и выход (b) анода второго топливного элемента 40 соединен с входом (а) анода третьего топливного элемента 50.
В данном примере выход (b) анода третьего топливного элемента соединен с устройством 60 предварительного нагрева-сгорания для подачи топлива к указанному устройству сгорания.
Также на чертежах показано обходное воздушное соединение 31 для воздуха, которое предусмотрено между источником 1 воздуха, с одной стороны, в этом случае ниже по потоку относительно сборки компрессора и теплообменника 20, и, с другой стороны, отверстием 32 для примешивания между выходом (d) катода первого топливного элемента 30 и входом (с) катода второго топливного элемента 40.
Обходное воздушное соединение 41 подобного типа также предусмотрено между источником 1 воздуха, в этом случае ниже по потоку относительно сборки компрессора и теплообменника 20, и отверстием 42 для примешивания между выходом (d) катода второго топливного элемента 40 и входом (с) катода третьего топливного элемента 50.
В настоящем примере дополнительное обходное воздушное соединение 51 предусмотрено между источником 1 воздуха, в этом случае ниже по потоку относительно сборки компрессора и теплообменника 20, и отверстием 52 для примешивания на выходе (d) катода третьего и в этом случае последнего топливного элемента 50 в последовательности.
В результате получают последовательное соединение множества высокотемпературных топливных элементов, в котором вход катода каждого топливного элемента соединен с выходом катода предыдущего топливного элемента, если смотреть в направлении подачи воздуха, и в котором имеется обходное воздушное соединение между источником воздуха и отверстием для примешивания между соединенными друг с другом выходом катода и входом катода смежных топливных элементов.
Система также содержит силовую турбину 70, в этом случае с вращающимся валом 71 для выведения механической энергии, например для приведения в движение электрического генератора 72.
Силовая турбина 70 имеет вход 73, который в этом случае соединен с выходом турбины 8 компрессора.
Между указанной турбиной 8 компрессора и силовой турбиной 70 имеется в этом случае дополнительная последовательность высокотемпературных топливных элементов (100), предпочтительно имеющая такую же структуру, что и изложенная выше. Альтернативно возможно предусмотреть устройство сгорания низкого давления.
Силовая турбина 70 также имеет выход 75 для отработанного газа.
Установка также имеет систему трубопровода для отработанного газа, входной конец 80 которой соединен с выходом 75 для отработанного газа силовой турбины 70. На схеме это проиллюстрировано в двух местах для большей ясности.
В настоящем примере выходной конец 13b канала 13 вторичного воздуха присоединен к соединению между выходом 10 турбины 8 компрессора и входом размещения 100 высокотемпературных топливных элементов или опционального устройства сгорания низкого давления в этой же позиции.
Система трубопровода для отработанного газа содержит канал 82 первичного отработанного газа и канал 81 вторичного отработанного газа, причем оба канала 81, 82 соединены с выходом 75 силовой турбины 70, так что поток первичного отработанного газа входит в канал 82 первичного отработанного газа, и поток вторичного отработанного газа входит в канал 81 вторичного отработанного газа.
Предпочтительно поток первичного отработанного газа больше потока вторичного отработанного газа, например соотношение между потоками отработанного газа приблизительно такое же, что и соотношение между потоком первичного воздуха и потоком вторичного воздуха.
Теплообменник 90 потока вторичного воздуха передает тепло между отработанными газами в системе трубопровода для отработанного газа и потоком вторичного воздуха, предпочтительно ниже по потоку относительно средства 15 впрыска воды.
Теплообменник 91 нагрева топлива передает тепло между потоком отработанного газа и топливом, которое подается к размещению высокотемпературных топливных элементов. Указанный теплообменник 91 предпочтительно встроен в поток вторичного отработанного газа.
Теплообменник 20 (также называемый рекуператор) передает тепло между потоком первичного отработанного газа в канале 82 потока первичного отработанного газа, с одной стороны, и воздушным потоком, идущим к последовательности топливных элементов, в этом случае выше по потоку устройства 60 предварительного нагрева-сгорания.
Теплообменники предпочтительно предназначены извлекать максимально возможное тепло из отработанных газов до того, как эти отработанные газы будут удалены. Как можно увидеть в точке, обозначенной номером 63, все потоки отработанных газов сходятся в ней.
В показанной системе также осуществляется передача тепла между потоком отработанного газа и потоком вторичного воздуха в месте расположения или в непосредственной близости средства 15 впрыска воды, в данном случае с помощью теплообменника 64.
Если требуется, впрыскиваемая вода может быть восстановлена путем впрыска воды вблизи выхода системы трубопровода для отработанного газа, которая затем собирается вместе с водой, впрыснутой ранее.
В предпочтительном варианте воплощения отработанные газы проходят через конденсатор предпочтительно таким образом, что отработанные газы проходят через одну или более завес охлаждающей воды. Это ведет к восстановлению впрыснутой воды и пара, и также очищает отработанные газы, так что система фактически функционирует без каких-либо вредных выбросов.
Как вариант, в канале 13 вторичного воздуха может быть размещено устройство сгорания низкого давления для сжигания подходящей смеси потока вторичного воздуха и топлива.
Показанная на чертежах установка также иллюстрирует первый и опционально второй генераторы 110, 120 пара, которые обеспечивают пар. Генерирование пара осуществляется частично или полностью, что является предпочтительным, путем извлечения тепла из отработанных газов. В этом случае, что предпочтительно, это извлечение имеет место ниже по потоку относительно потока отработанного газа с помощью рекуператора 20, в этом случае из канала первичного отработанного газа.
Пар, полученный с помощью одного или более генераторов 110, 120 пара системы в этом случае, подается через выход указанного генератора пара и через паровую линию, которая не показана, к выходному потоку из выхода (b) анода одного или более тепловых элементов в системе. Это позволяет охлаждать указанный выходной поток, а также позволяет распределять мощность внутри системы, что увеличивает эффективность.
На чертежах также показаны отверстия 111, 112 для примешивания (см. в частности фиг. 2) в соединении между выходом анода топливного элемента и входом анода следующего в последовательности топливного элемента. Также на чертежах показано отверстие 113 для примешивания для пара на выходе (b) анода последнего топливного элемента 50 в последовательности.
Генератор пара предпочтительно соединен с выходом (d) катода последнего топливного элемента 50 в последовательности предпочтительно, если турбина 8 также соединена с указанным выходом, как в настоящем примере. В этом случае предпочтительно предусмотреть средство управления температурой, что позволяет управлять подачей пара, чтобы установить, по существу, постоянную температуру подачи к указанной турбине 8. В настоящем примере для этого предусмотрено отверстие 114 для примешивания пара.
Как вариант, здесь может быть обеспечено множество турбин компрессора, а не одна турбина компрессора, например, таким образом, что одна турбина компрессора приводит в движение компрессор низкого давления, и другая турбина компрессора приводит в движение компрессор высокого давления.
В еще одном варианте возможно, чтобы турбина компрессора приводила в движение электрический генератор и были предусмотрены электрические приводные двигатели, связанные с электрическим генератором, для приведения в движение одного или более компрессоров сборки компрессора.
Впрыск воды в поток вторичного воздуха и подача тепла, извлеченного из отработанных газов, к указанному потоку вторичного воздуха может также осуществляться различными способами, отличающимися от показанного на чертеже. Например, один или более теплообменников могут быть размещены выше по потоку относительно средства впрыска воды, или средство впрыска воды может быть размещено в том же месте, что и теплообменник, или альтернативно средство впрыска воды может быть размещено между теплообменниками.
Как уже было упомянуто выше, впрыск воды может осуществляться различными способами, в зависимости от конкретной ситуации, например, в виде распыленной воды, пара. В данном контексте можно указать на то, что, хотя это менее предпочтительно, также возможно, чтобы впрыск воды осуществлялся в местах впрыска пара, описанных выше.
Для неограничивающего примера ниже приводится перечень температур, которые могут присутствовать в установке, показанной на фиг. 1
- Воздух, выходящий из компрессора 2 низкого давления, 125°C.
- Воздушный поток, ниже по потоку относительно рекуператора, 20-640°C при 9 бар.
- Воздушный поток после устройства 60 предварительного нагрева-сгорания - 900°C.
- Воздушный поток на выходе (d) анода каждого топливного элемента - 1100°C.
- Воздушный поток после примешивания обходного воздуха в точках 32, 42, 52 - 900°C.
- Поток отработанного газа на выходе силовой турбины - 640°C.
Электрическая мощность топливного элемента 30-210 кВт.
Электрическая мощность топливного элемента 40-380 кВт.
Электрическая мощность топливного элемента 50-690 кВт.