ГИБРИДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
HYBRID POWER PLANT

Изобретение относится к оборудованию для генерации энергии в области альтернативной, а именно водородной, энергетики, и может быть использовано для получения электрической и/или механической энергии.
Известна комбинированная энергоустановка, которая включает смеситель порошка алюминия с водой, насос высокого давления, реактор, водородовоздушный топливный элемент, блок осушки, турбину.
В процессе работы энергоустановки компоненты пароводородной смеси поступают в смеситель для приготовления суспензии, которая посредством насоса высокого давления поступает в реактор. Полученная в реакторе пароводородная смесь направляется на турбину, где происходит ее преобразование в механическую энергию. Далее пароводородная смесь с давлением, близким к атмосферному, поступает в конденсатор, в котором водяной пар конденсируется до воды, а влажный водород направляется в блок осушки, после которой направляется в водородовоздушный топливный элемент, где происходит преобразование химической энергии водорода в электрическую.
(см. А.Л. Дмитриев и др. «Автономные комбинированные энергоустановки с топливными элементами, работающие на продуктах гидротермального окисления алюминия». ISJAEE Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», №11, 2008 г. Научно-технический центр «ТАТА», 2008 г.)
Для известной энергоустановки характерен небольшой ресурс работы водородовоздушного твердополимерного топливного элемента.
Известна алюмоводородная энергетическая установка с Сегнеровым колесом, содержащая реактор-генератор высокотемпературной пароводородной смеси, связанный входом с расходной емкостью для приготовления водной суспензии алюминия, а выходом - со смесителем, предназначенным для смешивания полученной пароводородной смеси с водой, выход смесителя связан с Сегнеровым колесом, питающим электрогенератор, а газовый выход Сегнерова колеса связан с конденсатором пароводородной смеси и разделения ее на воду, водород и оксиды алюминия.
В процессе работы энергетической установки в реактор насосом высокого давления подается суспензия, состоящая из воды и порошкового алюминия. В реакторе гидролизом порошков алюминия производится пароводородная смесь по реакции: 2Al+4H2O→2AlO(OH)+3H2+Q. Потенциальная энергия пароводородоводяной смеси с помощью Сегнерова колеса преобразуется в механическую, а электрогенератором - в электрическую энергию. Отработанная смесь подается в конденсатор, где из нее выделяется водород, направляемый в накопитель, а остаточное тепло подается в систему отопления (см. патент РФ на полезную модель №103574, кл. F02C 3/00, 2010 г.).
По результатам анализа известной энергетической установки необходимо отметить, что в ее конструкции не предусмотрено устройство регулирования рабочей среды перед Сегнеровым колесом. Параметры среды на выходе из реактора могут быть не постоянными, и без их регулирования Сегнерово колесо может работать на не оптимальном режиме, что снижает эффективность эксплуатации установки.
Известна гибридная энергетическая установка, содержащая реактор получения пароводородной смеси, первый вход которого связан с блоком подготовки суспензии, а также блок разделения водорода, оксидов алюминия и воды, и Сегнерово колесо, имеющее возможность соединения с потребителем или преобразователем энергии, установка оснащена камерой сгорания, парогазовой турбиной и воздушным компрессором, ротор которого связан с Сегнеровым колесом, первый вход камеры сгорания связан с выходом блока разделения водорода, оксидов алюминия и воды, а второй - с каналом подачи воздуха воздушного компрессора, с которым также связан второй вход реактора, а выход камеры сгорания связан с парогазовой турбиной, ротор которой имеет возможность соединения с потребителем или преобразователем энергии.
(см. патент РФ на полезную модель №160574, МПК F02C 3/28, F02C 3/30, F01K 21/04 2016 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной энергетической установки был выявлен недостаток, заключающийся в том, что максимальная эффективность работы турбины (Сегнерова колеса) обеспечивается только на определенном режиме, при изменении параметров рабочей среды, режим работы становиться не оптимальным, что снижает общую эффективность узла и установки в целом. Оптимальная работа Сегнерова колеса достигается в тот момент, когда скорость истечения рабочей среды из сопел Сегнерова колеса равна окружной скорости их перемещения. Если перед входом в Сегнерово колесо отсутствует устройство, способное регулировать параметры рабочей среды, то могут реализовываться не оптимальные режимы работы турбины (Сегнерова колеса).
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении эффективности работы установки за счет обеспечения возможности регулировки параметров рабочей среды перед турбиной (Сегнеровым колесом), а также в повышении эффективности использования энергии за счет постоянного поддержания режима работы турбины (Сегнерова колеса) на оптимальном режиме и повышении ресурса работы установки за счет снижения частоты вращения ротора турбины и предотвращения избыточных нагрузок на нее.
Указанный технический результат достигается тем, что в гибридной энергетической установке, содержащей реактор для получения смеси пара, водорода и оксидов алюминия, связанный с блоком подготовки суспензии воды и порошкового алюминия, смонтированный в газостатических подшипниках вал, на одном конце которого установлено Сегнерово колесо, имеющее возможность соединения с потребителем или преобразователем энергии, а другой связан с воздушным компрессором, блок разделения смеси пара, водорода и оксидов алюминия на водород, оксиды алюминия и воду, вход которого связан с Сегнеровым колесом, камеру сгорания, входы которой связаны с блоком разделения для подачи в камеру сгорания водорода и воды, выделенных из смеси пара, водорода и оксидов алюминия, а также связанную с воздушным компрессором для подачи воздуха, а выход камеры сгорания связан с парогазовой турбиной, ротор которой имеет возможность соединения с потребителем или преобразователем энергии, новым является то, что установка оснащена дополнительными турбиной, работающей на смеси пара, водорода и оксидов алюминия, и воздушным компрессором, роторы которых соединены посредством смонтированного в газостатических подшипниках вала, причем вход указанной дополнительной турбины связан с выходом реактора, а выход дополнительного воздушного компрессора связан с газостатическими подшипниками валов.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическим материалом, на котором представлена принципиальная схема гибридной энергетической установки.
Гибридная энергетическая установка содержит блок 1 подготовки суспензии из воды и порошкового алюминия. Блок 1 имеет подводы для подачи в него компонентов суспензии - воды и порошкового алюминия. Выход блока 1 связан с входом реактора 2 гидротермального окисления алюминия для получения рабочей среды - смеси пара, водорода и оксидов алюминия.
Установка также содержит воздушный компрессор 3, ротор которого посредством вала 4 связан с ротором турбины 5, с входом которой связан выход реактора 2. В качестве опор вала 4 использованы газостатические подшипники 6.
Воздушный компрессор 3 и турбина 5, связанные посредством вала 4, образуют второй контур генерации механической энергии.
Выход турбины 5 связан с Сегнеровым колесом 7, с которым соединены, с одной стороны, потребитель или преобразователь энергии, например, первый электрогенератор 8, а с другой - через вал 9 - воздушный компрессор 10. В качестве опоры вала 9 используются газостатические подшипники 11. Выход воздушного компрессора 3 подключен к газостатическим подшипникам 6 и 11 для обеспечения их работы.
Сегнерово колесо 7 и воздушный компрессор 10, связанные посредством вала 9, образуют первый контур генерации механической энергии.
Установка оснащена блоком 12 разделения смеси пара, водорода и оксидов алюминия на водород, оксиды алюминия и воду, вход которого связан с выходом Сегнерова колеса 7, первый и второй выходы блока 12 связаны с первым и вторым входами камеры сгорания 13, третий вход которой воздушным каналом связан с выходом воздушного компрессора 10.
Камера сгорания 13 каналом связана с парогазовой турбиной 14, вал ротора которой соединен с потребителем 15 полученной на турбине 14 энергии. Это может быть потребитель механической энергии или электрической. Если необходимо получение электрической энергии, то с валом ротора турбины соединяют ротор второго электрогенератора 15. Установка может быть оснащена теплообменником 16, вход которого связан с газовым выходом парогазовой турбины 14, а выход может быть подсоединен к водяному подводу блока 1. Установка оснащена насосом высокого давления 17, встроенным в линию подачи суспензии из блока 1 в реактор 2.
Заявленная установка компонуется из стандартных агрегатов. Электрогенераторы 8 и 15, равно, как и насос 17, а также теплообменник 16, являются стандартными серийными агрегатами. Воздушные компрессоры 3 и 10, турбины 5 и 14 также являются стандартными. В качестве блока 1 подготовки суспензии из воды и порошкового алюминия может быть использован любой смеситель, позволяющий в результате смешения порошкового алюминия и воды получить водный раствор с частицами алюминия размерностью не более 1 мкм. В качестве реактора 2 может быть использован генератор пароводородной смеси [1]. В качестве блока разделения 12 может быть использована емкость, в которой за счет конденсации происходит выделение воды из рабочей среды, за счет силы тяжести разделение твердых продуктов (оксидов алюминия) и газообразного водорода. В качестве камеры сгорания 13 может быть использован стандартный парогенератор, использующий воздух в качестве окислителя и воду для регулировки качества пара.
Гибридная энергетическая установка работает следующим образом.
Для работы установки в блок 1 подают воду и алюминий в виде порошка. В рабочем объеме блока 1 производят высокоскоростное механическое перемешивание данных компонентов до получения из них суспензии.
кр
кр
Приготовленная в блоке 1 суспензия насосом 17 высокого давления подается на вход предварительно прогретого нагревателем (не показан) до 350°C реактора 2 под давлением не менее 220 атмосфер. В реакторе 2 в результате экзотермической реакции гидротермального окисления алюминия создаются высокая температура и давление. Гидротермальное окисление основано на методе сверхкритического водного окисления. Под сверхкритическим состоянием вещества понимается состояние двухфазной системы «жидкость-пар», в которой параметры обеих сред становятся тождественными по всем своим свойствам, т.е. система превращается в однофазную (гомогенную). В этом состоянии молекулы вещества практически не связаны между собой, т.е. межмолекулярная энергия взаимодействия очень мала, как следствие, в системе наблюдается низкая вязкость и высокие коэффициенты диффузии. Именно эти два параметра предопределяют высокую скорость протекания реакции гидротермального окисления алюминия. В рассматриваемой установке в качестве сверхкритической жидкости используется вода, которая достигает своей критической точки при температуре Т=350°С и давлении Р=220 атм. При этом из полярной жидкости она превращается в неполярную среду, скорость диффузии возрастает. Расстояние между молекулами в этом состоянии значительно больше, чем в жидкости, но намного меньше, чем в паровой фазе.
Из реактора 2 полученная смесь пара, водорода и оксидов алюминия под давлением подается на турбину 5 второго контура (дополнительную турбину), раскручивая ее и создавая на валу 4 момент, за счет которого раскручивается воздушный компрессор 3 (дополнительный компрессор). Воздух с компрессора 3 поступает в газостатические подшипники 6 и 11, обеспечивая тем самым их работу.
С выхода турбины 5 смесь пара, водорода и оксидов алюминия под давлением подается на Сегнерово колесо 7, раскручивая его и, следовательно, вал 9, а также связанный с ним ротор первого электрогенератора 8, который вырабатывает электроэнергию для внешнего потребителя.
С выхода Сегнерова колеса 7 низкопотенциальная смесь пара, водорода и оксидов алюминия попадает в блок 12 разделения, где происходит ее разделение на водород, оксиды алюминия и воду. Смесь пара, водорода и оксидов алюминия, попадая в блок 12 разделения, расширяется и охлаждается, за счет чего вода конденсируется и скапливается на дне емкости блока 12 разделения, а газообразный водород накапливается в верхней части емкости блока 12 разделения, откуда производится его забор. Сконденсированная вода содержит оксиды алюминия в виде твердой фазы. Разделение воды и оксидов алюминия может происходить любыми доступными методами, например, сепарацией или отстаиванием с последующим отделением твердого осадка. Оксиды алюминия направляются в накопительную емкость, а вода подается в камеру сгорания 13. Отделенный водород также поступает в камеру сгорания 13, в которую в качестве окислителя также подается в качестве окислителя сжатый воздух от компрессора 10. Смесь воздуха и водорода в камере сгорания 13 инициируется электрическим разрядом. Процесс горения смеси сопровождается образованием высокотемпературного водяного пара. Полученный высокотемпературный водяной пар перемешивается с водой, отделенной в блоке разделения 12, образуя рабочее тело (парогазовую смесь) заданной температуры. Парогазовая смесь из камеры сгорания 13 попадает на парогазовую турбину 14, где ее энергия переходит в механическую энергию вращения ротора, которая может выдаваться потребителю или, за счет использования второго электрогенератора 15, преобразовываться в электрическую энергию. Отработанная парогазовая смесь из турбины 14 может выбрасываться в атмосферу или конденсироваться в теплообменнике 16 в конденсат. Полученный конденсат возвращают в блок 1 для подготовки суспензии.
Заявленная установка обеспечивает высокоэффективную выработку энергии, а также утилизацию алюминиевой пудры в различных соотношениях с последующей выработкой водорода и использование энергии при его сжигании.
За счет применения двух контуров обеспечивается плавная регулировка установки по выходной мощности с сохранением максимальной эффективности работы. Все переменные нагрузки сглаживает контур с дополнительной турбиной 5, а на Сегнерово колесо 7 подается постоянная нагрузка, соответствующая режиму работы с максимальной его эффективностью.
Одновременно решаются задачи снижения частоты вращения вала 9 за счет снижения пиковых нагрузок и оптимальных условий работы газостатических подшипников, что увеличивает ресурс работы установки.
Литература
1. Власкин М.С., Школьников Е.И., Берш А.В., Жук А.З., Лисицын А.В., Сороковиков А.И., Панкина Ю.В. Экспериментальная когенерационная энергетическая установка на основе гидротермального окисления алюминия // Известия РАН. Энергетика. 2011. No 6. С. 31-45.