ГИБРИДНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и газотурбинных установок.
Известны технические решения по совместному использованию ТОТЭ и газовых турбин, основанных на использовании тепла продуктов реакции ТОТЭ в газотурбинной установке, например, пат. США №5501781, №5693201.
Известно техническое решение (пат. США №5948221), принятое за прототип, в соответствие с которым воздух, направляемый в ТОТЭ, сжимается в компрессоре газотурбинной установки, подводится в топливный элемент, проходит через катодное пространство, затем смешивается с продуктами окисления топлива и далее направляется в газовую турбину, где отдает свою энергию на производство электроэнергии в генераторе, соединенном с газовой турбиной, после чего продукты топливного элемента выбрасываются в атмосферу. Таким образом, газотурбинная установка функционирует по разомкнутому циклу.
Недостатками данного технического решения являются работа ТОТЭ при высоком давлении реагентов, что повышает вероятность разрушения электролитических элементов и требует наличия вокруг топливного элемента жесткого корпуса, а также невозможность обеспечить оптимальные параметры работы газовой турбины, в связи с тем, что параметры рабочего тела газовой турбины, которым являются продукты топливного элемента, зависят от режима работы ТОТЭ.
Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является создание возможности выбора оптимального рабочего тела и его параметров для газотурбинной установки, увеличение надежности ТОТЭ за счет обеспечения стабильного температурного режима внутри ТОТЭ и возможности замены вышедших из строя секций без остановки топливного элемента, что в совокупности приводит к увеличению КПД гибридной установки и к повышению ее надежности и ресурса.
Для достижения указанного результата предложена гибридная энергоустановка состоящая из твердооксидного топливного элемента и газотурбинной установки, включающей компрессор, газовую турбину и трубопроводы, при этом топливный элемент и газотурбинная установка соединены контуром циркуляции рабочего тела, состоящего из теплообменников-нагревателей, установленных внутри топливного элемента, причем выход компрессора соединен со входом теплообменников-нагревателей, вход газовой турбины соединен с выходом теплообменников-нагревателей, а выход газовой турбины соединен со входом компрессора.
Кроме того, топливный элемент разделен на отдельные секции, размещенные внутри корпуса топливного элемента, между которыми установлены теплообменники-нагреватели рабочего тела газотурбинной установки.
Также, секция топливного элемента выполнена в виде единого конструктивного элемента и состоит из электрохимических модулей, установленных на коллекторе подвода и отвода внутреннего реагента, и рекуперативного теплообменника, соединенного внутренними фланцами с коллектором подвода и отвода внутреннего реагента, а внешними фланцами с трубопроводами подвода и отвода внутреннего реагента.
Секции внутри топливного элемента установлены так, что могут быть извлечены из топливного элемента каждая независимо от других и в совокупности образуют хотя бы одну петлю так, что крайние секции по потоку внешнего реагента соединены с внутренними фланцами рекуперативного теплообменника внешнего реагента, а внешние фланцы рекуперативного теплообменника соединены с трубопроводами подвода и отвода внешнего реагента.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что топливный элемент и газотурбинная установка развязаны по рабочему телу и могут работать каждый в оптимальном для себя режиме, передавая только выделяющееся в топливном элементе тепло рабочему телу газотурбинной установки, а топливный элемент работает при атмосферном давлении без жесткого корпуса, имеет рекуперативные теплообменники для топлива и воздуха, за счет теплообменников-нагревателей рабочего тела газотурбинной установки обеспечивается стабильный температурный режим внутри ТОТЭ, а также увеличивается надежность ТОТЭ за счет возможности замены вышедших из строя секций без остановки топливного элемента. Совокупность данных технических решений приводит к увеличению КПД гибридной установки и к повышению ее надежности и ресурса.
На фиг.1 приведена схема предлагаемой гибридной энергоустановки, где
1 - высокотемпературный твердооксидный топливный элемент,
2 - газовая турбина,
3 - компрессор,
4 - генератор,
5 - контур циркуляции рабочего тела
На фиг.2, 3, 4, 5 и 6 приведены схемы твердооксидного топливного элемента, где
6 - секция ТОТЭ,
7 - теплообменник-нагреватель рабочего тела,
8 - теплообменник-рекуператор внешнего реагента,
9 - теплообменник-рекуператор внутреннего реагента,
10 - теплоизоляция,
11 - поворот для внешнего реагента,
12 - трубопровод подвода и отвода внутреннего реагента,
13 - внутренний фланец теплообменника-рекуператора внешнего реагента,
14 - внешний фланец теплообменника-рекуператора внешнего реагента,
15 - трубопровод подвода и отвода рабочего тела.
На фиг.7 и 8 приведены схемы секции ТОТЭ, где
16 - электрохимический модуль,
17 - коллектор подвода и отвода внутреннего реагента,
18 - внутренний фланец теплообменника-рекуператора внутреннего реагента,
19 - внешний фланец теплообменника-рекуператора внутреннего реагента,
20 - каркас секции
Предлагаемая гибридная энергоустановка (фиг.1) состоит из топливного элемента 1, и газотурбинной установки, состоящей из газовой турбины 2, компрессора 3, генератора 4 и контура циркуляции рабочего тела 5. Топливный элемент 1 (фиг.2) в свою очередь состоит из секций 6, между которыми установлены теплообменники-нагреватели 7. Крайние секции 6 соединены с внутренними фланцами 13 теплообменника-рекуператора внешнего реагента 8, а коллекторы 17 (фиг.7) секций соединены с внутренними фланцами 18 теплообменника-рекуператора внутреннего реагента 9. Снаружи топливный элемент покрыт теплоизоляцией 10. Для образования петли секций установлен поворот внешнего реагента 11. К внешним фланцам 19 теплообменников-рекуператоров внутреннего реагента 9 подсоединены трубопроводы подвода и отвода внутреннего реагента 12.
Теплообменники-нагреватели рабочего тела 7 подсоединены к трубопроводам подвода и отвода рабочего тела 15 (фиг.3).
На фиг.3 показана схема топливного элемента с фиг.2 вид сбоку. На фиг.4 показан топливный элемент вид в плане с двумя петлями секций. На фиг.5 показан этот же топливный элемент вид сбоку, а на фиг.6 показан топливный элемент с тремя петлями секций вид сбоку.
Предлагаемая гибридная установка работает следующим образом. В топливный элемент 1 (фиг.1) подают топливо и воздух. В результате электрохимической реакции окисления топлива происходит выработка электроэнергии и выделение тепла. Электроэнергия подается потребителям, а выделяющееся тепло нагревает рабочее тело в контуре 5, которое поступает в газовую турбину 2 и передает ей энергию. Газовая турбина 2 вращает компрессор 3, в котором сжимается рабочее тело перед подачей в топливный элемент 1, и генератор 4, вырабатывающий электроэнергию. Топливный элемент 1 работает следующим образом. Внешний реагент, например, газообразное топливо, омывающий электрохимические модули 16 (фиг.7) секций 6 снаружи (фиг.2), подается через теплообменник-рекуператор внешнего реагента 8, нагреваясь в нем, в топливный элемент, где последовательно проходит через секции 6 первой части петли секций, разворачивается в повороте 11 и проходит через секции второй части петли, затем проходит через теплообменник-рекуператор 8, отдавая свое тепло входящему потоку внешнего реагента и охлажденным отводится из топливного элемента. Внутренний реагент, например, воздух, поступающий внутрь электрохимических модулей 16 секции 6, подается по трубопроводу 12 к внешнему фланцу 19 теплообменника-рекуператора внутреннего реагента 9, нагревается в нем и подается через внутренний фланец 18 и коллектор 17 секции 6 в электрохимические модули 16, проходит через модули и поступает через коллектор 17 и внутренний фланец 18 в теплообменник-рекуператор 9, где охлаждается, нагревая входящий поток внутреннего реагента, и отводится через внешний фланец 19 в трубопровод внутреннего реагента 12. Топливный элемент 1 может иметь несколько петель, в этом случае поток внешнего реагента будет иметь несколько поворотов (фиг.4, 5 и 6) так, чтобы крайние секции всегда были соединены с внутренними фланцами 13 теплообменника-рекуператора внешнего реагента 8, а секции 6 располагались внутри корпуса топливного элемента так, чтобы их можно было извлечь независимо друг от друга.
Таким образом, гибридная энергоустановка позволит достичь увеличения КПД гибридной установки и повышения ее надежности и ресурса за счет создания возможности выбора оптимального рабочего тела и его параметров для газотурбинной установки, увеличения надежности ТОТЭ за счет обеспечения стабильного температурного режима внутри ТОТЭ и возможности замены вышедших из строя секций без остановки топливного элемента.