КОМПОНОВКА ХОЛОДНОГО БОКСА ДЛЯ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ МОЩНОСТЬЮ ДО 4 кВт

Область техники.
Полезная модель относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначена для подготовки топлива окислителя для дальнейших преобразований в реформере и топливной батареи, находящихся в горячем боксе, распределения электроэнергии, вырабатываемой энергоустановкой, и распределения и утилизации выхлопных газов.
Уровень техники.
Известно техническое решение «Энергоустановка на топливных элементах» (RU 2462798, 28.04.2011, МПК Н01М 8/04). Данное изобретение содержит генератор на топливных элементах, инвертор, датчик выходного напряжения генератора, систему автоматического управления и контроля, блок аккумуляторных батарей, зарядное устройство, два развязывающих диода, объединенный катод которых подключен к входу инвертора, и три контактора. Предполагается, что данная энергоустановка может быть как источником бесперебойного питания, при подключении к сети, так и работать автономно без внешней сети. Недостатком данного решения является то, что для системы автоматического контроля и управления, наиболее чувствительной к сбоям в питании, бесперебойное питание обеспечивается маломощным источником, для работы остальной системы предусмотрены аккумуляторные батареи, поэтому автономная работа энергоустановки огранена зарядом аккумуляторных батарей.
Раскрытие полезной модели.
Холодный бокс для энергоустановок на топливных элементах предназначен для подготовки топлива окислителя для дальнейших преобразований в реформере и топливной батареи, находящихся в горячем боксе, распределения электроэнергии, вырабатываемой энергоустановкой, и распределения и утилизации выхлопных газов. Холодный бокс обеспечивает работоспособность энергоустановок на топливных элементах мощностью до 4 кВт во всех режимах работы и привязку к другим элементам энергоустановки и к автономным объектам инфраструктуры газа.
Холодный бокс содержит блок подачи, блок отведения выхлопных газов, блок стартового разогрева, блок преобразования, и выполнен с возможностью установки горячего бокса, где непосредственно осуществляется выработка электрической энергии.
Предлагаемое решение решает следующую техническую задачу: обеспечение длительной автономной работы за счет возможности самообеспечения необходимой электроэнергией.
Новизна технического решения обеспечивается рядом возможностей, которые появляются при его использовании. Элементы холодного бокса осуществляют не только подготовку топлива, так что возможно использование любого природного газа, но преобразование и распределение электрической энергии между потребителями и собственными нуждами (подзарядка аккумуляторных батарей и обеспечение электроэнергией блоков энергоустановки).
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как оно может быть использовано для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - Принципиальная схема энергоустановки и ее крупных блоков.
Осуществление полезной модели.
Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему энергоустановки и ее крупных блоков, на котором видны основные блоки холодного бокса. Холодный бокс для энергоустановок на топливных элементах мощностью до 4 кВт содержит каналы подачи топлива, окислителя и инертного газа, блок подачи (3), блок отведения выхлопных газов (7), блок стартового разогрева (4), блок преобразования электрической энергии (6), и выполнен с возможностью установки горячего бокса (5), где непосредственно осуществляется выработка электрической энергии.
Холодный бокс работает следующим образом. В энергоустановку, а именно в блок подачи (3) холодного бокса энергоустановки через канал подачи топлива поступает природный газ, через канал подачи окислителя поступает воздух. Блок 3 обеспечивает фильтрацию подаваемого топлива и окислителя, подвод топлива и окислителя к горячему боксу (5) и к блоку стартового разогрева (4), в случае первоначального запуска. Горячий бокс (5) отвечает за выработку электроэнергии и обязательно включает в себя инжектор для нагнетания газа в реформер, реформер для генерации синтез-газа, топливная батарея, а так же теплообменник. Блок (4) предназначен запуска вывода на режим нормальной работы холодного бокса при автономном запуске энергетической установки. Из горячего бокса выработанная электроэнергия попадает в блок преобразования электрической энергии, а технологические газы в блок отведения выхлопных газов (7). Блок (6) обеспечивает автономный запуск и остановку энергоустановки от внешних источников электроэнергии, бесперебойное питание потребителя при сбросе/набросе нагрузки в режиме безопасной для топливной батареи, осуществляет контроль и диагностику работоспособности элементов энергоустановки. Блок (6) осуществляет преобразование полученной электроэнергии в формат, воспринимаемый аппаратурой потребителя, распределяет электрическую энергию между потребителями собственными нуждами энергоустановки (на обслуживание текущих процессов и заряд аккумуляторных батарей, блок которых входит в состав блока 6), прием команд управления с диспетчерского пульта. Блок преобразования электрической энергии (6) и передачу информации о состоянии энергоустановки, параметров газа на входе в ХБ. Блок преобразования электрической энергии (6) осуществляет защиту элементов энергоустановки от перегрева в случае отсутствия потребителя (так как в этом случае невозможно осуществить остановку работы энергоустановки, а, следовательно, и выработку электроэнергии мгновенно, поэтому электрическая энергия будет еще какое-то время вырабатываться). Блок отведения выхлопных газов (7) обеспечивает подогрев укрытия, в котором расположена энергоустановка, за счет тепла отходящих газов или утилизацию технологических газов в зависимости от климатических условий. Блок отведения выхлопных газов (7) осуществляет один из вариантов охлаждения энергоустановки за счет откачки топливной смеси.
Помимо каналов подачи топлива и окислителя предусмотрен канал подачи инертного газа, который используется для продувки каналов топлива как один из вариантов охлаждения энергоустановки.
На всех этапах работы осуществляется постоянный мониторинг параметров подаваемого топлива и воздуха, параметров выхлопных газов, значений выработанной электроэнергии и так далее, проверка работоспособности исполнительных устройств и датчиков, входящих в состав холодного бокса.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность длительной автономной работы без использования внешних источников электрического тока на отдаленных территориях.