Способ производства электрической энергии и устройство для его осуществления

 

Использование: в устройствах для производства электроэнергии. Сущность изобретения: дополнительно производят выработку электроэнергии в топливном элементе типа MCSC, или PCSC, или SOFS, катод которого размещен в потоке продуктов сгорания перед или за силовой турбиной низкого давления, впускная линия анода топливного элемента подключена к источнику природного газа, а выпускная - к дополнительной камере сгорания. 2 с, 3 з.п.ф-лы, 6 ил, 1 табл.

Изобретение касается способа производства электроэнергии и устройства для его осуществления.

В промышленности нуждаются в устройстве для производства электроэнергии с высоким КПД, кроме того минимально загрязняющим окружающую среду. До настоящего времени существовали различные механизмы, такие как двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, у которых КПД может быть фактически достигнут приблизительно 35%, но от которых вредные выбросы (в частности, содержание 110 в выхлопных газах) тем не менее все еще вызывают озабоченность. Целью изобретения является разработка способа и устройства для его осуществления, который даст ощутимое усовершенствование относительно двух вышеупомянутых проблем: КПД и вредных выбросов.

В этой связи, изобретение основывается на способе, который сам по себе известен в различных воплощениях, использующем для производства электроэнергии газообразную среду, например воздух, которая пропускается в незамкнутый контур, во-первых, через, по крайней мере, одну компрессорную установку и далее через газовую турбину для того, чтобы затем пройти через теплообменник газа газового канала. Усовершенствование, которое предлагается в соответствии с изобретением, отличается тем, что газообразная среда, которая находится в сжатом состоянии, пропускается через теплообменник газа газового канала, чтобы увеличить температуру, по крайней мере, однажды, для того, чтобы после быть пропущенной через одну или более турбины, соединенные с компрессорной установкой, с выделением энергии, и поток газа внутри контура, который пропускается как окислитель в топливный элемент вместе с топливом (восстановителем), производящим электроэнергию в упомянутом элементе до или после образования механической энергии в газовой турбине.

Этот способ включает в себя комбинацию следующих усовершенствований: - используемая компрессорная турбина не снабжается (как обычно до сих пор) выходными газами газовой турбины или иным процессом горения, только главным образом сжатым воздухом, который используется для этой цели после полученного дополнительного увеличения температуры в теплообменнике газа газового канала; - газообразная среда, которая поступает из вышеупомянутой компрессорной турбины с соответственно низкими давлением и температурой, тот час же используется как окисляющий газ (окислитель) в топливном элементе, вместе с восстановителем (например, природным газом); - давление газовой среды (окислителя) является низким на входе топливного элемента, как и давление восстановителя, что делает систему более гибкой.

Изобретение делает возможным процесс, у которого, во-первых, более высокий электрический КПД и в котором ближе всего достигнут, чем было до сих пор, теоретический цикл Карно. Во-вторых, этот тепловой контур (который является объектом ограничений Карно) включает в себя электрохимическую систему, которая не имеет этих ограничений и у которой считается возможным КПД, по крайней мере, 55-70% с поддающимися управлению температурами, даже порядка 1000^оС. В дополнение к этому имеет место утверждение, что в предлагаемом способе всегда содержится определенная теплотворная способность в так называемом отработанном топливе (восстановителе), которая может быть использована, например, в камере сгорания. Кроме того, газово-воздушная смесь, которая поступает в газовую турбину после прохождения через камеру сгорания, оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Характерно, что только очень малое количество ядовитых выбросов NOx (50 гр) GJ) может содержаться в газах газового канала. Каталитический процесс превращения в топливном элементе производит неядовитые продукты реакции, в результате чего предлагаемый новый способ фактически не загрязняет окружающую среду. Дальнейший вклад в уменьшение загрязнения окружающей среды заключается в увеличении достигнутого КПД от 35% для электростанций приблизительно до 55-70% в результате этого нового способа. По сравнению с предшествующим уровнем, для производства одного и того же количества электроэнергии нужна приблизительно половина прежнего количества топлива. Это имеет результатом соответствующее уменьшение СО₂. Применение топливного элемента имеет двойственную функцию выработки электроэнергии и производства нагретых газов.

Изобретение также касается устройства для осуществления способа, описанного раньше и используемого ранее для производства электроэнергии посредством газового потока, и совокупности механических компонентов, включающей компрессорную установку, соединенную, по крайней мере, с одной турбиной и далее включающей, по крайней мере, одну газовую турбину (силовую турбину), снабженную выходным валом, следующую за теплообменником газа газового канала. В соответствии с изобретением упомянутое устройство отличается объединением упомянутых компонентов с тем, чтобы образовать незамкнутый контур для газового потока, давление которого будет сначала увеличиваться в компрессорной установке, затем его температура также будет увеличиваться в теплообменнике газа газового канала, после которого газовый поток, в конечном счете, через камеру сгорания пропускается потом в компрессорную турбину (турбины) и, наконец, он проходит с незначительным избыточным давлением по направлению к газовой турбине, в процессе чего, пройдя сначала как окислитель в топливный элемент, установленный в контуре выше или ниже по потоку от указанной газовой турбины.

Применение этого элемента может вызвать дополнительное увеличение КПД при одном и том же воздушном потоке и в некоторой степени меньшим расходом топлива в камере сгорания. Этот эффект имеет место благодаря использованному теплу элемента, увеличивающему теплосодержание камеры сгорания. При применении высокотемпературного топливного элемента (порядка 1000^оС, так же как у твердооксидного топливного элемента SOFC) камера сгорания газовой турбины может даже стать фактически ненужной. Постоянный ток от топливного элемента может быть непосредственно использован как постоянный ток или после преобразования может быть использован как переменный ток. Третья возможность заключается в подводе постоянного тока к электрическому генератору газовой турбины.

Только что описанное устройство включает турбинные компоненты, известные сами по себе, с тем результатом, что возможно использование составных частей, уже освоенных промышленностью для монтажа устройства, которое, как следствие высокого КПД, дает в результате уменьшение СО₂-загрязнения окружающей среды примерно на половину по сравнению с известными машинами, такими как двигатели внутреннего сгорания, паротурбинные устройства и традиционные газовые турбины. Уменьшение выделения может быть получено более чем на 50%. В этой связи не берется еще в расчет возможность не загрязнять окружающую среду при использовании тепловых и силовых устройств (общеэнергетическая концепция).

Отметим, что существует два типа топливных элементов, в частности, подходящих для использования в способе и устройстве для его осуществления согласно изобретению. Первым типом является так называемый МСFC (расплавленный углеродный топливный элемент) с температурой эксплуатации приблизительно до 650^оС. Другим типом является так называемый РАFC (фосфорнокислый топливный элемент) с температурой эксплуатации приблизительно до 200^оС. Может быть также использован твердооксидный топливный элемент (SOFC), температура эксплуатации приблизительно 1000^оС. Эти типы описаны в: 1) Либавски и Кэрнс "Топливные и гальванические элементы", ВильоSсан, Нью-Йорк (1968), Глава 12, страницы 524-554. 2) ..Эйплеби и .. Фолкс, "Справочник по топливным элементам", Ван Ностран Рейтальт, Нью-Йорк (1989), 3) Супраманьян Сринивасан, Журнал электрохимического общества, 136(2), Февраль 1989, страницы 410-480.

Местоположение топливного элемента в незамкнутом контуре предпочтительно находится между компрессорной турбиной (СТ) и силовой турбиной (РТ). Расположение далее по потоку и даже за газовой турбиной возможно. Это показано пунктирной линией в приложенных рисунках. Так же возможно расположение выше по потоку от компрессорной турбины и даже, однако, еще дальше вперед в контуре.

Далее заметим, что патент N 4.678.723, выданный на имя Верт Хайн, имеет отношение к фосфорнокислому топливному элементу РАFC в сочетании с автотермическим преобразователем для того, чтобы подвести газовую смесь в турбине, которая приводит в действие компрессорную установку: топливный элемент охлаждают каплями воды и впрыскиваемым водяным туманом для улучшения результата. Турбина с теплообменником выходного газа для увеличения температуры сжатой газообразной среды отсутствует.

На фиг. 1-5 показан подвод 1 газообразной среды, например воздуха. Указанная среда протекает через незамкнутый контур, начиная с компрессорной установки 2, которая в этом случае включает в себя компрессор низкого давления С₁ и компрессор высокого давления С₂, которые связаны друг с другом линией 3. Эта линия связи включает в себя теплообменник III в качестве стандартного промежуточного охладителя. Компрессорная установка 2 приводится в действие компрессорной турбиной 4, которая построена в данном случае как единая турбина СТ для обоих компрессоров. Также возможно приводить в действие каждый из компрессоров С₁ и С₂ собственной турбиной.

В незамкнутом контуре установлен теплообменник газа газового канала 1, который соединен через линию 5 с газовой турбиной 6 (силовая турбина РТ) для получения электрической энергии. Компрессор высокого давления С₂соединен через линию 7 с теплообменником газа газового канала I, и газообразная среда, нагретая там, течет в варианте, соответствующем фигурам 1, 2 и 4, через линию 8 в компрессорную турбину 4. После протекания через эту турбину газообразная среда, со сниженной температурой, течет в указанном варианте через линию 9 в топливный элемент 10 с целью питания катода упомянутого элемента упомянутой средой, как необходимо заметить, с окислителем. Среда, с несколько повысившейся температурой, затем течет через линию 11 в так называемую камеру сгорания 12, которая также снабжается подводом 13 отработанного топлива. Газовая турбина 6 приводит в действие электрический генератор 14.

Как альтернативное решение, на чертеже показывают пунктирными линиями расположение топливного элемента 10 ниже по потоку от газовой турбины 6. Соединительный трубопровод должен быть переделан соответствующим образом. Дальнейшее изложение изобретения также относится к этому варианту.

Характерными преимуществами этого расположения топливного элемента являются следующие: управление давлением является простейшим; становится возможным исключить теплообменник II.

В выбранной конструкции в соответствии с фиг. 1-4, топливный элемент 10 является элементом типа МСFC (расплавленный углеродный топливный элемент). Упомянутый элемент имеет электрический КПП приблизительно 55% и анод снабжается подводом 15 топлива, как необходимо заметить, восстановителем, таким как газ, обогащенный водородом. Отметим однако, что в так называемом внутреннем улучшенном варианте направление использования природного газа также является возможным. В качестве конечного продукта топливного элемента 10 на выводе 16 производится постоянный ток.

Отметим, что три других теплообменника II, IV и V также изображены на схемах. Теплообменник расположен на окончании выпускной линии 17 теплообменника газа газового канала 1 и использует таким образом далее часть тепла, имеющегося в окончании 18 незамкнутого контура. Теплообменник IV (фиг. 1) подключается и отключается с помощью отсечного клапана 19. При одном положении упомянутого клапана газовый поток поступает непосредственно в топливный элемент 10 из компрессорной турбины 4 через линию 9. При другом положении отсечного клапана 19 упомянутый газовый поток или часть его поступает через теплообменник IV с целью нагрева или охлаждения газового потока. Теплообменник V служит для нагрева подаваемого в него через линию 15 топлива.

В случае применения FCMG-элемента питание катода должно содержать воздух и достаточное количество СО₂. При таких условиях рециркуляция СО₂в системе является наиболее очевидным решением. Это может иметь место при применении так называемой технологии избирательного разделения, например включением мембран 30 в линиях 5, 17 или 18. Рециркуляция потока в линии 18 в конечном итоге после отделения воды после теплообменника II с тем, чтобы увеличить соотношение инертного газа. На фиг. 1-4 показано ответвление трубопровода 18, включающее в себя управляющий клапан 23 и теплообменник VI как схематическое изображение такого процесса рециркуляции. Для различных видов топлива, такой дополнительный трубопровод не использующих, смотри фиг. 3 и 6. Центробежный компрессор 24 применен для распыления топлива.

Фиг. 2 показывает вспомогательную камеру сгорания 20 в ответвлении 11 к газовой турбине 6 с целью возможности дополнительного нагрева газообразной среды с помощью вышеупомянутого "отработанного топлива", поступающего из линии 13 от анода топливного элемента 10. Указанное газообразное отработанное топливо содержит, например, 15% Н₂ и СО₂, Н₂О и N₂, с тем результатом, что дополнительная энергия нагрева становится еще доступнее. В итоге, упомянутое отработанное топливо имеет ощутимую температуру. В результате чего указанный газ может быть использован в камере сгорания 12 или в дополнительной форсунке 20 (см. фиг. 2-4) или может быть подан назад в отсек подготовки топлива. Устройство очистки 21 в основном используется в линии 15. В камере сгорания 12 может иметься избыток Н₂, происходящего из "отработанного топлива" из линии 13. Дополнительный воздух должен поэтому быть подведен от первого компрессора С₁ через линию 22 с тем, чтобы достигнуть полного сгорания. Напротив попеременно часть топлива (в том числе отработанное топливо) может быть использовано, чтобы улучшить условия для топлива, поступающего через линию 15, например парообразованием. Если часть СО₂будет возвращена непосредственно на анод, поток жидкости по трубопроводу будет значительно уменьшен.

Фиг. 3 показывает, что для улучшения системы термодинамически, дополнительная форсунка 20 развивает высокий уровень давления (например 885 кПа, что равно 8,85 бар) в линии 8 и используется для нагрева воздуха, например, до 850^оС, выше по потоку компрессорной турбины 4. В результате этого температура ниже по потоку от указанной турбины становится, например 620^оС, как требуется для МСFS топливного элемента. В то же время давление уменьшится до, например 290 кПа (= 2,93 бар). С тем, чтобы сообщить части "отработанного топлива" высокий уровень давления, показан компрессор 24, который предшествует дополнительному холодильнику 28 для охлаждения газа от 677 до 30^оС.

В устройстве в соответствии с фиг. 4, топливный элемент включен в отсек высокого давления (приблизительно 900 кПа) контура. Часть отработанного топлива от анода топливного элемента 10 поступает по линии 13 к дополнительной форсунке 20 в линии 8 вывода потока окислителя катода топливного элемента 10.

В устройстве в соответствии с фиг. 5, топливный элемент 10 включает в себя РАFC (фосфорнокислый топливный элемент) с рабочей температурой 200^оС. Элемент расположен в отсеке низкого давления контура в линии 9 от компрессорной турбины 4. Выходная температура (например 470^оС) указанной турбины понижается до 200^оС посредством применения холодильника VII. На практике оба теплообменника V и VII будут объединены в одном агрегате. Поскольку РАFC не позволяет производить внутреннее изменение, топливо, проходящее по линии 15 должно быть обогащенным водородом.

На фиг. 6 топливный элемент 10 включен в контур ниже по потоку компрессора низкого давления С₁ и ниже дополнительной камеры сгорания 29 для повышения температуры с 137 до 200^оС.

Вместо использования топливного элемента типа МСFC или РАFC возможно также использовать элемент типа SOFC (твердооксидный топливный элемент). Далее заметим, что низкотемпературные топливные элементы, такие как щелочные топливные элементы АFC и полимерные топливные элементы SPFC или SPEFC могут быть использованы в относительно холодных линиях рядом с компрессором и холодильником, коль скоро относительно холодные выпускные линии 17, 18 находятся ниже по потоку рециркулятора 1. Описание всех этих топливных элементов можно найти в вышеуказанных источниках.

Контур содержит один или более центробежных компрессоров 24 с целью осуществления увеличения давления для обогащения определенных отсеков контура или для впрыскивания топлива в камеру сгорания 12. Такой центробежный компрессор не требуется во всех перечисленных вариантах устройства.

Устройство приводится в действие двигателем 25, который соединен посредством муфты 26 с компрессорным устройством 2. Эти компрессоры дают приблизительно 20% рабочей скорости. Затем форсунка (не изображена) поджигается свечой зажигания (не изображена также) внутри камеры сгорания 12. Линия 27 служит для подачи топлива. Генератор G синхронизирован с магистралями, после которых температура турбины 6 возрастает.

Отметим, что устройство может составлять часть тепловой и силовой станции (общей энергетической системы) и что газы из линии 18 могут быть подведены в теплицу для улучшения процесса поглощения СО₂.

Ряд значений, относящихся к представленному устройству (см. фиг. 1) и соответствующих величине газового потока за единицу времени, имеющиеся температуры и давления на выходе и входе различных компрессоров и теплообменников, а также компрессорной турбины 4, топливного элемента 10 и силовой турбины 6, представлены в таблице.

Формула изобретения

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ производства электрической энергии путем сжатия воздуха в компрессоре низкого давления, охлаждения в холодильнике, сжатия в компрессоре высокого давления, подогрева в рекуператоре теплом выхлопных газов и в общей камере сгорания сжиганием топлива, расширения полученных продуктов сгорания в турбине высокого давления, приводящей компрессоры, и расширения в силовой турбине низкого давления, вращающей электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, дополнительно производят выработку электроэнергии перед турбиной низкого давления в топливном элементе, использующем в качестве окислителя воздух или продукты сгорания, в качестве топлива - обогащенный водородом газ, а электроэнергию, вырабатываемую в топливном элементе, объединяют с электроэнергией, вырабатываемой электрогенератором.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подачей продуктов сгорания в топливный элемент осуществляют из впуск в по меньшей мере один теплообменник для регулирования температуры.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно перед расширением газа в силовой турбине низкого давления осуществляют подогрев газа.

4. Устройство для производства электрической энергии, содержащее компрессоры низкого и высокого давления, холодильник, рекуператор, общую камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую турбину низкого давления, соединенную с электрогенератором, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности, оно снабжено топливным элементом типа MCSC, или PAPC, или SOFS, катод которого размещен в потоке продуктов сгорания перед или за силовой турбиной низкого давления, впускная линия анода топливного элемента подключена к источнику обогащенного водородом газа.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной камерой сгорания, установленной перед силовой турбиной низкого давления, а выпускная линия анода подключена к дополнительной камере сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7