Способ работы комбинированной энергоустановки для совместной выработки электрической и тепловой энергии

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам работы энергетических установок, предназначенных для совместной выработки тепловой и электрической энергии. Техническим результатом изобретения является сокращение времени пуска и выхода энергоустановки на номинальную мощность с одновременным повышением эффективности способа работы установки. Согласно изобретению способ включает в себя операции подачи в контуры электрохимического генератора подогретого атмосферного воздуха и водородосодержащего газа, осуществления электрохимической реакции с выработкой электрического тока для питания потребителей электрической энергии и с образованием высокотемпературной смеси водяного пара и двуокиси углерода, разделением последней на два потока, подачей первого из них в термохимический реформер для получения водородосодержащего газа из углеводородного топлива, подачей второго потока в газовый контур котла-утилизатора для выработки в водяном контуре последнего тепловой энергии в виде пара или горячей воды для потребителей теплоты, причем во время выхода электрохимического генератора на номинальный режим электрический ток для питания потребителей получают в электрическом генераторе с приводом от двигателя внутреннего сгорания. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам работы энергетических установок, предназначенных для совместной выработки тепловой и электрической энергии, и может быть использовано для автономного энергоснабжения.

Известны способы работы энергетической установки путем подачи углеводородного топлива и атмосферного воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания (ДВС), сжигания топлива, расширения продуктов сгорания и получения механической мощности, преобразования механической мощности в электрическую в приводном электрическом генераторе, передачи электрической мощности для питания потребителей электрической энергии, подачи высокотемпературных отработавших газов ДВС в котел-утилизатор с целью получения в последнем пара или горячей воды для теплоснабжения потребителей тепловой энергии [1, 2].

Недостатками известных способов [1, 2] являются относительно низкая топливная экономичность (эффективный кпд ДВС не превышает 40%), а также довольно высокие значения величин вредных выбросов компонентов отработанных газов (ОГ) ДВС.

Известен способ работы комбинированной энергетической установки для совместной выработки электрической и тепловой энергии путем подачи в контуры электрохимического генератора (ЭГХ) подогретого атмосферного воздуха и водородосодержащего газа, осуществления электрохимической реакции с выработкой электрического тока для питания потребителей электрической энергии и образованием высокотемпературной смеси водяного пара и двуокиси углерода, разделением последней на два потока, подачей первого из них в термохимический реформер для получения водородосодержащего газа из углеводородного топлива, подачей второго потока в газовый контур котла-утилизатора для выработки в водяном контуре последнего тепловой энергии в виде пара или горячей воды для потребителей теплоты [3] - наиболее близкий аналог. При этом водородосодержащий газ в известном способе [3] получают в результате конверсии жидкого или газообразного углеводородного топлива в термохимическом реформере (ТХР) путем контакта с высокотемпературной смесью водяного пара и двуокиси углерода, которая образуется при работе ЭХГ.

Недостатком известного способа работы энергетической установки является относительно длительное время запуска и выхода на номинальную мощность (около 2 часов), т.к. для запуска установки необходимо организовать конверсию углеводородного топлива в ТХР с обеспечением достаточного уровня температуры. Ввиду отсутствия на момент пуска высокотемпературной газовой смеси водяного пара и двуокиси углерода для получения водородосодержащего газа в ТХР осуществляют воздушную конверсию, при этом для повышения температуры сжигают дополнительное углеводородное топливо, что является неэффективным.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение времени пуска и выхода энергоустановки на номинальную мощность с одновременным повышением эффективности способа работы установки.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в предлагаемом способе работы комбинированной энергоустановки дополнительно на период выхода электрохимического генератора на номинальный режим электрический ток для питания потребителей получают в электрическом генераторе с приводом от двигателя внутреннего сгорания, в который подают углеводородное топливо и воздух, сжигают полученную топливовоздушную смесь с совершением полезной работы, а образующиеся при сгорании отработанные газы разделяют на четыре потока, при этом первый поток направляют в газовый контур котла-утилизатора для выработки в его водяном контуре пара или горячей воды для потребителей теплоты, второй поток направляют в газовый контур подогревателя углеводородного топлива, третий поток подают в термохимический реформер для конверсии испаренного в подогревателе углеводородного топлива в водородосодержащий газ, который подают в теплоизолированную буферную емкость, причем после накопления в буферной емкости достаточного количества водородосодержащего газа последний подают в топливный контур электрохимического генератора, а четвертый поток отработанных газов подают в газовый контур подогревателя воздуха для нагрева атмосферного воздуха, который затем подают в воздушный контур электрохимического генератора.

Такое техническое решение позволяет сократить время пуска и выхода на номинальную электрическую мощность энергоустановки с нескольких часов до нескольких десятков секунд с одновременным повышением эффективности за счет использования части отбросной теплоты ОГ для организации процесса конверсии углеводородного топлива в водородосодержащий газ, необходимый для работы ЭХГ, а также подогрева топлива и атмосферного воздуха.

Из существующего уровня техники не известны способы работы комбинированных энергоустановок путем получения водородосодержащего газа для работы ЭХГ за счет конверсии углеводородного топлива в ОГ ДВС, а также подогрева топлива для конверсии и атмосферного воздуха для подачи в ЭХГ отбросной теплотой ОГ ДВС.

На чертеже изображена схема комбинированной энергоустановки, реализующей предлагаемый способ работы.

Комбинированная энергоустановка содержит ЭХГ 1 с высокотемпературными топливными элементами, который через инвертор 2 и коммутационную аппаратуру 3 соединен с шинами потребителей электрической энергии; систему подачи воздуха в ЭХГ 1 с компрессором 4 и подогревателем 5; систему подачи углеводородного топлива с емкостью запаса топлива 6, насосом (компрессором) 7 и подогревателем 8, которая посредством запорно-регулирующего органа 9 соединена с ТХР 10, который, в свою очередь, соединен через запорно-регулирующие органы 11, 12 и теплоизолированную буферную емкость 13 с ЭХГ 1, а через запорно-регулирующие органы 14, 15, 16 с системой удаления высокотемпературных продуктов электрохимической реакции, последняя также соединена с газовым контуром котла-утилизатора 17, водяной контур которого соединен с системой теплоснабжения потребителей тепловой энергии. Комбинированная энергоустановка содержит также электрический генератор переменного тока 18, который через коммутационную аппаратуру 19 соединен с шинами потребителей электрической энергии. Генератор 18 имеет привод от ДВС 20, который оборудован системами воздухозабора 21, топливоподачи 22 и выпуска отработавших газов 23; причем система топливоподачи 22 через запорно-регулирующий орган 24 соединена с системой подачи топлива в ЭХГ 1, а система выпуска отработавших газов 23 соединена через запорно-регулирующие органы 25, 26, 27, 28, 14, 15 с атмосферой, газовыми трактами теплообменников-подогревателей воздуха 5 и топлива 8, котла-утилилизатора 17 и с ТХР 10.

Представленная на чертеже комбинированная энергоустановка работает следующим образом. Первоначально в течение нескольких десятков секунд запускается и достигает номинальной мощности ДВС 20, а электрический генератор 18 через коммутационную аппаратуру 19 присоединяется к шинам потребителей электрической энергии и полностью осуществляет их электроснабжение. При этом в ДВС 20 через систему воздухозабора 21 поступает атмосферный воздух, а из системы топливоснабжения 22 (открыт запорно-регулирзтощий орган 24) углеводородное топливо. При сгорании топлива в ДВС образуются продукты сгорания - ОГ, при расширении которых вырабатывается полезная мощность, которая передается на привод электрического генератора 18. После расширения ОГ поступают в систему газовыпуска 23, из которой через запорно-регулирующие органы 25, 28, 15, 14 поступают в газовые контуры: котла-утилизатора 17 для выработки пара или горячей воды в водяном контуре последнего, теплообменника-подогревателя топлива для конверсии 8, в топливный контур которого насосом (компрессором) 7 из емкости запаса 6 подается жидкое или газообразное углеводородное топливо, и в ТХР 10, в который также поступает подогретое и испаренное углеводородное топливо (при этом запорно-регулирующие органы 26, 16 закрыты). В ТХР 10 происходит эндотермическая реакция конверсии углеводородного топлива в водородосодержащий газ (смесь водорода и окиси углерода), который через запорно-регулирующий орган 11 поступает в буферную емкость 13 (при этом запорно-регулирующий орган 12 закрыт). После накопления в буферной емкости 13 достаточного для запуска ЭХГ количества водородосодержащего газа одновременно открываются запорно-регулирующие органы 12, 27 и включается компрессор 4, при этом водородосодержаший газ поступает в топливный контур ЭХГ 1, атмосферный воздух компрессором 4 подается сначала в воздушный контур теплообменника-подогревателя 5, в газовый контур которого поступают ОГ ДВС 20, а затем после подогрева - в воздушный контур ЭХГ 1. В топливных элементах ЭХГ 1 происходят электрохимические экзотермические реакции, в результате которых вырабатывается постоянный электрический ток и образуются высокотемпературные продукты (газовая смесь двуокиси углерода и водяного пара). Постоянный ток поступает к инвертору 2, где преобразуется в переменный, и через коммутационную аппаратуру 3 подается на шины потребителей электрической энергии. При этом высокотемпературные продукты из ЭХГ 1 поступают через открытый запорно-регулирующий орган 16 в газовый контур котла-утилизатора 17, а через открытые запорно-регулирующие органы 15, 14, 28, 27 в ТХР 10 и газовые контуры теплообменников-подогревателей 5, 8. По мере набора электрической и тепловой мощности ЭХГ 1 ДВС 20 постепенно выводится из действия и останавливается, отключается коммутационная аппаратура 19, закрываются запорно-регулирующие органы 25, 24 и дальнейшее электро- и теплоснабжение потребителей осуществляется только от ЭХГ 1.

Таким образом, предлагаемый способ работы комбинированной энергоустановки для совместной выработки электрической и тепловой энергии позволяет сократить время пуска и выхода энергоустановки на номинальную мощность с одновременным повышением эффективности работы за счет дополнительных операций - получения электрического тока во время подготовки к пуску ЭХГ в электрическом генераторе с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в который подают углеводородное топливо и воздух; получения водородосодержащего газа для пуска ЭХГ путем конверсии углеводородного топлива в отработавших газах (ОГ) ДВС с использованием их отбросной теплоты; подогрева углеводородного топлива для конверсии и атмосферного воздуха-окислителя для ЭХГ за счет использования отбросной теплоты ОГ ДВС.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 1560763, F 02 G 5/04, 1988.

2. Авторское свидетельство СССР 1760147, F 02 G 5/00, 1992.

3. Woods R.R. An onsite fuel cell test programm in underway in the USA. // Mod. Power Syst. 1984. Vol. 4, 6. P. 39, 41-43.

Формула изобретения

Способ работы комбинированной энергетической установки для совместной выработки электрической и тепловой энергии путем подачи в контуры электрохимического генератора подогретого атмосферного воздуха и водородосодержащего газа, осуществления электрохимической реакции с выработкой электрического тока для питания потребителей электрической энергии и с образованием высокотемпературной смеси водяного пара и двуокиси углерода, разделением последней на два потока, подачей первого из них в термохимический реформер для получения водородосодержащего газа из углеводородного топлива, подачей второго потока в газовый контур котла-утилизатора для выработки в водяном контуре последнего тепловой энергии в виде пара или горячей воды для потребителей теплоты, отличающийся тем, что на период выхода электрохимического генератора на номинальный режим, электрический ток для питания потребителей получают в электрическом генераторе с приводом от двигателя внутреннего сгорания, в который подают углеводородное топливо и воздух, сжигают полученную топливовоздушную смесь с совершением полезной работы, а образующиеся при сгорании отработанные газы разделяют на четыре потока, при этом первый поток направляют в газовый контур котла-утилизатора для выработки в его водяном контуре пара или горячей воды для потребителей теплоты, второй поток направляют в газовый контур подогревателя углеводородного топлива, третий поток подают в термохимический реформер для конверсии испаренного в подогревателе углеводородного топлива в водородосодержащий газ, который подают в теплоизолированную буферную емкость, причем после накопления в буферной емкости достаточного количества водородосодержащего газа последний подают в топливный контур электрохимического генератора, а четвертый поток отработанных газов подают в газовый контур подогревателя воздуха для нагрева атмосферного воздуха, который затем подают в воздушный контур электрохимического генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1