Гибридная энергетическая система для непрерывной надежной подачи питания в удаленных местах
Изобретение относится к гибридной сверхнадежной системе генерирования электроэнергии. Система содержит первичный энергоблок, производящий электроэнергию, и вторичный энергоблок в виде паровой турбины замкнутого цикла (ПТГЗЦ), который способен производить 100% электроэнергии, производимой первичным энергоблоком, и нагревается в «горячем» резерве отработанным теплом первичного энергоблока, где ПТГЗЦ предпочтительно поддерживается в «горячем» резерве на холостом ходу. Предпочтительно ПТГЗЦ содержит горелку, которая сжигает то же топливо, что и первичный энергоблок, и вырабатывает достаточно тепла, чтобы ПТГЗЦ производил 100% электроэнергии, подаваемой первичным энергоблоком на нагрузку после прекращения работы первичного энергоблока. Изобретение позволяет обеспечить сверхнадежное производство электроэнергии. 2 с. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для производства энергии и, более конкретно, к способу и устройству для сверхнадежного производства энергии с резервированием, требующему незначительного обслуживания или контроля и с улучшенным потреблением топлива.
2. Уровень техники
С развитием современной промышленности, вычислительных и телекоммуникационных систем и с ростом издержек при перерывах в поставках электроэнергии требования к надежным источникам питания становятся все более жесткими. Это особенно относится к выработке электроэнергии на месте ее потребления, относится ли это к распределенному генерированию с подключением к сети или к первичному генерированию электроэнергии на месте потребления без подключения к сети? К обычным решениям для обеспечения высокой эффективности генерирования электроэнергии на месте ее потребления относятся для кратковременных перерывов в питании системы бесперебойного питания на основе аккумуляторов или маховиков, а для более длительных перерывов - генераторы с приводом от двигателей внутреннего сгорания, например дизель-генераторы, которые используются как для потребителей, подключенных к сети, так и для распределенного генерирования и использования вне сетей. Источники кратковременного питания, в которых применяются аккумуляторы, при возникновении сбоев имеют явно выраженные недостатки. Это особенно справедливо, поскольку отсутствуют удовлетворительные диагностические системы для обнаружения отказов аккумуляторов резервного питания: отказ одной ячейки может вызвать отказ всей аккумуляторной батареи. Недостатками аккумуляторных систем также являются дорогие климатические установки и ограниченный срок службы. Кроме того, хотя системы на основе маховиков и не имеют диагностических систем, такие системы могут поддерживать нагрузку в течение еще меньшего времени, чем аккумуляторные системы.
Для резервного питания в течение более длительного времени используются дизель-генераторы, которые, однако, имеют проблемы ненадежного запуска и требуют частого обслуживания и периодического ремонта. Топливные элементы и двигатели Стирлинга также можно использовать, но у топливных элементов слишком долог процесс запуска и такие системы все еще находятся в стадии разработки и их надежность еще не доказана.
С другой стороны, электростанции комбинированного цикла, т.е. электростанции, обычно имеющие газовую турбину и электрогенератор паротурбинного цикла, обычно имеют весьма высокую общую эффективность, поскольку тепло, содержащееся в выхлопных газах первичного энергетического агрегата, используется в энергетическом агрегате паротурбинного цикла для производства электроэнергии. Однако надежность таких систем может оказаться под вопросом. Например, см. статью "Rising the Reliability of Advanced Gas Turbines", Power, Vol.146, No.2, март/апрель 2002, где сообщается, что имеется несколько вопросов надежности, которые необходимо решать при использовании электростанций комбинированного цикла.
Для автономных систем производства электроэнергии, которые с высокой надежностью питают удаленные телекоммуникационные системы, существует несколько вариантов, в том числе множество дизель-генераторов (МДГ), фотоэлектрические системы, фотоэлектрические системы в комбинации с дизель-генераторами, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) и паротурбогенераторы с замкнутым циклом (ПТГЗЦ).
Множество дизель-генераторов с одним работающим генератором и одним или двумя генераторами, находящимися в резерве, имеет преимущество, заключающееся в том, что такие системы потребляют мало горючего и могут работать на жидком или газообразном топливе. Однако система из множества турбогенераторов зависит от надежности запуска резервного генератора в случае отказа рабочего генератора. Это обуславливает необходимость включения в систему большого аккумулятора, чтобы она могла использоваться, если резервный генератор не запустится. Далее, использование больших аккумуляторов требует управления климатом в форме подогрева или кондиционирования воздуха, что увеличивает сложность и потребление топлива системой при данной нагрузке.
В фотоэлектрических системах аккумуляторы используются для компенсации часов/дней отсутствия солнечного облучения. Аккумуляторы в фотоэлектрических системах обычно весьма велики и работают по циклу с глубоким разрядом. Из-за этих циклов глубокого разряда для фотоэлектрических систем больше подходят никель-кадмиевые аккумуляторы, чем кислотно-свинцовые. Стоимость никель-кадмиевых аккумуляторов очень высока. Помимо этой высокой стоимости срок службы таких аккумуляторов обычно составляет менее 10 лет. Дополнительными проблемами, связанными с фотоэлектрическими системами, являются обслуживание, вандализм и кражи аккумуляторов.
Фотоэлектрические системы с резервным дизель-генератором страдают теми же проблемами, что и чисто фотоэлектрические системы, а именно стоимость, срок службы и обслуживание аккумуляторов, а также риск вандализма и кражи. Кроме того, использование дизель-генератора как резервного источника питания может создать проблемы с надежностью, поскольку резервирование системы зависит от ненадежного запуска дизельного двигателя.
Что касается термоэлектрических генераторов (ТЭГ), система ТЭГ обладает наибольшим удельным расходом топлива из всех описанных выше систем. Такое высокое потребление топлива усугубляется тем фактом, что система ТЭГ является постоянно работающим устройством и требует наличия поглощающей нагрузки для рассеивания избыточной энергии и, следовательно, требует дополнительного топлива из-за превышения номинальных размеров устройства, изменений выходной мощности из-за состояния окружающей среды или изменяющейся нагрузки. Если не использовать дополнительные аккумуляторы, аккумуляторы не будут заряжаться должным образом и потребуют дополнительного обслуживания и ручной зарядки во время обслуживания и, следовательно, срок службы аккумуляторов сократится. Кроме того, системы ТЭГ потребляют много топлива, и срок службы систем ТЭГ обычно составляет менее 10 лет.
Недавно для создания надежного электропитания в удаленных местах стали предлагаться топливные элементы. Топливный элемент - это устройство для преобразования энергии, которое генерирует электричество и тепло путем электрохимического соединения газообразного топлива с окисляющим газом через проводящий ионы электролит. Главной характеристикой топливной ячейки является ее способность преобразовывать химическую энергию непосредственно в электричество без необходимости в преобразовании тепла (т.е. преобразовывать тепло в электрическую или механическую энергию с оптимизацией по второму закону термодинамики), что дает значительно более высокую эффективность преобразования, чем у тепловых двигателей (например, генераторов, приводимых двигателями внутреннего сгорания, паротурбогенераторов с замкнутым циклом и термоэлектрических генераторов). Так, Siemens Westinghouse, как показано на их вебсайте, предложила такую систему, имеющую топливные элементы и газовую турбину для достижения высокой эффективности. Однако технология топливных элементов еще не достигла совершенства и срок службы и надежность топливных элементов недостаточны для поддержания надежного электроснабжения в удаленных местах без зарекомендовавших себя резервных систем на случай отказа топливного элемента.
Наконец, системы паротурбогенераторов с замкнутым циклом (ПТГЗЦ) имеют расход топлива, который хотя и ниже, чем у систем ТЭГ, но существенно больше, чем у дизель-генераторов. Резервирование таких систем обычно осуществляют через использование одной или двух систем ПТГЗЦ, из которых одна находится в состоянии «горячего» резерва. Потребление топлива меняется в соответствии с нагрузкой, но использование двух систем ПТГЗЦ, работающих при 50% нагрузке, дает расход топлива на 20% больше, чем расход на одну систему, работающую при 100% нагрузке.
В патенте США №4590384, содержание которого включено в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки, раскрывается пиковая электростанция для использования источника низкопотенциального тепла, содержащая турбину, работающую по циклу Рэнкина, с органическим рабочим телом, в которой используется низкопотенциальное тепло от источника, генератор, приводимый в действие этой турбиной и имеющий генерирующую мощность, превышающую генерирующую мощность турбины, и первичный двигатель с быстрым запуском, например двигатель внутреннего сгорания, имеющий мощность меньше, чем генерирующая мощность генератора. Селективно срабатывающая муфта соединяет выход первичного двигателя с быстрым запуском с генератором так, что при необходимости первичный двигатель с быстрым запуском может приводить в действие генератор, обеспечивая сглаживание пиковой нагрузки в соответствии с мощностью первичного двигателя.
В патенте США №4982569, содержание которого включено в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки, раскрывается гибридная электростанция, которая содержит работающий в прерывистом режиме, не потребляющий топлива генератор, например матрицу фотоэлектрических ячеек или ветровой генератор, соединенный через управляющую цепь с аккумулятором для его зарядки во время работы генератора и для подачи тока на работающую в зависимости от времени, по существу, постоянную электрическую нагрузку. Кроме того, гибридная электростанция содержит электрогенератор, соединенный с резервным первичным двигателем, например с турбогенератором с органическим рабочим телом, работающим по циклу Рэнкина, для зарядки аккумулятора и подачи тока на электрическую нагрузку, когда работающий в прерывистом режиме не потребляющий топлива генератор не работает. В случае фотоэлектрической матрицы такая ситуация возникает ночью, поэтому первичный двигатель гибридной электростанции может запускаться с наступлением темноты.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание нового и улучшенного способа и устройства для сверхнадежного производства энергии, где недостатки высокого расхода топлива, ненадежности, необходимости в обслуживании, использования аккумуляторов и связанных с ними климатических установок (которые увеличивают расход топлива и потребность в обслуживании, тем самым снижая надежность), указанные выше, уменьшены или, по существу, преодолены.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предмет настоящего изобретения относится к устройству, в котором объединены топливно-экономичная, но подверженная отказам первичная система энергоблока, например высокотемпературный топливный элемент (например, твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) или топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК)), генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания (на дизельном топливе или на газе, например дизельный двигатель (ДД), дизель-генератор (ДГ) или генератор с газовым двигателем (ГДГ), газотурбинный генератор (работающий на газе или на жидком топливе, например газотурбинный генератор), или двигатель Стирлинга (ДС) с вторичным энергоблоком, которым является обладающий очень высокой надежностью паротурбогенератор замкнутого цикла (ПТГЗЦ), работающий по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела, который способен производить 100% энергии, производимой первичным энергоблоком, и который нагревается до состояния «горячего» резерва отработанным теплом первичного энергоблока, тогда как температура испарителя ПТГЗЦ в состоянии «горячего» резерва поддерживается на уровне, превышающем его номинальную рабочую температуру так, что паровая турбина ПТГЗЦ во время «горячего резерва» работает на холостом ходу и ее частота вращения превышает номинальную частоту вращения.
Предмет настоящего изобретения, таким образом, относится к системе гибридной сверхнадежной электростанции для непрерывной надежной подачи электроэнергии в удаленных местах, содержащей подключенный к нагрузке первичный энергоблок, производящий электроэнергию, например высокотемпературный топливный элемент (ТОТЭ или ТЭРК) или генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДД, ДГ или ГДГ), газотурбинный генератор, работающий на газе или на жидком топливе (ГТГ) или с двигателем Стирлинга (ДС); и вторичный энергоблок в форме паротурбинной системы замкнутого цикла (ПТГЗЦ), работающей по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела, способный производить 100% электроэнергии, производимой первичным энергоблоком, и который подогревается до состояния «горячего» резерва отработанным теплом первичного энергоблока, где температуру испарителя ПТГЗЦ в состоянии «горячего» резерва поддерживают на уровне, превышающем его номинальную рабочую температуру, и паровую турбину ПТГЗЦ предпочтительно поддерживают на холостом ходу с частотой вращения, превышающей ее номинальную частоту вращения. Предпочтительно ПТГЗЦ содержит горелку, которая сжигает то же топливо, которое используется в первичном энергоблоке и создает достаточно тепла, чтобы ПТГЗЦ производил 100% энергии, подаваемой первичным энергоблоком на нагрузку, если первичный энергоблок прекратит работу.
Настоящее изобретение также относится к способу непрерывной надежной подачи электроэнергии в удаленных местоположениях, содержащему шаги, при которых обеспечивают подключенный к нагрузке первичный энергоблок, производящий электроэнергию, такой как высокотемпературный топливный элемент (ТОТЭ или ТЭРК), генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДД, ДГ или ГДГ), газотурбинный генератор, работающий на газе или жидком топливе (ГТГ), или с двигателем Стирлинга (ДС); и второй энергоблок в форме системы паротурбинного генератора, работающего по замкнутому циклу (ПТГЗЦ) по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела, способный производить 100% электроэнергии, производимой первичным энергоблоком, и который подогревают в состоянии «горячего» резерва отработанным теплом первичного энергоблока, где температуру испарителя ПТГЗЦ в состоянии горячего резерва поддерживают на уровне, превышающем его номинальную рабочую температуру, а паровую турбину ПТГЗЦ в состоянии «горячего» резерва предпочтительно поддерживают на холостом ходу с частотой вращения, превышающей ее номинальную рабочую частоту. Предпочтительно, способ также содержит шаг, при котором в ПТГЗЦ обеспечивают горелку, сжигающую то же топливо, которое используют в первичном энергоблоке, и которая создает достаточно тепла, чтобы ПТГЗЦ производил 100% энергии, подаваемой первичным энергоблоком на нагрузку, если первичный энергоблок прекратит работу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее следует более подробное, но не являющееся ограничивающим в каком-либо смысле, описание предмета настоящего изобретения, включая его варианты, со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
Фиг.1 - графическое представление обычной электростанции комбинированного цикла.
Фиг.2 - графическое представление гибридной электростанции, показанной в сочетании с предметом настоящего изобретения.
Фиг.3 - схема варианта настоящего изобретения.
Фиг.4 - схема альтернативного варианта настоящего изобретения.
Фиг.5 - схема еще одного варианта настоящего изобретения.
Фиг.6 - схема еще одного варианта настоящего изобретения.
Фиг.7 - схема еще одного варианта настоящего изобретения.
Фиг.8 - схема еще одного варианта настоящего изобретения.
Фиг.9 - схема, показывающая пример общей компоновки варианта настоящего изобретения.
Фиг.10 - схема, показывающая общий пример настоящего изобретения.
Фиг.11 - схема, показывающая общий пример еще одного варианта настоящего изобретения.
Фиг.12 - схема, показывающая еще один пример варианта настоящего изобретения.
На чертежах одинаковые позиции и обозначения означают одинаковые элементы.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показана обычная высокоэффективная электростанция комбинированного типа, хорошо известная в отрасли. Как показано на чертеже, топливо подается на первичный энергоблок, который производит на выходе номинальную энергию. Выходная мощность первичного энергоблока обычно составляет 60-80% от требуемой нагрузки. Тепло выводится из первичного энергоблока и подается на дополнительный энергоблок, где вырабатывается энергия, подающаяся на нагрузку. В обычной электростанции комбинированного цикла, которая показана на фиг.1, способность дополнительного энергоблока производить электроэнергию зависит от отработанного тепла первичного энергоблока. Другими словами, если первичный энергоблок внезапно прекратит работу, то тепло также перестает поступать на дополнительный энергоблок, который также больше не сможет работать.
Каскадное использование тепла от первичного энергоблока, подающегося на дополнительный энергоблок, повышает общую эффективность электростанции комбинированного типа в том смысле, что отработанное тепло от первичного энергоблока используется в дополнительном энергоблоке. Кроме того, иногда устанавливают дополнительный нагреватель или встроенную горелку для поддержания работы дополнительного энергоблока, когда мощность первичного энергоблока снижается из-за высокой температуры окружающей среды (мощность системы зависит от температуры воздуха). Встроенная горелка позволяет обеспечить подачу постоянного теплового потока на дополнительный энергоблок.
На фиг.2 графически представлена гибридная система генерирования электроэнергии согласно предмету настоящего изобретения. Как показано на чертеже, топливо подается на первичный энергоблок, который развивает номинальную мощность. Выходная мощность первичного энергоблока в общем составляет около 100% от требуемой нагрузки. Тепло также выводится из первичного энергоблока и подается на вторичный энергоблок, который удерживается в состоянии горячего резерва. В общем, выведенного из первичного энергоблока тепла достаточно, чтобы поддерживать температуру и давление в испарителе вторичного энергоблока выше их номинальных значений. Помимо этого, предусмотрена горелка, работающая на том же топливе, что и первичный энергоблок, которая подает тепло на вторичный энергоблок, если первичный энергоблок откажет.
Способность отработанного или выведенного из первичного энергоблока тепла поддерживать вторичный энергоблок в режиме «горячего» резерва вносит свой вклад в надежность и резервирование системы по настоящему изобретению. Важный аспект предмета настоящего изобретения заключается в том, что вторичный энергоблок подбирается так, чтобы иметь возможность производить 100% электроэнергии при отказе первичного энергоблока. В соответствии с предметом настоящего изобретения, гибридная система генерирования электроэнергии также содержит вращающийся конденсатор, который повышает ее коэффициент мощности.
«Горячий» резерв определяется как поддержание испарителя вторичного энергоблока, паротурбинного генератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ), работающего по циклу Рэнкина, с использованием пара или органического рабочего тела, при температуре выше его номинальной рабочей температуры.
Холостой ход определяется как поддержание турбины ПТГЗЦ на частоте вращения, превышающей ее номинальную рабочую частоту вращения.
«Теплый» резерв определяется как поддержание испарителя ПТГЗЦ при температуре, равной или ниже его номинальной рабочей температуры, и поддержание турбины ПТГЗЦ на частоте вращения, приблизительно равной или ниже ее номинальной рабочей частоты вращения. Однако в состоянии «теплого» резерва турбина ПТГЗЦ может вообще не вращаться. Обычно в состоянии «теплого» резерва используется аккумулятор, обеспечивающий продолжение подачи энергии на нагрузку на требуемом уровне, когда первичный энергоблок прекращает подачу энергии, и до тех пор, пока вторичный энергоблок ПТГЗЦ не достигнет 100% мощности первичного энергоблока и начнет подавать электроэнергию на нагрузку на этом уровне.
На фиг.3 позицией 5 обозначен вариант настоящего изобретения, где гибридная сверхнадежная электростанция имеет первичный энергоблок 16 и вторичный энергоблок, то есть систему паротурбогенератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ), работающего по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела, и который поддерживается в горячем резерве выхлопными газами первичного энергоблока 16.
Топливо подается на первичный энергоблок 16 по топливопроводу 14 через топливный клапан 12. Топливный клапан 12 соединен с контроллером 26. В нормальных рабочих условиях топливный клапан 12 открыт, пропуская топливо на первичный энергоблок 16. Горячие выхлопные газы, содержащие отработанное тепло первичного энергоблока 16, подаются на испаритель 58 по выпускной линии 20 первичного энергоблока, где тепло из горячих выхлопных газов переходит в жидкость в испарителе 58 через устройство теплообменника 22. Выхлопные газы из первичного энергоблока 16 нагревают рабочее тело в испарителе 58, позволяя системе паротурбогенератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ) оставаться в состоянии «горячего» резерва. Охлажденные выхлопные газы выходят из испарителя 58 по выхлопной трубе 24. Отработанного тепла, содержащегося в выхлопных газах, достаточно, чтобы поддерживать температуру и давление в испарителе выше номинального рабочего уровня температуры и давления. Мощность, производимая первичным энергоблоком 16, определяется датчиком 21. Датчик 21 соединен с контроллером 26, который контролирует мощность, производимую первичным энергоблоком 16. В нормальных рабочих условиях мощность, произведенная первичным энергоблоком 16, по существу достаточна для снабжения требуемой нагрузки, а мощность, производимая вторичным ПТГЗЦ, равна нулю.
В случае отказа первичного энергоблока 16, датчик 21 определяет потерю мощности. Контроллер 26 закрывает топливный клапан 12, который подает топливо на первичный энергоблок 16. Затем контроллер 26 открывает топливный клапан 54, расположенный на линии 52 подачи топлива. Линия подачи топлива 52 подает топливо на горелку 56 системы вторичного ПТГЗЦ. Горелка 56 нагревает испаритель 58. Произведенные горелкой 56 газообразные продукты сгорания текут через испаритель 58 через устройство 60 теплообменника, который охлаждает выхлопные газы, выходящие из испарителя 58 по выхлопному трубопроводу 62. Контроллер 26 посылает сигнал, открывающий клапан 63, расположенный на паропроводе 64 системы вторичного ПТГЗЦ. Испарившееся рабочее тело из испарителя 58 проходит по паропроводу 64 на турбину 66, заставляя ее вращаться, совершая работу. Генератор 67, соединенный с турбиной 66, преобразует работу, произведенную вращением, в электрическую энергию. Расширившийся пар рабочего тела выходит из турбины 66 и подается по паропроводу 68 расширившегося пара рабочего тела в конденсатор 70. Расширившийся пар рабочего тела конденсируется в конденсаторе 70, и полученный конденсат возвращается в испаритель по возвратному трубопроводу 71 насосом 72.
Датчик 75 обнаруживает электроэнергию, производимую системой вторичного ПТГЗЦ, и передает информацию на контроллер 26. Сопло 74 предназначено для подачи пара из испарителя 58 на турбину 66 в нормальных рабочих условиях, т.е., когда система вторичного ПТГЗЦ не подает электроэнергию на нагрузку. Кроме того, турбина 66 в нормальных рабочих условиях вращается, чтобы облегчить и ускорить запуск в случае отказа первичного энергоблока 16. Это позволяет системе использовать инерцию вращения турбины 66 при первой подаче электроэнергии на нагрузку после отказа первичного энергоблока.
Как было указано выше, важным аспектом этого варианта предмета настоящего изобретения является то, что отработанное тепло от первичного энергоблока 16 поддерживает температуру и давление в испарителе 58 выше их нормальных рабочих значений. За счет этого его тепловая инерция может использоваться для обеспечения непрерывного производства пара и его подачи на турбину 66.
В этом варианте предмета настоящего изобретения первичный энергоблок 16 может, помимо прочего, быть дизель-генератором (ДД или ДГ), генератором с газовым двигателем (ГДГ), газотурбинным генератором (ГТГ) или генератором с приводом от двигателя Стирлинга (ГС). Кроме того, первичный энергоблок подает на нагрузку переменный ток.
На фиг.4 позицией 5А обозначен другой вариант настоящего изобретения. Этот вариант системы гибридной сверхнадежной электростанции, по существу, подобен показанному на фиг.3, однако в этом варианте выходом первичного энергоблока является переменный ток и поэтому перед подачей его на нагрузку может возникнуть необходимость использовать выпрямитель. Вариант, показанный на фиг.4, имеет первичный энергоблок 16А и вторичный энергоблок, которым является система паротурбогенератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ), работающего по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела и поддерживаемого в «горячем» резерве выхлопными газами первичного энергоблока 16А.
Топливо на первичный энергоблок 16А подается по линии 14А подачи топлива через топливный клапан 12А. Топливный клапан 12А соединен с контроллером 26А. В нормальных рабочих условиях топливный клапан 12А открыт, обеспечивая подачу топлива на первичный энергоблок 16А. Горячие выхлопные газы, содержащие отработанное тепло первичного энергоблока 16А, подаются на испаритель 58А по линии 20А подачи выхлопных газов первичного энергоблока, где тепло из горячих выхлопных газов переносится в жидкость в испарителе 58А через устройство 22А теплообменника. Выхлопные газы из первичного энергоблока 16А нагревают рабочее тело в испарителе 58А, что позволяет вторичному паротурбогенератору замкнутого цикла (ПТГЗЦ) оставаться в «горячем» резерве. Охлажденные выхлопные газы выходят из испарителя 58А через выхлопную трубу 24А. Отработавшего тепла в выхлопных газах достаточно, чтобы поддерживать температуру и давление в испарителе на уровне, превышающем нормальные температуру и давление. Мощность, производимая первичным энергоблоком 16А, определяется датчиком 21А. Датчик 21А соединен с контроллером 26А, который контролирует мощность, производимую первичным энергоблоком 16А. В нормальных рабочих условиях мощность, произведенная первичным энергоблоком 16А, по существу достаточна для снабжения требуемой нагрузки, а мощность, производимая вторичным ПТГЗЦ, равна нулю. В этом варианте электрический выход первичного энергоблока 16А имеет форму переменного тока. Выпрямитель 80А выпрямляет переменный ток первичного энергоблока 16А в постоянный ток до того, как он будет подан на нагрузку.
В случае отказа первичного энергоблока 16А, датчик 21А обнаруживает потерю мощности. Контроллер 26А закрывает топливный клапан 12А, который подает топливо на первичный энергоблок 16А. Затем контроллер 26А открывает топливный клапан 54А, расположенный на линии 52А подачи топлива. Линия подачи топлива 52А подает топливо на горелку 56А системы вторичного ПТГЗЦ. Горелка 56А нагревает испаритель 58А. Произведенные горелкой 56А газообразные продукты сгорания текут через испаритель 58А через устройство 60А теплообменника, который охлаждает выхлопные газы, выходящие из испарителя 58А по выхлопному трубопроводу 62А. Контроллер 26А посылает сигнал, открывающий клапан 63А, расположенный на паропроводе 64А системы вторичного ПТГЗЦ. Испарившееся рабочее тело из испарителя 58А проходит по паропроводу 64А на турбину 66А, заставляя ее вращаться, совершая работу. Генератор 67А, соединенный с турбиной 66А, преобразует работу, произведенную вращением, в электрическую энергию. В этом варианте генератор 67А производит электроэнергию в форме переменного тока. Выпрямитель 82А выпрямляет переменный ток, вырабатываемый генератором 67А, в постоянный ток до того, как он будет подан на нагрузку. Расширившийся пар рабочего тела выходит из турбины 66А и подается по паропроводу 68А расширившегося пара рабочего тела в конденсатор 70А. Расширившийся пар рабочего тела конденсируется в конденсаторе 70А, и полученный конденсат возвращается в испаритель по возвратному трубопроводу 71А насосом 72А.
Сопло 74А предназначено для подачи пара из испарителя 58А на турбину 66А в нормальных рабочих условиях, т.е., когда система вторичного ПТГЗЦ не подает электроэнергию на нагрузку. Кроме того, турбина 66А в нормальных рабочих условиях вращается, чтобы облегчить и ускорить запуск в случае отказа первичного энергоблока 16А. Это позволяет системе использовать инерцию вращения турбины 66А при первой подаче электроэнергии на нагрузку после отказа первичного энергоблока.
Как было указано выше, важным аспектом этого варианта предмета настоящего изобретения является то, что отработанное тепло от первичного энергоблока 16А поддерживает температуру и давление в испарителе 58А выше их нормальных рабочих значений. За счет этого его тепловая инерция может использоваться для обеспечения непрерывного производства пара и его подачи на турбину 66А.
В этом варианте предмета настоящего изобретения первичный энергоблок 16А может, помимо прочего, быть дизель-генератором (ДД или ДГ), генератором с газовым двигателем (ГДГ), газотурбинным генератором (ГТГ) или генератором с приводом от двигателя Стирлинга (ГС).
Позицией 5В на фиг.5 показан еще один вариант настоящего изобретения. Этот вариант системы гибридной сверхнадежной электростанции, по существу, подобен вариантам, показанным описанным со ссылками на фиг.3 и 4, однако в этом варианте первичным энергоблоком может быть высокотемпературный топливный элемент, твердооксидный топливный элемент или топливный элемент с расплавленным карбонатом, выходом которого является постоянный ток. Вариант, показанный на фиг.5, имеет первичный энергоблок 16В, вторичный энергоблок, которым является система паротурбогенератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ), который работает по циклу Рэнкина и поддерживается в «горячем» резерве выхлопными газами первичного энергоблока 16В.
Топливо на первичный энергоблок 16В подается по линии 14В подачи топлива через топливный клапан 12В. Топливный клапан 12В соединен с контроллером 26В. В нормальных рабочих условиях топливный клапан 12В открыт, обеспечивая подачу топлива на первичный энергоблок 16В. Горячие выхлопные газы, содержащие отработанное тепло первичного энергоблока 16В, подаются на испаритель 58В по линии 20В подачи выхлопных газов первичного энергоблока, где тепло из горячих выхлопных газов переносится в жидкость в испарителе 58В через устройство 22В теплообменника. Выхлопные газы из первичного энергоблока 16В нагревают рабочее тело в испарителе 58В, что позволяет вторичному паротурбогенератору замкнутого цикла (ПТГЗЦ) оставаться в «теплом» резерве. Охлажденные выхлопные газы выходят из испарителя 58В через выхлопную трубу 24В. Отработавшего тепла в выхлопных газах достаточно, чтобы поддерживать температуру и давление в испарителе на уровне, равном или выше нормальных температуры и давления. Мощность, производимая первичным энергоблоком 16В, определяется датчиком 21В. Датчик 21В соединен с контроллером 26В, который контролирует мощность, производимую первичным энергоблоком 16В. В нормальных рабочих условиях мощность, произведенная первичным энергоблоком 16В, по существу, достаточна для снабжения требуемой нагрузки, а мощность, производимая вторичным ПТГЗЦ, равна нулю. В этом варианте электрический выход первичного энергоблока 16В имеет форму постоянного тока. Диод 83В поддерживает подачу произведенного постоянного тока первичного энергоблока 16В на нагрузку.
В случае отказа первичного энергоблока 16В, датчик 21В обнаруживает потерю мощности. Контроллер 26В закрывает топливный клапан 12В, который подает топливо на первичный энергоблок 16В. Затем контроллер 26В открывает топливный клапан 54В, расположенный на линии 52В подачи топлива. Линия подачи топлива 52В подает топливо на горелку 56В системы вторичного ПТГЗЦ. Горелка 56В нагревает испаритель 58В. Произведенные горелкой 56В газообразные продукты сгорания текут через испаритель 58В через устройство 60В теплообменника, который охлаждает выхлопные газы, выходящие из испарителя 58В по выхлопному трубопроводу 62В. Контроллер 26В посылает сигнал, открывающий клапан 63В, расположенный на паропроводе 64 В системы вторичного ПТГЗЦ. Испарившееся рабочее тело из испарителя 58В проходит по паропроводу 64В на турбину 66В, заставляя ее вращаться, совершая работу. Генератор 67В, соединенный с турбиной 66В, преобразует работу, произведенную вращением, в электрическую энергию. В этом варианте генератор 67В производит электроэнергию в форме переменного тока. Выпрямитель 82В выпрямляет переменный ток, вырабатываемый генератором 67В, в постоянный ток до того, как он будет подан на нагрузку. Расширившийся пар рабочего тела выходит из турбины 66В и подается по паропроводу 68 В расширившегося пара рабочего тела в конденсатор 70В. Расширившийся пар рабочего тела конденсируется в конденсаторе 70В, и полученный конденсат возвращается в испаритель по возвратному трубопроводу 71В насосом 72В.
Сопло 74В предназначено для подачи пара из испарителя 58В на турбину 66В в нормальных рабочих условиях, т.е., когда система вторичного ПТГЗЦ не подает электроэнергию на нагрузку. Кроме того, турбина 66В в нормальных рабочих условиях вращается, чтобы облегчить и ускорить запуск в случае отказа первичного энергоблока 16В. Это позволяет системе использовать инерцию вращения турбины 66В при первой подачи электроэнергии на нагрузку после отказа первичного энергоблока.
Как было указано выше, важным аспектом этого варианта предмета настоящего изобретения является то, что отработанное тепло от первичного энергоблока 16В поддерживает температуру и давление в испарителе 58В выше их нормальных рабочих значений. За счет этого его тепловая инерция может использоваться для обеспечения непрерывного производства пара и его подачи на турбину 66В.
В этом варианте предмета настоящего изобретения первичным энергоблоком 16В может быть, помимо прочего, высокотемпературный топливный элемент, твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) или топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК).
На фиг.6 позицией 5С обозначен еще один вариант настоящего изобретения. Это вариант системы гибридной сверхнадежной электростанции, по существу, подобен варианту, описанному со ссылками на фиг.5, однако в этом варианте имеется аккумулятор для поддержания подачи электроэнергии на нагрузку, пока не подключится вторичный энергоблок. Вариант по фиг.6 имеет первичный энергоблок 16С и вторичный энергоблок, которым является система паротурбогенератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ), который работает по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела и поддерживается в «теплом» резерве выхлопными газами первичного энергоблока.
Топливо на первичный энергоблок 16С подается по линии 14С подачи топлива через топливный клапан 12С. Топливный клапан 12С соединен с контроллером 26С. В нормальных рабочих условиях топливный клапан 12С открыт, обеспечивая подачу топлива на первичный энергоблок 16С. Горячие выхлопные газы, содержащие отработанное тепло первичного энергоблока 16С, подаются на испаритель 58С по линии 20С подачи выхлопных газов первичного энергоблока, где тепло из горячих выхлопных газов переносится в жидкость в испарителе 58С через устройство 22С теплообменника. Выхлопные газы из первичного энергоблока 16С нагревают рабочее тело в испарителе 58С, что позволяет вторичному паротурбогенератору замкнутого цикла (ПТГЗЦ) оставаться в «теплом» резерве. Охлажденные выхлопные газы выходят из испарителя 58С через выхлопную трубу 24С. Отработавшего тепла в выхлопных газах достаточно, чтобы поддерживать температуру и давление в испарителе на уровне, равном или выше нормальных температуры и давления. Мощность, производимая первичным энергоблоком 16С, определяется датчиком 21С. Датчик 21С соединен с контроллером 26С, который контролирует мощность, производимую первичным энергоблоком 16С. В нормальных рабочих условиях мощность, произведенная первичным энергоблоком 16С, по существу, достаточна для снабжения требуемой нагрузки, а мощность, производимая вторичным ПТГЗЦ, равна нулю. В этом варианте электрический выход первичного энергоблока 16С имеет форму постоянного тока. Диод 83С поддерживает подачу произведенного постоянного тока первичного энергоблока 16С на нагрузку.
В случае отказа первичного энергоблока 16С, датчик 21С обнаруживает потерю мощности. Резервный аккумулятор 86С подает необходимую мощность на нагрузку по шине 87С постоянного тока, пока не сможет подключиться вторичный ПТГЗЦ. Контроллер 26С затем закрывает топливный клапан 12С, который подает топливо на первичный энергоблок 16С. Затем контроллер 26С открывает топливный клапан 54С, расположенный на линии 52С подачи топлива. Линия подачи топлива 52С подает топливо на горелку 56С системы вторичного ПТГЗЦ. Контроллер 26С посылает сигнал на поджиг горелки 56С. Горелка 56С нагревает испаритель 58С. Произведенные горелкой 56С газообразные продукты сгорания текут через испаритель 58С, через устройство 60С теплообменника, который охлаждает выхлопные газы, выходящие из испарителя 58С по выхлопному трубопроводу 62С. Контроллер 26С посылает сигнал, открывающий клапан 63С, расположенный на паропроводе 64С системы вторичного ПТГЗЦ. Испарившееся рабочее тело из испарителя 58С проходит по паропроводу 64С на турбину 66С, заставляя ее вращаться, совершая работу. Генератор 67С, соединенный с турбиной 66С, преобразует работу, произведенную вращением, в электрическую энергию. В этом варианте генератор 67С производит электроэнергию в форме переменного тока. Выпрямитель 82С выпрямляет переменный ток, вырабатываемый генератором 67С, в постоянный ток до того, как он будет подан на нагрузку. Расширившийся пар рабочего тела выходит из турбины 66С и подается по паропроводу 68С расширившегося пара рабочего тела в конденсатор 70С. Расширившийся пар рабочего тела конденсируется в конденсаторе 70С, и полученный конденсат возвращается в испаритель по возвратному трубопроводу 71С насосом 72С.
Наличие аккумулятора 86С допускает задержку между временем отказа первичного энергоблока 16С и подключением вторичного ПТГЗЦ. В этом отношении может быть необязательно поддерживать температуру и давление в испарителе в рабочих условиях, поскольку аккумулятор будет подавать электроэнергию, пока испаритель 58С не достигнет рабочих температуры и давления. Предпочтительно, однако, чтобы отработанное тепло от первичного энергоблока 16С поддерживало температуру и давление в испарителе 58С на рабочих величинах, чтобы сократить время, в течение которого аккумулятор должен подавать электроэнергию на нагрузку. Точно так же, наличие аккумулятора 86С означает, что турбина 66С не обязательно должна вращаться, однако предпочтительно, чтобы турбина 66С вращалась для сокращения времени задержки.
В этом варианте предмета настоящего изобретения первичным энергоблоком 16С может быть, помимо прочего, высокотемпературный топливный элемент, твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) или топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК).
Хотя использование аккумулятора (обычно относительно небольшого) описано со ссылкой на настоящий вариант, такое использование может иметь место в любом другом описанном здесь варианте, где вторичный ПТГЗЦ поддерживается в состоянии «теплого», а не «горячего» резерва.
На фиг.7 позицией 5D обозначен еще один вариант настоящего изобретения. Этот вариант системы гибридной сверхнадежной электростанции, по существу, подобен варианту, описанному со ссылками на фиг.3 и 4, однако в этом варианте первичным энергоблоком может быть любой ранее описанный энергоблок, а вместо сопла для подачи пара на турбину во время нормальной работы байпасный трубопровод подает пар только на одно или на несколько сопл турбины. Вариант, показанный на фиг.7, имеет первичный энергоблок 16D и вторичный энергоблок, которым является система паротурбогенератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ), который работает по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела и поддерживается в «горячем» резерве выхлопными газами первичного энергоблока 16D.
Топливо на первичный энергоблок 16D подается по линии 14D подачи топлива через топливный клапан 12D. Топливный клапан 12D соединен с контроллером 26D. В нормальных рабочих условиях топливный клапан 12D открыт, обеспечивая подачу топлива на первичный энергоблок 16D. Горячие выхлопные газы, содержащие отработанное тепло первичного энергоблока 16D, подаются на испаритель 58D по линии 20D подачи выхлопных газов первичного энергоблока, где тепло из горячих выхлопных газов переносится в жидкость в испарителе 58D через устройство 22D теплообменника. Выхлопные газы из первичного энергоблока 16D нагревают рабочее тело в испарителе 58D, что позволяет вторичному паротурбогенератору замкнутого цикла (ПТГЗЦ) оставаться в «горячем» резерве. Выхлопные газы первичного энергоблока 16D выходят из испарителя 58D через выхлопную трубу 24D. Отработавшего тепла в выхлопных газах достаточно, чтобы поддерживать температуру и давление в испарителе на уровне выше нормальных температуры и давления. Мощность, производимая первичным энергоблоком 16D, определяется датчиком 21D. Датчик 21D соединен с контроллером 26D, который контролирует мощность, производимую первичным энергоблоком 16D. В нормальных рабочих условиях мощность, произведенная первичным энергоблоком 16D, по существу, достаточна для снабжения требуемой нагрузки, а мощность, производимая вторичным ПТГЗЦ, равна нулю. В этом варианте электрический выход первичного энергоблока 16D имеет форму постоянного тока. Диод 83D поддерживает подачу произведенного постоянного тока первичного энергоблока 16D на нагрузку.
В случае отказа первичного энергоблока 16D, датчик 21D обнаруживает потерю мощности. Контроллер 26D закрывает топливный клапан 12D, который подает топливо на первичный энергоблок 16D. Затем контроллер 26D открывает топливный клапан 54D, расположенный на линии 52D подачи топлива. Линия подачи топлива 52D подает топливо на горелку 56D системы вторичного ПТГЗЦ. Контроллер 26D посылает сигнал на поджиг горелки 56D. Горелка 56D нагревает испаритель 58D. Произведенные горелкой 56D газообразные продукты сгорания текут через испаритель 58D через устройство 60D теплообменника и выходят из испарителя 58D по выхлопному трубопроводу 62D. Контроллер 26D посылает сигнал, открывающий клапан 63D, расположенный на паропроводе 64D системы вторичного ПТГЗЦ. Испарившееся рабочее тело из испарителя 58D проходит по паропроводу 64D на турбину 66D, заставляя ее вращаться, совершая работу. Генератор 67D, соединенный с турбиной 66D, преобразует работу, произведенную вращением, в электрическую энергию. В этом варианте генератор 67D производит электроэнергию в форме переменного тока. Выпрямитель 82D выпрямляет переменный ток, вырабатываемый генератором 67D, в постоянный ток до того, как он будет подан на нагрузку. Расширившийся пар рабочего тела выходит из турбины 66D и подается по паропроводу 68D расширившегося пара рабочего тела в конденсатор 70D. Расширившийся пар рабочего тела конденсируется в конденсаторе 70D, и полученный конденсат возвращается в испаритель по возвратному трубопроводу 71D насосом 72D.
Имеется байпасный трубопровод 87D, который позволяет подавать пар из испарителя 58D на одно или несколько сопл турбины 66D в нормальных рабочих условиях, т.е., когда вторичная система ПТГЗЦ не подает электроэнергию на нагрузку. Кроме того, турбина 66D вращается в нормальных рабочих условиях для облегчения и ускорения запуска в случае отказа первичного энергоблока 16D. Предпочтительно, турбина 66D вращается с частотой, превышающей нормальную рабочую частоту, для того, чтобы ее инерцию вращения можно было использовать при первой подаче электроэнергии на нагрузку после отказа первичного энергоблока. Использование байпасного трубопровода 87D для подачи пара из испарителя 58D на одно или несколько сопл турбины 66D облегчает работу или холостой ход турбины на частоте вращения, превышающей ее номинальную рабочую частоту вращения.
Как указано выше, важным аспектом предмета настоящего изобретения является то, что отработанное тепло от первичного энергоблока 16D поддерживает температуру и давление в испарителе 58D на уровне или выше его нормальных рабочих температуры и давления. За счет этого его тепловую инерцию можно использовать для того, чтобы обеспечить постоянное производство пара и его подачу на турбину 66D.
В этом варианте предмета настоящего изобретения первичным энергоблоком 16D может быть любой из ранее описанных энергоблоков, включая, помимо прочего, высокотемпературный топливный элемент, твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК), дизель-генератор (ДД или ДГ), генератор на газовом двигателе (ГДГ), газотурбинный генератор (ГТГ) или генератор с двигателем Стирлинга (ГС).
На фиг.8 позицией 5Е показан еще один вариант настоящего изобретения, в настоящее время считающийся наилучшей реализацией настоящего изобретения. Этот вариант системы гибридной сверхнадежной электростанции, по существу, подобен вариантам, описанным со ссылками на фиг.7, однако в этом варианте конденсатор имеет водяное или воздушное охлаждение, и насос для конденсата установлен на одном валу с генератором ПТГЗЦ. Вариант, представленный на фиг.8, имеет первичный энергоблок 16Е и вторичный энергоблок, которым является система паротурбогенератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ), который работает по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела и поддерживается в «горячем» резерве выхлопными газами первичного энергоблока 16Е.
Топливо на первичный энергоблок 16Е подается по линии 14Е подачи топлива через топливный клапан 12Е. Топливный клапан 12Е соединен с контроллером 26Е. В нормальных рабочих условиях топливный клапан 12Е открыт, обеспечивая подачу топлива на первичный энергоблок 16Е. Горячие выхлопные газы, содержащие отработанное тепло первичного энергоблока 16Е, подаются на испаритель 58Е по линии 20Е подачи выхлопных газов первичного энергоблока, где тепло из горячих выхлопных газов переносится в жидкость в испарителе 58Е через устройство 22Е теплообменника. Выхлопные газы из первичного энергоблока 16Е нагревают рабочее тело в испарителе 58Е, что позволяет вторичному паротурбогенератору замкнутого цикла (ПТГЗЦ) оставаться в «горячем» резерве. Охлажденные выхлопные газы первичного энергоблока 16Е выходят из испарителя 58Е через выхлопную трубу 24Е. Отработавшего тепла в выхлопных газах достаточно, чтобы поддерживать температуру и давление в испарителе на уровне выше нормальных температуры и давления. Мощность, производимая первичным энергоблоком 16Е, определяется датчиком 21Е. Датчик 21Е соединен с контроллером 26Е, который контролирует мощность, производимую первичным энергоблоком 16Е. В нормальных рабочих условиях мощность, произведенная первичным энергоблоком 16Е, по существу, достаточна для снабжения требуемой нагрузки, а мощность, производимая вторичным ПТГЗЦ, равна нулю. В этом варианте электрический выход первичного энергоблока 16Е имеет форму постоянного тока. Диод 83Е поддерживает подачу произведенного постоянного тока первичного энергоблока 16Е на нагрузку.
В случае отказа первичного энергоблока 16Е, датчик 21Е обнаруживает потерю мощности. Контроллер 26Е закрывает топливный клапан 12Е, который подает топливо на первичный энергоблок 16Е. Затем контроллер 26Е открывает топливный клапан 54Е, расположенный на линии 52Е подачи топлива. Линия подачи топлива 52Е подает топливо на горелку 56Е системы вторичного ПТГЗЦ. Контроллер 26Е посылает сигнал на поджиг горелки 56Е. Горелка 56Е нагревает испаритель 58Е. Произведенные горелкой 56Е газообразные продукты сгорания текут через испаритель 58Е, через устройство 60Е теплообменника и выходят из испарителя 58Е по выхлопному трубопроводу 62Е. Контроллер 26Е посылает сигнал, открывающий клапан 63Е, расположенный на паропроводе 64Е системы вторичного ПТГЗЦ. Испарившееся рабочее тело из испарителя 58Е проходит по паропроводу 64Е на турбину 66Е, заставляя ее вращаться, совершая работу. Генератор 67Е, соединенный с турбиной 66Е, преобразует работу, произведенную вращением, в электрическую энергию. В этом варианте генератор 67Е производит электроэнергию в форме переменного тока. Выпрямитель 82Е выпрямляет переменный ток, вырабатываемый генератором 67Е, в постоянный ток до того, как он будет подан на нагрузку. Расширившийся пар рабочего тела выходит из турбины 66Е и подается по паропроводу 68Е расширившегося пара рабочего тела в конденсатор 70Е. Расширившийся пар рабочего тела конденсируется в конденсаторе 70Е, и полученный конденсат возвращается в испаритель по возвратному трубопроводу 71Е насосом 72Е. В этом варианте насос 72Е находится на том же валу турбины, что и генератор 67Е.
Имеется байпасный трубопровод 87Е, который позволяет подавать пар из испарителя 58Е на одно сопло турбины 66Е в нормальных рабочих условиях, т.е., когда вторичная система ПТГЗЦ не подает электроэнергию на нагрузку. Кроме того, турбина 66Е вращается в нормальных рабочих условиях для облегчения и ускорения запуска в случае отказа первичного энергоблока 16Е. Предпочтительно, турбина 66Е вращается с частотой, превышающей нормальную рабочую частоту, для того, чтобы ее инерцию вращения можно было использовать при первой подаче электроэнергии на нагрузку после отказа первичного энергоблока. Здесь также использование байпасного трубопровода 87Е для подачи пара из испарителя 58Е на одно или несколько сопл турбины 66Е облегчает работу или холостой ход турбины на частоте вращения, превышающей ее номинальную рабочую частоту вращения.
Как указано выше, важным аспектом предмета настоящего изобретения является то, что отработанное тепло от первичного энергоблока 16Е поддерживает температуру и давление в испарителе 58Е выше его нормальных рабочих температуры и давления. За счет этого его тепловую инерцию можно использовать для того, чтобы обеспечить постоянное производство пара и его подачу на турбину 66Е.
В этом варианте предмета настоящего изобретения первичным энергоблоком 16Е может быть любой из ранее описанных энергоблоков, включая, помимо прочего, высокотемпературный топливный элемент, твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК), дизель-генератор (ДД или ДГ), генератор на газовом двигателе (ГДГ), газотурбинный генератор (ГТГ) или генератор с двигателем Стирлинга (ГС).
Следует подчеркнуть, что в этом варианте, если количество отработанного тепла в выхлопных газах первичного энергоблока превышает то, которое требуется для производства вторичным ПТГЗЦ 5-10% или даже более от электроэнергии, необходимой для питания всей нагрузки, тогда, если это предпочтительно, вторичный ПТГЗЦ также может производить электроэнергию в нормальных рабочих условиях. В этом случае турбина 66Е работает на паре, поступающем по линии 87Е на одно сопло, в результате чего турбина, путем вращения, совершает работу. Генератор 67Е, соединенный с турбиной 66Е, преобразует работу, совершенную генератором при вращении, в электроэнергию, которая подается на нагрузку через выпрямитель 82Е, который выпрямляет переменный ток в постоянный. За счет этого эффективность системы при нормальной работе повышается. В этом варианте, когда датчик 21Е определит потерю мощности на первичном энергоблоке 16Е, контроллер 26Е закрывает топливный клапан 12Е, который подает топливо на первичный энергоблок 16Е. Затем контроллер открывает топливный клапан 54Е, который расположен на линии 52Е подачи топлива. Топливо подается по линии 52Е подачи на горелку 56Е системы вторичного ПТГЗЦ. Контроллер 26Е посылает сигнал для поджига горелки 56Е. Горелка 56Е нагревает испаритель 58Е. Произведенные горелкой 56Е газообразные продукты сгорания текут через испаритель 58Е через устройство 60Е теплообменника и выходят из испарителя 58Е по выхлопному трубопроводу 62Е. Контроллер 26Е посылает сигнал, открывающий клапан 63Е, расположенный на паропроводе 64Е системы вторичного ПТГЗЦ. Испарившееся рабочее тело из испарителя 58Е проходит по паропроводу 64Е на турбину 66Е, чтобы она продолжала вращаться, совершая работу. Генератор 67Е, соединенный с турбиной 66Е, преобразует работу, произведенную вращением, в электрическую энергию, которая подается на нагрузку через выпрямитель 82Е, который преобразует переменный ток в постоянный. Теперь вторичный ПТГЗЦ подает на нагрузку 100% энергии. Расширившийся пар рабочего тела конденсируется в конденсаторе 70Е, и полученный конденсат возвращается в испаритель по возвратному трубопроводу 71Е насосом 72Е.
Хотя эта возможность описана со ссылками на вариант, описанный со ссылками на фиг.8, она может быть применена и с другими описанными вариантами настоящего изобретения.
Таким образом, из вышеприведенного описания видно, что в настоящем изобретении раскрывается первичный энергоблок, производящий электроэнергию, которая подается на нагрузку, и вторичный энергоблок в форме системы паротурбогенератора замкнутого цикла (ПТГЗЦ), который работает по циклу Рэнкина с использованием пара или органического рабочего тела и который способен производить 100% электроэнергии, производимой первичным энергоблоком, и который нагревается в состоянии «горячего» резерва отработанным теплом первичного энергоблока. На фиг.9 показан пример общей компоновки такой системы электростанции. Испаритель ПТГЗЦ в состоянии «горячего» резерва поддерживается при температуре выше его обычной рабочей температуры, и паровая турбина ПТГЗЦ в состоянии «горячего» резерва поддерживается, предпочтительно, на холостом ходу, частота вращения которого выше, чем нормальная рабочая частота вращения. Как показано, предпочтительно ПТГЗЦ содержит горелку, которая сжигает то же топливо, что и первичный энергоблок, и дает достаточно тепла, чтобы в случае отказа первичного энергоблока ПТГЗЦ производил 100% энергии, подаваемой первичным энергоблоком на нагрузку.
Кроме того, следует отметить, что хотя в вышеприведенном описании для каждого варианта описаны один первичный энергоблок и один паротурбогенератор замкнутого цикла (ПТГЗЦ), в одной установке можно использовать большее количество первичных энергоблоков и большее количество паротурбогенераторов замкнутого цикла (ПТГЗЦ) и на фиг.10 показан пример такой компоновки.
Дополнительно, хотя описанные здесь варианты представляют систему, где тепло, содержащееся в тепле, отработанном в первичном энергоблоке, используется для поддержания вторичного ПТГЗЦ в состоянии «горячего» резерва, могут использоваться и другие источники тепла. На фиг.11 показан пример такой системы, где тепло горячей воды или другой жидкости от системы 82Н охлаждения двигателя первичного энергоблока 16Н используется так же и как источник тепла для вторичного ПТГЗЦ 80Н, для поддержания его в состоянии «горячего» или «теплого» резерва.
Более того, хотя в описанных выше вариантах упоминается отдельный электрический генератор для использования с ПТГЗЦ, если это будет предпочтительно, когда первичный энергоблок содержит дизель-генератор (ДД или ДГ), генератор на газовом двигателе (ГДГ), газотурбинный генератор (ГТГ), то и для первичного энергоблока и для ПТГЗЦ можно использовать общий генератор 67I (см. фиг.12). В таком случае можно использовать автоматическую муфту или селективно работающую муфту 84I для отсоединения выходного вала двигателя первичного энергоблока 16I от генератора 67I, когда первичный энергоблок прекращает работать.
Таким образом, настоящее изобретение, описанное выше, обеспечивает высокоэффективную и надежную систему генерирования электроэнергии. Это достигается за счет того, что описанный выше первичный энергоблок достигает высоких уровней эффективности, а вторичный ПТГЗЦ обеспечивает сверхвысокий уровень надежности этой системы. Такая возможность позволяет сократить критический фактор количества посещений для обслуживания, столь обычный для систем дизельных электростанций. Используя систему и способ по настоящему изобретению, визиты для обслуживания можно планировать значительно более спокойно, поскольку посещение системы при остановке первичного энергоблока становится не столь критичным, так как вторичный ПТГЗЦ продолжит работу и обеспечит подачу 100% энергии, необходимой для нагрузки, даже если первичный энергоблок остановится. Придется лишь оплатить топливо, на котором работает ПТГЗЦ, пока не будет отремонтирован первичный энергоблок. Следовательно, такие визиты для ремонта можно осуществлять в рабочие дни и в нормальное рабочее время, а не по выходным или ночью, или в другое неудобное время, что приходится делать при использовании систем по предшествующему уровню техники.
Более того, при использовании высокотемпературных топливных элементов, твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) или топливных элементов с расплавленным карбонатом (ТЭРК), как описано выше, преимущественно в соответствии с настоящим изобретением можно использовать картриджи таких топливных элементов или их батареи. Используя такие картриджи топливных элементов, в случае ремонта вышеописанного первичного энергоблока на топливных элементах, необходимо будет заменять только картриджи, а не всю систему топливного элемента. Такие сменные картриджи снизят стоимость ремонта таких систем и облегчат его.
Считается, что преимущества и улучшенные результаты, полученные способом и устройством по настоящему изобретению, очевидны из вышеприведенного описания. В него могут быть внесены различные изменения и модификации, не выходящие за пределы духа и объема изобретения, как описано в прилагаемой формуле изобретения.
1. Гибридная сверхнадежная система генерирования электроэнергии, содержащая
а) первичный энергоблок, производящий электроэнергию, которая подается на нагрузку;
б) вторичный энергоблок в форме системы паровой турбины замкнутого цикла (ПТГЗЦ), выполненный с возможностью производить 100% электроэнергии, которую производит первичный энергоблок и которая нагревается в состоянии "горячего" резерва отработанным теплом первичного энергоблока, причем испаритель ПТГЗЦ поддерживают в "горячем" резерве при температуре, превышающей его номинальную рабочую температуру, и паровую турбину ПТГЗЦ поддерживают в "горячем" резерве на холостом ходу при частоте вращения, превышающей ее номинальную частоту вращения.
2. Система по п.1, где в "горячем" резерве указанная ПТГЗЦ не подает электроэнергию на указанную нагрузку.
3. Система по п.1, где указанная ПТГЗЦ содержит горелку, которая сжигает то же топливо, которое подается на первичный энергоблок, и вырабатывает достаточно тепла, чтобы ПТГЗЦ производил электроэнергию, подаваемую на нагрузку на уровне 100% от электроэнергии, производимой указанным первичным энергоблоком после того, как первичный энергоблок прекратит работу.
4. Система по п.1, где первичным энергоблоком является высокотемпературный топливный элемент.
5. Система по п.1, где первичным энергоблоком является твердооксидный топливный элемент.
6. Система по п.1, где первичным энергоблоком является топливный элемент с расплавленным карбонатом.
7. Система по п.1, где первичным энергоблоком является дизельный генератор.
8. Система по п.1, где первичным энергоблоком является генератор с приводом от двигателя.
9. Система по п.1, где первичным энергоблоком является газотурбинный генератор.
10. Система по п.1, где первичным энергоблоком является генератор с двигателем Стирлинга.
11. Система по п.1, где указанным ПТГЗЦ является паровая турбина замкнутого цикла, работающая по органическому циклу Рэнкина.
12. Система по п.1, где указанным ПТГЗЦ является паровая турбина замкнутого цикла, работающая по паровому циклу Рэнкина.
13. Система по п.4, где высокотемпературный топливный элемент содержит сменный картридж топливного элемента.
14. Система по п.1, где вторичная система ПТГЗЦ производит электроэнергию, которая подается на нагрузку, когда указанный первичный энергоблок работает, где уровень электроэнергии указанного вторичного ПТГЗЦ составляет до 33% от электроэнергии, производимой первичным энергоблоком.
15. Способ непрерывного генерирования электроэнергии с использованием гибридной сверхнадежной системы генерирования электроэнергии, содержащий шаги, при которых
а) обеспечивают первичный энергоблок, производящий электроэнергию, подаваемую на нагрузку;
б) обеспечивают вторичный энергоблок в форме систем паровой турбины замкнутого цикла (ПТГЗЦ), способной производить 100% электроэнергии, которую производит первичный энергоблок и которая нагревается в состоянии "горячего" резерва отработанным теплом первичного энергоблока, причем испаритель ПТГЗЦ поддерживается в "горячем" резерве при температуре, превышающей его номинальную рабочую температуру, и паровую турбину ПТГЗЦ поддерживают в "горячем" резерве на холостом ходу при частоте вращения, превышающей ее номинальную частоту вращения.
16. Способ по п.15, где шаг обеспечения вторичного энергоблока в форме системы паровой турбины замкнутого цикла (ПТГЗЦ), способной производить 100% электроэнергии, производимой первичным энергоблоком, и которая нагревается в состоянии "горячего" резерва отработанным теплом первичного энергоблока, осуществляют так, что указанный вторичный ПТГЗЦ не подает электроэнергию на нагрузку в состоянии "горячего" резерва.
17. Способ по п.15, содержащий шаг, при котором обеспечивают горелку, которая сжигает то же топливо, которое подается на первичный энергоблок, и вырабатывает достаточно тепла, чтобы ПТГЗЦ производил электроэнергию, подаваемую на нагрузку на уровне 100% от электроэнергии, производимой указанным первичным энергоблоком, после того, как первичный энергоблок прекратит работу.
18. Способ по п.15, содержащий шаг, при котором обеспечивают высокотемпературный топливный элемент в качестве первичного энергоблока.
19. Способ по п.15, содержащий шаг, при котором обеспечивают дизель-генератор в качестве первичного энергоблока.
20. Способ по п.15, содержащий шаг, при котором обеспечивают паровую турбину замкнутого цикла, работающую по органическому циклу Рэнкина в качестве вторичного ПТГЗЦ.
