Способ энергоснабжения и работы комбинированной электрической и гидролизной установок и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК C01B3/02 C25B1/04 F02C6/00 

Изобретение относится к способу энергоснабжения и работы комбинированной энергетической газотурбодетандерной и щелочной гидролизной установки. Наиболее распространены гидролизные установки для выработки водорода из воды снабженные водно-щелочными электролизерами, в которых в качестве электролита применяют водные растворы КОН или NAOH. Для выработки килограмма водорода (H₂) в этих установках требуется затратить 55,5-45,5 кВт-ч электроэнергии. (С.А. Григорьев, В.И. Перебемский, В.Н. Фатеев, P.O. Самсонов, СИ. Козлов. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы. «Транспорт на альтернативном топливе» №3 май 2008 г.) В диссертации Довбыш С.А. Разработка и исследование высокоэффективных электрохимических ячеек для щелочных электролизеров воды. МЭИ, 2017 г. приведены характеристики щелочных электролизеров СЭУ питаемых постоянным током напряжением 72-200 В производительность до 40 нм³Нг/ч.

Питание электроэнергией щелочных гидролизных установок может осуществляться как от автономных энергетических установок, так и из централизованных электрических сетей.

В мировой практике широко распространен способ энергоснабжения щелочных гидролизных установок вырабатывающих водород с их электроснабжением из централизованных электрических сетей электроэнергией которая выработана на тепловых электростанциях (ТЭС), атомных электростанциях (АЭС), гидроэлектростанциях (ГЭС). Вырабатываемый на них переменный электрический ток высокого напряжения транспортируют по электрическим сетям, трансформируют и с напряжением 6-10 кВ подают для энергоснабжения щелочных гидролизных установок вырабатывающих водород из воды. (Ю.Н. Шалимов и др. Проблемы применения водорода в энергетике. «Альтернативная энергетика и экология» №3 (71), 2009 г.).

Недостатком способа электропитания щелочных гидролизных установок из централизованных электрических сетей, являются большие затраты, связанные с тем, что электрический КПД большинства электростанций не превышает 38-40% и высокими потерями электроэнергии (12-14%) в централизованных электрических сетях.

В статье (Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов «Оценка эффективности получения водорода на базе внепиковой электроэнергии АЭС» (Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №05-06, С. 193-194, 2016) был проведен сравнительный экономический анализ электроснабжения гидролизных установок электроэнергией через централизованные электрические сети энергией, вырабатываемой на тепловых и атомных электростанциях. Авторы пришли к выводу, что наиболее эффективно использовать для получения водорода при электролизе воды внепиковую электроэнергию вырабатываемую на АЭС в ночные часы суток, так как затраты на производство электроэнергии выработанной АЭС, ниже по сравнению с затратами на электроэнергию выработанной на ТЭС.

Известна газотурбодетандерная энергетическая установка предназначенная для выработки электроэнергии на газораспределительной станции (ГРС) магистрального газопровода. (Патент РФ №2091592 «Способ работы газотурбодетандерной установки», опубл. 23.08.1994). Эта энергетическая установка имеет невысокую тепловую экономичность и используется только для выработки электроэнергии для ГРС. Известна энергетическая регенеративная газотурбодетандерная установка компрессорной станции магистрального газопровода, содержащая подогреватель топливного газа, турбодетандер, компрессор, регенеративный воздухоподогреватель, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, газопровод топливного газа. Газопровод топливного газа используется для подачи топливного газа в камеру сгорания этой установки и в камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. Турбодетандер подключен по топливному газу к магистральному газопроводу, его полезную работу используют для привода компрессора, полезную работу газовой турбины используют для привода электрогенератора и выработки электроэнергии для энергоснабжения собственных нужд компрессорной станции. (Патент РФ №2549004, опубл. 24.12.2013). Эта энергетическая регенеративная газотурбодетандерная установка имеет высокую тепловую экономичность, но она не используется для энергоснабжения гидролизной установки служащей для выработки водорода из воды.

Способ получения водорода методом щелочного электролиза воды приведен в книге (Р.В. Радченко, А.С. Мокрушин, В.В. Тюльпа Водород в энергетике. С. 30. Уч. Пособие. 2014.). Схема щелочной электролизной установки получения водорода из воды приведена в (Промышленные водородные электролизеры/ЭкоГазСистем. Водородные электролизеры, gasonsite.ru/hudrogen-electrolesis).

Схема щелочной гидролизной установки содержит блок электроснабжения, блок водоподготовки, блок щелочного электролизера, блоки сепарации О₂ и Н₂, блок очистки Ш. Электроснабжение щелочной гидролизной установки производится из централизованной электрической сети. Это устройство и способ электроснабжения работы щелочной гидролизной установки для получения водорода из воды приняты в качестве прототипа предполагаемого изобретения. Недостатком способа-прототипа является высокая стоимость электроэнергии подаваемой в щелочную гидролизную установку из центральных электрических сетей.

Перспективно электроснабжение щелочных гидролизных установок с получением водорода из воды от энергетических газотурбодетандерных установок компрессорных станций магистральных газопроводов.

Целью изобретения является снижение затрат на электроснабжение щелочной гидролизной установки за счет ее питания дешевой электроэнергией от энергетической газотурбодетандерной установки компрессорной станции магистрального газопровода. Технический результат получаемый в предлагаемом способе энергоснабжения и работы комбинированной энергетической газотурбодетандерной и щелочной гидролизной установки достигается тем, что для энергоснабжения щелочной гидролизной установки используют дешевую электроэнергию производимую на дополнительной энергетической регенеративной газотурбодетандерной установке компрессорной станции магистрального газопровода.

Предлагаемый способ энергоснабжения и работы комбинированной энергетической газотурбодетандерной и щелочной гидролизной установки может быть реализован в устройстве установленном на компрессорной станции магистрального газопровода. Схема устройства для реализации способа энергоснабжения и работы предлагаемой комбинированной энергетической газотурбодетандерной и гидролизной установки приведена на Фиг. 1, где 1 - энергетическая регенеративная газотурбодетандерная установка, 2 - щелочная гидролизная установка, 3 - газоперекачивающие агрегаты компрессорной станции, 4 - подогреватель топливного газа высокого давления, 5 - турбодетандер, 6 - компрессор, 7 - регенеративный воздухоподогреватель, 8 - камера сгорания, 9 - газовая турбина, 10 - электрогенератор, 11 - электрические провода, 12 - подогреватель топливного газа среднего давления, 13 - подогреватель теплоносителя, 14 - трубопроводы теплоносителя, 15 - газопровод топливного газа среднего давления, 16 - блок энергоснабжения, 17 - блок щелочного электролизера, 18 - блок сепарации H₂, 19 - блок очистки Н₂, 20 - блок водоподготовки, 21 - блок сепарации O₂, 22 - магистральный газопровод высокого давления, 23 - газопровод топливного газа высокого давления, 24 - камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции, 25 - магистральный газопровод высокого давления, 26 - устройство электроснабжения собственных нужд компрессорной станции. На компрессорной станции магистрального газопровода, имеющей газотурбинные газоперекачивающие агрегаты с камерами сгорания 24 и устройство электроснабжения собственных нужд компрессорной станции 26, дополнительно применена энергетическая регенеративная газотурбодетандерная установка 1, содержащая магистральный газопровод топливного газа высокого давления 22, подогреватель топливного газа высокого давления 4, турбодетандер 5, компрессор 6, регенеративный воздухоподогреватель 7, камеру сгорания 8, газовую турбину 9, электрогенератор 10, подогреватель топливного газа среднего давления 12, подогреватель теплоносителя 13, трубопроводы теплоносителя 14, газопровод топливного газа среднего давления 15. Ротор турбодетандера 5 соединен валом с ротором компрессора 6, ротор газовой турбины 9 соединен валом с ротором электрогенератора 10, который электрическими проводами 11 соединен с блоком электропитания щелочной гидролизной установки 16 и с устройством электроснабжения собственных нужд 26 компрессорной станции. Щелочная гидролизная установка содержит блок электроснабжения 16, блок водоподготовки 20, блок щелочного электролизера 17, блок сепарации О₂ 21, блок сепарации Н₂ 18 и блок очистки Н₂ 19. Блок электропитания 16 комбинированной щелочной гидролизной установки 2 содержит трансформатор и выпрямитель тока, который электрически связан с плюсовой и минусовой ячейками блока щелочного электролизера 17. Трубопровод воды связан с входом блока водоподготовки 20, его выход соединен трубопроводом деминерализованной воды с корпусом блока щелочного электролизера 17, выход которого соединен по водороду с входом блока сепарации водорода 18 и через блок очистки водорода 19 связан с потребителем водорода. Он также связан кислородопроводом с входом блока сепарации кислорода 21. Блок сепарации кислорода 21 связан с атмосферой по кислороду и по отсепарированной воде.

Предлагаемый способ энергоснабжения и работы комбинированной энергетической газотурбодетандерной и щелочной гидролизной установки осуществляют в два этапа. На первом этапе способа топливный газ из магистрального газопровода высокого давления 25 подогревают до 100-120°С теплом теплоносителя в подогревателе топливного газа высокого давления 4, расширяют в турбодетандере 5, приводящем компрессор 6, подогревают его в подогревателе топливного газа среднего давления 12 до 150-180°С, теплом продуктов сгорания расширенных в газовой турбине 9 и охлажденных в регенеративном воздухоподогревателе 7, подают в камеру сгорания 8 энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки 1, сжигают в ней подогретый топливный газ, продукты сгорания расширяют в газовой турбине 9, приводящей электрогенератор 10. Электроэнергию переменного тока высокого напряжения 6-10 кВ, выработанную электрогенератором 10, подают в блок электроснабжения 16 щелочной гидролизной установки 2, а также в устройство электроснабжения собственных нужд компрессорной станции 26. На втором этапе этого способа большую часть переменного тока 6-10 кВ, выработанного в электрогенераторе, подают в блок электроснабжения 16 щелочной гидролизной установки, трансформируют в трансформаторе до напряжения 70-200 В и выпрямляют в выпрямителе. Полученный постоянный ток подают на электроды блока щелочного электролиза 17. Водопроводную воду очищают в блоке водоподготовки 29 с получением деминерализованной воды и подают в корпус щелочного электролизера 17. Постоянный ток и деминеризованную воду подают в электролизерные ячейки блока щелочного электролизера 17. Из блока сепарации кислорода 21 отводят в атмосферу конденсат и кислород. Водород, вышедший из блока сепарации водорода 18, подают в блок его очистки 19 и направляют к потребителю.

Предлагаемый способ энергоснабжения и работы комбинированной энергетической газотурбодетандерной и щелочной гидролизной установок может быть реализован на компрессорной станции магистрального газопровода.

Сравнение предлагаемого способа с прототипом и другими техническими решениями, позволило сделать вывод, что предлагаемые в нем технические решения соответствуют критерию "новизна". С учетом признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, можно сделать вывод, что оно соответствует критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ позволяет снизить стоимость водорода, вырабатываемого в щелочной гидролизной установке, за счет энергоснабжения блока электропитания 16 от дополнительной энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки, установленной на компрессорной станции магистрального газопровода. Расчеты показывают, что стоимость электроэнергии вырабатываемой на дополнительной энергетической регенеративной газотурбодетандерной установке, значительно ниже стоимости электроэнергии поставляемой на щелочные гидролизные установки из централизованных электрических сетей. Это связано с тем, что энергетическая регенеративная газотурбодетандерная установка работает на дешевом топливном газе подаваемом из магистрального газопровода, потенциальную энергию газа высокого давления используют для его расширения в турбодетандере. Полезную работу турбодетандера используют для привода компрессора энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки, с повышением ее КПД.

Изобретение касается способа энергоснабжения и работы комбинированной энергетической газотурбодетандерной и щелочной гидролизной установки, при котором переменный электрический ток, выработанный энергоисточником, подают в блок электроснабжения щелочной гидролизной установки, где его выпрямляют, полученный постоянный ток направляют в щелочной электролизер, куда также подают деминерализованную воду из водоподготовки. Полученные водород и кислород сепарируют, отсепарированный кислород сбрасывают в атмосферу, а водород очищают от примесей и подают к потребителю. На компрессорной станции магистрального газопровода дополнительно устанавливают комбинированную энергетическую газотурбодетандерную и щелочную гидролизную установку. Способ ее работы осуществляют в два этапа; на первом этапе энергоснабжение щелочной гидролизной установки, а также электроснабжение собственных нужд компрессорной станции, производят переменным током высокого напряжения 6-10 кВ от электрогенератора энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки; топливный газ высокого давления отбирают из магистрального газопровода, подогревают теплом теплоносителя до 100-120°С и расширяют в турбодетандере до среднего давления, расширенный топливный газ подогревают теплоносителем до 150-180°С в подогревателе среднего давления, подогрев теплоносителя производят теплом продуктов сгорания газовой турбины энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки; подогретый топливный газ среднего давления подают в камеру сгорания регенеративной газотурбодетандерной установки, а также в камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции, полезную работу турбодетандера используют для привода компрессора энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки, полезную работу ее газовой турбины используют для привода электрогенератора. На втором этапе способа большую часть переменного тока 6-10 кВ, выработанного в электрогенераторе, подают в блок энергоснабжения щелочной гидролизной установки, в трансформаторе блока понижают напряжение до 72-200 В, в выпрямителе блока энергоснабжения этот ток выпрямляют, в ячейки щелочного электролизера подают постоянный ток и деминерализованную воду; полученный в щелочном электролизере водород отделяют от воды - сепарируют, очищают от примесей и подают к потребителю, полученный кислород сепарируют от воды и сбрасывают в атмосферу. Изобретение также касается устройства для реализации способа. Технический результат - снижение затрат на электроснабжение щелочной гидролизной установки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ энергоснабжения и работы комбинированной энергетической газотурбодетандерной и щелочной гидролизной установки, при котором переменный электрический ток, выработанный энергоисточником, подают в блок электроснабжения щелочной гидролизной установки, где его выпрямляют, полученный постоянный ток направляют в щелочной электролизер, куда также подают деминерализованную воду из водоподготовки, полученные водород и кислород сепарируют, отсепарированный кислород сбрасывают в атмосферу, а водород очищают от примесей и подают к потребителю, отличающийся тем, что на компрессорной станции магистрального газопровода дополнительно устанавливают комбинированную энергетическую газотурбодетандерную и щелочную гидролизную установку; способ ее работы осуществляют в два этапа; на первом этапе энергоснабжение щелочной гидролизной установки, а также электроснабжение собственных нужд компрессорной станции, производят переменным током высокого напряжения 6-10 кВ от электрогенератора энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки; топливный газ высокого давления отбирают из магистрального газопровода, подогревают теплом теплоносителя до 100-120°С и расширяют в турбодетандере до среднего давления, расширенный топливный газ подогревают теплоносителем до 150-180°С в подогревателе среднего давления, подогрев теплоносителя производят теплом продуктов сгорания газовой турбины энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки; подогретый топливный газ среднего давления подают в камеру сгорания регенеративной газотурбодетандерной установки, а также в камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции, полезную работу турбодетандера используют для привода компрессора энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки, полезную работу ее газовой турбины используют для привода электрогенератора; на втором этапе способа большую часть переменного тока 6-10 кВ, выработанного в электрогенераторе, подают в блок энергоснабжения щелочной гидролизной установки, в трансформаторе блока понижают напряжение до 72-200 В, в выпрямителе блока энергоснабжения этот ток выпрямляют, в ячейки щелочного электролизера подают постоянный ток и деминерализованную воду; полученный в щелочном электролизере водород отделяют от воды - сепарируют, очищают от примесей и подают к потребителю, полученный кислород сепарируют от воды и сбрасывают в атмосферу.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее щелочную гидролизную установку с блоками электроснабжения, щелочного электролиза, водоподготовки, сепарации О₂, сепарации Н₂, очистки Н₂, отличающееся тем, что на компрессорной станции магистрального газопровода с газоперекачивающими агрегатами дополнительно устанавливают комбинированную энергетическую регенеративную газотурбодетандерную и щелочную гидролизную установку, вырабатывающую водород из деминерализованной воды; энергетическая регенеративная газотурбодетандерная установка содержит газопровод топливного газа высокого давления, подогреватель топливного газа высокого давления, турбодетандер, компрессор, регенеративный воздухоподогреватель, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, подогреватель топливного газа среднего давления, подогреватель теплоносителя, трубопроводы теплоносителя; газопровод топливного газа высокого давления связан через подогреватель топливного газа высокого давления с входом турбодетандера, выход которого через подогреватель топливного газа среднего давления и газопровод топливного газа среднего давления связан с камерой сгорания энергетической регенеративной газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, ротор турбодетандера соединен общим валом с ротором компрессора, ротор газовой турбины связан с ротором электрогенератора, вырабатывающего переменный ток с напряжением 6-10 кВ, электрогенератор связан электрическими проводами с блоком электропитания щелочной гидролизной установки, а также с установкой энергоснабжения собственных нужд компрессорной станции; блок электропитания щелочной гидролизной установки содержит трансформатор и выпрямитель тока, который по постоянному току с напряжением 72-200 В связан с блоком энергоснабжения щелочной гидролизной установки, корпус щелочного электролизера связан по деминерализованной воде с водоподготовкой; выход блока щелочного электролизера связан с потребителем водорода через блоки сепарации и очистки водорода, а также связан с атмосферой через блок сепарации кислорода и воды.