Энергетическая установка с комбинированным производством электрической, тепловой энергии и водорода Российский патент 2023 года по МПК F01K13/00 F01B21/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть применено для энергоснабжения предприятий и городов.

Известна паротурбинная установка (Пат. №2459293 Российская Федерация, МПК G 21D1/00. Турбинная установка атомной электростанции (варианты) / Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Егоров А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Егоров А.Н. - №2011123255/07; заявл. 08.06.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. №23), которая содержит паровую турбину с цилиндром высокого давления (ЦВД) и цилиндром низкого давления (ЦНД), сепаратор, промежуточный перегреватель, систему для получения водорода и кислорода, включающую электролизную установку для получения водорода и кислорода с водородными и кислородными ресиверами, пароводородные перегреватели, устройство парораспределения. При этом вход ЦВД соединен трубопроводом с устройством парораспределения, пароводородные перегреватели соединены с системой для получения водорода и кислорода. По первому варианту введена сателлитная паротурбинная установка с трубопроводом вытесненного пара, которая подключена к устройству парораспределения, а выход ЦВД через сепаратор, пароводородный перегреватель и промежуточный перегреватель соединен с входом ЦНД. В часы провала электрического графика нагрузки часть электрической энергии используется в электролизной установке для выработки водорода и кислорода, которые накапливаются в системе хранения. В дневной период запасенные водород и кислород подаются в пароводородный перегреватель, где производится их сжигание водорода с образованием водяного пара, который направляется в сателлитную турбину, обеспечивая выработку дополнительной электрической мощности.

К недостаткам предложенной схемы относится циклическое нагружение элементов системы производства и хранения водорода и кислорода (электролизные установки, металлические емкости хранения, компрессорные установки, водород-кислородная камера сгорания, а также рабочие лопатки и диски ротора паровой сателлитной турбины), что обусловливает рост усталостных трещин и сокращает ресурс их работы.

Известной является комбинированная установка, в которой электрическая энергия ветроэнергетической установки (ВЭУ) используется в теплоэлектронагревательных элементах (ТЭН) для подогрева воздуха перед камерой сгорания газотурбинной установки (ГТУ) (Пат. РФ №2557049. Способ работы паротурбинной установки/С.В. Жарков, А.В. Кейко, И.В. Постников, А.В. Пеньковский. Зарегистрирован 20.07.2015).

Недостатком такого способа является нестабильность вырабатываемой ВЭУ электрической энергии, оказывающей влияние на степень нагрева воздуха перед камерой сгорания, что приводит к колебаниям расхода топлива ГТУ в зависимости от скорости ветра и вырабатываемой мощности ветрогенератором. Кроме того в схеме присутствует двойное преобразование энергии ветра сначала в электрическую, а затем в тепловую, что снижает эффективность использования ветровой энергии.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является комбинированная установка (Нефедкин С.И., Барсуков А.О., Мозгова М.И., Шичков М.С., Климова М.А. Автономное энергоснабжение с использованием ветроэнергетического комплекса и водородного аккумулирования энергии // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE), 2019; 16-18:12-26) в которой выработанная электрическая энергия на ветроэнергетической установке используется в электролизере для производства водорода и кислорода, запасаемых в баках-аккумуляторах и используемых для автономного электро- и теплоснабжения небольших поселков и промышленных объектов. При этом часть водорода и кислорода используются в конденсационных котлах для выработки тепловой энергии. Для обеспечения требуемых электрических и тепловых нагрузок в течение суточного и годового периодов требуется увеличение мощностей ветрогенераторов, емкостей системы хранения водорода и кислорода.

К недостаткам такого способа энергообеспечения являются существенное увеличение капитальных вложений ветроэнергетического комплекса, вызванного необходимостью больших запасов водорода и кислорода для обеспечения требуемых электрических и тепловых нагрузок потребителей.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение эффективности комбинированной энергоустановки.

Поставленная задача достигается тем, что в схему включен поршневой двигатель, сжигающий природный газ. Выработанная электрическая энергия на возобновляемых энергоресурсах (ветра или солнца) направляется в электролизер, где производится водород и кислород, запасаемых в емкостях хранения, используемых для продажи потребителям. Избытки кислорода из емкости хранения подаются в поршневой двигатель и пиковый котел, обеспечивая сокращение образования оксидов азота. Копримированные кислород и водород охлаждаются в газоводяных теплообменниках с использованием теплоты для целей теплоснабжения. Предложенная схема обеспечивает снижение образования оксидов азота при сжигании природного газа в поршневом двигателе и пиковом котле, позволяет полезно использовать теплоту компримирования газов. Наличие источника на органическом топливе уменьшает капиталовложения в комбинированную установку.

Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), где изображена тепловая схема комбинированной энергоустановки.

Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - источник производства электрической энергии на возобновляемых энергоресурсах; 2 - электролизер; 3, 4 - компрессоры кислорода и водорода; 5 и 6 - охладители компримированного кислорода и водорода; 7 и 8 - емкости хранения кислорода и водорода; 9, 10, 11 - запорные задвижки; 12 - поршневой газовый двигатель; 13 - электрогенератор; 14 - газоводяной подогреватель сетевой воды; 15 - уходящие газы двигателя; 16 - теплообменник промежуточного контура; 17 - циркуляционный насос; 18 - пиковый котел; 19 - сетевой насос; 20 - подготовка воды для электролизера.

Комбинированная энергоустановка работает следующим образом.

Выработанная электроэнергия на основе возобновляемых энергоресурсах в установке 1, направляется в электролизер 2, откуда водород и кислород с помощью компрессоров 3 и 4 подается в емкости хранения 5 и 6. Из емкостей хранения компрессорами водород и кислород через задвижки 9 и 10 направляются потребителям. Избытки кислорода с помощью задвижки 11 направляются в тепловой двигатель 12 и пиковый котел 18. Выработанная электрическая энергия из электрогенератора 13 направляется потребителям, тепловая энергия отводится от двигателя, охладителей компримированного газа, и пикового котла утилизируется в теплообменнике промежуточного контура 16 и передается сетевой воде. Сетевой насос 19 перекачивает воду через теплообменник промежуточного контура 16 и пиковый котел 18, и направляет в тепловую сеть.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть применено для энергоснабжения предприятий и городов электроэнергией, теплотой и водородом. Энергетическая установка включает источник выработки электрической энергии, использующий возобновляемые энергоресурсы, энергия от которого подается на электролизер, вырабатывающий водород и кислород, запасаемых в емкостях хранения. Для выработки электрической и тепловой энергии в схему включены тепловой двигатель и пиковый котел, сжигающие природный газ. При избытках кислорода в системе хранения его подают в двигатель и пиковый котел, обеспечивая сокращение образования оксидов азота. Теплота компримированных газов утилизируется в газоводяных теплообменниках, включенных в контур отвода тепловой энергии от двигателя, и используется для полезного отпуска теплоты потребителям. Техническим результатом является повышение эффективности комбинированной энергоустановки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергетическая установка с комбинированным производством электрической, тепловой энергии и водорода, содержащая источник электрической энергии, использующий возобновляемые энергоресурсы, электролизер, компрессоры кислорода и водорода, соединенные с емкостями хранения, и компрессоры, осуществляющие отбор газов потребителям, отличающаяся тем, что дополнительно содержит тепловой двигатель на базе поршневой установки и пиковый котел, сжигающие природный газ, которые соединены с помощью газопроводов с емкостью хранения кислорода; при избытке кислорода его подают на двигатель и пиковый котел, обеспечивая сокращение образования оксидов азота.

2. Комбинированная энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что теплота компримированного кислорода и водорода утилизируется в газоводяных теплообменниках для полезного отпуска тепловой энергии потребителям, обеспечивая повышение коэффициента полезного использования топлива.