PL248766B1

PL248766B1 - Zintegrowany układ regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej obiegu turbiny parowej oraz sposób utylizacji ciepła odpadowego

Info

Publication number: PL248766B1
Application number: PL445843A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Kowalczyk
Original assignee: Centrum Badawczo Rozwojowe Im M Faradaya Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Instytut Masz Przeplywowych Im Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2023-08-18
Filing date: 2023-08-18
Publication date: 2026-01-26
Also published as: PL445843A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest zintegrowany układ regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej obiegu turbiny parowej, który posiada pompę skroplin z chłodnicy wodoru (16) oraz pompę skroplin z chłodnicy tlenu (17). Przedmiotem zgłoszenia jest również sposób utylizacji ciepła odpadowego powstałego w instalacji rSOC w przedmiotowym układzie.

Description

Opis wynalazku

Przedmiot wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zintegrowany układ regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej obiegu turbiny parowej oraz sposób utylizacji ciepła odpadowego powstałego w instalacji rSOC w przedmiotowym układzie.

Zastosowanie niskoprężnej pary upustowej z obiegu turbiny parowej do regulacji stężenia tlenu w elektrodach tlenowych wysokotemperaturowych odwracalnych ogniw stałotlenkowych pracujących w trybie elektrolizera wraz z utylizacją ciepła odpadowego w układzie regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej obiegu turbiny parowej.

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie niskoprężnej pary upustowej z turbiny parowej do regulacji stężenia tlenu w instalacji wysokotemperaturowych odwracalnych ogniw stałotlenkowych (rSOC) pracujących w trybie elektrolizera (SOE) oraz utylizacja powstałego w instalacji rSOC ciepła odpadowego w układzie regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej obiegu turbiny. Rozwiązanie to umożliwia odzysk tlenu powstałego w procesie elektrolizy z zachowaniem niskiego stężenia tlenu po stronie elektrod tlenowych stosu ogniw. Ogranicza to degradację elementów instalacji na drodze utleniania. Zastosowanie chłodnic tlenu i wodoru zasilanych zimną wodą kotłową ogranicza moc instalacji pomocniczych służących do osuszenia produktów elektrolizy oraz prowadzi do efektywnej utylizacji powstałego ciepła odpadowego.

Integracja instalacji rSOC z obiegiem turbiny parowej ma na celu poprawę efektywności energetycznej systemu elektroenergetycznego poprzez możliwość magazynowania energii elektrycznej w postaci wodoru. Instalacja rSOC zasilana energią elektryczną i parą wodną generuje wodór w okresie nadpodaży energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE). Wodór ten może być wykorzystany do produkcji energii elektrycznej w okresach wzmożonego zapotrzebowania odbiorców zwiększając moc szczytową generowaną w KSE stosując instalację rSOC pracującą w trybie ogniwa paliwowego (SOFC). Wygenerowany wodór może być wykorzystywany w przemyśle lub transporcie.

Istotą wynalazku jest możliwość odzysku tlenu z procesu elektrolizy. Jest to efekt zastosowania pary wodnej do regulacji stężenia tlenu w instalacji. Czysty tlen powstający w procesie elektrolizy, stosując ogniwa stałotlenkowe, jest problematyczny z powodu utleniania elektrod i innych elementów instalacji. Z tego powodu w konkurencyjnych rozwiązaniach stosuje się wentylację układu przepływowego elektrod tlenowych powietrzem atmosferycznym. W ten sposób tracony jest jednak wyprodukowany tlen. Zastosowanie pary wodnej zamiast powietrza umożliwia odzysk tlenu poprzez skroplenie pary w chłodnicy tlenu. Jest to wymiennik przeponowy chłodzonym zimną wodą kotłową. Chłodnica ta znajduje się za regeneracyjnym wymiennikiem ciepła instalacji rSOC służącym do podgrzania pary kierowanej do stosu ogniw energią termiczną strumienia gazów wylotowych ze strony elektrod tlenowych stosu ogniw rSOC, tj. mieszaniny tlenu i pary wodnej. Dodatkowo ciepło przemiany fazowej skraplanej pary wodnej jest w całości wykorzystywane w układzie regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej, co podnosi efektywność energetyczną obiegu turbiny parowej i tym samym zmniejsza zużycie paliwa w kotle.

Należy podkreślić, że po stronie elektrod wodorowych produktem elektrolizy jest mieszanina wodoru z parą wodą. Zawartość pary wodnej wynika z niepełnego rozkładu strumienia pary na tlen i wodór na powierzchniach elektrod ogniw elektrochemicznych. Parametr ten określa współczynnik wykorzystania pary w elektrolizerze. Zastosowanie chłodnicy wodoru, analogicznej do opisanej powyżej chłodnicy tlenu zasilanej zimną wodą kotłową, obniża zawartość wilgoci w wyprodukowanym wodorze i prowadzi do odzysku ciepła przemiany fazowej skraplanej pary w obiegu turbiny parowej. Chłodnica wodoru znajduje się za regeneracyjnym wymiennikiem ciepła podgrzewającym parę kierowaną na elektrody wodorowe wykorzystując energię termiczną mieszaniny pary i wodoru wypływających ze strony elektrod wodorowych stosu rSOC.

Optymalnym punktem integracji obu systemów jest strumień pary upustowej w obrębie instalacji niskoprężnych wymienników regeneracyjnych. Wynika to m.in. z odpowiedniego ciśnienia pary upustowej odpowiadającego ciśnieniu pracy instalacji rSOC. Skroplona para wodna z chłodnic tlenu i wodoru jest kierowana do obiegu wody kotłowej w obrębie niskoprężnych wymienników regeneracyjnych z powodu zbliżonej temperatury obu strumieni wody, co nie zaburza pracy pozostałych wymienników i upustów pary w obrębie obiegu turbiny parowej. Ciśnienie skroplin z obu chłodnic jest podnoszone za pomocą indywidualnymi pompami skroplin. Natomiast część wody kotłowej podgrzanej w chłodnicach tlenu i wodoru kierowana jest bezpośrednio do odgazowywacza. Ominięcie wymienników niskoprężnej regeneracji ciepła jest spowodowane wysoką temperaturą podgrzewanej wody, i tak jak w przypadku skroplin, ma to na celu uniknięcie pogorszenia parametrów pracy regeneracyjnych wymienników ciepła wody kotłowej i upustów pary.

Stan techniki

Znana jest z opisu WO2016087239A1 wysokotemperaturowa elektroliza pary wodnej z wykorzystaniem ogniw z elektrolitem stałotlenkowym. W opisie wynalazku nie ma jednak wzmianki o problemie utleniania elementów instalacji spowodowanych obecnością czystego tlenu. Nie ma również wzmianek o regulacji stężenia powstałego tlenu. W opisie zastrzeżenia zawartego w dokumencie US20150329979A1 znajduje się pojęcie gazu odprowadzającego (ang. draining gas). Jako gaz ten podano jedynie przykład powietrza. W zastrzeżeniu US8317986B2 jako przykład gazu inertnego odprowadzającego wodór jak i tlen z elektrolizera podano hel. Zaznaczono, że jest to gaz niepowodujący utlenienia (ang. non oxidising gas). W zastrzeżeniu WO2015083024A1 jako gaz odprowadzający tlen podano powietrze. W zastrzeżeniach patentowych nr US8034219B2, US20090139874A1,

US20070138022A1 użyto określenia „swept gas”. Jest to również gaz inertny. W wymienionych powyżej dokumentach podano sprężone powietrze jako gaz odprowadzający tlen z anody. Powietrze to integruje elektrolizer z obiegiem turbiny gazowej, której celem jest utylizacja ciepła odpadowego ze stosu ogniw.

Wyszukiwanie w bazie Google Patents fraz „SOE” lub „Solid oxide electrolyzer” lub „rSOC” lub „reversible solid oxide cel” w połączeniu ze „steam turbine” lub „steam purge” lub „steam extraction” lub „draining gas” lub „swept” nie zwraca innych rezultatów zawierających rozwiązania integrujące turbiny parowe z instalacjami rSOC lub SOE.

Brak zastrzeżeń odnośnie wykorzystania pary wodnej jako gazu intratnego odprowadzającego tlen z elektrod tlenowych, zmniejszający tym samym stężenie tlenu w instalacji, wynika z dużej energochłonności procesu odparowania wody. Tak więc metoda ta w połączeniu z dedykowaną wytwornicą pary, a nie z obiegiem turbiny parowej, jest ekonomicznie nieuzasadniona.

Rozwiązanie wykorzystujące parę wodną jak gaz inertny odbierający tlen z anody opisano w publikacji naukowej pt. Steam as sweep gas in SOE oxygen electrode, autorstwa L. Barelli, G. Bidini, G. Cinti, opublikowanej w Journal of Energy Storage (Volume 20, December 2018, Pages 190-195). Rozwiązanie to jednak nie odnosi się w żadnym zdaniu do turbiny parowej. Nie ma więc mowy o wykorzystaniu pary upustowej do procesu elektrolizy i regulacji stężenia tlenu w kanałach anodowych jak i o utylizacji powstałego ciepła odpadowego. Publikacja ta odnosi się również do elektrolizera stałotlenkowego (SOE) a nie do instalacji stałotlenkowych odwracalnego ogniwa elektrochemicznych rSOC.

Przedmiotem wynalazku jest zintegrowany układ regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej obiegu turbiny parowej, który posiada pompę skroplin z chłodnicy wodoru oraz pompę skroplin z chłodnicy tlenu.

Układ, gdzie pompa skroplin z chłodnicy wodoru oraz pompa skroplin z chłodnicy tlenu znajdują się pomiędzy obiegiem turbiny parowej z układu regeneracyjnego podgrzewu wody, a instalacją rSOC w trybie elektrolizera SOE.

Układ, gdzie obieg turbiny parowej z regeneracyjnym podgrzewem wody obejmuje kocioł parowy, turbinę parową z generatorem elektrycznym, skraplacz, pompę skroplin, niskoprężne wymienniki regeneracyjne, odgazowywacz, główną pompę wody kotłowej, wysokoprężne wymienniki regeneracyjne.

Układ, gdzie instalacja rSOC w trybie elektrolizera SOE obejmuje punkt poboru pary niskoprężnej do procesu elektrolizy, wymiennik regeneracyjny elektrod wodorowych, wymiennik regeneracyjny elektrod tlenowych, stos odwracalnych wysokotemperaturowych ogniw stałotlenkowych rSOC, punkt poboru wody kotłowej do chłodzenia tlenu i wodoru, chłodnicę wodoru ze skraplaczem pary, chłodnicę tlenu ze skraplaczem pary.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób utylizacji ciepła odpadowego powstałego w instalacji rSOC w układzie zdefiniowanym powyżej, gdzie poprzez następujące etapy:

- para z punktu poboru pary niskoprężnej do procesu elektrolizy jest podawana na elektrody wodorowe stosu rSOC poprzez regeneracyjny wymiennik ciepła elektrod wodorowych oraz na elektrody tlenowe stosu rSOC poprzez regeneracyjny wymiennik ciepła elektrod tlenowych;

- wstępnie schłodzone produkty elektrolizy, tj. mieszanina wodoru z parą wodną oraz tlenu z parą wodną są schładzane w drugim kroku w chłodnicy wodoru ze skraplaczem pary i chłodnicy tlenu ze skraplaczem pary z użyciem zimnej wody kotłowej w celu wykroplenia pary wodnej;

- skropliny są kierowane do układu niskoprężnej regeneracji ciepła (niskoprężne wymienniki regeneracyjne) poprzez pompę skroplin z chłodnicy wodoru i pompę skroplin z chłodnicy tlenu;

- podgrzana woda kotłowa z chłodnicy wodoru ze skraplaczem pary i chłodnicy tlenu ze skraplaczem pary jest kierowana do odgazowywacza wody kotłowej.

Opis figury

Fig. 1 przedstawia uproszczony schemat obiegu termodynamicznego wraz z numeracją poszczególnych urządzeń.

Wynalazek ilustruje następujący przykład wykonania nie stanowiący jego ograniczenia.

Przykład

Urządzenia od (1) do (8) składają się na obieg turbiny parowej z układem regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej. Urządzenia od (9) do (15) składają się na uproszczony schemat instalacji rSOC pracującej w trybie elektrolizera SOE. Punkt poboru pary (9) zapewnia parę do elektrolizy. Para ta jest podawana na elektrody wodorowe stosu rSOC (12) poprzez regeneracyjny wymiennik ciepła (10) oraz na elektrody tlenowe stosu rSOC (12) poprzez regeneracyjny wymiennik ciepła (11). Wstępnie schłodzone produkty elektrolizy, tj. mieszanina wodoru z parą wodą oraz tlenu z parą wodną są schładzane w drugim kroku w chłodnicy wodoru (14) i tlenu (15) z użyciem zimnej wody kotłowej w celu wykroplenia pary wodnej. Skropliny są kierowane do układu niskoprężnej regeneracji ciepła (5) poprzez pompę skroplin z chłodnicy wodoru (16) i pompę skroplin z chłodnicy tlenu (17). Podgrzana woda kotłowa z chłodnicy wodoru (14) i tlenu (15) jest kierowana do odgazowywacza wody kotłowej (6).

Objaśnienie oznaczeń

- kocioł parowy

- turbina parowa z generatorem elektrycznym

- skraplacz

- pompa skroplin

- niskoprężne wymienniki regeneracyjne

- odgazowywacz

- główna pompa wody kotłowej

- wysokoprężne wymienniki regeneracyjne

- punkt poboru pary niskoprężnej do procesu elektrolizy

- wymiennik regeneracyjny elektrod wodorowych

- wymiennik regeneracyjny elektrod tlenowych

- stos odwracalnych wysokotemperaturowych ogniw stałotlenkowych rSOC

- punkt poboru wody kotłowej do chłodzenia tlenu i wodoru

- chłodnica wodoru ze skraplaczem pary

- chłodnica tlenu ze skraplaczem pary

- pompa skroplin z chłodnicy wodoru

- pompa skroplin z chłodnicy tlenu

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Zintegrowany układ regeneracyjnego podgrzewu wody kotłowej obiegu turbiny parowej, znamienny tym, że posiada pompę skroplin z chłodnicy wodoru (16) oraz pompę skroplin z chłodnicy tlenu (17).
2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pompa skroplin z chłodnicy wodoru (16) oraz pompa skroplin z chłodnicy tlenu (17) znajdują się pomiędzy obiegiem turbiny parowej z układu regeneracyjnego podgrzewu wody (1-8), a instalacją rSOC w trybie elektrolizera SOE (9-15).
3. Układ według zastrz. 1-2, znamienny tym, że obieg turbiny parowej z regeneracyjnym podgrzewem wody obejmuje kocioł parowy (1), turbinę parową z generatorem elektrycznym (2), skraplacz (3), pompę skroplin (4), niskoprężne wymienniki regeneracyjne (5), odgazowywacz (6), główną pompę wody kotłowej (7), wysokoprężne wymienniki regeneracyjne (8).

PL 248766 Β1
4. Układ według zastrz. 1-2, znamienny tym, że instalacja rSOC w trybie elektrolizera SOE obejmuje punkt poboru pary niskoprężnej do procesu elektrolizy (9), wymiennik regeneracyjny elektrod wodorowych (10), wymiennik regeneracyjny elektrod tlenowych (11), stos odwracalnych wysokotemperaturowych ogniw stałotlenkowych rSOC (12), punkt poboru wody kotłowej do chłodzenia tlenu i wodoru (13), chłodnicę wodoru ze skraplaczem pary (14), chłodnicę tlenu ze skraplaczem pary (15).
5. Sposób utylizacji ciepła odpadowego powstałego w instalacji rSOC w układzie zdefiniowanym w zastrzeżeniu 1, poprzez następujące etapy:

- para z punktu poboru pary niskoprężnej do procesu elektrolizy jest podawana na elektrody wodorowe stosu rSOC poprzez regeneracyjny wymiennik ciepła elektrod wodorowych oraz na elektrody tlenowe stosu rSOC poprzez regeneracyjny wymiennik ciepła elektrod tlenowych;

- wstępnie schłodzone produkty elektrolizy, tj. mieszanina wodoru z parą wodną oraz tlenu z parą wodną są schładzane w drugim kroku w chłodnicy wodoru ze skraplaczem pary i chłodnicy tlenu ze skraplaczem pary z użyciem zimnej wody kotłowej w celu wykroplenia pary wodnej;

- skropliny są kierowane do układu niskoprężnej regeneracji ciepła (niskoprężne wymienniki regeneracyjne) poprzez pompę skroplin z chłodnicy wodoru i pompę skroplin z chłodnicy tlenu;

- podgrzana woda kotłowa z chłodnicy wodoru ze skraplaczem pary i chłodnicy tlenu ze skraplaczem pary jest kierowana do odgazowywacza wody kotłowej.