RU2334113C1 - Microturbine - Google Patents

Microturbine Download PDF

Info

Publication number
RU2334113C1
RU2334113C1 RU2007102463/06A RU2007102463A RU2334113C1 RU 2334113 C1 RU2334113 C1 RU 2334113C1 RU 2007102463/06 A RU2007102463/06 A RU 2007102463/06A RU 2007102463 A RU2007102463 A RU 2007102463A RU 2334113 C1 RU2334113 C1 RU 2334113C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
turbine
gas
microturbine
compressor
electrochemical reactor
Prior art date
Application number
RU2007102463/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Александрович Новосельцев (RU)
Дмитрий Александрович Новосельцев
Original Assignee
Дмитрий Александрович Новосельцев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Александрович Новосельцев filed Critical Дмитрий Александрович Новосельцев
Priority to RU2007102463/06A priority Critical patent/RU2334113C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2334113C1 publication Critical patent/RU2334113C1/en

Links

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: microturbine incorporates an electrochemical reactor containing a high-temperature fuel element batteries, cut in between the compressor and turbine in the turbocharger gas-air stage. The said turbocharger represents a commercially available supercharger used for piston engine supercharging.
EFFECT: higher efficiency, lower costs, faster repair.
1 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным источникам электроэнергии, а именно к малоразмерным газотурбинным установкам - микротурбинам, и может применяться в энергетике, а также в автомобильном, железнодорожном, водном, воздушном транспорте в составе силовых установок с электроприводом.The invention relates to gas turbine power sources, and in particular to small gas turbine units - microturbines, and can be used in energy, as well as in automobile, railway, water, air transport as part of electric power plants.

Известны газотурбинные установки малой мощности - микротурбины, предназначенные, как правило, для базового энергоснабжения изолированных потребителей или резервного энергоснабжения ответственных потребителей при наличии других источников электроэнергии [1]. Известны микротурбины, применяемые на транспорте, например газотурбогенератор ГТГ-100К для судовых энергоустановок [2].Known low-power gas turbine units - microturbines, designed, as a rule, for the basic power supply of isolated consumers or backup power supply for responsible consumers in the presence of other sources of electricity [1]. Known microturbines used in transport, for example, a gas turbine generator GTG-100K for marine power plants [2].

Примером микротурбины для наземного применения является газотурбогенератор ГТГ-100М [2], состоящий из газотурбинного двигателя и генератора, соединенных упругой муфтой. Газотурбинный двигатель состоит из турбокомпрессора, выполненного в виде одноступенчатого центробежного компрессора и трехступенчатой осевой турбины, расположенных на общем валу, трубчатой противоточной камеры сгорания, редуктора с приводами агрегатов и систем обеспечения. Компрессор, камера сгорания и турбина с входным и выхлопным устройствами образуют газовоздушный тракт двигателя.An example of a microturbine for ground use is the GTG-100M gas turbine generator [2], which consists of a gas turbine engine and a generator connected by an elastic coupling. A gas turbine engine consists of a turbocompressor made in the form of a single-stage centrifugal compressor and a three-stage axial turbine located on a common shaft, a tubular countercurrent combustion chamber, a gearbox with drive units and support systems. A compressor, a combustion chamber and a turbine with inlet and exhaust devices form the gas-air path of the engine.

Недостатками известных микротурбин являются:The disadvantages of the known microturbines are:

- низкий электрический КПД (в пределах 10-25% для микротурбин простого цикла типа ГТГ-100М [2] и до 30% для наиболее совершенных микротурбин рекуперативного цикла типа Capstone С30, С60 [1]) и соответственно низкая экономичность;- low electrical efficiency (within 10-25% for simple cycle microturbines of the GTG-100M type [2] and up to 30% for the most advanced regenerative cycle microturbines of the type Capstone C30, C60 [1]) and, accordingly, low profitability;

- высокая конструктивная сложность микротурбины в целом и отдельных узлов - компрессора, турбины, камеры сгорания - и соответственно высокая стоимость, причем с переходом к рекуперативному циклу для повышения КПД стоимость микротурбины значительно возрастает.- the high structural complexity of the microturbine as a whole and of individual units — the compressor, turbine, combustion chamber — and, accordingly, the high cost, and with the transition to the regenerative cycle to increase the efficiency, the cost of the microturbine significantly increases.

Для устранения недостатков необходимо достичь более эффективного использования топлива и повышения электрического КПД, а также упрощения конструкции за счет сокращения числа вращающихся узлов и узлов, работающих в условиях высокой температуры, максимального использования дешевых и доступных деталей и узлов.To eliminate the drawbacks, it is necessary to achieve more efficient use of fuel and increase electrical efficiency, as well as simplifying the design by reducing the number of rotating nodes and nodes operating in high temperature conditions, maximizing the use of cheap and affordable parts and nodes.

Указанная цель достигается тем, что микротурбина выполнена в виде двух модулей: турбокомпрессора и электрохимического реактора, устанавливаемого в газовоздушном тракте между компрессором и турбиной вместо камеры сгорания, причем в качестве турбокомпрессора используется относительно дешевый серийный турбокомпрессорный агрегат, применяемый для турбонаддува поршневых двигателей. Электрохимический реактор содержит секции высокотемпературных топливных элементов (например, твердооксидных - SOFC, или расплав-карбонатных - MCFC, либо других типов) прямого окисления углеводородного топлива либо с внутренней конверсией углеводородного топлива; либо секции топливных элементов, работающих на синтез-газе с высоким содержанием свободного водорода и топливные процессоры для переработки углеводородного топлива в синтез-газ. Электрохимический реактор может быть выполнен на базе серийных топливных элементов, например, фирмы MTU и других производителей [3, 4]. Турбокомпрессорный агрегат обеспечивает работу электрохимического реактора - подачу сжатого воздуха и отвод выхлопных газов, содержащих продукты реакции, - за счет утилизации турбиной энергии выхлопных газов, без отбора вырабатываемой электрохимическим реактором электроэнергии.This goal is achieved by the fact that the microturbine is made in the form of two modules: a turbocompressor and an electrochemical reactor installed in the gas path between the compressor and the turbine instead of the combustion chamber, and a relatively cheap serial turbocompressor unit used for turbocharging piston engines is used as a turbocompressor. The electrochemical reactor contains sections of high-temperature fuel cells (for example, solid oxide - SOFC, or melt-carbonate - MCFC, or other types) of direct oxidation of hydrocarbon fuel or with internal conversion of hydrocarbon fuel; or sections of fuel cells operating on synthesis gas with a high content of free hydrogen and fuel processors for processing hydrocarbon fuel into synthesis gas. The electrochemical reactor can be based on serial fuel cells, for example, MTU and other manufacturers [3, 4]. A turbocompressor unit ensures the operation of an electrochemical reactor — supplying compressed air and exhausting exhaust gases containing reaction products — by utilizing the energy of the exhaust gases by the turbine without taking off the electricity generated by the electrochemical reactor.

Использование данного изобретения позволяет достичь следующих результатов:The use of this invention allows to achieve the following results:

1) повышения экономичности в 2-3 и более раз по сравнению с известными микротурбинами за счет достижения электрического КПД 45-65% и более, в зависимости от типа топливных элементов и состава топлива, что также превосходит достигнутый уровень экономичности поршневых двигателей.1) increase efficiency by 2-3 times or more compared to known microturbines by achieving electrical efficiency of 45-65% or more, depending on the type of fuel cells and fuel composition, which also exceeds the achieved level of efficiency of piston engines.

2) снижения себестоимости за счет применения относительно дешевых и доступных серийных узлов и агрегатов, минимального количества вращающихся частей (отсутствия редуктора и генератора); увеличения ресурса узлов и агрегатов за счет более низкой температуры в газовоздушном тракте при замене камеры сгорания электрохимическим реактором;2) cost reduction due to the use of relatively cheap and affordable serial units and assemblies, the minimum number of rotating parts (lack of gear and generator); increase the resource of nodes and assemblies due to the lower temperature in the gas-air tract when replacing the combustion chamber with an electrochemical reactor;

3) возможности быстрого ремонта путем замены основных узлов (турбокомпрессорного агрегата, секций топливных элементов) за счет модульной конструкции непосредственно на месте эксплуатации микротурбины персоналом с минимальной необходимой квалификацией.3) the possibility of quick repair by replacing the main components (turbocompressor unit, fuel cell sections) due to the modular design directly at the site of operation of the microturbine by personnel with the minimum required qualifications.

На чертеже представлена схема микротурбины.The drawing shows a diagram of a microturbine.

Микротурбина состоит из турбокомпрессора 1 и электрохимического реактора 2 с инвертором (преобразователем) 3 постоянного тока в переменный ток. Турбокомпрессор 1 выполнен в виде серийного турбокомпрессорного агрегата, применяемого для турбонаддува поршневых двигателей, и состоит из компрессора 3 и турбины 4, рабочие колеса которых расположены на общем валу.The microturbine consists of a turbocompressor 1 and an electrochemical reactor 2 with an inverter (converter) 3 of direct current to alternating current. The turbocharger 1 is made in the form of a serial turbocharger unit used for turbocharging piston engines, and consists of a compressor 3 and a turbine 4, the impellers of which are located on a common shaft.

Компрессор 4 и турбина 5 расположены в общем корпусе, при этом каналы отвода сжатого воздуха от компрессора и подвода горячих газов к турбине сообщаются с электрохимическим реактором 2, образуя единый газовоздушный тракт. Компрессор серийного турбокомпрессорного агрегата со степенью повышения давления, равной 2,0-2,5, обеспечивает использование в качестве основного топлива микротурбины бытового газа низкого давления, без применения дополнительного дожимного газового компрессора.Compressor 4 and turbine 5 are located in a common housing, while the channels of compressed air from the compressor and the supply of hot gases to the turbine communicate with the electrochemical reactor 2, forming a single gas-air path. The compressor of a serial turbocompressor unit with a degree of pressure increase equal to 2.0-2.5 ensures the use of low-pressure household gas microturbines as the main fuel, without the use of an additional booster gas compressor.

Микротурбина работает следующим образом. Запуск осуществляется раскруткой вала турбокомпрессора 1, например, подачей сжатого воздуха на лопатки рабочего колеса компрессора 4. Воздух, сжимаемый вращающимся компрессором, поступает в электрохимический реактор 2, куда также подаются углеводородное топливо и, при необходимости, вода. Нагрев топливовоздушной смеси для создания условий для протекания необходимых электрохимических реакций может осуществляться, например, каталитическим нагревателем, расположенным в электрохимическом реакторе 2. В результате электрохимических реакций прямого окисления углеводородного топлива или внутренней конверсии углеводородного топлива с последующим окислением водорода, в топливных элементах электрохимического реактора 2 происходит выделение электрической и тепловой энергии. Электрическая энергия выделяется в виде постоянного тока, который затем преобразуется в инверторе 3 в переменный ток с характеристиками, необходимыми потребителю. Горячие выхлопные газы с температурой 600-650°С (для топливных элементов типа MCFC) или 800-1000°С (для топливных элементов типа SOFC) поступают в турбину 5, где расширяются, совершая механическую работу. От турбины 5 через вал осуществляется привод компрессора 4. После турбины выхлопные газы могут выбрасываться в атмосферу или поступать во внешний контур утилизации тепла.Microturbine works as follows. The start-up is carried out by spinning the shaft of the turbocharger 1, for example, by supplying compressed air to the blades of the impeller of the compressor 4. The air compressed by the rotating compressor enters the electrochemical reactor 2, where hydrocarbon fuel and, if necessary, water are also supplied. The heating of the air-fuel mixture to create the conditions for the necessary electrochemical reactions to occur can be carried out, for example, by a catalytic heater located in the electrochemical reactor 2. As a result of electrochemical reactions of direct oxidation of hydrocarbon fuel or internal conversion of hydrocarbon fuel followed by oxidation of hydrogen, the fuel cells of the electrochemical reactor 2 the release of electrical and thermal energy. Electric energy is released in the form of direct current, which is then converted in the inverter 3 into alternating current with the characteristics required by the consumer. Hot exhaust gases with a temperature of 600-650 ° C (for fuel cells type MCFC) or 800-1000 ° C (for fuel cells type SOFC) enter turbine 5, where they expand, performing mechanical work. The compressor 4 is driven from the turbine 5 through the shaft. After the turbine, exhaust gases can be emitted into the atmosphere or can enter the external heat recovery circuit.

В качестве топлива микротурбины может использоваться природный газ, в т.ч. бытовой газ низкого давления, или синтетические горючие газы различного состава, биогаз, в зависимости от типа применяемых топливных элементов. В ходе дальнейшего развития технологии топливных элементов возможно применение жидких углеводородных топлив.Natural gas can be used as microturbine fuel, incl. low-pressure household gas, or synthetic combustible gases of various compositions, biogas, depending on the type of fuel cells used. In the course of further development of fuel cell technology, the use of liquid hydrocarbon fuels is possible.

1. Каталог газотурбинного оборудования - 2006. г.Рыбинск Ярославской обл., ЗАО «Газотурбинные технологии», 2006 г. - стр.4, 126-128, 234.1. Catalog of gas-turbine equipment - 2006. Rybinsk, Yaroslavl region, CJSC "Gas-turbine technologies", 2006 - p. 4, 126-128, 234.

2. А.Губич. Применение газотурбинных двигателей малой мощности в энергетике / Газотурбинные технологии, №6, ноябрь-декабрь 2001 г. - стр.30-31. (прототип)2. A. Gubich. The use of low-power gas turbine engines in the energy sector / Gas Turbine Technologies, No. 6, November-December 2001 - pp. 30-31. (prototype)

3. И.В.Маслов. Высокотемпературные топливные ячейки - когенерационные источники энергии будущего / Турбины и дизели, №1, январь-февраль 2006 г. - стр.4-6.3. I.V. Maslov. High-temperature fuel cells - cogeneration energy sources of the future / Turbines and diesel engines, No. 1, January-February 2006 - p. 4-6.

4. Е.А.Захаренко, В.Д.Буров. Эффективная малая энергетика: топливные элементы / Турбины и дизели, №4, июль-август 2006 г. - стр.40-43.4. E.A. Zakharenko, V.D. Burov. Efficient Small Energy: Fuel Cells / Turbines and Diesels, No. 4, July-August 2006 - pp. 40-43.

Claims (1)

Микротурбина, отличающаяся тем, что между компрессором и турбиной в газовоздушном тракте турбокомпрессора установлен электрохимический реактор, содержащий батареи высокотемпературных топливных элементов, и турбокомпрессор выполнен в виде серийного турбокомпрессорного агрегата, применяемого для турбонаддува поршневых двигателей.A microturbine, characterized in that an electrochemical reactor is installed between the compressor and the turbine in the gas-air path of the turbocompressor, containing batteries of high-temperature fuel cells, and the turbocompressor is made in the form of a serial turbocompressor unit used for turbocharging piston engines.
RU2007102463/06A 2007-01-22 2007-01-22 Microturbine RU2334113C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007102463/06A RU2334113C1 (en) 2007-01-22 2007-01-22 Microturbine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007102463/06A RU2334113C1 (en) 2007-01-22 2007-01-22 Microturbine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2334113C1 true RU2334113C1 (en) 2008-09-20

Family

ID=39868017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007102463/06A RU2334113C1 (en) 2007-01-22 2007-01-22 Microturbine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2334113C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2511829C2 (en) * 2012-07-10 2014-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Hybrid jet-turbine aircraft engine
RU2652842C1 (en) * 2017-01-24 2018-05-03 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Aircraft power plant
RU2654886C2 (en) * 2016-10-18 2018-05-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" Cogeneration system of energy supply of cluster drilling rig

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2511829C2 (en) * 2012-07-10 2014-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Hybrid jet-turbine aircraft engine
RU2654886C2 (en) * 2016-10-18 2018-05-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" Cogeneration system of energy supply of cluster drilling rig
RU2652842C1 (en) * 2017-01-24 2018-05-03 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Aircraft power plant

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Onovwiona et al. Residential cogeneration systems: review of the current technology
US6666027B1 (en) Turbine power generation systems and methods using off-gas fuels
US20080315589A1 (en) Energy Recovery System
CN209880732U (en) Hydrogen fuel cell cold start and emergency starting device based on ejector
CN207647562U (en) A kind of cold and hot, electric, steam co-feeding system
RU2334113C1 (en) Microturbine
RU84629U1 (en) HYBRID ELECTROCHEMICAL POWER PLANT WITH DIVISION OF THE WORKING BODY
CN112031935B (en) Multistage backheating fuel cell and gas turbine hybrid power generation system based on plasma catalysis
CN113756900A (en) Internal and external mixed combustion engine
Lee et al. Fuel cell/gas turbine system performance studies
CN215979531U (en) Internal and external mixed combustion engine
US20130181461A1 (en) Power plant unit
CN106460664B (en) Gas turbine efficiency and turndown speed improvements using supplemental air systems
RU2463462C1 (en) Combined gas turbo expander plant to run on natural gas
RU87503U1 (en) STEAM-GAS ELECTRIC STATION (OPTIONS)
RU2785183C1 (en) Solar hybrid gas-turbine power plant
RU2403407C1 (en) Steam-gas power plant
RU2545115C2 (en) Power plant
CN218717032U (en) Combined heat and power system using solid fuel
Magistri et al. A hybrid system based on a personal turbine (5 kw) and a SOFC stack: A flexible and high efficiency energy concept for the distributed power market
RU139806U1 (en) GAS TURBINE INSTALLATION
RU88067U1 (en) INTEGRATED AIR TURBINE POWER INSTALLATION
RU2224900C2 (en) Gas-turbine plant
RU97172U1 (en) MULTI-FUEL AUTONOMOUS SOURCE OF HEAT AND ELECTRIC ENERGY
Farmer Intercooled recuperated 1400-kW genset has an 8000-Btu heat rate.