RU2463463C2 - Combined power system - Google Patents
Combined power system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2463463C2 RU2463463C2 RU2010152951/06A RU2010152951A RU2463463C2 RU 2463463 C2 RU2463463 C2 RU 2463463C2 RU 2010152951/06 A RU2010152951/06 A RU 2010152951/06A RU 2010152951 A RU2010152951 A RU 2010152951A RU 2463463 C2 RU2463463 C2 RU 2463463C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- gasifier
- engine
- valve
- outlet
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии гарантированных параметров в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха при пониженном выбросе вредных веществ в составе выхлопных газов.The invention relates to the field of energy and can be used to generate electricity guaranteed parameters in a wide temperature range of atmospheric air with a reduced emission of harmful substances in the exhaust gas.
Известна установка, содержащая газотурбинный двигатель и сопряженный с ней валом электрогенератор (патент РФ №2013615, F02С 6/00, 16.01.1992). В установке мощность газотурбинного двигателя обеспечивает выработку электроэнергии электрогенератором. Недостатком технического решения является пониженная выработка электроэнергии в летний период при высокой температуре окружающей среды, а также выброс в атмосферу выхлопных газов с высоким содержанием вредных веществ.A known installation containing a gas turbine engine and an electric generator coupled to it by a shaft (RF patent No. 20133615, F02C 6/00, 01/16/1992). In the installation, the power of a gas turbine engine ensures the generation of electricity by an electric generator. The disadvantage of the technical solution is the reduced generation of electricity in the summer at a high ambient temperature, as well as the emission into the atmosphere of exhaust gases with a high content of harmful substances.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является газотурбинная энергетическая установка (патент РФ №2354838, F02С 7/143, 19.11.2007), содержащая газотурбинный двигатель, механически связанный валом с двигателем электрогенератор и устройство для подвода охлажденного воздуха в газотурбинный двигатель.The closest analogue to the same purpose as the claimed technical solution is a gas turbine power plant (RF patent No. 2354838, F02C 7/143, 11/19/2007) containing a gas turbine engine, a generator mechanically coupled by a shaft to the engine, and a device for supplying cooled air to the gas turbine engine.
Техническое решение по прототипу позволяет повысить эффективность работы газотурбинной установки при эксплуатации ее в жаркий период года. Однако его недостатком является выброс в атмосферу выхлопных газов с высоким содержанием вредных веществ.The technical solution of the prototype allows to increase the efficiency of the gas turbine unit when it is used in the hot season. However, its disadvantage is the emission into the atmosphere of exhaust gases with a high content of harmful substances.
В основу изобретения положено решение следующих задач:The invention is based on the following tasks:
- обеспечение гарантированного уровня вырабатываемой мощности электроэнергии при повышенной температуре атмосферного воздуха;- ensuring a guaranteed level of generated electric power at elevated air temperature;
- улучшение экологических показателей при работе энергосистемы за счет уменьшения содержания вредных примесей в выхлопном газе.- improving environmental performance during the operation of the power system by reducing the content of harmful impurities in the exhaust gas.
Поставленные задачи решаются тем, что комбинированная энергетическая система содержит газотурбинный двигатель, механически соединенный валом с двигателем электрогенератор и источник холодного воздуха, связанный газодинамически с входом в двигатель.The tasks are solved in that the combined energy system comprises a gas turbine engine, an electric generator mechanically connected by a shaft to the engine, and a source of cold air connected gasdynamically to the engine inlet.
Новым в изобретении является то, что система дополнительно снабжена устройством подготовки и подачи газообразного водорода в двигатель, выхлопным коллектором, двухтопливными горелками в камере сгорания двигателя, выходным запорным клапаном и редуктором давления. Устройство содержит резервуар жидкого водорода, насос подачи жидкого водорода с приводом, всасывающий и напорный трубопроводы с запорными клапанами, подогреватель, выполненный в виде замкнутой полости, накопитель-газификатор жидкого водорода, выполненный в виде емкости и размещенный в полости подогревателя. Выхлопной коллектор содержит газовод с запорным клапаном.New in the invention is that the system is additionally equipped with a device for preparing and supplying hydrogen gas to the engine, an exhaust manifold, dual-fuel burners in the engine combustion chamber, an output shut-off valve and a pressure reducer. The device comprises a liquid hydrogen reservoir, a liquid hydrogen supply pump with a drive, suction and pressure pipelines with shut-off valves, a heater made in the form of a closed cavity, a liquid hydrogen storage gasifier, made in the form of a tank and placed in the heater cavity. The exhaust manifold comprises a gas duct with a shutoff valve.
Насос на входе через всасывающий трубопровод с запорным клапаном соединен с резервуаром жидкого водорода, а на выходе - через напорный трубопровод с запорным клапаном с входом накопителя-газификатора. Выход накопителя-газификатора через выходной запорный клапан и редуктор давления соединен с двухтопливными горелками камеры сгорания. Газовод связан газодинамически входом с выходом двигателя, а выходом - через запорный клапан с атмосферой.The pump at the inlet through the suction pipe with a shut-off valve is connected to the liquid hydrogen reservoir, and at the outlet, through the pressure pipe with a shut-off valve with the inlet of the gasifier. The output of the storage gasifier through the output shut-off valve and pressure reducer is connected to dual-fuel burners of the combustion chamber. The gas duct is connected gasdynamically by the inlet to the engine outlet, and the outlet through an atmospheric shut-off valve.
При таком устройстве комбинированной энергетической системы:With such a device combined energy system:
- обеспечение энергетической системы устройством подготовки и подачи газообразного водорода в двигатель позволяет улучшить качество топливовоздушной смеси для сжигания в камере сгорания газотурбинного двигателя и обеспечить снижение содержания вредных веществ в выхлопном газе;- providing the energy system with a device for the preparation and supply of hydrogen gas to the engine allows to improve the quality of the air-fuel mixture for burning in the combustion chamber of a gas turbine engine and to reduce the content of harmful substances in the exhaust gas;
- наличие резервуара жидкого водорода позволяет обеспечивать длительную, бесперебойную работу энергетической системы;- the presence of a reservoir of liquid hydrogen allows for a long, uninterrupted operation of the energy system;
- насос с помощью привода создает необходимое давление жидкого водорода для подачи его в накопитель-газификатор в процессе перекачки его в накопитель-газификатор;- the pump using the drive creates the necessary pressure of liquid hydrogen to supply it to the storage gasifier in the process of pumping it to the storage gasifier;
- всасывающий и напорный трубопроводы с запорными клапанами обеспечивают подачу жидкого водорода в насос и отвод его в накопитель-газификатор;- the suction and pressure pipelines with shut-off valves provide the supply of liquid hydrogen to the pump and its discharge into the storage gasifier;
- подогреватель обеспечивает ускорение газификации жидкого водорода в накопителе-газификаторе;- the heater accelerates the gasification of liquid hydrogen in the storage gasifier;
- накопитель-газификатор позволяет газифицировать жидкий водород, увеличить давление газожидкостной смеси до ее полной газификации при повышенной температуре и обеспечить давление газа, намного превышающее давление подачи насоса, что уменьшает габариты и массу накопителя-газификатора;- the storage gasifier allows gasifying liquid hydrogen, increasing the pressure of the gas-liquid mixture until it is completely gasified at an elevated temperature and providing a gas pressure much higher than the pump supply pressure, which reduces the size and weight of the storage gasifier;
- выхлопной коллектор, включающий газовод с запорным клапаном, позволяет отводить выхлопные газы в атмосферу;- An exhaust manifold, including a gas duct with a shut-off valve, allows exhaust gases to be vented to the atmosphere;
- двухтопливные горелки обеспечивают высокое качество подготовки горючей смеси воздуха и топлив, гарантирующее минимальный уровень оксидов азота.- dual-fuel burners provide high quality preparation of a combustible mixture of air and fuels, guaranteeing a minimum level of nitrogen oxides.
Развитие совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев дано далее.The development of the set of essential features of the invention for particular cases is given below.
Подогреватель выполнен в виде утилизатора выхлопных газов газотурбинного двигателя, а выхлопной коллектор дополнительно может содержать газовод утилизатора с запорным клапаном, причем газовод утилизатора газодинамически входом связан с выходом двигателя, а выходом - через запорный клапан и внутреннюю полость утилизатора тепла с атмосферой, при этом внутренняя полость утилизатора тепла связана по теплу с накопителем-газификатором.The heater is made in the form of an exhaust gas utilizer of a gas turbine engine, and the exhaust manifold may further comprise a utilizer gas duct with a shut-off valve, the utilizer gas duct being connected gas-dynamically to the engine outlet and the outlet through a shut-off valve and an internal cavity of the heat utilizer to the atmosphere, with an internal cavity a heat recovery unit is connected in heat to a gasifier storage device.
Утилизатор тепла, совместно с газоводом утилизатора и запорным клапаном, позволяет использовать тепло выхлопных газов для сокращения времени газификации жидкого водорода в накопителе-газификаторе.The heat recovery unit, together with the recovery gas duct and shut-off valve, allows the use of exhaust heat to reduce the time of gasification of liquid hydrogen in a gasifier.
Источник холодного воздуха может содержать источник сжатого воздуха, турбодетандер и механически связанный с ним по валу дополнительный электрогенератор, причем источник сжатого воздуха через турбодетандер газодинамически должен быть связан с входом двигателя.The source of cold air may contain a source of compressed air, a turboexpander and an additional electric generator mechanically coupled to it through the shaft, and the source of compressed air through a turboexpander must be gasdynamically connected to the inlet of the engine.
Турбодетандер снижает температуру воздуха ниже температуры окружающей среды и подает охлажденный воздух на вход компрессора. Такое устройство обеспечивает бесперебойную подачу холодного воздуха с заданными параметрами на вход двигателя и, соответственно, заданный уровень мощности двигателя при повышении температуры окружающей среды. К тому же электрогенератор турбодетандера вырабатывает дополнительную электроэнергию.The turbo expander lowers the air temperature below the ambient temperature and supplies cooled air to the compressor inlet. Such a device provides an uninterrupted supply of cold air with predetermined parameters to the engine input and, accordingly, a predetermined engine power level with increasing ambient temperature. In addition, the turboexpander electric generator generates additional electricity.
Насос подачи жидкого водорода может быть выполнен центробежным. Это позволяет минимизировать массу насоса при его удовлетворительном кпд.The liquid hydrogen feed pump may be centrifugal. This allows you to minimize the weight of the pump at its satisfactory efficiency.
Привод насоса выполнен в виде электродвигателя. Это позволяет использовать имеющуюся в системе электроэнергию для питания привода.The pump drive is made in the form of an electric motor. This allows you to use the available electricity in the system to power the drive.
Привод насоса может быть выполнен в виде турбины. Это позволяет минимизировать массу привода при его высоком кпд.The pump drive can be made in the form of a turbine. This minimizes the mass of the drive with its high efficiency.
Насос и турбина могут быть снабжены магнитными подшипниками с электронной системой управления. Это дает возможность исключить систему смазки подшипников, повысить эффективность турбонасоса и увеличить ресурс его работы.The pump and turbine can be equipped with magnetic bearings with an electronic control system. This makes it possible to exclude the bearing lubrication system, increase the efficiency of the turbopump and increase its service life.
Турбина привода насоса может быть газодинамически входом соединена через запорный клапан с источником сжатого воздуха, а выходом - с атмосферой. Это позволяет использовать имеющийся в системе сжатый воздух в качестве рабочего тела турбины.The pump drive turbine can be connected with the gasdynamic input through a shut-off valve to a source of compressed air, and the output to the atmosphere. This allows the use of compressed air in the system as a working fluid of the turbine.
Турбина привода насоса может быть снабжена отдельной системой подготовки и подачи рабочего тела, включающей дополнительный газификатор жидкого водорода, клапан газовый, регулятор давления газа, газопроводы высокого и низкого давления, водородную емкость. Причем газификатор газодинамически входом связан с выходом насоса, а выходом - через газопровод высокого давления и регулятор давления газа с входом в турбину. Выход турбины через газопровод низкого давления и клапан газовый связан с водородной емкостью Это позволяет использовать имеющийся в системе внутренний энергетический потенциал для привода насоса.The pump drive turbine can be equipped with a separate preparation and supply system for the working fluid, including an additional liquid hydrogen gasifier, gas valve, gas pressure regulator, high and low pressure gas pipelines, and a hydrogen tank. Moreover, the gasifier is connected with the gasdynamic input to the pump outlet, and the output through a high pressure gas pipeline and a gas pressure regulator with the entrance to the turbine. The turbine exit through a low pressure gas pipeline and a gas valve is connected to a hydrogen tank. This allows using the internal energy potential available in the system to drive the pump.
Выхлопной коллектор дополнительно может содержать газовод газификатора с запорным клапаном. Газификатор газодинамически и по теплу входом связан с выходом двигателя через газовод газификатора и запорный клапан, а выходом - с атмосферой. Это позволяет использовать тепло выхлопного газа для интенсификации процесса газификации жидкого водорода в газификаторе и соответственно уменьшения массы газификатора.The exhaust manifold may further comprise a gasifier gas duct with a shutoff valve. The gasifier is gas-dynamically and by heat connected to the engine outlet through the gasifier gas duct and a shut-off valve, and the outlet to the atmosphere. This allows the use of exhaust gas heat to intensify the process of gasification of liquid hydrogen in the gasifier and, accordingly, reduce the mass of the gasifier.
Водородной емкостью может быть накопитель-газификатор, при этом выход турбины связан через газопровод низкого давления и клапан газовый с выходом накопителя-газификатора. Это позволяет упростить систему и уменьшить ее металлоемкость и стоимость.The hydrogen storage tank may be a gasifier accumulator, while the turbine outlet is connected through a low pressure gas pipeline and a gas valve to the outlet of the gasifier accumulator. This allows us to simplify the system and reduce its metal consumption and cost.
Водородная емкость может быть выполнена, по меньшей мере, из двух емкостей, сообщающихся между собой. Это позволяет выполнять водородную емкость из емкостей имеющегося типоразмера и уменьшить ее стоимость.The hydrogen tank may be made of at least two tanks communicating with each other. This allows you to perform a hydrogen tank from the tanks of the available size and reduce its cost.
Накопитель-газификатор может быть выполнен, по меньшей мере, из двух емкостей, сообщающихся между собой. Это позволяет выполнять накопитель - газификатор из емкостей имеющегося типоразмера и уменьшить его стоимость.Accumulator-gasifier can be made of at least two containers that communicate with each other. This allows you to run the drive - gasifier from the tanks of the available size and reduce its cost.
Резервуар жидкого водорода может быть выполнен в виде транспортной емкости. Это позволяет удешевить энергосистему за счет использования серийно выпускаемых емкостей, например емкостей автоцистерн.The reservoir of liquid hydrogen can be made in the form of a transport tank. This allows you to reduce the cost of the power system through the use of commercially available tanks, such as tanker tanks.
Двухтопливные горелки камеры сгорания могут содержать раздельные контуры подачи штатного топлива газотурбинного двигателя, газообразного водорода и воздуха. Это улучшает смесеобразование топливовоздушной смеси, обеспечивает сокращение длины зоны горения и, как следствие, уменьшает образование оксидов азота - вредных примесей выхлопного газа газотурбинного двигателя.Dual-fuel burners of the combustion chamber may contain separate circuits for supplying regular fuel to a gas turbine engine, hydrogen gas, and air. This improves the mixture formation of the air-fuel mixture, provides a reduction in the length of the combustion zone and, as a result, reduces the formation of nitrogen oxides - harmful impurities of the exhaust gas of a gas turbine engine.
Комбинированная система может дополнительно содержать эжектор с газовым и воздушным входами. Причем эжектор расположен на стыке выхода газовода утилизатора и внутренней полости утилизатора тепла. Здесь вход коллектора в полость утилизатора выполнен в виде газового входа эжектора, а воздушный вход эжектора соединен с атмосферой. Это позволяет подводить тепло к накопителю-газификатору с ограничением его температуры, что может быть вызвано, например ограничением величины давления газообразного водорода в накопителе-газификаторе по условиям его прочности.The combined system may further comprise an ejector with gas and air inlets. Moreover, the ejector is located at the junction of the exhaust gas duct of the utilizer and the internal cavity of the heat utilizer. Here, the collector inlet to the utilizer cavity is made in the form of a gas inlet of the ejector, and the air inlet of the ejector is connected to the atmosphere. This allows heat to be supplied to the gasifier storage unit with a limitation of its temperature, which may be caused, for example, by the limitation of the pressure of gaseous hydrogen in the storage gasifier according to its strength conditions.
Накопитель-газификатор дополнительно может содержать стыковочное устройство для питания потребителей газообразного водорода. Это позволяет снабжать газообразным водородом высокого давления помимо газотурбинного двигателя и других потребителей, например, газовые баллоны, что расширяет потребительские свойства энергосистемы.. В частности, газообразным водородом высокого давления (до 70 МПа) могут наполняться облегченные металлокомпозитные баллоны БК-7-700 АЦ объемом до 12 литров производства ЗАО НПП «Маштест» для обеспечения работы топливных элементов на автомобилях.The gasifier storage device may further comprise a docking device for supplying hydrogen gas consumers. This makes it possible to supply high-pressure hydrogen gas in addition to the gas turbine engine and other consumers, for example, gas cylinders, which expands the consumer properties of the power system. In particular, lightweight metal composite cylinders BK-7-700 AC with volume can be filled with high-pressure hydrogen (up to 70 MPa) up to 12 liters produced by NPP Mashtest CJSC to ensure the operation of fuel cells in cars.
Водородная емкость может дополнительно содержать стыковочное устройство для питания потребителей газообразного водорода повышенного давления, например горелок камер сгорания газотурбинных двигателей, топливных элементов или водородно-кислородных парогенераторов. Так стехиометрическое сжигание водорода в кислороде с последующим балластированием водой получаемого продукта сгорания позволяет с помощью Н2/O2-парогенераторов реализовать разнообразные термодинамические циклы преобразования энергии. В частности, при давлении пара 20 МПа и температуре 1500 К можно достигнуть в схемах на базе указанных парогенераторов величин кпд вблизи 0.62, что по эффективности конкурентоспособно даже с перспективными ПГУ при сопоставимых финансовых затратах.The hydrogen tank may further comprise a docking device for supplying high pressure hydrogen gas consumers, for example, burners of combustion chambers of gas turbine engines, fuel cells or hydrogen-oxygen steam generators. Thus, stoichiometric combustion of hydrogen in oxygen, followed by ballasting of the resulting combustion product with water, makes it possible to realize various thermodynamic cycles of energy conversion with the help of H 2 / O 2 steam generators. In particular, at a steam pressure of 20 MPa and a temperature of 1500 K, efficiency can be achieved in circuits based on the indicated steam generators near 0.62, which is competitive in efficiency even with promising CCGT units at comparable financial costs.
Таким образом решены поставленные в изобретении задачи:Thus, the objectives of the invention are solved:
- обеспечен гарантированный уровень вырабатываемой мощности электроэнергии при повышенной температуре атмосферного воздуха;- A guaranteed level of generated electric power is provided at elevated ambient air temperature;
- улучшены экологические показатели при работе энергосистемы за счет уменьшения содержания вредных примесей в выхлопном газе.- improved environmental performance during the operation of the power system by reducing the content of harmful impurities in the exhaust gas.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием комбинированной энергетической системы и ее работы со ссылкой на схематичные изображения системы, представленные на фиг.1-6, где:The present invention is illustrated by the following detailed description of the combined energy system and its operation with reference to the schematic images of the system shown in figures 1-6, where:
на фиг.1 изображен общий вид комбинированной энергетической системы;figure 1 shows a General view of a combined energy system;
на фиг.2 изображен общий вид комбинированной энергетической системы с подводом тепла выхлопного газа к накопителю-газификатору.figure 2 shows a General view of a combined energy system with the supply of heat of the exhaust gas to the storage gasifier.
на фиг.3 изображен общий вид комбинированной энергетической системы с схемами варианта источника холодного воздуха и системы питания воздухом привода насоса подачи жидкого водорода;figure 3 shows a General view of a combined energy system with diagrams of a variant of the source of cold air and air supply system of the drive pump for supplying liquid hydrogen;
на фиг.4 изображен общий вид комбинированной энергетической системы с вариантом системы питания газообразным водородом привода насоса;figure 4 shows a General view of a combined energy system with a variant of the power supply system of gaseous hydrogen pump drive;
на фиг.5 изображен общий вид комбинированной энергетической системы с другим вариантом системы питания водородом привода насоса;figure 5 shows a General view of a combined energy system with another variant of the hydrogen power supply system of the pump drive;
на фиг.6 изображен общий вид комбинированной энергетической системы с эжектором в газоводе утилизатора.figure 6 shows a General view of a combined energy system with an ejector in the gas duct of the utilizer.
Комбинированная энергетическая система содержит (см. фиг.1) газотурбинный двигатель 1, механически соединенный валом с двигателем 1, электрогенератор 2 и источник 3 холодного воздуха, связанный газодинамически с входом в двигатель 1. Система дополнительно снабжена устройством 4 подготовки и подачи газообразного водорода в двигатель 1. Устройство 4 содержит резервуар 5 жидкого водорода, насос 6 подачи жидкого водорода с приводом 7, всасывающим 8 и напорным 9 трубопроводами, соответственно с запорными клапанами 10 и 11, подогреватель 12, выполненный в виде замкнутой полости 13, накопитель-газификатор 14 жидкого водорода, выполненный в виде емкости и размещенный в полости 13 подогревателя 12, а также выхлопной коллектор 15, включающий газовод 16 с запорным клапаном 17, двухтопливные горелки 18 камеры сгорания двигателя 1, выходной запорный клапан 19 и редуктор давления 20. Насос 6 на входе через всасывающий трубопровод 8 с запорным клапаном 10 соединен с резервуаром 5 жидкого водорода, а на выходе - через напорный трубопровод 9 с запорным клапаном 11 с входом накопителя-газификатора 14. Выход накопителя-газификатора 14 через выходной клапан 19 и редуктор давления 20 соединен с двухтопливными горелками 18 камеры сгорания. Газовод 16 связан газодинамически входом с выходом двигателя 1, а выходом через запорный клапан 17 - с атмосферой. При этом внутренняя полость 13 подогревателя 12 сопряжена газодинамически и по теплу с накопителем-газификатором 14.The combined energy system contains (see Fig. 1) a gas turbine engine 1 mechanically connected by a shaft to the engine 1, an electric generator 2 and a
Подогревателем является утилизатор тепла 12 (см. фиг.2) выхлопных газов двигателя, а выхлопной коллектор 15 содержит дополнительно газовод 21 утилизатора с запорным клапаном 22. Газовод 21 газодинамически входом связан с выходом двигателя 1, а выходом - через запорный клапан 22 и внутреннюю полость 13 утилизатора тепла 12 с атмосферой. Внутренняя полость 13 утилизатора тепла 12 связана по теплу с накопителем-газификатором 14.The heater is a heat recovery unit 12 (see FIG. 2) of the exhaust gases of the engine, and the
Источник 3 холодного воздуха содержит (см. фиг.3) источник 23 сжатого воздуха, турбодетандер 24 и механически связанный с ним по валу дополнительный электрогенератор 25. Причем источник 23 сжатого воздуха через турбодетандер 24 газодинамически связан с входом двигателя 1. Насос 6 подачи жидкого водорода выполнен центробежным, а привод насоса 6 выполнен в виде турбины 26.The
Насос 6 и турбина 26 снабжены магнитными подшипниками с электронной системой управления (не показано).Pump 6 and
Турбина 26 газодинамически входом соединена через запорный клапан 27 с источником 23 сжатого воздуха, а выходом - с атмосферой.The
Турбина 26 в другом варианте (см. фиг.4) может быть снабжена отдельной системой подготовки и подачи рабочего тела, включающей дополнительный газификатор 28 жидкого водорода, клапан газовый 29, регулятор 30 давления газа, газопровод высокого давления 31, газопровод низкого давления 32, водородную емкость 33. Причем газификатор 28 газодинамически входом связан с выходом насоса 6, а выходом - с входом регулятора 30 давления газа. Выход регулятора 30 давления газа связан через газопровод 31 высокого давления с входом в турбину 26, где выход турбины 26 через газопровод 32 низкого давления и газовый клапан 29 связан с водородной емкостью 33.The
Выхлопной коллектор 15 дополнительно (фиг.4) может содержать газовод газификатора 34 с запорным клапаном 35. При этом газовод газификатора 34 выхлопного коллектора 15 газодинамически связан входом с выходом двигателя 1, а выходом через газификатор 28 - с атмосферой.The
Водородная емкость 33 может быть выполнена, по меньшей мере, из двух емкостей, сообщающихся между собой.The
Работу водородной емкости может выполнять (см. фиг.5) накопитель-газификатор 14, при этом выход турбины 26 связан через газопровод низкого давления 32 и клапан газовый 29 с выходом накопителя-газификатора 14.The operation of the hydrogen tank can be performed (see Fig. 5) by a gasifier-
Накопитель-газификатор 14 может быть выполнен, по меньшей мере, из двух емкостей, сообщающихся между собой. Резервуар 5 жидкого водорода может быть выполнен в виде транспортной емкости.Accumulator-
Двухтопливные горелки 18 содержат раздельные контуры подачи штатного топлива газотурбинного двигателя 1, газообразного водорода и воздуха (не показано).Dual-fuel burners 18 contain separate circuits for supplying regular fuel to a gas turbine engine 1, gaseous hydrogen, and air (not shown).
Комбинированная система может дополнительно содержать (см. фиг.6) эжектор 36 с газовым 37 и воздушным 38 входами. Причем эжектор 36 расположен на стыке выхода газовода утилизатора 21 с внутренней полостью 13 утилизатора тепла 12. Выход газовода 21 в полость 13 утилизатора тепла 12 выполнен в виде газового входа эжектора 37, а воздушный вход эжектора 38 соединен с атмосферой.The combined system may further comprise (see FIG. 6) an
Накопитель-газификатор 14 дополнительно может содержать стыковочное устройство для питания потребителей газообразного водорода, например топливных элементов или газовых баллонов (не показано).The
Водородная емкость 33 может содержать стыковочное устройство для питания потребителей газообразным водородом, например горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя (не показано).The
Работа системы (см. фиг.1) осуществляется следующим образом.The operation of the system (see figure 1) is as follows.
Перед пуском системы резервуар жидкого водорода 5 заполнен жидкостью с давлением выше атмосферного; открыты запорные клапаны 10, 11 и 17 выхлопного коллектора. Производится запуск газотурбинного двигателя 1, с подачей в двухтопливную горелку 18 штатного топлива. Из двигателя 1 выхлопной газ через газовод 16 и запорный клапан 17 отводится в атмосферу. Включается в работу источник холодного воздуха 3 и холодный воздух поступает на вход газотурбинного двигателя 1, уменьшая температуру поступающего в двигатель 1 воздуха. Включается привод 7 и из резервуара 5 через трубопровод 8 с клапаном 10 насос 6 начинает подавать жидкий водород через трубопровод 9 с клапаном 11 в накопитель-газификатор 14, где он газифицируется. После заполнения накопителя-газификатора 14 закрывается запорный клапан 11 и при достижении в накопителе-газификаторе 14 давления газообразного водорода необходимой для работы двигателя величины открывается выходной клапан 19. Газообразный водород через редуктор давления 20, поддерживающий заданную величину давления, поступает в двухтопливные горелки 18 и энергосистема начинает работать в двухтопливном режиме.Before starting the system, the reservoir of
При работе системы, представленной на фиг.2, после завершения перекачки жидкого водорода из резервуара 5 в накопитель-утилизатор 14 открывается запорный клапан 22 и выхлопной газ через газовод 21 выхлопного коллектора 15 подается во внутреннюю полость 13 утилизатора тепла 12 и нагревая его газифицирует жидкий водород в накопителе-газификаторе 14.During the operation of the system shown in FIG. 2, after the pumping of liquid hydrogen from the
При работе системы, представленной на фиг.3, после запуска газотурбинного двигателя 1 в источнике холодного воздуха 3 из источника сжатого воздуха 23 с температурой окружающей среды подается сжатый воздух в турбодетандер 24, температура и давление воздуха понижаются и охлажденный воздух подается на вход газотурбинного двигателя 1. Вырабатываемая в турбодетандере 24 мощность используется для привода дополнительного электрогенератора 25.When the system shown in FIG. 3 is operated, after starting the gas turbine engine 1 in the
Кроме того (см. фиг.3), после запуска газотурбинного двигателя 1 может открываться клапан 27 и из источника сжатого воздуха 23 через клапан 27 сжатый воздух поступит в турбину 26, являющуюся приводом насоса 6.In addition (see figure 3), after starting the gas turbine engine 1, the
При запуске системы, представленной на фиг.4, после запуска газотурбинного двигателя 1 открывается клапан газовый 29. Жидкость за насосом 6 разделяется на две части: одна часть через запорный клапан 11 попадает в накопитель-газификатор 14, а другая - в газификатор 28. В газификаторе 28 жидкость газифицируется и через газопровод высокого давления 31 и регулятор давления газа 30 поступает в турбину 26. В турбине 26 срабатывается перепад давления, образуется крутящий момент и турбина 26 вместе с механически связанным с ней насосом 6 начинает вращаться, что приводит к повышению давления за насосом 6. Из турбины 26 газообразный водород через газопровод низкого давления 32 с клапаном газовым 29 поступает в водородную емкость 33.When starting the system shown in Fig. 4, after starting the gas turbine engine 1, the
Кроме того (фиг.4), после запуска двигателя 1 в газоводе газификатора 34 выхлопного коллектора 15 может открыться запорный клапан 35 и выхлопной газ дополнительно поступает в атмосферу из газотурбинного двигателя 1 через газовод 34 и газификатор 28. При прохождении в газификаторе 28 выхлопной газ газифицирует проходящий через него жидкий водород.In addition (Fig. 4), after starting the engine 1 in the gas duct of the
При работе системы, представленной на фиг.5, газообразный водород из турбины 26 через газопровод низкого давления 32 и запорный клапан 29 поступает на выход накопителя-газификатора 14.During operation of the system shown in FIG. 5, hydrogen gas from the
Накопитель-газификатор 14 может быть (фиг.5) выполнен, по меньшей мере, из двух емкостей, сообщающихся между собой.Accumulator-
При работе энергосистемы, представленной на фиг.6, выхлопной газ с высокой температурой через запорный клапан 22 выходит из газовода утилизатора 21 выхлопного коллектора 15 и поступает через газовый вход 37 в эжектор 36. В эжектор 36 через воздушный вход 38 поступает также атмосферный воздух, который смешивается в эжекторе 36 с выхлопным газом. Разбавленный воздухом выхлопной газ пониженной температуры поступает во внутреннюю полость 13 утилизатора тепла 12, где интенсифицирует процесс газификации жидкого водорода.In the operation of the power system shown in FIG. 6, high temperature exhaust gas exits through the
Часть газообразного водорода из накопителя-утилизатора 14 может через стыковочное устройство (не показано) направляться потребителям газообразного водорода.Part of the gaseous hydrogen from the storage-
Часть газообразного водорода из водородной емкости 33 может через стыковочное устройство (не показано) направляться потребителям газообразного водорода.A portion of the hydrogen gas from the
В качестве примера выберем газотурбинную энергетическую установку ПАЭС-2500. В России имеется огромный парк (более 1000 шт.) выпущенных промышленностью передвижных автоматизированных электростанций ПАЭС-2500 мощностью 2.5 МВт, в которых используется однороторный газотурбинный авиационный двигатель АИ-20. Представляется перспективным провести модернизацию этих ГТУ с целью улучшения их характеристик и экологических показателей. Целесообразность использования ГТУ типа ПАЭС-2500 в заявляемой газотурбинной энергетической установке подтверждается результатами сравнительных расчетов.As an example, we will choose the PAES-2500 gas turbine power plant. In Russia there is a huge fleet (more than 1000 pcs.) Of PAEM-2500 mobile automated power plants manufactured by the industry with a capacity of 2.5 MW, which use the AI-20 single-rotor gas turbine aircraft engine. It seems promising to modernize these gas turbines in order to improve their characteristics and environmental indicators. The feasibility of using gas turbine type PAES-2500 in the inventive gas turbine power plant is confirmed by the results of comparative calculations.
Основные параметры, принятые в расчетном исследовании ГТУ при нормальной температуре ТН=288 К: мощность 2500 кВт, расход воздуха 20 кг/с, степень повышения полного давления воздуха 7.0, температура перед турбиной 1030 К, кпд компрессора 0.85, кпд турбины 0.88.The main parameters adopted in the computational study of gas turbines at normal temperatures Т Н = 288 К are: power 2500 kW, air consumption 20 kg / s, degree of increase in total air pressure 7.0, temperature in front of the turbine 1030 K, compressor efficiency 0.85, turbine efficiency 0.88.
В качестве резервуара жидкого водорода используется стандартная транспортная емкость объемом 25 м (ЦТВ 25/06) с жидким водородом при температуре около 23 К и соответствующем ей давлении 0.20 МПа.As a reservoir of liquid hydrogen, a standard transport capacity of 25 m (
Накопитель-газификатор выполнен в виде трех одинаковых параллельно задействованных газовых емкостей с суммарным объемом 30 м3, позволяющим вместить все топливо из резервуара жидкого водорода в газообразном состоянии при рабочем давлении до 100 МПа. Такое высокое давление газообразного водорода позволяет как использовать емкости накопителя-газификатора меньших размеров, так и заправлять водород в баллоны для автомобилей.The gasifier accumulator is made in the form of three identical parallel-connected gas tanks with a total volume of 30 m 3 , which allows to store all the fuel from the liquid hydrogen reservoir in a gaseous state at an operating pressure of up to 100 MPa. Such a high pressure of gaseous hydrogen allows both the use of smaller storage gasifier tanks and the filling of hydrogen into automobile cylinders.
Насос, подающий жидкий водород, - центробежный одноступенчатый - обеспечивает на выходе давление 3 МПа и расход 5 кг/с. Эти параметры позволяют обеспечивать подачу жидкого водорода в накопитель-газификатор существенно быстрее, чем может происходить газификация жидкости из-за теплоемкости стенок и внешнего теплоподвода из окружающей среды. При этом окружная скорость центробежного колеса одноступенчатого насоса не превысит 250-270 м/с, частота вращения колеса 25000 об/мин и потребная мощность для привода насоса не более 300 кВт при величине его кпд 75%.The liquid hydrogen feed pump, a single-stage centrifugal pump, provides an outlet pressure of 3 MPa and a flow rate of 5 kg / s. These parameters make it possible to supply liquid hydrogen to the gasifier storage much faster than liquid gasification can occur due to the heat capacity of the walls and external heat supply from the environment. In this case, the peripheral speed of the centrifugal wheel of a single-stage pump will not exceed 250-270 m / s, the wheel speed of 25,000 rpm and the required power to drive the pump is not more than 300 kW with a value of its efficiency of 75%.
Турбина - осевая двухступенчатая, работающая на газообразном водороде, имеет степень понижения полного давления равную 2, что позволяет ей отдавать требуемую мощность при величине кпд 75% и расходе водорода (с температурой перед турбиной 250 К) в количестве не более 13% от расхода жидкого водорода через насос; окружная скорость на среднем диаметре колес турбины равна 210 м/с. Внешние диаметральные габариты насоса и турбины близки и составляют примерно 200 мм.A two-stage axial turbine operating on gaseous hydrogen has a degree of total pressure reduction of 2, which allows it to give the required power at an efficiency of 75% and a hydrogen flow rate (with a temperature in front of the turbine of 250 K) in an amount of not more than 13% of the flow rate of liquid hydrogen through the pump; peripheral speed on the average diameter of the turbine wheels is 210 m / s. The external diametrical dimensions of the pump and turbine are close and amount to approximately 200 mm.
Водородная емкость с давлением 1.5 МПа содержит 200 кг газообразного водорода и объем ее составляет 120 м3.A hydrogen tank with a pressure of 1.5 MPa contains 200 kg of hydrogen gas and its volume is 120 m 3 .
Заправка пустых емкостей накопителя-газификатора жидким водородом при указанных параметрах системы занимает не более 5 минут, при этом давление газа в конце заправки за указанное время всегда меньше величины давления, которую может обеспечить насос. Повышение давления газообразного водорода до расчетной величины 80-100 МПа осуществляется путем нагрева водорода в емкостях до температуры Т≤350 К теплом выхлопного газа с использованием эжектора. Это давление устанавливается менее чем через двое суток при нагреве накопителя-газификатора с температурой 310 К и через сутки с небольшим - при нагреве с температурой 350 К.Filling empty containers of a gasifier storage tank with liquid hydrogen at the indicated system parameters takes no more than 5 minutes, while the gas pressure at the end of the filling for a specified time is always less than the pressure that the pump can provide. Increasing the pressure of gaseous hydrogen to a calculated value of 80-100 MPa is carried out by heating hydrogen in tanks to a temperature of T≤350 K by heat of the exhaust gas using an ejector. This pressure is established in less than two days when the gasifier-gasifier is heated at a temperature of 310 K and after a day with a small temperature when heated at a temperature of 350 K.
Расчеты показывают, что при повышении температуры окружающей среды до +45°С мощность ПАЭС-2500 составляет 1755 кВт, а кпд 20%; заявляемая же энергосистема при той же температуре окружающей среды обеспечивает суммарную мощность 2210 кВт с кпд двигателя 21.6%, т.е. на 26% больше по мощности, чем исходная ГТУ, и на 8% большим кпд газотурбинного двигателя.Calculations show that when the ambient temperature rises to + 45 ° С, the power of PAES-2500 is 1755 kW, and the efficiency is 20%; the claimed energy system at the same ambient temperature provides a total power of 2210 kW with an engine efficiency of 21.6%, i.e. 26% more power than the original gas turbine, and 8% more efficient gas turbine engine.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет существенно повысить эффективность и экологичность энергосистемы.Thus, the present invention can significantly improve the efficiency and environmental friendliness of the power system.
Энергетическая система может представлять особый интерес для автономного снабжения электричеством с высокими показателями эффективности и экологии мест, в которых имеется промышленное потребление жидкого водорода, например в центрах испытания жидкостных ракетных двигателей, а также в городах с развитым парком электромобилей, использующих топливные элементы при выработке электроэнергии для нужд транспортного средства. Кроме того, газообразный водород высокого давления представляет интерес при внедрении водородно-кислородных парогенераторов, разработанных в Объединенном институте высоких температур РАН.The energy system can be of particular interest for the autonomous supply of electricity with high efficiency and environmental performance in places where there is an industrial consumption of liquid hydrogen, for example, in liquid rocket engine test centers, as well as in cities with a developed fleet of electric vehicles that use fuel cells to generate electricity for vehicle needs. In addition, gaseous hydrogen of high pressure is of interest when introducing hydrogen-oxygen steam generators developed at the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences.
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010152951/06A RU2463463C2 (en) | 2010-12-24 | 2010-12-24 | Combined power system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010152951/06A RU2463463C2 (en) | 2010-12-24 | 2010-12-24 | Combined power system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010152951A RU2010152951A (en) | 2012-06-27 |
| RU2463463C2 true RU2463463C2 (en) | 2012-10-10 |
Family
ID=46681670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010152951/06A RU2463463C2 (en) | 2010-12-24 | 2010-12-24 | Combined power system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2463463C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2637155C1 (en) * | 2016-07-08 | 2017-11-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method of supplying high pressure hydrogen gas to consumer |
| RU178331U1 (en) * | 2017-01-10 | 2018-03-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | STEAM-GAS TURBINE INSTALLATION |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114639841B (en) * | 2020-12-15 | 2024-04-05 | 北京亿华通科技股份有限公司 | Fuel cell system with low-temperature air inlet and vehicle |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3100751A1 (en) * | 1980-01-21 | 1982-01-07 | General Electric Co., Schenectady, N.Y. | "METHOD FOR OPERATING A STATIONARY GAS TURBINE AND POWER SUPPLY SYSTEM EQUIPPED WITH THIS" |
| US5317877A (en) * | 1992-08-03 | 1994-06-07 | General Electric Company | Intercooled turbine blade cooling air feed system |
| RU2271460C2 (en) * | 2003-11-03 | 2006-03-10 | Юрий Михайлович Агафонов | Gas-turbine turbofan engine |
| RU2280183C1 (en) * | 2005-01-11 | 2006-07-20 | Михаил Иванович Весенгириев | Gas-turbine engine |
| RU2354838C2 (en) * | 2007-11-19 | 2009-05-10 | Валерий Игнатьевич Гуров | Gas turbine power plant |
| RU96193U1 (en) * | 2010-03-29 | 2010-07-20 | Алексей Иванович Апанасенко | COMPRESSOR STATION OF THE GAS PIPELINE |
-
2010
- 2010-12-24 RU RU2010152951/06A patent/RU2463463C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3100751A1 (en) * | 1980-01-21 | 1982-01-07 | General Electric Co., Schenectady, N.Y. | "METHOD FOR OPERATING A STATIONARY GAS TURBINE AND POWER SUPPLY SYSTEM EQUIPPED WITH THIS" |
| US5317877A (en) * | 1992-08-03 | 1994-06-07 | General Electric Company | Intercooled turbine blade cooling air feed system |
| RU2271460C2 (en) * | 2003-11-03 | 2006-03-10 | Юрий Михайлович Агафонов | Gas-turbine turbofan engine |
| RU2280183C1 (en) * | 2005-01-11 | 2006-07-20 | Михаил Иванович Весенгириев | Gas-turbine engine |
| RU2354838C2 (en) * | 2007-11-19 | 2009-05-10 | Валерий Игнатьевич Гуров | Gas turbine power plant |
| RU96193U1 (en) * | 2010-03-29 | 2010-07-20 | Алексей Иванович Апанасенко | COMPRESSOR STATION OF THE GAS PIPELINE |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2637155C1 (en) * | 2016-07-08 | 2017-11-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method of supplying high pressure hydrogen gas to consumer |
| RU178331U1 (en) * | 2017-01-10 | 2018-03-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | STEAM-GAS TURBINE INSTALLATION |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010152951A (en) | 2012-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5024460B2 (en) | engine | |
| US7305832B2 (en) | Work extraction arrangement | |
| JP2010510433A (en) | Single circulation heat pump power generator | |
| RU2463463C2 (en) | Combined power system | |
| US8640465B2 (en) | Combined heat, ice, power, and steam system | |
| CA3116379C (en) | Hybrid compressed air energy storage system | |
| US9097208B2 (en) | Cryogenic pump system for converting fuel | |
| KR101186290B1 (en) | Engine system and engine operating method using brown gas | |
| US20180216533A1 (en) | Cryogenic fuel combustion engines | |
| US11773774B2 (en) | Combustion turbine system with increased pressure ratio | |
| KR101246902B1 (en) | Engine system using brown gas, ship comprising the same and engine operating method using brown gas | |
| RU2463462C1 (en) | Combined gas turbo expander plant to run on natural gas | |
| CN114044119A (en) | Ship multi-power-source electric propulsion system utilizing ammonia fuel | |
| CN106089437B (en) | Supercritical carbon dioxide low temperature dynamical system | |
| Gusarov et al. | Development of low-power gas turbine plants for use at industrial facilities | |
| KR20120060479A (en) | Engine system and engine operating method using brown gas | |
| Sayma | Gas turbines for marine applications | |
| RU2425243C1 (en) | Nuclear turboprop gas turbine engine | |
| US20130167532A1 (en) | Power generator and related engine systems | |
| CN116658298A (en) | Liquid oxygen and liquid methane comprehensive utilization system and method | |
| US20210388757A1 (en) | Air energy storage with internal combustion engines | |
| RU2363604C1 (en) | Gas turbine locomotive and its power plant | |
| RU92144U1 (en) | FILLING SYSTEM FOR HIGH PRESSURE GASIFIED Cryogenic Agent | |
| RU2290521C2 (en) | Gas-turbine engine | |
| KR102452417B1 (en) | Complex power generating system and ship having the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151225 |