Результат интеллектуальной деятельности: ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к устройствам, снижающим избыточное высокое давление сжатого газа из источников хранения до уровней давления, заданных потребителями, с получением технических эффектов, например, обеспечивающих дополнительное получение необходимых видов энергии (механической, электрической и т.д.). В качестве такого сжатого газа выбран водород.

Водород является универсальным энергоносителем с наибольшей теплотворной способностью среди известных горючих веществ. Он обеспечивает наилучшие экологические показатели, поскольку при его сжигании в кислороде образуется только вода. Водород можно хранить в жидком или газообразном состоянии.

Однако длительное хранение водорода в жидком состоянии связано с его заметными потерями из-за испарения при неизбежном теплопритоке даже при наличии экранно-вакуумной изоляции. Так в криогенной цистерне ЦТВ-25/06 объемом 25 м³ каждые сутки испаряется 1% водорода (т.е. 15 кг при полной заправке цистерны 1,5 т) с образованием и накоплением кристаллов кислорода в емкости, что может приводить к локальным взрывам.

В связи с изложенным водород хранят в газообразном состоянии при сверхвысоком давлении (до 85 МПа), потребная же величина давления водорода для использования значительно ниже величины давления водорода при его хранении.

Потребителями водорода могут быть поршневые ДВС, ГТД, ГТУ и другие энергетические установки и процессы, в которых требуется водород разного уровня давления. Например, при заправке топливных баллонов автомобилей с поршневыми ДВС уровень потребного давления составляет 50 МПа, такой же уровень давления используется при заправке баллонов беспилотных летательных аппаратов. Для использования в ГТД и ГТУ уровень давления водорода существенно меньше и составляет 1,5-3,5 МПа.

Известно, что при понижении давления водорода от высокого уровня с помощью дроссельных устройств температура торможения водорода повышается вследствие проявления инверсионного эффекта, уменьшается его плотность и, как следствие, уменьшается масса заправки водорода в емкость. Поэтому прямое понижение давления водорода с высокого уровня хранения его дросселированием регуляторами давления нежелательно для потребителей водорода, так как это приводит к потере потенциальной энергии избыточного давления.

Известна аналогичная ситуация на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП) магистралей природного газа, где для понижения избыточного давления в основном используются регуляторы давления.

Однако имеется и определенный опыт использования турбодетандеров для утилизации потенциальной энергии природного газа на ГРС и ГРП.

Так известна турбодетандерная установка по патенту на изобретение RU №2 317430, F02C 7/28, 09.10.2006. Турбодетандер за счет снижения давления газа вырабатывает мощность, передаваемую непосредственно электрогенератору. Однако наличие внешних утечек газа по валу турбодетандера снижает энергетические показатели установки.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является техническое решение по патенту RU №2 386818, F01D 15/10, 23.10.2008, принятое за прототип. В соответствии с прототипом установка содержит источник сжатого газа высокого давления, две герметичные капсулы, газодинамически связанные между собой, с входным и выходными патрубками, два турбодетандера, два потребителя мощности, основной потребитель сжатого газа и краны. Каждый турбодетандер и потребитель мощности механически связаны между собой валом в единый узел, причем каждый узел размещен в отдельной капсуле. Вход турбодетандера в первой капсуле соединен с источником сжатого газа через входной патрубок и кран. Выходы турбодетандеров из первой и второй капсул соединены с потребителем сжатого газа через выходные патрубки и краны.

Установка без внешних утечек газа обеспечивает частичное понижение давления сжатого газа в турбодетандерах до нужной величины. Недостатком этого технического решения является привязка его к газовой магистрали, из-за чего имеются потери потенциальной энергии давления газа, связанные с последующим дросселированием газа регуляторами давления.

Задачей заявляемого технического решения является снижение избыточного высокого давления сжатого газа из источников хранения до заданных потребителями уровней давления и дополнительное получение технических эффектов, например получение необходимых видов энергии (механической, электрической и т.д.).

Поставленная задача решается тем, что энергетическая установка содержит источник сжатого газа высокого давления, по крайней мере, две герметичные капсулы, газодинамически связанные между собой, с входным и выходными патрубками, два турбодетандера, два потребителя мощности, основной потребитель сжатого газа и краны. В установке каждый турбодетандер и потребитель мощности механически связаны между собой валом в единый узел. Причем каждый узел размещен в отдельной капсуле. Вход турбодетандера в первой капсуле соединен с источником сжатого газа через входной патрубок и кран, а выходы турбодетандеров из первой и второй капсул соединены с потребителем сжатого газа через выходные патрубки и краны.

В соответствии с изобретением в качестве сжатого газа использован водород. Установка дополнительно содержит потребитель электроэнергии и потребители водорода высокого и среднего давления. Потребитель мощности турбодетандера в первой капсуле выполнен в виде компрессора. Вход компрессора газодинамически связан с выходом турбодетандера, а выход - через патрубок на капсуле и кран соединен с потребителем водорода высокого давления. Краны на входе в основной потребитель водорода, потребители водорода высокого и среднего давления выполнены регулируемыми. Вход турбодетандера во второй капсуле соединен с выходным патрубком первой капсулы через магистраль с краном, а выход - через патрубок на капсуле и кран с потребителем среднего давления водорода. Потребитель мощности турбодетандера во второй капсуле выполнен в виде электрогенератора.

Необходимым условием выполнения поставленной задачи является обеспечение величины конечной температуры водорода, подаваемого потребителю, не превышающей ее начального значения.

Существенные признаки заявленного технического решения позволяют получить следующие технические результаты:

- использование в качестве сжатого газа водорода обеспечивает потребителей водородом необходимого уровня давления и температуры с наилучшими экологическими показателями;

- наличие в установке турбодетандеров обеспечивает снижение основной части избыточного давления водорода из источников хранения;

- наличие в установке потребителя электроэнергии, потребителей водорода высокого и среднего давления позволяет расширить использование водорода в энергетике и получить дополнительный эффект, например, в виде механической и электрической энергии;

- выполнение потребителя мощности турбодетандера в первой капсуле в виде компрессора обеспечивает работу турбодетандера в оптимальных по экономичности для него диапазонах расхода и давления водорода и частоты вращения, выдает потребителям газообразный водород регулируемого давления;

- выполнение входа компрессора в первой капсуле газодинамически связанным с выходом турбодетандера и соединение выхода компрессора в первой капсуле через патрубок и кран с потребителем водорода высокого давления обеспечивает поступление водорода в компрессор с пониженной температурой (это повышает эффективность работы компрессора) и повышение давления водорода до уровня, необходимого потребителю;

- выполнение кранов на входе в основной потребитель водорода и потребитель водорода высокого и среднего давления регулируемыми позволяет осуществлять тонкое регулирование с минимальными потерями давления газообразного водорода в соответствии с запросами потребителей;

- соединение входа турбодетандера во второй капсуле с выходным патрубком первой капсулы через магистраль с краном обеспечивает отключение второй капсулы для проведения ремонтно-профилактических работ или отсутствия потребности подачи водорода у потребителя среднего давления;

- соединение выхода турбодетандера во второй капсуле через патрубок и кран с потребителем среднего давления водорода обеспечивает тонкое регулирование с минимальными потерями давления газообразного водорода в соответствии с запросами потребителя;

- выполнение потребителя мощности турбодетандера во второй капсуле в виде электрогенератора обеспечивает потребителя электроэнергией.

Развитие и уточнение совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев его выполнения дано далее.

Емкость источника водорода может быть выполнена в виде батареи сосудов высокого давления. Это делает возможным снижение массы и стоимости установки без уменьшения ее производительности.

Потребитель электроэнергии может быть выполнен в виде аккумуляторных батарей. Это позволяет полезно использовать вырабатываемую электрогенератором энергию при малом отборе ее остальными потребителями и удовлетворять запросы потребителей электроэнергии в часы пик.

Потребитель электроэнергии может быть выполнен в виде электрической сети. Это существенно при мобильном использовании энергетической установки.

Потребитель электроэнергии может быть выполнен в виде совокупности аккумулятора и электрической сети. Это позволяет потребителю оптимально и эффективно использовать получаемую электроэнергию.

Установка может дополнительно содержать автомобильный прицеп и размещаться в нем. Это позволяет обеспечить ее мобильное использование.

Потребитель водорода высокого давления может быть выполнен в виде накопителя, например батареи сосудов высокого давления или резервуара под давлением. Это позволяет при наличии кранов с разной регулировкой дополнительно расширить диапазон потребителей с разным уровнем давления водорода.

В качестве примера рассмотрим энергетическую установку при следующих исходных данных:

1. Давление и температура в баллонной батарее, являющейся источником водорода высокого давления, соответственно равны Р=80 МПа и Т=288К.

2. Давление водорода в накопительной емкости, являющейся потребителем водорода высокого давления, равно Р=65 МПа.

3. Давление водорода, подаваемого основному потребителю водорода, составляет Р=50 МПа.

4. Давление водорода, подаваемого потребителю водорода среднего давления, составляет Р=30 МПа.

5. Максимальная мощность электрогенератора составляет N=460 кВт.

Оба турбогенератора выполнены одноступенчатыми и при величине параметра кинематического подобия u/c=0,3 имеют к.п.д. η_т=0,52 и средний диаметр D_cp.T=0,082 м. При этом суммарная величина расхода водорода, поступающего основному потребителю и потребителю водорода среднего давления, равна G=1,77 кг/с. Температура водорода, поступающего основному потребителю, равна Т=269 К, а поступающего потребителю водорода среднего давления равна Т=248 К.

Компрессор при расходе водорода G=1,07 кг/с имеет к.п.д. η_К=0,43 и наружный диаметр центробежного колеса D₂=0,177 м. Частота вращения обоих турбодетандеров составляет n=70000 /мин. Подогретый водород из компрессора подается в накопитель, которым является потребитель водорода высокого давления, где он охлаждается атмосферным воздухом.

Таким образом, решена поставленная в изобретении задача. Заявляемое техническое решение позволяет снижать избыточное давление газообразного водорода из источников хранения до заданных потребителями уровней давления и дополнительным получением технических эффектов, например получением необходимых видов энергии (механической, электрической и т.д.).

Настоящее изобретение поясняется последующим описанием конструкции и работы энергетической установки со ссылкой на прилагаемый чертеж.

Энергетическая установка содержит источник 1 водорода высокого давления, по крайней мере, две герметичные капсулы 2, 3, газодинамически связанные между собой, с входными 4 или 5 и выходными 6, 7 или 8 патрубками, два турбодетандера 9, 10, два потребителя мощности 11, 12, основной потребитель водорода 13 и краны 14, 15, 16, 17 и 18. Турбодетандер 9 с потребителем мощности 11 и турбодетандер 10 с потребителем мощности 12 соответственно механически связаны между собой валами в единые узлы, причем каждый узел размещен отдельно в первой 2 и второй 3 капсулах. Вход турбодетандера 9 в первой капсуле 2 соединен с источником водорода высокого давления 1 через входной патрубок 4 и кран 14. Установка дополнительно содержит потребитель электроэнергии 19, потребители 20, 21 водорода соответственно высокого и среднего давления. Выходы турбодетандеров 9 и 10 из первой 2 и второй 3 капсул соединены соответственно с потребителями водорода 13 и 21 через выходные патрубки 6 и 7, краны 15 и 16.

Потребитель мощности 11 турбодетандера 9 в первой капсуле 2 выполнен в виде компрессора, вход которого газодинамически связан с выходом турбодетандера 9, а выход - через патрубок 8 на капсуле 2 и кран 17 соединен с потребителем водорода высокого давления 20. Краны 15, 16, 17 соответственно на входе в основной потребитель водорода 13 и потребители водорода среднего 21 и высокого давления 20 выполнены регулируемыми. Вход турбодетандера 10 во второй капсуле 3 соединен с выходным патрубком 6 первой капсулы 2 через магистраль с краном 18, а выход - через патрубок 7 на капсуле 3 и кран 16 с потребителем 21 водорода среднего давления. При этом потребитель мощности 12 турбодетандера 10 во второй капсуле 3 выполнен в виде электрогенератора.

Турбодетандерная установка, представленная на чертеже, работает следующим образом (см. чертеж).

При подключении первой капсулы 2 открываются краны 14 и 15. Водород из емкости 1 через кран 14 и патрубок 4 поступает в капсулу 2 и далее в турбодетандер 9, где понижается его давление и вырабатывается механическая энергия, которая передается компрессору 11. Газообразный водород из турбодетандера 9 делится на два потока. Первый поток проходит через капсулу 2, выходной патрубок 6 и кран 15 к основному потребителю топлива 13. Второй поток (с меньшим расходом) входит в компрессор 11, где его давление повышается и через патрубок 8 капсулы 2 и кран 17 поступает к потребителю водорода высокого давления 20.

При подключении второй капсулы 3 открываются краны 18 и 16. Водород из патрубка 6 капсулы 2 через кран 18 и патрубок 5 поступает в капсулу 3 и далее в турбодетандер 10, где давление его понижается ниже давления в первой капсуле и вырабатывается механическая энергия, которая передается электрогенератору 12 и далее потребителю электроэнергии 19. После турбодетандера 10 поток газообразного водорода направляется из капсулы 3 через патрубок 7 и кран 16 к потребителю водорода среднего давления 21.

Регулирование расхода и давления водорода, поступающего к потребителям 13, 20, 21, осуществляется с помощью кранов 15, 16, 17.

Краны 14 и 18 отсекают подачу водорода в капсулы 2 и 3, что необходимо при заправке емкости газообразным водородом, а также при проведении профилактических и регламентных работ.

При наличии запаса избыточного давления водорода количество капсул с турбодетандерами, потребителями мощности и потребителями водорода пониженного давления может быть увеличено.

Энергетическая установка может использоваться как в стационарном, так и в мобильном варианте. Мобильный вариант, например, удобен для обеспечения работы кислородно-водородных парогенераторов производства «КБХА» г.Воронеж (см. патент РФ №2371594, 11.02.2008). Такие парогенераторы могут использоваться в форс-мажорных обстоятельствах при необходимости снабжения горячей водой различных потребителей.