микротурбина

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.

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].

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.

Недостатками известных микротурбин являются:

- 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;

- 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.

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.

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.

Использование данного изобретения позволяет достичь следующих результатов:

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.

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;

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.

На чертеже представлена схема микротурбины.

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.

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.

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.

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.

1. Каталог газотурбинного оборудования - 2006. г.Рыбинск Ярославской обл., ЗАО «Газотурбинные технологии», 2006 г. - стр.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)

3. И.В.Маслов. Высокотемпературные топливные ячейки - когенерационные источники энергии будущего / Турбины и дизели, №1, январь-февраль 2006 г. - стр.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.