Газотурбинная система генерирования энергии, содержащая систему аварийной подачи энергии

Газотурбинная система генерирования энергии, содержащая систему аварийной подачи энергии

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к газотурбинной системе генерирования энергии, содержащей систему аварийной подачи энергии, и, более конкретно, к системе аварийной подачи энергии, обеспечивающей бесперебойную подачу энергии в газотурбинной системе генерирования энергии.

Предшествующий уровень техники

В системах генерирования энергии, предназначенных для применений крупномасштабного генерирования электричества, газовая турбина, как правило, используется для приведения в действие синхронного генератора, который обеспечивает выработку электрической энергии системы. Поскольку первостепенное значение имеет тот факт, чтобы выработка электрической энергии не прерывалась, в особенности в переходных и аварийных режимах, что может привести к полному или частичному аварийному отключению, эти системы генерирования энергии, как правило, оборудуются системами аварийной подачи энергии, которые являются независимыми системами генерирования энергии, гарантирующими бесперебойную подачу энергии в случаях отказа или сбоя в работе.

Системы бесперебойной подачи энергии (UPS) являются известными системами аварийной подачи энергии в существующем уровне техники, обеспечивающими аварийную энергию в автоматическом режиме без задержки или переходных режимов для критически важных областей применения в случае перебоя или неприемлемого состояния основной подачи, обеспечиваемого посредством системы генерирования энергии. Как правило, базовая система UPS содержит аккумулятор, зарядное устройство и инвертор, таким образом, чтобы аккумулятор обеспечивал подачу энергии, необходимую для дополнения основной подачи энергии от системы генерирования энергии, таким образом, поддерживая надежность вышеупомянутой подачи энергии.

Однако в случаях, когда требуемая подача электрической энергии превышает емкость аккумулятора или аккумуляторов, составляющих типичные системы UPS, необходима установка дополнительной независимой генерирующей энергию системы. Как правило, эта независимая генерирующая энергию система содержит дизельный генератор, известный как резервный дизельный генератор, являющийся комбинацией дизельного двигателя с электрогенератором, зачастую генератором переменного тока, для генерирования электрической энергии. Следовательно, в таких случаях, системы аварийной подачи энергии одновременно содержат UPS и резервный дизельный генератор. Однако проблема аварийных систем заключается в том, что они являются сложными, дорогими и требуют значительного пространства в конструкции системы генерирования энергии. Кроме того, повторный запуск системы генерирования энергии после возникновения отказа или сбоя в работе допускается, только если система UPS снова доступна, что означает, что аккумуляторы в UPS должны быть заряжены, что дает в результате дорогостоящий и трудоемкий процесс.

Из уровня техники известно использование топливных элементов для обеспечения бесперебойной подачи энергии, обеспечивающей большую продолжительность непрерывной работы при небольшом пространстве. Топливный элемент преобразует химическую энергию из топлива в электричество посредством химической реакции. Топливные элементы отличаются от аккумуляторов в том плане, что для их работы необходим постоянный источник топлива и кислорода, но они могут осуществлять непрерывное производство электричества до тех пор, пока подаются эти вводимые ресурсы. Топливные элементы, используемые для бесперебойной подачи энергии, известны из уровня техники в соответствии с патентами JP 2004129337 (A), JP 8236134 (A), CN 202034819 (U) или WO 01/71885 A1.

В патенте US 6,992,401 B1 раскрывается система аварийной бесперебойной подачи энергии для средств телекоммуникаций, содержащая топливные элементы с протонообменной мембраной, в которые в качестве топлива подается водород, и это топливо хранится на месте для немедленного использования в случае сбоя в подаче энергии от внешнего источника и подаче энергии от газовых микротурбин.

В патенте US 2007/057510 A1 описана бесперебойная аварийная система для телекоммуникационного оборудования, имеющая топливный элемент, в который подается водород через расходный бак-накопитель в случае выхода из строя первичного источника питания переменного тока (AC), например газового микротурбинного генератора.

Комбинированная система генерирования энергии, содержащая топливный элемент и газовую турбину, известна из документа US 5,482,791: топливный элемент генерирует электрическую энергию, которая вместе с электрической энергией, сгенерированной посредством генератора, приводимого в действие посредством газовой турбины, отправляется в электрическую энергетическую систему. Однако часть этой энергии потребляется электродвигателем, приводящим в действие воздушный компрессор, необходимый для питания топливного элемента, и, таким образом, эффективность этой системы генерирования энергии уменьшается, и необходимы дополнительные топливные элементы в случае функционирующих газовых турбин, имеющих большое энергопотребление, что является затратным и усложняет систему.

Настоящее изобретение предназначено для разрешения вышеупомянутых недостатков и ограничений предшествующего уровня техники, как будет подробно описано далее.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к газотурбинной системе генерирования энергии, содержащей генератор с водородным охлаждением, имеющий газообразный водород в качестве теплоносителя, хранилище водорода энергоблока, вспомогательное оборудование генератора и систему аварийной подачи энергии, обеспечивающую бесперебойную подачу энергии. Система аварийной подачи энергии согласно изобретению содержит топливный элемент, в качестве топлива использующий водород, причем в топливный элемент через отдельный трубопровод подается водородное топливо из водородного заполнения генератора с водородным охлаждением, в случае отказа или сбоя подачи энергии от газотурбинной системы генерирования энергии.

Согласно варианту осуществления изобретения в топливный элемент подается дополнительный водород через трубопровод от хранилища водорода энергоблока и/или дополнительный водород через трубопровод от вспомогательного оборудования генератора в случае отказа или сбоя подачи энергии от газотурбинной системы генерирования энергии.

При использовании системы согласно изобретению получается одновременное уменьшение потребности в оборудовании и в пространстве. Кроме того, повышается готовность к работе газотурбинной системы генерирования энергии после возникновения отказа или сбоя в подаче энергии.

Система аварийной подачи энергии согласно изобретению может быть сконфигурирована в виде системы бесперебойной подачи энергии (UPS), обеспечивающей аварийную подачу энергии в газотурбинной системе генерирования энергии.

Система аварийной подачи энергии согласно изобретению также может быть сконфигурирована в виде независимой генерирующей энергию системы, питающей газотурбинную систему генерирования энергии.

Кроме того, система аварийной подачи энергии согласно изобретению может быть сконфигурирована в виде системы бесперебойной подачи энергии (UPS) и независимой генерирующей энергию системы, причем обе сконфигурированы в виде одной системы и используются в пределах газотурбинной системы генерирования энергии.

Краткое описание чертежей

Предшествующие цели и большое количество сопутствующих преимуществ этого изобретения станут еще более понятны по мере их лучшего осмысления со ссылкой на последующее подробное описание при его рассмотрении совместно с сопроводительными чертежами, на которых

Фиг.1 схематично изображает газотурбинную систему генерирования энергии согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к газотурбинным системам генерирования энергии, обеспечивающим бесперебойную подачу энергии. Газотурбинная система генерирования энергии содержит генератор 3 с водородным охлаждением, содержащий газообразный водород в качестве теплоносителя. В процессе нормальной работы энергоблока по генерированию энергии, водород для генератора 3 с водородным охлаждением подается из хранилища 4 водорода энергоблока во вспомогательное оборудование 5 генератора. Во вспомогательном оборудовании 5 генератора (газовом блоке) водород подается, обрабатывается, очищается и охлаждается для его применения в генераторе 3 с водородным охлаждением.

Система 1 аварийной подачи энергии из изобретения содержит топливный элемент 2 водородного типа (в качестве топлива использующий водород) так, чтобы во время отказа или сбоя подачи энергии в газотурбинной системе генерирования энергии, водородное заполнение генератора 3 с водородным охлаждением отводилось в топливный элемент 2 (см. трубопровод 20 подачи водорода на Фиг.1), таким образом, обеспечивая непрерывную подачу энергии посредством аварийной сети 10 подачи (см. Фиг.1).

Большие газотурбинные электростанции оборудованы генераторами 3 с водородным охлаждением: во время отказа или сбоя в подаче энергии, водород, заполняющий этот генератор 3 с водородным охлаждением, должен быть выпущен во внешнюю среду посредством его продувки инертным газом и CO₂, позже заменяемым на окружающий воздух. Продувка генератора 3 с водородным охлаждением инертным газом и CO₂ от водорода, как правило, является процессом, требующим продолжительного времени для приведения газотурбинной электростанции в безопасное состояние. Следовательно, при использовании системы согласно изобретению, этот затратный по времени процесс отклоняется и используется для обеспечения энергии для топливного элемента 2 посредством подающего трубопровода 20, следовательно, обеспечивая осуществление более эффективной системы.

Топливный элемент 2 содержит анод (отрицательный полюс), катод (положительный полюс) и электролит, который позволяет зарядам перемещаться между двумя полюсами топливного элемента 2, таким образом, чтобы электроны перемещались от анода к катоду через внешнюю цепь, производя электричество постоянного тока.

Предпочтительно, в генераторе 3 используется водород, а не воздух, по нескольким причинам:

- по своей природе лучший коэффициент теплопередачи (в 14 раз лучше, чем воздух);

- лучшая теплопередача при более высоком давлении водорода;

- меньше потери на сопротивление и потери на трение, чем воздух;

- устранение частичного разряда при повышенном давлении водорода;

- существенное увеличение напряжения пробоя компонентов генератора.

Согласно варианту осуществления изобретения, топливный элемент 2 в системе 1 аварийной подачи энергии питается при помощи отведенного водорода, заполняющего генератор 3 с водородным охлаждением (подающий трубопровод 20) в случае отказа или сбоя в подаче энергии, а также водорода из хранилища 4 водорода энергоблока (подающий трубопровод 40) или водорода от вспомогательного оборудования 5 генератора (подающий трубопровод 50). Система 1 аварийной подачи энергии может быть сконфигурирована в виде системы бесперебойной подачи энергии (UPS), обеспечивающей аварийную подачу энергии в газотурбинную энергетическую установку (аварийную сеть 10 подачи).

Система 1 аварийной подачи энергии также может быть сконфигурирована в виде независимой генерирующей энергию системы, питающей газотурбинную систему генерирования энергии посредством независимой подачи 60 энергии (Фиг.1).

Кроме того, система 1 аварийной подачи энергии может быть сконфигурирована в качестве системы бесперебойной подачи энергии (UPS) (аварийной сети 10 подачи) и независимой генерирующей энергию системы (независимой подачи 60 энергии), причем обе они сконфигурированы в виде одной системы и используются в пределах газотурбинной системы генерирования энергии (это является конфигурацией, фактически изображенной на приложенной Фиг.1).

Несмотря на то что настоящее изобретение было описано в полном объеме применительно к предпочтительным вариантам осуществления, очевидно, что в пределах его объема могут быть привнесены модификации, не рассматривая настоящее изобретение как ограниченное посредством этих вариантов осуществления, а посредством содержания следующей формулы изобретения.

Список ссылочных обозначений

1 Система аварийной подачи энергии

2 Топливный элемент

3 Генератор с водородным охлаждением

4 Хранилище водорода энергоблока

5 Вспомогательное оборудование генератора для подачи водорода (газовый блок)

10 Аварийная сеть подачи

20 Подающий трубопровод для водорода от генератора 3 с водородным охлаждением

40 Подающий трубопровод для водорода от хранилища 4 водорода энергоблока

50 Подающий трубопровод для водорода от вспомогательного оборудования 5 генератора

60 Независимая подача энергии.

1. Газотурбинная система генерирования энергии, содержащая генератор (3) с водородным охлаждением, имеющий водород в качестве теплоносителя, хранилище (4) водорода энергоблока, вспомогательное оборудование (5) генератора и систему (1) аварийной подачи энергии, которая содержит топливный элемент (2), в качестве топлива использующий водород, отличающаяся тем, в топливный элемент (2) через трубопровод (20) подается водородное топливо из водородного заполнения генератора (3) с водородным охлаждением в случае отказа или сбоя подачи энергии от газотурбинной системы генерирования энергии.

2. Газотурбинная система генерирования энергии по п.1, отличающаяся тем, что в топливный элемент (2) подается дополнительный водород через трубопровод (40) из хранилища (4) водорода энергоблока и/или дополнительный водород через трубопровод (50) из вспомогательного оборудования (5) генератора в случае отказа или сбоя подачи энергии от газотурбинной системы генерирования энергии.

3. Газотурбинная система генерирования энергии по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система (1) аварийной подачи энергии сконфигурирована в виде системы бесперебойной подачи энергии (UPS), обеспечивающей аварийную энергию для газотурбинной системы генерирования энергии.

4. Газотурбинная система генерирования энергии по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система (1) аварийной подачи энергии сконфигурирована в виде независимой генерирующей энергию системы, питающей газотурбинную систему генерирования энергии.

5. Газотурбинная система генерирования энергии по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система (1) аварийной подачи энергии сконфигурирована в виде системы бесперебойной подачи энергии (UPS) и независимой генерирующей энергию системы, причем обе они сконфигурированы в виде одной системы и используются для питания газотурбинной системы генерирования энергии.