Тандем - 2, шлакоблочные станки, бетоносмесители


Производство оборудования и технологии
Рубрики

Теплові електричні станції на базі паливних елементів

У зв’язку з уповільненням темпу збільшення економічності ТЕС за рахунок модернізації традиційних технологій перетворення хімічної енер — гії палива на електричну в останні роки все більший інтерес викликає ви­користання в енергетиці нетрадиційних технологій, зокрема на основі реалізації електрохімічного процесу перетворення хімічної енергії вугле­водневих палив на електричну енергію на базі паливних елементів. Тра­диційні технології одержання електричної енергії реалізуються у такій послідовності:

— перетворення хімічної енергії (ХЕ) палива на потенційну енергію (ПЕ) робочого тіла в котлі або камері згорання;

— перетворення ПЕ на кінетичну енергію (КЕ) робочого тіла у соп­ловому апараті турбіни;

— перетворення КЕ робочого тіла на робочих лопатках турбіни на механічну енергію (МЕ) обертання ротора турбіни;

— пер етвор ення М Е на електричну енер гію (ЕЕ) в електр огенер аторі;

— передача ЕЕ через трансформаторні підстанції (ТП) та лінії елект­ропередач (ЛЕП) споживачам.

У результаті необоротності на всіх проміжних стадіях процесу пере­творення енергії мають місце великі втрати роботоздатності, що визнача­ється рівнянням Гюї — Стодоли

AL = T0 AS, (8.6)

де Т0 — температура навколишнього середовища; AS^^ — збільшення ентро­пії системи в результаті необоротних процесів, що відбуваються в системі.

За AL можна оцінити коефіцієнт утрат роботоздатності за формулою

Ппр = L=x. (8’7)

“кор

T

де L™^ = <31(1 —^0) — максимальна корисна робота; q1 — теплота, що підво­диться до робочого тіла і відповідає хімічній енергії палива; Т — максималь — на темпер атур а р обочого тіла.

Для ПТУ коефіцієнт втратроботоздатності може становити 60 % і більше, причому основний внесок дає необоротність процесів теплообміну в котлі (~40 %), теплові втрати в котлі (~9 %), необоротність розширення пари в турбіні (~7 %), необоротність теплообміну в конденсаторі (~4 %).

Якщо використовують паливні елементи, то немає всіх проміжних стадій, крім початкової і кінцевої, тобто ХЕ зразу перетворюється на ЕЕ і тим самим виключаються всі джерела необоротних втрат, що істотно під­вищує ККД електрохімічного генератора.

Паливний елемент — електрохімічний пристрій (рис. 8.8), у якому ХЕ палива з достатнім ступенем ефективності перетворюється безпосередньо на електричну у вигляді постійного струму низької напруги. Паливні елементи постійно постачають паливом, вони подібні батареям постійно­го струму, які працюють безперервно.

Подпись:Подпись:Подпись:Подпись:image70

image71

©©

Паливний елемент теоретично являє собою пристрій, який складаєть — ся з двох електродів та іонного провідника між ними. У кожному елект­роді забезпечується розвинена межа поділу трьох фаз: газоподібної (реа­гентів), твердої (провідника першого роду) ірідкої або твердої (провідни­ка другого роду). Така межа поділу фаз створюється в пористих електро­

дах з високорозвиненою поверхнею (до 100 м /г). Щоб прискорити реак­цію, у пористі електроди вводять каталізатори (платину та її сплави, ні­кель, оксиди нікелю, кобальту, лантану та ін.). Електроди мають газові камери, у які підводять і рівномірно розподіляють по електроду реагенти із яких відводять продукти реакції (Н2 О, С02 та ін.) і теплоту.

Паливні елементи можуть бути низько — (до 100 °С), середньо — (100…250 оС) і високотемпературні (500…1 000 °С). З алежно в ід робочої температури застосовуть ті або ті іонні провідники (електроліти) і реаген­ти (паливо і окиснювач).

За типом електролітів паливні елементи поділяють на п’ять видів: з лужним електролітом, фосфорнокислотним електролітом, твердополімер — ним електролітом, розплавленими карбонатами і твердооксидним елект — р олітом.

Низькотемпературні паливні елементи з лужним і твердим полімер — ним електролітом працюють на водні високої чистоти. Середньо — і висо­котемпературні паливні елементи (з фосфорнокислотним, розплавленим карбонатним і твердим оксидним електролітами) не потребують особливо чистого палива, яке містить водень. Фосфорнокислотні паливні елементи забезпечують спільну генерацію теплової та електричної енергії. Високо­температурні паливні елементи дозволять у майбутньому використовува­ти викопні види твердого і рідкого палива з попередньою їх газифікацією.

Електроенергетична установка з паливним елементом містить такі си­стеми : підготовки палива, генерування енергії на основі паливного еле­менту і перетворення постійного струму на змінний струм із заданими значеннями напруги і частоти. Надійність роботи паливних елементів передусім визначається правильним вибором системи підготовки палива, яким для високотемпературних паливних елементів можуть слугувати продукти конверсії природного газу і газифікації рідкого палива івугілля.

Пароводяна конверсія метану (риформінг) можлива при температурі 1 300. 1 500 °С. Каталізатори зумовлюють зниження температури прове­дення цього процесу до 600 °С.

Пароводяна конверсія метану СН4 проходить у дві стадії:

СН4 + Н2 О = СО + ЗН2; (8.8)

СО + Н2 О = СО2 + Н2. (8.9)

Першу стадію проводять в апараті на нікелевих каталізаторах під тис­ком 1…2 МПа і температурі 600…700 оС. Склад продуктів конверсії при 750 оС: Н2 — 59,4 %; СО — 9,8 %; Н2О — 23 %; СО2 — 7,8 %. Мінімальне від­ношення пари до СН4, за якого сажа не утворюється і продукти конверсії мають окисно-відновні властивості, дорівнює 1,5 і вище. Конверсію мо­нооксиду вуглецю проводять на залізохромовому каталізаторі при 360…400 °С (перша стадія) і на мідному каталізаторі при 220…250 °С (друга стадія).

Парокиснева конверсія полягає у взаємодії вуглеводнів із сумішшю водяної пари і кисню

СН4 + хН2 О + / (1 — х)02 = СО + (х + 2)Н2. (8.10)

У цьому разі процес не потребує зовнішнього підведення теплоти че­рез стінки реактора. Першу стадію процесу зазвичай проводять при ви­щій температурі 840…900 оС і тиску до 4 МПа. Ефективний ККД процесу становить 67-70 %.

Найбільших успіхів у використанні паливних елементів досягли фір — ми Westinghouse, GE (США), Siemens AG, ABB (Німеччина), Fuji Electric, Toshiba, Hitachi (Японія) та ін. Так, у Японії, у рамках програми Moon Light Project з 1991 року на одній з електростанцій діє установка потуж­ністю 11 МВт, принципову схему якої показано нарис. 8.9.

image72

Рис. 8.9. Схема енергоустановки на паливних елементах з фосфорно — кислотним елек — тролітом (електростанція Гоі компанії Терсо, Японія) потужністю 11 МВт спільного

виробництва фірм IFC і Toshiba

До складу установки входить ГТУ, яка не виробляє корисної роботи, а потрібна тільки для одержання стисненого повітря, що живить батареї паливних елементів. ККД такої установки дорівнює 41,1 %, аз урахуван­ням споживання теплоти для цілей теплофікації коефіцієнт використання енергії палива може досягати 73 %.

Можливо також реалізувати енергетичну установку, яка працює за так званим потрійним циклом (рис. 8.10).

Така установка складається з трьох частин: електрохімічного генера­тора, ГТУ і ПТУ. Комбінація ГТУ і ПТУ, по суті, реалізує цикл БПГУ зі скиданням газів у котел-утилізатор.

image73

Рис. 8.10. Структурна схема ТЕС з потрійним циклом (з електрохімічним генератором, газотурбінною і паротурбінною установками): І — електрохімічний генератор;

II — ПТУ; ІІІ — ГТУ; 1 — риформер; 2 — газифікатор; 3 — інвертор; 4 — батарея паливних елементів; 5 — котел — утилізатор; 6 — парова турбіна; 7 — система регенерації; 8 — каме — ра згорання; 9 — компресор; 10 — газова турбіна

ККД ТЕС, яка працює за потрійним циклом, може досягати 70 % зі зменшенням викидів ЬСо на 40-60 %. Крім того, у десятки разів знижу —

ється bNох, виключається забруднення води і з’являється можливість її генерування. Підвищується надійність роботи устаткування ТЕС (що та­кож є показником екологічної безпеки) у зв’язку з браком термонапруже — них елементів і зменшенням кількості обертових механізмів.

Додатковою відмінною рисою енергоустановок на базі паливних еле­ментів є можливість використання цієї енерготехнології як у системах автономного (децентралізованого енергоспоживання), так і в установках централізованого виробництва теплової та електричної енергії.

Оставить комментарий