CC BY
0Комбинированная установка с ГТУ и высокотемпературными топливными
элементами
Е.Ю.Золотухина1,2
!АО «Силовые машины», 195009, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Ватутина д.3, лит. А 2ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29
Combined gas turbine plant with high temperature fuel cells
E.YU.Zolotukhina12
JSC "Power Machines", 195009, Russia, St. Petersburg, 3 Vatutina str., lit. A 2 Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 195251, Russia, St. Petersburg,
Politechnicheskaya str., 29
e-mail: kirshina.elena.yu@yandex.ru
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.25
На данный момент топливные элементы (ТЭ) переживают активную стадию своего развития. Их конструкции совершенствуются, а количество используемых электролитов для протекания процесса с каждым разом растет. Также существует и множество вариантов применения ТЭ: они широко применяются в машиностроении, в качестве аккумуляторных батарей для ноутбуков и телефонов, предпринимаются попытки применения их в авиации и в энергоустановках [1-3].
В данном исследовании предлагается применение ТЭ в схеме парогазового контура. В ходе работы было рассмотрено три варианта комбинирования ПГУ с ТЭ.
Первый вариант заключается в применении ТЭ в контуре ГТУ и полным замещением камеры сгорания. При такой компоновке достигается достаточно высокий КПД станции по выработке электрической энергии, до 65 % (при классической компоновке ГТУ данный показатель равен 46 %).
Тем не менее при такой компоновке теряется мобильность установки и её ремонтопригодность. Необходимо проектировать систему с излишними модулями ТЭ и с достаточно тонкими системами регулирования, чтобы при выходе из строя одних модулей ТЭ система могла безударно подхватить работу и перераспределить на резервные блоки других ТЭ. Также ТЭ будет вынужден работать при огромных нагрузках как по расходу рабочего тела, так и при температурах (около 1000 градусов по Цельсию).
Второй вариант компоновки является наиболее универсальным и применимым в дальнейшем, а именно комбинированная установка ПГУ с ТЭ и дожиганием в камере сгорания (КС) (рисунок 1).
При такой компоновке достигается увеличение КПД станции по выработке электрической энергии на 13 % и снижается потребление топлива на 0,3 кг/с. Также система является ремонтопригодной, так как в любой момент времени можно перераспределять нагрузку на ТЭ и КС в различных процентных соотношениях, а также полностью перераспределить всю нагрузку на КС и вывести ТЭ из работы и наоборот.
Третий вариант компоновки заключается в полном замещении ГТУ топливными элементами. При таком варианте компоновки достигается увеличение КПД по выработке электрической энергии на 34 %, однако при такой компоновке дублируются недостатки первой, а именно, необходимость более точной системы регулирования, работа с большим объемом продуктов реакции и высокими температурами.
73
ТЭ КС
11 -12" 13-
ППВД
ИВД
ЭВД
ППНД
ИНД
ЦВД
ПП
■-0--Т
ЦНД
ЭГ
КД@>
КН®
Выпар
¡4
ПН ВД
ПН НД
_$СП2 *СП1
"ТГ
I ^тг -®--11
■V—®<п
ТП
-К8И
Рисунок 1. Парогазовый контур с топливными элементами и дожиганием в камере сгорания.
3
К
ГТ
4
РК
10
В результате исследования были получены следующие расчетные параметры (таблица 1).
Таблица 1. Результаты расчета схем ТЭЦ.
Название схемы Суммарная мощность по выработке электроэнергии, МВт Суммарный КПД по выработке электроэнергии, % Мощность топливного элемента Полный расход топлива, кг/с
Классическая ПГУ 61,83 45,76 - 2,935
ПГУ с ТЭ и замещенной КС 94,2 65,4 32,4 5,25
ПГУ с ТЭ и дожиганием в КС 80,48 58,9 18,7 2,6
ПТУ с замещенной схемой ГТУ ТЭ 105,1 79,8 43,3 18,7
Дополнительно было проведено исследование по окупаемости рассматриваемых систем (таблица 2).
Таблица 2. Оценка окупаемости применения топливных элементов на ТЭЦ
Название параметра ПГУ с ТЭ и замещенной КС ПГУ с ТЭ и дожиганием в КС ПТУ с замещенной схемой ГТУ ТЭ
Стоимость установки с водородными топливными элементами без учета транспортировки, млрд. руб. 4,131 2,360 12,98
Оценочная стоимость установки получения водорода производительностью 10 кг/ч, млрд.руб. 4,643 2,278 16,64
Затраты на эксплуатацию и ТОиР, млрд. 15,04 7,379 53,93
Название параметра ПГУ с ТЭ и замещенной КС ПГУ с ТЭ и дожиганием в КС ПТУ с замещенной схемой ГТУ
ТЭ
руб/кг*год
Удельные амортизационные отчисления и налог на имущество, млрд. руб/кг*год 29,83 14,64 106,9
Стоимость природного газа, млрд.руб/год 5,298 2,599 18,99
Себестоимость отпускаемой электрической энергии, млрд.руб/год 250,9 180,4 252,8
Суммарная годовая прибыль, млрд.руб./год 192 151,2 43,356
Как видно из расчетов, наиболее прибыльной является схема ГТУ с ТЭ и замещенной КС. Тем не менее схема ПГУ с ТЭ и дожиганием в КС также является достаточно прибыльной и доказывает не только свою энергетическую эффективность, но и экономическую [1].
Литература
[1] E.Yu. Kirshina, I.D. Anikina «Increasing the production capacity of the CHP by introducing fuel cells», Power engineering: research, equipment, technology, vol.25, N4, 41-52, (2023).
[2] S.S. Kumar, V. Himabindu «Hydrogen production by PEM water electrolysis_A review», Materials Science for Energy Technologies, N3, 442-454, (2019).
[3] A. Nicita, G. Maggio, A. Andaloro, et al «Green hydrogen as feedstock: Financial analysis of a photovoltaic-powered electrolysis plant», International Journal of Hydrogen Energy, N20, 11395-11408, (2020).
