СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
ENERGY CONVERSION METHOD

Изобретение относится преимущественно к способам преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), преимущественно к энергетическим и транспортным установкам и системам энергообеспечения на их основе и предназначено для стационарных и транспортных средств, снабженных газотурбинным приводом.
Известны способы преобразования тепловой преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), в том числе в газотурбинных энергоустановках, преобразующих первичную энергию в электрическую. Предложен, в частности, способ и устройство генерации энергии, в котором с целью повышения эффективности окислитель (воздух) сжимают компрессором, нагревают, а затем направляют в камеру сгорания, в которую подают также часть топлива и нагретый регенеративно поток окислителя и из которой продукты сгорания направляют в газовую турбину, охлаждают входящим потоком окислителя и направляют в топливный элемент на электрохимическое окисление другой части топлива, продукты реакции которого охлаждают потоком окислителя, направляемого в камеру сгорания (патент US №7709118). Недостатком данного решения является низкая надежность и эффективность генерации энергии, что связано с увеличенными затратами топлива, а также относительно низким КПД газотурбинного преобразования.
Известен также способ производства электрической энергии из природного газа, с использованием топливного элемента на твердом оксиде, содержащий стадии электрохимического окисления природного газа, прошедшего предварительное расширение и нагрев природного газа выходящим из топливного элемента потоком (Патент РФ №2199172). Недостатком данного способа и устройства также является низкая температура на входе в турбину, что снижает КПД.
В частности, увеличением рабочего тела, производимого при утилизации сбросных газов ГТУ, определенное повышение КПД достигается в способе и устройстве парогазовой установки контактного типа (КПГУ), содержащей газотурбинную установку (ГТУ), паровой котел-утилизатор (КУ), сообщенный на выходе по пару с входом (входами) ГТУ по пару, на входе греющего теплоносителя (газа) - с выходом ГТУ по газу, и газоохладитель-конденсатор, сообщенный на выходе по конденсату со входом КУ по конденсату, отличающейся тем, что КПГУ содержит дожимной компрессор, сообщенный на входе по сжимаемому газу с выходом газоохладителя-конденсатора по газу, на выходе по газу - с внешней средой, и газовую турбину перерасширения, сообщенную на входе по газу с выходом КУ по газу, на выходе по газу - с входом газоохладителя-конденсатора по газу, при этом ротор газовой турбины перерасширения связан с роторами ГТУ и (или) дожимного компрессора (патент РФ на изобретение №2252325, опубл. 20.05.2005 Бюл. №14). Недостатком данного решения является невысокая степень расширения в ГТУ, связанная с понижением параметров на входе в турбину ГТУ.
Частично этот недостаток устранен в способе подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки (ГТУ), включающем подачу в камеру сгорания углеводородного топлива и воздуха из-за компрессора, при этом часть топлива до подачи его в камеру сгорания пропускают через катализатор, отличающемся тем, что топливо перед подачей на катализатор смешивают с воздухом, нагревают катализатор и с его помощью осуществляют автотермическую воздушную конверсию с получением газовой смеси, содержащей водород и окись углерода (патент РФ на изобретение №2212590, опубл. 20.09.2003 - аналог). Недостатком данного способа служит низкая степень утилизации сбросного тепла ГТУ и, как следствие, - относительно низкий КПД.
Дальнейшим развитием предложенной в аналоге концепции явился способ работы газотурбинной установки, предусматривающий подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и парометановодородной смеси, расширение продуктов ее сгорания в газовой турбине, охлаждение путем испарения или перегрева водяного пара высокого давления, конденсацию водяного пара низкого давления, содержащегося в продуктах сгорания, испарение и перегрев конденсата с образованием водяного пара высокого давления, направляемого в газотурбинную установку, где поступающий природный газ смешивают с водяным паром высокого давления с получением метансодержащей парогазовой смеси, которую нагревают потоком указанных продуктов сгорания в теплообменнике, пропускают через каталитический реактор реформирования метана с образованием на выходе парометановодородной смеси, подаваемой в камеру сгорания газотурбинной установки, отличающийся тем, что повышают температуру теплообменных процессов газотурбинной установки путем дополнительного сжигания топлива в потоке продуктов сгорания парометановодородной смеси, отбираемом на выходе из дополнительной свободной силовой газовой турбины, а перед подачей в камеру сгорания парометановодородной смеси ее предварительно охлаждают до температуры, не превышающей температурный диапазон 200÷240°C, с одновременной частичной конденсацией водяного пара, конденсат отделяют, испаряют и расходуют при подготовке метансодержащей парогазовой смеси и водяного пара низкого давления, который пропускают через дополнительную свободную силовую газовую турбину (патент РФ на изобретение №2561755, опубл.: 10.09.2015. Бюл. №25 - прототип). Недостаток данного способа преобразования энергии в газотурбинной установке - недостаточно высокая эффективность генерации энергии, связанная с необходимостью дожигания топлива в потоке продуктов сгорания, а также потери, связанные с недостаточным расширением продуктов сгорания в турбине.
Таким образом, возникает задача создания способа преобразования энергии в газотурбинной установке, способного обеспечивать высокую эффективность генерации энергии.
Задача изобретения - создать способ преобразования энергии в газотурбинной установке, позволяющий повысить эффективность генерации энергии, снизить расход топлива, уменьшить потери, связанные с недостаточным расширением продуктов сгорания в турбине, повысить надежность работы газотурбинной установки за счет дополнительных возможностей регулирования ее температурных и мощностных режимов вне зависимости от режима газовой турбины, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения.
Технический результат, достигаемый в способе преобразования энергии относительно его прототипа, выражается в улучшении эксплуатационных характеристик путем наиболее полного использования энергии отводимых продуктов сгорания, повышении мощности установки, сокращении расхода природного газа на 16%, а также в повышении эффективного КПД на 8% отн.
Поставленная задача в способе преобразования энергии предусматривает подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и парометановодородной смеси, расширение продуктов ее сгорания в газотурбинной установке, последующее их охлаждение в утилизаторе путем испарения с образованием водяного пара высокого давления, который смешивают с природным газом с получением метансодержащей парогазовой смеси, которую пропускают через каталитический реактор конверсии метана с образованием на выходе парометановодородной смеси, охлаждаемой затем до температуры, не превышающей температурный диапазон 200÷240°C, с одновременной частичной конденсацией водяного пара, содержащегося в парометановодородной смеси, подаваемой в охлажденном виде в камеру сгорания газотурбинной установки, и получение из конденсата водяного пара низкого давления, направляемого в свободную силовую газовую турбину,
решается тем, что в каталитический реактор реформирования метана подают поток сжатого воздуха, отбираемого из компрессора газотурбинной установки.
Кроме того:
- водяной пар из утилизатора делят на два потока: высокого и низкого давления, в поток водяного пара низкого давления добавляют пар, который получают из конденсата путем его испарения и перегрева за счет охлаждения парометановодородной смеси, выходящей из реактора;
- парометановодородную смесь перед камерой сгорания смешивают с природным газом;
- температуру парометановодородной смеси на выходе из реактора поддерживают в диапазоне 500÷600°C;
- соотношение воздух/пар на входе в реактор поддерживают в диапазоне 0.5÷1.5;
- перед реактором осуществляют подогрев воздуха, водяного пара и природного газа за счет охлаждения парометановодородной смеси, выходящей из реактора;
- в качестве катализатора в реакторе используют металл, выбранный из ряда никель, рутений, родий, палладий, иридий, нанесенных на огнеупорные оксиды, такие как кордиерит, муллит, оксид хрома, титанат алюминия, шпинели, диоксид циркония и оксид алюминия;
- давление на входе в свободную силовую газовую турбину поддерживают в диапазоне 0.2÷0.4 МПа.
Примером реализации изобретения служит способ преобразования энергии в газотурбинной установке со свободной силовой газовой турбиной, описанный ниже.
В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве топлива применяется природный газ, в качестве окислителя - воздух, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам окисления природного газа и расширения продуктов сгорания природного газа в газовой турбине, в частности на транспортных или стационарных энергоустановках.
На фигуре дана схема реализации способа, где 1 - воздух, 2 - компрессор, 3 - сжатый воздух, 4 - камера сгорания, 5 - технологический воздух, 6 - парометановодородная смесь, 7 - продукты сгорания, 8 - турбина высокого давления, 9 - поток рабочего тела, 10 - силовая турбина, 11 - дымовые газы, 12 - утилизатор, 13 - питательная вода, 14 - сбросные газы, 15 - водяной пар, 16 - теплообменник, 17 - природный газ, 18 - реактор конверсии, 19 - конвертированный газ, 20 - охладитель, 21 - охлажденная парометановодородная смесь, 22 - природный газ, 23 - вывод конденсата, 24 - водяной пар низкого давления, 25 - пароперегреватель, 26 - подвод природного газа.
Способ осуществляется следующим образом.
Воздух низкого давления 1 сжимают в компрессоре 2. Затем сжатый воздух 3 подают в камеру сгорания 4, в которую подают также парометановодородную смесь 6 в качестве топлива. Продукты сгорания 7 подают из камеры сгорания 4 в турбину высокого давления 8, в которой проводят расширение продуктов сгорания 7, смешиваемых затем с водяным паром низкого давления 24 с образованием рабочего тела 9, приводящего в действие свободную силовую газовую турбину 10 газотурбинной установки. В камеру сгорания 4 газогенератора подают одновременно парометановодородную смесь 6, поступающую из каталитического реактора конверсии 18, природный газ 26 и сжатый компрессором 2 воздух 3.
Работа реактора конверсии 18 для получения парометановодородной смеси 6, подаваемой в камеру сгорания 4 газотурбинной установки, осуществляется при подаче в реактор конверсии 18 сжатого компрессором 2 воздуха 5, который служит окислителем парометановой смеси, подаваемой также в реактор конверсии 18.
Поток дымовых газов 11, отбираемых на выходе из свободной силовой газовой турбины 10, направляют на последующее их охлаждение в утилизаторе 12 путем испарения питательной воды 13 с образованием водяного пара 15, часть которого в виде пара высокого давления смешивают с природным газом 17 с получением парометановой смеси, которую пропускают через каталитический реактор конверсии 18 с образованием нагретой парометановодородной смеси 19. Температуру парометановодородной смеси на выходе из реактора конверсии 18 поддерживают в диапазоне 500÷600°C. Затем парометановодородную смесь 19 охлаждают в теплообменнике 16 и охладителе 20 до температуры, не превышающей температурный диапазон 200÷240°C. В охладителе 20 происходит охлаждение и частичная конденсация водяного пара, содержащегося в парометановодородной смеси 19, Полученный конденсат 23 испаряют и после нагрева в пароперегревателе 25 в виде перегретого водяного пара низкого давления 24 смешивают с потоком рабочего тела 9 и направляют в свободную силовую газовую турбину 10.
Охлажденные в утилизаторе 12 низкотемпературные сбросные газы 14 с пониженным содержанием оксидов азота сбрасывают в атмосферу.
В каталитическом реакторе конверсии 18 в результате процесса реформирования метана образуется парометановодородная смесь 19 с заданными техническими характеристиками, ниже представленными в таблице.
3
В таблице приведены составы и теплофизические характеристики извлекаемой из каталитического реактора конверсии 18 парометановодородной смеси (ПМВС) 19. Данные на 10000 м/ч парометановодородной смеси 19.
В пересчете по сухому газу концентрация водорода, содержащегося в метановодородной смеси 19 на выходе из каталитического реактора 18, в процентном отношении составляет около 40%.
Величину давления в потоках парометановодородной смеси 19 и водяного пара высокого давления 15 поддерживают в диапазоне 2,0-8,0 МПа, максимально приближая ее к величине давления на входе в газовую турбину 8.
Каталитический реактор конверсии 18 может быть разделен на два реактора, при этом реформирование метана метансодержащей парогазовой смеси в первом и втором каталитических реакторах ведут поочередно, без подвода тепловой энергии и на однотипном катализаторе, в качестве которого в реакторе конверсии 18 используют металл, выбранный из ряда никель, рутений, родий, палладий, иридий, нанесенный на огнеупорные оксиды, такие как кордиерит, муллит, оксид хрома, титанат алюминия, шпинели, диоксид циркония и оксид алюминия.
Соотношение воздух/пар на входе в реактор конверсии 18 поддерживают в диапазоне 0.5÷1.5.
Перед реактором конверсии 18 осуществляют подогрев воздуха 5, водяного пара 15 и природного газа 17 за счет охлаждения парометановодородной смеси 19, выходящей из реактора конверсии 18.
Давление на входе в свободную силовую газовую турбину 10 поддерживают в диапазоне 0.2÷0.4 МПа.
Для повышения производительности и ресурса работы каталитического реактора конверсии 18 исходный природный газ 17 предварительно очищают от соединений серы.
В процессе реализации излагаемого способа генерации энергии могут использоваться возможности нагрева водяного пара низкого давления 24 с помощью внешнего подвода тепла, например высокотемпературного ядерного реактора (на фигуре не показан).
Таким образом, указанный способ позволит повысить возможности генерации энергии, снизить расход топлива, уменьшить потери, связанные с недостаточным расширением продуктов сгорания в турбине, повысить надежность работы газотурбинной установки за счет дополнительных возможностей утилизации тепловой энергии на различных температурных и мощностных режимах газовой турбины, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения - задача изобретения.