Кислородно-топливная энергоустановка
OXYGEN-FUEL POWER PLANT

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при разработке электрических станций с малыми выбросами вредных веществ в атмосферу.
Известна энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Bolland О., Saether S. New concepts for natural gas fired power plants which simplify the recovery of carbon dioxide //Energy Conversion and Management. - 1992. - T. 33. - №. 5-8. - C. 467-475.), содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, насос.
Недостатком данного технического решения являются большие потери энергии на охлаждение газовой турбины.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Рогалев А.Н., Киндра В.О., Зонов А.С., Рогалев Н.Д. Исследование экологически безопасных энергетических комплексов с кислородным сжиганием топлива // Новое в российской энергетике. - 2019. - 8. - С. 6-25.), содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, насос, электрогенераторы.
Недостатком данного технического решения являются большие потери энергии на охлаждение газовой турбины.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении электрического КПД энергоустановки.
Технический результат заключается в снижении расхода топлива за счет уменьшения расхода рабочей среды, забираемой из компрессора на охлаждение газовой турбины, а также расширения предварительно подогретого потока азота в турбодетандере, служащим для выработки электроэнергии.
Это достигается тем, что предлагаемая кислородно-топливная энергоустановка, содержащая многоступенчатый компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, котлом-утилизатором, содержащим горячий и холодный контуры теплоносителей, и охладителем-сепаратором, выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом многоступенчатого компрессора, топливный компрессор и воздухоразделительную установку, выходы которых соединены с двумя другими входами камеры сгорания, паровую турбину, выход которой соединен с конденсатором, выход конденсатора соединен с входом насоса, выход насоса соединен с входом холодного контура теплоносителя котла-утилизатора, выход которого соединен с входом паровой турбины, идентичные первый и второй электрогенераторы, расположенные на одном валу с газовой и паровой турбинами соответственно, снабжена многопоточным поверхностным теплообменником, содержащим собственные горячий и холодный контуры теплоносителей, турбодетандером и третьим электрогенератором, при этом вход горячего контура теплоносителя многопоточного поверхностного теплообменника подсоединен к каналам для отбора хладагента из многоступенчатого компрессора, а его выход присоединен к газовой турбине, причем вход холодного контура теплоносителя многопоточного поверхностного теплообменника соединен с другим выходом воздухоразделительной установки, а выход холодного контура теплоносителя многопоточного поверхностного теплообменника соединен с турбодетандером, механически соединенным с третьим электрогенератором.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема кислородно-топливной энергоустановки.
Кислородно-топливная энергоустановка содержит многоступенчатый компрессор 1, камеру сгорания 2, топливный компрессор 3, воздухоразделительную установку 4, газовую турбину 5, котел-утилизатор 6, содержащий горячий газовый контур теплоносителя 7 и холодный водяной контур теплоносителя 8, охладитель-сепаратор 9, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 10, паровую турбину 11, конденсатор 12, насос 13, многопоточный поверхностный теплообменник 14, содержащий горячий контур теплоносителя 15 и холодный контур теплоносителя 16, турбодетандер 17, первый электрогенератор 18, второй электрогенератор 19, третий электрогенератор 20. При этом многоступенчатый компрессор 1 расположен на одном валу с газовой турбиной 5, которая имеет механическую связь с первым электрогенератором 18. Паровая турбина 11 имеет механическую связь со вторым электрогенератором 19, а турбодетандер 17 - с третьим электрогенератором 20.
Вход многоступенчатого компрессора 1 выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, а выход многоступенчатого компрессора 1 соединен с первым входом камеры сгорания 2, со вторым входом камеры сгорания 2 соединен выход топливного компрессора 3, а третий вход камеры сгорания 2 соединен с первым выходом воздухоразделительной установки 4. Выход камеры сгорания 2 соединен с входом газовой турбины 5, выход которой соединен с горячим газовым контуром теплоносителя 7 котла-утилизатора 6. Выход горячего газового контура теплоносителя 7 котла-утилизатора 6 соединен с охладителем-сепаратором 9. Первый выход охладителя-сепаратора 9 параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 10 и с входом многоступенчатого компрессора 1. Кроме того выход холодного водяного контура теплоносителя 8 котла-утилизатора 6 соединен с входом паровой турбины 11, выход которой соединен с конденсатором 12. Вход насоса 13 соединен с выходом конденсатора 12, а выход насоса 13 соединен с входом холодного водяного контура 8 котла-утилизатора 6. Вход горячего контура теплоносителя 15 многопоточного поверхностного теплообменника 14 подсоединен к каналам для отбора хладагента из многоступенчатого компрессора 1, а его выход присоединен к газовой турбине 5. Вход воздухоразделительной установки выполнен с возможностью подачи воздуха, а ее второй выход соединен с входом холодного контура теплоносителя 16 многопоточного поверхностного теплообменника 14, выход которого соединен с турбодетандером 17.
Кислородно-топливная энергоустановка работает следующим образом. На вход многоступенчатого компрессора 1 подается поток рабочей среды, который после сжатия в многоступенчатом компрессоре 1 направляется на первый вход камеры сгорания 2, на второй вход подается природный газ, предварительно сжатый в топливном компрессоре 3, а на третий вход подается кислород, полученный в воздухоразделительной установке 4. После сгорания горячей смеси и выработки полезной работы в газовой турбине 5 выхлопные газы проходят через горячий газовый контур теплоносителя 7 котла-утилизатора 6, где они передают свою теплоту рабочей среде холодного водяного контура теплоносителя 8 котла-утилизатора 6, и попадают в охладитель-сепаратор 9, в котором из выхлопных газов отделяются водяные пары и удаляются из цикла. Образовавшийся в результате сжигания природного газа избыток диоксид углерода сжимается в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением 10 и направляется на захоронение, оставшаяся рабочая среда снова направляется на вход многоступенчатого компрессора 1. Перегретый пар, выработанный в холодном водяном контуре теплоносителя 8 котла-утилизатора 6, расширяясь, совершает работу в паровой турбине 11, после чего направляется в конденсатор 12. Образовавшийся конденсат с помощью насоса 13 направляется обратно на вход холодного водяного контура теплоносителя 8 котла-утилизатора 6. При этом для охлаждения газовой турбины 5 используется рабочая среда, отобранная из компрессора 1, которая, проходя через горячий контур теплоносителя 15 многопоточного поверхностного теплообменника 14 охлаждается азотом, подаваемым в холодный контур теплоносителя 16 многопоточного поверхностного теплообменника 14 из второго выхода воздухоразделительной установки 4. Нагретый рабочей средой азот после прохождения холодного контура теплоносителя 16 многопоточного поверхностного теплообменника 14 совершает работу в турбодетандере 17 и выбрасывается в атмосферу.
Результаты расчетов показателей тепловой эффективности кислородно-топливной энергоустановки показали, что электрический КПД нетто вырос на 2,11% по сравнению с прототипом при одинаковых термодинамических параметрах цикла - начальная температура цикла 1400°С, начальное давление 60 бар, давление на выхлопе газовой турбины 1 бар.
Использование изобретения позволяет повысить электрический КПД кислородно-топливной энергоустановки за счет установки дополнительного многопоточного поверхностного теплообменника 14, турбодетандера 17 и третьего электрогенератора 20. В предлагаемой схеме предусматривается предварительное охлаждение азотом потоков хладагента в многопоточном поверхностном теплообменнике 14, что обеспечивает снижение его расхода, а также дополнительную выработку электроэнергии в турбодетандере 17 при расширении подогретого азота.