УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СЖИЖЕННОГО ГАЗА НА БАЗЕ ГАЗОВЫХ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно, к установкам для производства сжиженного газа на базе газовых тепловых электростанций (ТЭС).
Из уровня техники известны решения, относящиеся либо к электростанциям, либо к установкам для сжижения газа.
Так, из патента РФ №2129213 (опубликован 20.04.1999) известна электростанция, которая содержит трубчатый цилиндрический котел, турбину с генератором и систему нагрева (охлаждения) рабочего тела, включающую компрессор, конденсатор, теплообменник и сосуд Дьюара с трубопроводами и запорно-регулирующей арматурой, при этом электростанция содержит вентилятор, насос, второй сосуд Дьюара и второй компрессор, которые вместе с первым компрессором составляют контур хладагента - жидкого воздуха, в качестве энергоносителя применен атмосферный воздух, а в качестве рабочего тела - азот, циркулирующий в системе котел - турбина - конденсатор - сосуд Дьюара - насос - теплообменник - котел, причем последний установлен горизонтально, снабжен системой нагрева рабочего тела, выполненной в виде воздуховодов, при этом всасывающий коллектор для подачи атмосферного воздуха установлен на входе в котел со стороны, противоположной входу рабочего тела в нижний барабан, вентилятор установлен в месте входа рабочего тела в нижний барабан, а напорная линия рабочего тела за питательным насосом проходит через теплообменник в противотоке с холодным воздухом из котла.
Также из описания к патенту РФ №2202044 (опубликован 10.04.2003) известна электростанция, включающая трубчатый цилиндрический котел, пароперегреватель, турбину с генератором, два вентилятора, два насоса, два фильтра, два компрессора, два сосуда Дьюара, конденсатор, испаритель, два транспортера, в качестве энергоносителя в которой применен атмосферный воздух, а в качестве рабочего тела и хладагента применена криогенная жидкость, котел и пароперегреватель снабжены системой нагрева рабочего тела, выполненной в виде воздуховодов и вентиляторов, а напорная линия рабочего тела за питательным насосом проходит через теплообменник, при этом электростанция содержит два устройства для осушки воздуха, установленных на входе воздуха в котел и пароперегреватель, второй испаритель, пристроенный к сосуду Дьюара для рабочего тела, и третий компрессор, который поддерживает температуру рабочего тела в сосуде Дьюара на заданном уровне, а отобранный пар направляет через теплообменник в испаритель сосуда Дьюара рабочего тела.
Кроме этого, известна установка для сжижения газа, которая содержит основной теплообменник, в котором природный газ сжижают путем косвенного теплообмена с испаряющимся хладагентом, и контур хладагента, в котором испарившийся хладагент сжимают и сжижают для получения сжиженного хладагента, который используют в основном теплообменнике, при этом контур хладагента включает последовательность компрессоров, в которой, по меньшей мере, один компрессор работает только от электродвигателя (патент РФ №2289770, опубликован 20.12.2006).
Также широко известна блочная тепловая электростанция - электростанция, состоящая из отдельных энергоблоков, например "котел - турбина - генератор - трансформатор", образующих технологический комплекс для производства электроэнергии (Большая советская энциклопедия).
Упрощенная принципиальная схема конденсационной паротурбинной электростанции описана следующим образом: в топке котлоагрегата сжигается топливо (природный газ, уголь или мазут). Необходимый для сгорания воздух, предварительно нагретый уходящими из котлоагрегата газами в рекуперативном воздухоподогревателе, подается в топку дутьевым вентилятором. Продукты сгорания отдают свою теплоту также воде и водяному пару в различных элементах котлоагрегата и с температурой 130-150°С через золоуловитель поступают в дымосос, который выбрасывает их в дымовую трубу. Рабочее тело, преобразующее теплоту в механическую работу, - водяной пар. Перегретый водяной пар поступает из пароперегревателя и направляется в паровую турбину. В турбине пар поступает через неподвижные сопла в каналы, образованные криволинейными лопатками, закрепленными по окружности ротора, и, отдавая свою энергию, приводит ротор во вращение. Механическая энергия ротора турбины преобразуется в электроэнергию в электромеханическом генераторе.
Недостатками всех известных на сегодняшний день газовых ТЭС является неполное и неэффективное использование поступающего природного газа, повышенный износ основного энергетического оборудования ввиду его неоптимальной работы в условиях постоянно изменяющейся нагрузки.
Задачи, на решение которых направлена патентуемая полезная модель:
- обеспечение эффективного и полного использования газа, поступающего на электростанцию;
- обеспечение эксплуатации электростанции в экономичном режиме (номинальный режим, заданный в паспортных данных) оптимальное время без изменения нагрузки;
- получение дополнительного продукта - сжиженного природного газа (СПГ) или водорода при не увеличивающемся потреблении газа станцией и при неизменных затратах на производство электроэнергии.
Техническим результатом патентуемого решения является:
- обеспечение экономичной работы основного энергетического оборудования газовой ТЭС с возможностью одновременного получения дополнительного продукта - СПГ или водорода,
- обеспечение постоянного максимального КПД электростанции (максимальной эффективности сжигания газа);
- полное использование газа, поступающего на ТЭС в соответствии с долгосрочными договорами на поставку газа.
Кроме этого, техническим результатом является также снижение износа оборудования электростанции за счет отсутствия колебаний нагрузки на основном энергетическом оборудовании и, как следствие, снижение затрат на ремонт оборудования; повышение безопасности и стабильности работы электростанции при перебоях в поставке топлива за счет возможности использования части полученного СПГ в качестве резервного топлива, а также увеличение тепловой мощности станции за счет отвода тепла от систем охлаждения и уменьшения потерь в сети за счет снижения инерционности ТЭС ввиду наличия в ней контуров с малоинерционными элементами (компрессоров и т.п.), позволяющих уменьшить дисбаланс между внешней нагрузкой и выдаваемой в сеть мощностью.
Заявленный технический результат достигается за счет использования установки для получения сжиженного газа на базе газовой тепловой электростанции, которая включает технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла (ТЭС), работающий в экономичном режиме и содержащий линию подвода газа (входной трубопровод), котел, турбину, генератор, повышающий трансформатор, а также устройство сжижения газа, работающее на электроэнергии, при этом на шине электростанции установлен блок управления, соединенный электрокабелем с устройством сжижения газа, обеспечивающий отвод части вырабатываемой электроэнергии к устройству сжижения газа в зависимости от изменения внешней переменной электрической нагрузки.
Поскольку ТЭС, как правило, состоит из нескольких технологических комплексов (блоков), то задача оптимизации работы оборудования ТЭС (подбор режимов работы блоков) решается для всей совокупности блоков в зависимости от внешней нагрузки, сезона, времени суток и т.п.
Под экономичным режимом работы ТЕС при постоянной нагрузке, обеспечиваемой на выходе электростанции, понимается работа станции с минимальным удельным расходом условного топлива (УТ) (удельный расход минимален, так как основное энергетическое оборудование в этом случае работает при максимальном КПД оптимальное время). Оптимальное время работы станции в экономичном режиме рассчитывается в зависимости от сезона, времени суток и графиков нагрузки, задаваемых системным оператором.
Блок управления обеспечивает постоянную электрическую нагрузку на выходе электростанции оптимальное время, перераспределяя потоки электроэнергии между потребителем и устройством сжижения газа.
На линии подвода газа установлено распределительное устройство (дроссель) для разделения входящего потока газа, по меньшей мере, на два потока, один из которых по трубопроводу подается в технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла (ТЭС), работающий в экономичном режиме, а другой - в устройство сжижения газа, работающее на электроэнергии.
При этом устройство для сжижения газа, работающее на электроэнергии, содержит компрессор, блок сжижения, соединенный с емкостью хранения сжиженного газа, и теплообменник.
Кроме этого, установка может дополнительно содержать устройство сжижения газа, работающее на газе, подводимом по линии подвода газа от распределительного устройства, разделяющего входящий поток газа.
Устройство сжижения газа, в частности, может содержать компрессор, блок сжижения газа, соединенный с емкостью хранения сжиженного газа и теплообменник.
Если устройство сжижения газа работает на газе, то оно включает генератор, выполненный с возможностью подвода газа от распределительного устройства, компрессор, блок сжижения, соединенный с емкостью хранения сжиженного газа, и теплообменник.
Кроме этого, устройство сжижения газа может дополнительно содержать конвертор.
С целью получения сжиженного водорода устройство сжижения может выполняться в виде устройства паровой конверсии газа. В этом случае, устройство сжижения газа может быть выполнено в виде устройства паровой конверсии газа, работающего на электроэнергии. При этом устройство сжижения газа дополнительно содержит конвертор, а устройство паровой конверсии газа содержит генератор, работающий на газе, подводимом от распределительного устройства, компрессор, конвертор, блок сжижения, соединенный с емкостью хранения сжиженного газа, и теплообменник.
Кроме этого, установка может также дополнительно содержать устройство для производства водорода, при этом блок сжижения газа выполняется в виде устройства для получения водорода из воды путем электролиза - устройство электролиза, которое содержит линию подвода воды, электролизер, компрессор, блок сжижения, соединенный с емкостью хранения сжиженного газа, и теплообменник и дополнительно может содержать устройство паровой конверсии газа.
Устройство конверсии может содержать компрессор, конвертор, блок сжижения водорода, теплообменник, при этом выход устройства паровой конверсии природного газа соединен с емкостью для хранения сжиженного водорода.
Устройство паровой конверсии природного газа дополнительно может содержать генератор, работающий на газе, подводимом от распределительного устройства.
Устройство паровой конверсии газа может также работать на газе, при этом оно дополнительно содержит генератор, работающий на газе, подводимом от распределительного устройства.
Устройство паровой конверсии газа может также работать от электроэнергии, подводимой от блока управления.
Далее полезная модель поясняется ссылками на фигуры, на которых изображено следующее:
На фиг.1 - схема установки для сжижения природного газа, работающей на электроэнергии;
На фиг.2 - схема установки для сжижения природного газа с разделением входного потока газа, содержащая устройство сжижения газа, работающее на электроэнергии, и устройство сжижения газа, работающее на газе, поступающем от распределительного устройства;
На фиг.3 - схема установки для сжижения водорода, содержащая устройство электролиза;
На фиг.4 - схема установки для сжижения водорода с разделением входного потока газа, содержащая устройство сжижения, выполненное в виде устройства паровой конверсии газа, работающего на электроэнергии, и устройство электролиза;
На фиг.5 - схема установки для сжижения водорода с разделением входного потока газа, содержащая устройство сжижения, выполненное в виде устройства паровой конверсии газа, работающего на газе, и устройство электролиза.
На фиг.6 - схема установки для сжижения водорода с разделением входного потока газа, содержащая устройство сжижения водорода, выполненное в виде устройства паровой конверсии газа, работающего на электроэнергии, и устройства паровой конверсии газа, работающего на газе.
Установка для сжижения газа, приведенная на фиг.1, предназначена для сжижения природного газа и содержит трубопровод 1 для подвода газа с установленным на нем распределительным устройством 2, технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла (ТЕС), работающий в экономичном режиме, содержащий линию подвода газа, котел, турбину, генератор, повышающий трансформатор 4, а также устройство сжижения природного газа, работающее на электроэнергии. На шине электростанции установлен блок управления 3, соединенный электрокабелем с устройством сжижения газа, работающим на электроэнергии.
Блок управления может быть выполнен в виде устройства, содержащего набор коммутационных аппаратов, сборные и соединительные шины, устройства релейной защиты и автоматики, осуществляющие автоматический контроль за работоспособностью системы, и средства измерения. Электроэнергия, вырабатываемая генератором, поступает в блок управления, который обеспечивает постоянную электрическую нагрузку на станции оптимальное время, перераспределяя потоки электроэнергии между потребителем и устройством сжижения газа (если внешняя нагрузка уменьшается, то к устройству сжижения газа подводится большая мощность, если увеличивается - то меньшая). Тепловая энергия, поступает потребителю от отборов паровой турбины.
Устройство сжижения природного газа, работающее на электроэнергии, содержит компрессор для сжатия поступающего природного газа, выход которого соединен с блоком сжижения газа и теплообменник, предназначенный для охлаждения природного газа, подаваемого в блок сжижения. СПГ из устройства сжижения газа по трубопроводу поступает в емкость для хранения СПГ, откуда, при необходимости, доставляется удаленным потребителям. Избыток тепла от теплообменника устройства сжижения может поступать в линию передачи тепла. В случае перебоев с поставками газа на станцию, часть сжиженного газа (аварийный запас) из емкости для хранения СПГ через блок регазификации может подаваться в технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла, тем самым повышая надежность и обеспечивая бесперебойность работы ТЭС.
Схема установки, приведенная на фиг.2, содержит трубопровод 1 для подвода природного газа с установленным на нем распределительным устройством 2, технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла (ТЭС), работающий в экономичном режиме, содержащий линию подвода газа, котел, турбину, генератор, повышающий трансформатор 4, а также устройство сжижения газа, работающее на электроэнергии, и устройство сжижения газа, работающее на газе. На шине электростанции установлен блок управления 3, соединенный электрокабелем с устройством сжижения газа, работающим на электроэнергии.
Распределительное устройство может быть выполнено в виде электромагнитного газового клапана в качестве запорно-регулирующего органа.
Электроэнергия, вырабатываемая генератором, поступает в блок управления, который обеспечивает постоянную электрическую нагрузку на станции оптимальное время, перераспределяя потоки электроэнергии между потребителем и устройством сжижения газа. Тепловая энергия, поступает потребителю от отборов паровой турбины. Распределительное устройство, установленное на линии подвода природного газа, делит входящий поток газа на четыре потока, один из которых поступает в технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла, второй - в компрессор устройства сжижения природного газа, работающего на электроэнергии, третий - в генератор устройства сжижения газа, работающего на газе, а четвертый - в компрессор устройства сжижения газа, работающего на газе. В данном примере устройство сжижения природного газа, работающее на электроэнергии, содержит компрессор для сжатия поступающего природного газа, выход которого соединен с блоком сжижения газа и теплообменник, предназначенный для охлаждения природного газа, подаваемого в блок сжижения. Устройство сжижения природного газа, работающее на газе, поступающем от распределительного устройства, содержит генератор, компрессор, блок сжижения газа с теплообменником, обеспечивающим охлаждение природного газа, подаваемого в блок для сжижения. СПГ из устройств сжижения газа на электроэнергии и на газе по трубопроводу поступает в емкость для хранения СПГ, откуда, при необходимости, доставляется удаленным потребителям. Избыток тепла от теплообменников обоих устройств может поступать в линию передачи тепла. В случае перебоев с поставками газа на станцию, часть сжиженного газа (аварийный запас) из емкости для хранения СПГ через блок регазификации может подаваться в технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла, тем самым повышая надежность и обеспечивая бесперебойность работы ТЭС.
Установка для сжижения водорода, приведенная на фиг.3, содержит трубопровод 1 для подвода природного газа, технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла (ТЭС), работающий в экономичном режиме, содержащий линию подвода газа, котел, турбину, генератор, повышающий трансформатор 4, а также устройство электролиза.
Электроэнергия, вырабатываемая генератором, поступает в блок управления, который обеспечивает постоянную электрическую нагрузку на станции оптимальное время, перераспределяя потоки электроэнергии между потребителем и устройством электролиза. Устройство электролиза содержит электролизер для получения водорода из воды, компрессор, блок сжижения водорода и теплообменник, обеспечивающий охлаждение водорода, проходящего через блок сжижения. Тепловая энергия, поступает потребителю от отборов паровой турбины. Избыток тепла от теплообменника может поступать в линию передачи тепла. Выход устройства сжижения водорода соединен с емкостью хранения сжиженного водорода, откуда, при необходимости, доставляется удаленным потребителям.
На фиг.4 приведен пример выполнения установки, которая содержит трубопровод для подвода природного газа с установленным на нем распределительным устройством, технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла (ТЭС), работающий в экономичном режиме, содержащий трубопровод 1, распределительное устройство 2, котел, турбину, генератор, повышающий трансформатор 4, а также устройство электролиза, и устройство паровой конверсии газа, работающие на электроэнергии. Электроэнергия, вырабатываемая генератором, поступает в блок управления 3, который обеспечивает постоянную электрическую нагрузку на станции оптимальное время, перераспределяя потоки электроэнергии между потребителем, устройством электролиза и устройством паровой конверсии. Тепловая энергия, поступает потребителю от отборов паровой турбины. Распределительное устройство, установленное на трубопроводе, делит входящий поток газа на два потока, один из которых поступает в технологический комплекс для получения электроэнергии и тепла, а второй - в компрессор устройства паровой конверсии газа, где газ сжимается и поступает в конвертор, откуда полученный водород подается на охлаждение в блок сжижения водорода. В данном примере устройство электролиза содержит электролизер, предназначенный для получения водорода путем электролиза воды, компрессор для сжатия полученного водорода, блок сжижения водорода и теплообменник, предназначенный для охлаждения водорода в блоке сжижения. Устройство паровой конверсии водорода содержит компрессор, конвертор, блок сжижения водорода и теплообменник, обеспечивающий охлаждение водорода в блоке сжижения. Сжиженный водород от устройства электролиза и от устройства паровой конверсии поступает в емкость для хранения сжиженного водорода, откуда, при необходимости, водород доставляется удаленным потребителям. Избыток тепловой энергии от теплообменников обоих устройств может поступать в линию передачи тепловой энергии.
Установка, показанная на фиг.5, содержит трубопровод 1 для подвода природного газа с установленным на нем распределительным устройством 2, технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла (ТЕС), работающий в экономичном режиме, содержащий линию подвода газа, котел, турбину, генератор, повышающий трансформатор 4, а также устройство электролиза, работающее на электроэнергии, и устройство паровой конверсии газа, работающее на газе. Электроэнергия, вырабатываемая генератором, поступает в блок управления 3, который обеспечивает постоянную электрическую нагрузку на станции оптимальное время, перераспределяя потоки электроэнергии между потребителем и устройством электролиза. Тепловая энергия, поступает потребителю от отборов паровой турбины. Распределительное устройство, установленное на трубопроводе, делит входящий поток газа на три потока, один из которых поступает в технологический комплекс для получения электроэнергии тепла, второй - в генератор устройства паровой конверсии, а третий - в компрессор устройства паровой конверсии газа, где газ сжимается и поступает в конвертор, откуда полученный из газа водород подается на охлаждение в блок сжижения водорода. Устройство электролиза содержит электролизер, предназначенный для получения водорода путем электролиза воды, компрессор для сжатия полученного водорода, блок сжижения водорода и теплообменник, предназначенный для охлаждения водорода в блоке сжижения. Устройство паровой конверсии газа содержит генератор, компрессор, конвертор, блок сжижения газа и теплообменник, обеспечивающий охлаждение водорода в блоке сжижения. Сжиженный водород из устройства электролиза и из устройства паровой конверсии поступает в емкость для хранения сжиженного водорода, откуда, при необходимости, он доставляется удаленным потребителям. Избыток тепловой энергии от теплообменников обоих устройств может поступать в линию передачи тепловой энергии.
На фиг.6 приведен пример выполнения установки, которая содержит трубопровод 1 для подвода природного газа с установленным на нем распределительным устройством 2, технологический комплекс для производства электроэнергии и тепла (ТЭС), работающий в экономичном режиме, содержащий линию подвода газа, котел, турбину, генератор, повышающий трансформатор 4, а также блок управления 3, устройство сжижения газа, работающее на электроэнергии, выполненное в виде устройства паровой конверсии, и устройство паровой конверсии газа, работающее на газе. Электроэнергия, вырабатываемая генератором, поступает в блок управления, который обеспечивает постоянную электрическую нагрузку на станции оптимальное время, перераспределяя потоки электроэнергии между потребителем и устройством паровой конверсии, работающим на электроэнергии. Тепловая энергия, поступает потребителю от отборов паровой турбины. Распределительное устройство, установленное на трубопроводе, делит входящий поток газа на четыре потока, один из которых поступает в технологический комплекс для получения электроэнергии, второй - в компрессор устройства паровой конверсии газа, работающего на электроэнергии, третий и четвертый потоки - в устройство паровой конверсии газа, работающее на газе, а именно, к генератору и компрессору. В данном примере устройство паровой конверсии, работающее на электроэнергии, содержит компрессор для сжатия поступающего природного газа, выход которого соединен с конвертором, предназначенным для получения водорода из природного газа, блок сжижения полученного водорода и теплообменник, предназначенный для охлаждения водорода в блоке сжижения. Устройство паровой конверсии, работающее на газе, поступающем от распределительного устройства, содержит генератор и компрессор, работающие на газе, конвертор, блок сжижения газа и теплообменник, обеспечивающий охлаждение водорода в блоке сжижения. Потоки сжиженного водорода от устройства сжижения газа на электроэнергии и на газе поступают по трубопроводу в емкость для хранения сжиженного водорода, откуда, при необходимости, водород доставляется удаленным потребителям. Избыток тепловой энергии от теплообменников обоих устройств может поступать в линию передачи тепловой энергии.