УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ
INSTALLATION FOR GENERATION OF HEAT AND MECHANICAL ENERGY AND METHOD OF ITS REGULATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.
Известен способ и установка для выработки механической и тепловой энергии (патент РФ №2651918, опубл. 24.04.2018), включающий в себя этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину, при этом давление в камере сгорания составляет по меньшей мере 7,5 МПа; (b) отработанные в парогазовой турбине газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в блок утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов (ОГ) путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из блока утилизации тепла и воды; (с) ОГ из блока утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор, который сжимает газ до давления по меньшей мере 3,5 МПа; (d) сжатый ОГ подают в блок утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока утилизации тепла и диоксида углерода; (е) некоторую часть слитой воды из блока утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания;(г) некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (g) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно под давлением, необходимым для осуществления подачи нужного количества в камеру сгорания.
Известен способ регулирования и установка для выработки механической и тепловой энергии, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, (патент РФ №2698865, опубл. 30.08.2019), включающий определение электромагнитного момента на якоре генератора, соединенного с парогазовой турбиной; оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора, при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения, в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода, а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения, и включающий этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину; (b) ОГ из турбины поступают в первый охладитель ОГ; (с) ОГ из первого охладителя подают в первый контактный охладитель, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из ОГ путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя; (d) ОГ из первого контактного охладителя, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор; (е) сжатые компрессором ОГ подают во второй контактный охладитель, где они охлаждаются; (f) из второго контактного охладителя охлажденные ОГ поступают во второй охладитель, где ОГ охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя; (g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя воды поступает на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе, поступает на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (l) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания, при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости для накопления углеродсодержащего топлива.
К недостаткам представленных аналогов можно отнести потери мощности и низкую эффективность парогазовой установки при отсутствии потребителя низкопотенциального тепла (теплосети), а также снижение эффективности ПГУ при относительно высокой температуре окружающей (внешней) среды.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении КПД установки за счет использования низкопотенциального тепла, вырабатываемого установкой.
Технический результат достигается установкой для выработки тепловой и механической энергии, состоящей из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (2), охладителей (3, 4, 13) ОГ, конденсатора (14) диоксида углерода, соединенного с тепловым насосом (17), компрессора (12), источника (15) кислорода и источника (16) углеродсодержащего топлива, соединенных с камерой сгорания (1), при этом установка дополнительно содержит контур (5) утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, который включает в себя турбину (7), соединенную с генератором, конденсатор (8) низкокипящего рабочего тела, насос (9) низкокипящего рабочего тела и по меньшей мере три теплообменника-утилизатора (6), выполненных с возможностью передачи тепла от ОГ к низкокипящему рабочему телу, причем температура низкокипящего рабочего тела возрастает в направлении от конденсатора (8) низкокипящего рабочего тела к турбине (7), по меньшей мере один теплообменник-утилизатор (6) соединен со вторым охладителем (4) и контактным теплообменником (10), выполненным с возможностью подачи насосом (11) сконденсированной из ОГ воды через по меньшей мере один другой теплообменник-утилизатор (6) в первый охладитель (3) ОГ и к потребителю (воды), по меньшей мере один третий теплообменник-утилизатор (6) также выполнен с возможностью передачи тепла низкокипящему рабочему телу контура (5) утилизации от воды, отводящейся насосом (22) из второго контактного теплообменника (13) и поступающей к потребителю и к блоку (18) охлаждения воды, а также установка дополнительно содержит датчик температура атмосферного воздуха.
Конденсатор (8) низкокипящего рабочего тела выполнен с возможностью отвода тепла в атмосферу через градирню.
Указанный технический результат также достигается способом регулирования установки для выработки тепловой и механической энергии и включает определение температуры атмосферного воздуха датчиком температуры атмосферного воздуха, при этом, если температура ниже одного порогового значения, то увеличивают количество воды, поступающей в камеру сгорания (1) от первого охладителя (3) ОГ, а также уменьшают подачу диоксида углерода в камеру сгорания (1), если температура атмосферного воздуха выше другого порогового значения, то увеличивают подачу диоксида углерода в камеру сгорания (1) и уменьшают количество воды, поступающей в камеру сгорания (1) от первого охладителя (3) ОГ.
Дополнительно в зависимости от температуры атмосферного воздуха и, соответственно, температуры воды, необходимой потребителю, регулируют выработку электрической энергии в контуре (5) утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, за счет изменения подачи низкокипящего рабочего тела насосом (9), а также изменением количества тепла, отведенного из конденсатора (8)
На представленной фигуре показана схема установки для выработки тепловой и механической энергии.
На представленной фигуре обозначены следующие элементы.
1 - камера сгорания;
2 - парогазовая турбина;
3 - первый охладитель ОГ;
4 - второй охладитель ОГ;
5 - контур утилизации низкопотенциальной тепловой энергии;
6 - по меньшей мере три теплообменника-утилизатора;
7 - турбина органического цикла Ренкина (ОЦР);
8 - конденсатор низкокипящего ОЦР;
9 - насос низкокипящего рабочего тела ОЦР;
10 - контактный теплообменник;
11 - насос воды;
12 - компрессор;
13 - второй контактный теплообменник;
14 - конденсатор диоксида углерода (охладитель ОГ);
15 - источник кислорода;
16 - источник углеродсодержащего топлива(природного газа);
17 - тепловой насос отвода тепла из конденсатора (14);
18 - блок охлаждения воды для второго контактного теплообменника (13);
19 - насос подачи углеродсодержащего топлива;
20 - насос подачи диоксида углерода;
21 - насос подачи кислорода от источника (15) кислорода;
22 - насос отвода сконденсированной воды из второго контактного теплообменника (13).
Стрелками показаны направления движения сред в установке.
Установка для выработки тепловой и механической энергии, состоит из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (2), охладителей (3, 4, 13) ОГ, конденсатора (14) диоксида углерода, соединенного с тепловым насосом (17), компрессора (12), источника (15) кислорода и источника (16) углеродсодержащего топлива, соединенных с камерой сгорания (1). Установка дополнительно содержит контур (5) утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, представляющий собой замкнутый контур (5), работающий по ОЦР, что позволяет повысить КПД установки за счет использования низкопотенциальной тепловой энергии, вырабатываемой установки. Контур (b) включает в себя турбину (7), соединенную с генератором, конденсатор (8) низкокипящего рабочего тела, насос (9) низкокипящего рабочего тела и по меньшей мере три теплообменника-утилизатора (6), выполненных с возможностью передачи тепла от отработанных газов к низкокипящему рабочему телу, при этом количество теплообменников-утилизаторов (6) три и больше трех позволяет наиболее полно отводить тепло от отработанных газов к низкокипящему рабочему телу контура (5), а также чем большее количество теплообменников-утилизаторов (6) используется, тем более плавно осуществляется нагрев низкокипящего рабочего тела, что позволяет повысить КПД установки за счет использования низкопотенциальной тепловой энергии отработанных газов. Температура низкокипящего рабочего тела возрастает в направлении от конденсатора (8) низкокипящего рабочего тела к турбине (7), таким образом обеспечивается ступенчатый подогрев низкокипящего рабочего тела в контуре (5). По меньшей мере один теплообменник-утилизатор (6) соединен со вторым охладителем (4) и контактным теплообменником (10), выполненным с возможностью подачи насосом (11) сконденсированной из ОГ воды через по меньшей мере один другой теплообменник-утилизатор (6) в первый охладитель (3) ОГ и к потребителю. По меньшей мере один третий теплообменник-утилизатор (6) также выполнен с возможностью передачи тепла низкокипящему рабочему телу контура (5) утилизации от воды, подающейся насосом (22) из второго контактного теплообменника (13) и далее к потребителю и к блоку (18) охлаждения воды. Установка дополнительно содержит датчик температура атмосферного воздуха. Конденсатор (8) низкокипящего рабочего тела выполнен с возможностью отвода тепла в атмосферу через градирню.
Устройство работает следующим образом.
В камеру сгорания (1) подают углеродсодержащее топливо, например, природный газ метан, который сжигается в смеси кислорода, водяного пара и диоксида углерода. При этом кислород может подаваться из любого известного источника (15) кислорода, который может представлять собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха. Таким образом, кислород может, например, производиться на любой известной установке разделения воздуха, включенной в состав энергетической установки и получающей от нее необходимую электроэнергию.
Подача всех рабочих газов, включая углеродсодержащее топливо, производится в сжиженном состоянии с помощью насосов (19, 20, 21), что уменьшает затраты энергии на перекачивание и достижение необходимого давления, по меньшей мере, 7,5 МПа.
Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине (2), соединенной с генератором для выработки электрической энергии. Далее ОГ проходят первый (3) и второй (4) охладители ОГ, где их температура снижается за счет теплообмена с водой и диоксидом углерода соответственно, которые подаются в камеру сгорания (1). Из второго (4) охладителя ОГ подают в по меньшей мере один теплообменник-утилизатор (6) контура (5) утилизации, где происходит передача тепла от ОГ к низкокипящему рабочему телу ОЦР, при этом поступление ОГ из второго (4) охладителя в теплообменник-утилизатор (6) позволяет повысить КПД установки за счет использование низкопотенциальной тепловой энергии в контуре (5) утилизации с целью дополнительной выработки электрической энергии. Далее ОГ поступают в контактный теплообменник (10), где они охлаждаются и по меньшей мере частично конденсируется вода, содержащаяся в ОГ. Сконденсированная в контактном теплообменнике (10) вода насосом (11) через по меньшей мере один другой теплообменник-утилизатор (6) подается в камеру сгорания (1) и к потребителю, при этом дополнительная передача тепла от сконденсированной в теплообменнике (10) воды к низкокипящему рабочему телу в контуре (5) утилизации позволяет повысить КПД установки за счет использования низкопотенциального тепла для дополнительной выработки электрической энергии контуре (5) утилизации.
ОГ из контактного теплообменника (10) компрессором (12) подают во второй контактный теплообменник (13), где оставшаяся в ОГ вода конденсируется и отводится насосом (22) через по меньшей мере один третий теплообменник-утилизатор (6), где низкопотенциальная тепловая энергия от воды передается низкокипящему рабочему телу контура (5) утилизации, и далее к потребителю и к блоку (18) охлаждения воды, при этом дополнительная передача тепла от сконденсированной во втором контактном теплообменнике (13) воды к низкокипящему рабочему телу в контуре (5) утилизации позволяет повысить КПД установки за счет использования низкопотенциального тепла для дополнительной выработки электрической энергии контуре (5) утилизации.
Оставшиеся ОГ из второго контактного теплообменника (13) поступают в конденсатор (14) диоксида углерода из ОГ, где происходит дальнейшее охлаждение и конденсация диоксида углерода за счет теплообмена с жидким кислородом, поступающим от источника (15) кислорода, с жидким углеродсодержащим топливом от источника (16) углеродсодержащего топлива и с тепловым насосом (17). Сжиженный диоксид углерода из конденсатора (14) диоксида углерода по меньшей мере частично выводят из установки, а другую часть насосом (20) подачи диоксида углерода направляют в камеру сгорания (1).
Таким образом, в контуре (5) утилизации тепла вырабатывается дополнительная электрическая энергия от низкопотенциальной тепловой энергии от отработанных в установке газов за счет передачи этого тепла от ОГ через по меньшей мере три теплообменника утилизатора (6) к низкокипящему рабочему телу, которое ступенчато нагревается в направлении от конденсатора (8) низкокипящего рабочего тела к турбине (7), соединенной с генератором.
При этом регулирование установки включает определение температуры атмосферного воздуха датчиком температуры атмосферного воздуха. Если температура ниже одного порогового значения, то увеличивают количество воды, поступающей в камеру сгорания (1) от первого охладителя (3) отработанных газов, а также уменьшают подачу диоксида углерода в камеру сгорания (1), если температура атмосферного воздуха выше другого порогового значения, то увеличивают подачу диоксида углерода в камеру сгорания (1) и уменьшают количество воды, поступающей в камеру сгорания (1) от первого охладителя (3) ОГ. То есть регулирование обеспечивается за счет изменения производительности насосов (11 и 20) подачи воды и подачи диоксида углерода в камеру сгорания (1). Дополнительно в зависимости от температуры атмосферного воздуха и температуры воды, необходимой потребителю, регулируют выработку электрической энергии в контуре (5) утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, за счет изменения подачи низкокипящего рабочего тела насосом (9), а также изменением количества тепла, отведенного из конденсатора (8).
Таким образом, установка и способ ее регулирования позволяют повысить КПД установки до 5% в зависимости от климатических условий, за счет регулирования установки, изменяя соотношение выработки тепловой и механической энергии, а также количество дополнительной электрической энергии в ОЦР за счет использования низкопотенциальной тепловой энергии ОГ.