Установка для выработки тепловой и механической энергии и способ ее регулирования
INSTALLATION FOR GENERATING THERMAL AND MECHANICAL ENERGY AND METHOD FOR ITS REGULATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.
Известен способ регулирования и установка для выработки механической и тепловой энергии (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; (i) 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.
Известна установка для выработки тепловой и механической энергии и способ ее регулирования (патент РФ 2723264, опубл. 09.06.2020), выбранная в качестве наиболее близкого аналога, состоящая из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (2), охладителей (3, 4, 13) отработанных газов, 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 отработанных газов 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 отработанных газов воды через по меньшей мере один другой теплообменник-утилизатор (6) в первый охладитель (3) отработанных газов 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, отводящейся насосом (22) из второго контактного теплообменника (13) и поступающей к потребителю и к блоку (18) охлаждения воды, а также установка дополнительно содержит датчик температуры атмосферного воздуха. Способ регулирования установки для выработки тепловой и механической энергии 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) 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) отработанных газов.
К недостаткам представленных аналогов можно отнести потери мощности и низкую эффективность парогазовой установки при замещении диоксида углерода водяным паром для баластирования в камере сгорания, а также относительно низкое использование низкопотенциального тепла.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении КПД установки за счет повышения 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), кислородного (11), углекислотного (13), топливного (16) и водяного (18) насос-регуляторов, охладителей (3, 4, 6, 8) отработанных газов (ОГ), два (6, 8) из которых являются контактными охладителями ОГ, конденсатора (9) диоксида углерода, соединенного с блоком (17) теплового насоса, компрессора (7), источников кислорода и углеродсодержащего топлива, соединенных через блок (10) ожижения углеродсодержащего топлива с камерой сгорания (1), паротурбинного блока (19) органического цикла Ренкина (ОЦР), включающего конденсатор (24) низкокипящего рабочего тела, питательный насос (23), теплообменники (5, 21, 22) ОЦР, турбину (20) ОЦР, соединенную с турбогенератором (27), при этом по меньшей мере один первый теплообменник (22) ОЦР является подогревателем низкокипящего рабочего тела, по меньшей мере один второй теплообменник (21) ОЦР является испарителем низкокипящего рабочего тела, а по меньшей мере один третий теплообменник (5) ОЦР является перегревателем низкокипящего рабочего тела, при этом вход для воды по меньшей мере одного первого теплообменника (22) ОЦР соединен с выходом сконденсированной воды второго контактного охладителя (8) ОГ через циркуляционный насос (15), а выход для воды по меньшей мере одного первого теплообменника (22) ОЦР соединен со вторым контактным теплообменником (8), также вход для воды по меньшей мере одного второго теплообменника (21) ОЦР соединен с линией обратной воды из теплосети, а выход для воды по меньшей мере одного второго теплообменника (21) ОЦР соединен со входом первого контактного охладителя (6) ОГ, вход для воды по меньшей мере одного третьего теплообменника (5) ОЦР соединен через водяной насос-регулятор (18) с выходом для воды первого контактного охладителя (6) ОГ, при этом выход для воды по меньшей мере одного третьего теплообменника (5) ОЦР соединен с камерой сгорания (1) через первый охладитель (3) ОГ.
Дополнительно выход для воды по меньшей мере одного третьего теплообменника (5) ОЦР соединен с линией подачи воды к потребителю и с теплообменником (30) регенеративного нагревателя диоксида углерода, выход для воды которого соединен с первым контактным охладителем (6).
Дополнительно выход для воды первого контактного охладителя (6) ОГ выполнен с возможностью направления насосом (31) прямой воды в теплосеть части сконденсированной воды.
Выход для воды первого теплообменника (22) ОЦР соединен со вторым контактным теплообменником (8) через теплообменник (14) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода, при этом вход для смеси диоксида углерода и кислорода теплообменника (14) регенеративного нагревателя соединен со смесителем (12), который выполнен с возможность смешения поступающих в него диоксида углерода и кислорода из конденсатора (9) диоксида углерода.
Также технический результат достигается способом регулирования установки для выработки тепловой и механической энергии, который включает изменение производительности водяного насоса-регулятора (18) и углекислотного насоса-регулятора (13), при этом изменение производительности включает в себя два режима, при которых увеличивают количество энергии, получаемой от паротурбинного блока (19) ОЦР, увеличивая производительность водяного насоса-регулятора (18) и уменьшая производительность углекислотного насоса-регулятора (13), и уменьшают количество энергии, получаемой от паротурбинного блока (19) ОЦР, уменьшая производительность водяного насоса-регулятора (18) и увеличивая производительность углекислотного насоса-регулятора (13).
Дополнительно изменяют производительность насоса (31) прямой воды в теплосеть.
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 - пароперегреватель органического цикла Ренкина (ОЦР);
6 - первый контактный охладитель ОГ;
7 - компрессор;
8 - второй контактный охладитель ОГ;
2
9 - конденсатор СО;
10 - блок ожижения углеродсодержащего топлива (метана);
11 - насос-регулятор кислорода;
12 - смеситель;
13 - насос-регулятор углекислотный;
14 - теплообменник регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода;
15 - циркуляционный насос водяного контура второго контактного охладителя;
16 - насос-регулятор углеродсодержащего топлива;
17 - блок теплового насоса;
18 - насос-регулятор водяной;
19 - паротурбинный блок ОЦР;
20 - турбина ОЦР;
21 - испаритель ОЦР;
22 - подогреватель ОЦР;
23 - насос питательный;
24 - конденсатор ОЦР;
25 - градирня;
26 - насос циркуляционный;
27 - турбогенератор;
28 - привод компрессора 7;
29 - задвижки регулируемые;
2
30 - теплообменник регенеративного нагревателя СО;
31 - насос прямой воды теплосети.
Стрелками показаны направления движения сред в установке.
Установка для выработки тепловой и механической энергии, состоит из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (2), кислородного (11), углекислотного (13), топливного (16) и водяного (18) насос-регуляторов, охладителей (3, 4, 6, 8) отработанных газов (ОГ). Охладители (6, 8) являются контактными охладителями ОГ, охлаждающих ОГ до температуры конденсации воды. Конденсатор (9) диоксида углерода соединен с блоком (17) теплового насоса. Также установка включает компрессор (7), источник кислорода и углеродсодержащего топлива, соединенных через блок (10) ожижения углеродсодержащего топлива с камерой сгорания (1), паротурбинный блок (19) органического цикла Ренкина (ОЦР), включающего конденсатор (24) низкокипящего рабочего тела, питательный насос (23), теплообменники (5, 21, 22) ОЦР, турбину (20) ОЦР, соединенную с турбогенератором (27), что повышает КПД за счет использования низкопотенциального тепла, вырабатываемого установкой. По меньшей мере один первый теплообменник (22) ОЦР является подогревателем низкокипящего рабочего тела, по меньшей мере один второй теплообменник (21) ОЦР является испарителем низкокипящего рабочего тела, а по меньшей мере один третий теплообменник (5) ОЦР является перегревателем низкокипящего рабочего тела, что обеспечивает повышение КПД установки в целом за счет обеспечения теплоперепада на органической турбине (20). Дополнительно конденсатор (24) низкокипящего рабочего тела выполнен с возможность передачи тепла в атмосферу, например, через градирню (25), циркуляцию теплоносителя через которые обеспечивает насос (26), что дополнительно обеспечивает повышение КПД установки за счет обеспечения температурного перепада в паротурбинном блоке (19) ОЦР. Вход для воды по меньшей мере одного первого теплообменника (22) ОЦР соединен с выходом сконденсированной воды второго контактного охладителя (8) ОГ через циркуляционный насос (15), что повышает КПД установки за счет использования низкопотенциального тепла, вырабатываемого установкой. Выход для воды по меньшей мере одного первого теплообменника (22) ОЦР соединен со вторым контактным теплообменником (8), что повышает КПД установки за счет повышения рециркуляции тепловой энергии в установке. Также вход для воды по меньшей мере одного второго теплообменника (21) ОЦР соединен с линией обратной воды из теплосети, что повышает КПД установки за счет использования низкопотенциального тепла, вырабатываемого установкой. Выход для воды по меньшей мере одного второго теплообменника (21) ОЦР соединен со входом первого контактного охладителя (6) ОГ, что повышает КПД установки за счет повышения рециркуляции тепловой энергии в установке. Вход для воды по меньшей мере одного третьего теплообменника (5) ОЦР соединен через водяной насос-регулятор (18) с выходом для воды первого контактного охладителя (6) ОГ, что повышает КПД установки за счет использования низкопотенциального тепла, вырабатываемого установкой. При этом выход для воды по меньшей мере одного третьего теплообменника (5) ОЦР соединен с камерой сгорания (1) через первый охладитель (3) ОГ, что повышает КПД установки за счет повышения рециркуляции тепловой энергии в установке.
Дополнительно выход для воды по меньшей мере одного третьего теплообменника (5) ОЦР соединен с линией подачи воды к потребителю и с теплообменником (30) регенеративного нагревателя диоксида углерода, выход для воды которого соединен с первым контактным охладителем (6), что дополнительно повышает КПД установки за счет использования низкопотенциального тепла, вырабатываемого установкой.
Дополнительно выход для воды первого контактного охладителя (6) ОГ выполнен с возможностью направления насосом (31) прямой воды в теплосеть части сконденсированной воды, что дополнительно обеспечивает отвод тепла из установки тем самым обеспечивается оптимальный температурный режим работы с высоким КПД.
Выход для воды первого теплообменника (22) ОЦР соединен со вторым контактным теплообменником (8) через теплообменник (14) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода, при этом вход для смеси диоксида углерода и кислорода теплообменника (14) регенеративного нагревателя соединен со смесителем (12), который выполнен с возможность смешения поступающих в него диоксида углерода и кислорода из конденсатора (9) диоксида углерода, что дополнительно повышает КПД установки за счет повышения рециркуляции тепловой энергии в установке.
Работает установка следующим образом.
2
В камеру сгорания (1) подают углеродсодержащее топливо, например, природный газ (метан), который сжигается в смеси кислорода, водяного пара и СО. При этом кислород может подаваться из любого известного источника кислорода, например, производиться установкой разделения воздуха (УВР), включенной в состав энергетической установки. Сжатие всех рабочих газов производится в сжиженном состоянии с помощью насосов-регуляторов (11, 13, 16, 18), что уменьшает затраты энергии на перекачивание и достижение необходимого давления.
2
2
2
Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине (2) с противодавлением около 0,9 МПа, и последовательно проходят первый (3) и второй (4) охладители отработанных газов, в которых происходит охлаждение отработанных газов до температуры начала конденсации воды за счет охлаждения отработанных газов до температуры не ниже 420 К. Из второго (4) охладителя отработанные газы поступают в первый контактный охладитель (6) отработанных газов, в котором происходит охлаждение отработанных газов до температуры не ниже 273 К и конденсация воды, содержащейся в этих газах. Далее оставшаяся часть отработанных газов компрессором (7) подается во второй контактный охладитель (8) под давлением близким к 3,5 МПа. Здесь выхлопной газ охлаждается до температуры близкой к температуре начала конденсации СO. При этом в охладителе (8) также продолжается конденсация остатков воды. Далее осушенный газ из охладителя (8) поступает в конденсатор (9), где происходит конденсация СO за счет охлаждения до температуры не ниже 273 К при давлении газа немногим ниже указанного 3,5 МПа. Температура и давление в конденсаторе (9) обусловлено необходимостью достижения максимально высокой степени улавливания СO из продуктов сгорания без образования твердой фазы, при обеспечении высокого КПД БкПГУ.
2
Часть сконденсированной воды из контактного охладителя (6) с помощью насоса-регулятора (18) направляется в камеру сгорания (1) через органический пароперегреватель (5) и теплообменник нагрева воды первого охладителя (3) отработанных газов. Часть воды через теплообменник нагрева СO (30), направляется в контур первого контактного охладителя (6) отработанных газов. При этом вода, проходя через теплообменник (30), охлаждается до температуры не ниже 273 К, исключая твердую фазу. Оставшаяся часть воды направляется к внешнему потребителю. Расход воды на теплообменник (6) и внешнему потребителю регулируется с помощью задвижек (29).
2
2
2
2
2
2
Сконденсированный СO сливается из конденсатора (9) для дальнейшего использование вне установки или для хранения, при этом некоторая необходимая часть жидкого СO с помощью насоса-регулятора (13) направляется в камеру сгорания (1) через смеситель (12) и теплообменник (14) нагрева СO и O. Другая часть СO насосом-регулятором (13) направляется в камеру сгорания (1) через теплообменники регенеративные нагреватели СO (30) и (4), что повышает КПД установки за счет повышения рециркуляции тепловой энергии в установке.
2
2
2
2
2
Жидкий О от ВРУ насосом-регулятором (11), вначале направляется в блок ожижения метана (10), в котором происходит нагрев жидкого O за счет теплообмена с газообразным метаном. Далее кислород поступает в теплообменник нагрева O, расположенный в конденсаторе СO (9), после чего подается в смеситель (12), где смешивается с СО, из которого поступает в камеру сгорания (1) по вышеописанному маршруту.
2
2
Газообразный метан за счет теплообмена с жидким О сжижается в блоке ожижения (10) за счет использования промежуточного теплоносителя. Далее насосом-регулятором (16), топливо подается в камеру сгорания (1), через теплообменник нагрева метана, расположенного в конденсаторе СO (9), что повышает КПД установки за счет повышения рециркуляции тепловой энергии в установке.
Часть сконденсированной воды из контактного охладителя (6) насосом (31) направляется в теплосеть, а обратная вода из теплосети после прохода через испаритель ОЦР (21) распыляется в контактном охладителе (6). Таким образом, низкокипящее органическое рабочее тело в теплообменниках (5, 21, 22) блока ОЦР (19) может нагреться до температуры выше 335 К, при его фазовом переходе в конденсаторе (24), с помощью охлаждения внешней средой 245 К и ниже. Столь значительный теплоперепад на органической турбине (20) дает весомую прибавку генерируемой турбогенераторами (27) БкПГУ электрической энергии.
Таким образом, регулирование установки включает изменение производительности водяного насоса-регулятора (18) и углекислотного насоса-регулятора (13). При этом изменение производительности включает в себя два режима, при которых увеличивают количество энергии, получаемой от паротурбинного блока (19) ОЦР, увеличивая производительность водяного насоса-регулятора (18) и уменьшая производительность углекислотного насоса-регулятора (13), и уменьшают количество энергии, получаемой от паротурбинного блока (19) ОЦР, уменьшая производительность водяного насоса-регулятора (18) и увеличивая производительность углекислотного насоса-регулятора (13), что повышает КПД установки за счет регулировки использования тепла, вырабатываемого установкой. Кроме того, регулируют производительность насоса (31) прямой воды в теплосеть, что дополнительно повышает КПД установки за счет регулировки использования тепла, вырабатываемого установкой.
2
То есть изменение баланса выработки энергии турбиной ОЦР (20) при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2), здесь можно обеспечить путем изменения производительности водяного и углекислотного насосов-регуляторов (18 и 13). При этом, для получения большего количества энергии от ОЦР повышается производительность водяного насоса-регулятора (18), а для получения большего количества электрической энергии от парогазовой турбины (2) по отношению к турбине ОЦР (20) - повышается производительность углекислотного насоса-регулятора (13) при одновременном уменьшении подачи воды в камеру сгорания (1). Таким образом, в камере сгорания (1) соблюдается баланс инертных составляющих, которые необходимы для поддержания температуры в камере сгорания (1) в заданных пределах. При этом следует учесть, что замещение СO водяным паром для баластирования в камере сгорания влечет за собой снижение эффективности БкПГУ (Что свойственно для решения по патенту РФ №2723264).
2
Описанный алгоритм не является единственно возможным. Здесь возможны различные варианты регулирования с использованием не только варьирования расхода воды и СO в камеру сгорания, но и вариации изменений режима работы теплосети, количества аккумулируемой энергии.
2
Отметим, что конденсация СO в конденсаторе (9) достигается за счет регенерации тепла внутри цикла и передачи его внешней среде. При повышенной температуре внешней среды может наблюдаться дефицит холода. На рисунке представлено возможное решение данного вопроса с помощью теплового насоса (17).
Таким образом, установка и способ ее регулирования позволяют повысить КПД установки за счет регулирования установки, изменяя соотношение выработки энергий на турбогенераторах (27), то есть увеличения количества дополнительной электрической энергии в ОЦР за счет повышения использования низкопотенциальной тепловой энергии ОГ.