Кислородно-топливная энергоустановка с газификацией угля
OXYGEN-FUEL POWER PLANT WITH COAL GASIFICATION

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при разработке электрических станций с нулевыми выбросами вредных веществ в атмосферу.
Известна энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Weiland N. et al. Performance baseline for direct-fired sCO2 cycles //Fifth International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium, held. - 2016. - C. 29-31), содержащая блок газификации угля, многоступенчатый компрессор, насос, кислородный компрессор, воздухоразделительную установку, рекуператор, камеру сгорания, топливный компрессор, газовую турбину, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, электрогенератор.
Недостатком данного технического решения являются большие потери тепла, связанные с охлаждением синтез-газа.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива, раскрытая в патенте US №8596075, МПК F02C 1/00, опубл. 03.12.2013 и содержащая блок газификации угля, многоступенчатый компрессор, насос, кислородный компрессор, воздухоразделительную установку, регенератор, камеру сгорания, топливный компрессор, газовую турбину, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, электрогенератор.
Недостатком данного технического решения являются большие потери тепла, связанные с охлаждением синтез-газа.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в полезной утилизации теплоты синтез-газа на выходе из блока газификации.
Технический результат заключается в повышении электрического КПД энергоустановки.
Это достигается тем, что кислородно-топливная энергоустановка с газификацией угля, содержащая многоступенчатый компрессор, выход которого последовательно соединен с насосом и холодным контуром теплоносителя регенератора, выход которого соединен с первым входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, горячим контуром теплоносителя регенератора, охладителем-сепаратором, первый выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом многоступенчатого компрессора, топливный компрессор, выход которого соединен со вторым входом камеры сгорания, воздухоразделительную установку, первый выход которой соединен с другим горячим контуром теплоносителя регенератора, соединенным с входом воздухоразделительной установки, второй выход которой параллельно соединен с входом блока газификации угля и с входом кислородного компрессора, который соединен с другим холодным контуром теплоносителя регенератора, соединенным с третьим входом камеры сгорания, электрогенератор, расположенный на одном валу с газовой турбиной, снабжена первой дополнительной азотной газотурбинной установкой, выполненной в виде первого поверхностного теплообменника с горячим и холодным контурами теплоносителя, первого компрессора и первой турбины, второй дополнительной азотной газотурбинной установкой, выполненной в виде второго поверхностного теплообменника с собственными горячим и холодным контурами теплоносителя, второго компрессора и второй турбины, парогенератором с горячим и холодным контуром теплоносителя и дополнительным электрогенератором, при этом второй выход охладителя-сепаратора соединен с холодным контуром теплоносителя парогенератора, выход которого соединен с другим входом блока газификации угля, выход блока газификации угля соединен с входом горячего контура теплоносителя первого поверхностного теплообменника, а его выход соединен с входом горячего контура теплоносителя второго поверхностного теплообменника, выход которого соединен с входом топливного компрессора, третий выход воздухоразделительной установки параллельно соединен с входами первого и второго компрессоров, выход первого компрессора соединен с входом горячего контура теплоносителя парогенератора, выход которого соединен с входом холодного контура теплоносителя первого поверхностного теплообменника, а его выход соединен с первой турбиной, выход второго компрессора соединен с входом холодного контура теплоносителя второго поверхностного теплообменника, а его выход соединен со второй турбиной, первые и вторые компрессоры и турбины расположены на одном валу с дополнительным электрогенератором.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема кислородно-топливной энергоустановки с газификацией угля.
Кислородно-топливная энергоустановка с газификацией угля содержит многоступенчатый компрессор 1, насос 2, кислородный компрессор 3, воздухоразделительную установку 4, регенератор 5, содержащий горячие контуры теплоносителей 6, 7 и холодные контуры теплоносителей 8, 9, камеру сгорания 10, топливный компрессор 11, газовую турбину 12, охладитель-сепаратор 13, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 14, блок газификации угля 15, первый поверхностный теплообменник 16 с горячим контуром теплоносителя 17 и холодным контуром теплоносителя 18, первый компрессор 19, первую турбину 20, второй поверхностный теплообменник 21 с горячим контуром теплоносителя 22 и холодным контуром теплоносителя 23, второй компрессор 24, вторую турбину 25, парогенератор 26 с холодным контуром теплоносителя 27 и горячим контуром теплоносителя 28, электрогенератор 29 при этом первый компрессор 19, первая турбина 20, второй компрессор 24 и вторая турбина 25 расположены на одном валу, который связан механически с дополнительным электрогенератором 30.
Вход многоступенчатого компрессора 1 выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, а выход многоступенчатого компрессора 1 соединен с входом насоса 2. Выход насоса 2 соединен с входом холодного контура теплоносителя 8 регенератора 5. Выход холодного контура теплоносителя 8 регенератора 5 соединен с первым входом камеры сгорания 10. Ко второму входу камеры сгорания 10 подключен выход топливного компрессора 11. Первый вход воздухоразделительной установки 4 выполнен с возможностью подачи воздуха, а первый выход воздухоразделительной установки 4 соединен с входом горячего контура теплоносителя 7 регенератора 5. Выход горячего контура теплоносителя 7 соединен со вторым входом воздухоразделительной установки 4. Второй выход воздухоразделительной установки 4 параллельно соединен с входом кислородного компрессора 3 и с первым входом блока газификации угля 15, второй вход которого выполнен с возможностью подачи угля. Выход компрессора 3 соединен с входом холодного контура теплоносителя 9 регенератора 5. Выход холодного контура теплоносителя 9 соединен с третьим входом камеры сгорания 10. Выход камеры сгорания 10 соединен с входом газовой турбины 12, которая механически соединена с электрогенератором 29. Выход газовой турбины 12 соединен с входом горячего контура теплоносителя 6 регенератора 5. Выход горячего контура теплоносителя 6 соединен с входом охладителя-сепаратора 13. Первый выход охладителя-сепаратора 13 параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора 1 и входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 14. Второй выход охладителя-сепаратора 13 соединен с входом холодного контура теплоносителя 27 парогенератора 26. Выход холодного контура теплоносителя 27 соединен с третьим входом блока газификации 15. Выход блока газификации 15 соединен с входом горячего контура теплоносителя 17 первого поверхностного теплообменника 16. Выход горячего контура теплоносителя 17 первого поверхностного теплообменника 16 соединен с входом горячего контура теплоносителя 22 второго поверхностного 21. Выход горячего контура теплоносителя 22 второго поверхностного теплообменника 21 соединен с входом топливного компрессора 11. Третий выход воздухоразделительной установки 4 параллельно соединен с входом первого компрессора 19 и второго компрессора 24. Выход первого компрессора 19 соединен с входом горячего контура теплоносителя 28 парогенератора 26. Выход горячего контура теплоносителя 28 соединен с входом холодного контура теплоносителя 18 первого поверхностного теплообменника 16. Выход холодного контура теплоносителя 18 первого поверхностного теплообменника 16 соединен с входом первой турбины 20. Выход второго компрессора 24 соединен с входом холодного контура теплоносителя 23 второго поверхностного теплообменника 21. Выход холодного контура теплоносителя 23 второго поверхностного теплообменника 21 соединен с входом второй турбины 25.
Кислородно-топливная энергоустановка с газификацией угля работает следующим образом.
В многоступенчатый компрессор 1 подается диоксид углерода, который после сжатия направляется в насос 2. Далее сжатый поток направляется в холодный контур теплоносителя 8 регенератора 5, где он нагревается потоком выхлопных газов газовой турбины 12, проходящим через горячий контур теплоносителя 6, и потоком воздуха из первого выхода воздухоразделительной установки 4, проходящим через горячий контур теплоносителя 7 регенератора 5. После нагрева поток диоксида углерода направляется в первый вход камеры сгорания 10. Поток кислорода, выходящий из второго выхода воздухоразделительной установки 4, разделяется на две части. Первый поток направляется в кислородный компрессор 3, после которого попадает в холодный контур теплоносителя 9 регенератора 5, где нагревается потоком выхлопных газов газовой турбины 12, проходящим через горячий контур теплоносителя 6, и потоком воздуха из воздухоразделительной установки 4, проходящим через горячий контур теплоносителя 7 регенератора 5. Во второй вход камеры сгорания 10 поступает сжатый топливным компрессором 11 синтез-газ. После нагрева поток кислорода направляется в третий вход камеры сгорания 10. После сгорания горячей смеси в камере сгорания 10 и выработки полезной работы в газовой турбине 12 выхлопные газы поступают в горячий контур теплоносителя 6 регенератора 5. После регенератора 5 выхлопные газы, проходящие через горячий контур теплоносителя 6, направляются в охладитель-сепаратор 13, в котором они охлаждаются и из них удаляются водяные пары. Избыток углекислого газа, образовавшийся в результате сжигания синтез-газа в кислороде удаляется с помощью многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 14. Оставшаяся рабочая среда снова направляется на вход многоступенчатого компрессора 1. Вода из охладителя-сепаратора 13 направляется в холодный контур теплоносителя 27 парогенератора 26, в котором происходит ее нагрев сжатым в первом компрессоре 19 азотом, проходящим через горячий контур теплоносителя 28. Далее пар, образовавшийся в результате нагрева воды в парогенераторе 26, направляется в третий вход блока газификации 15. В первый вход блока газификации 15 поступает вторая часть потока кислорода из второго выхода воздухоразделительной установки 4. Во второй вход блока газификации 15 подается уголь. Образовавшийся в результате физико-химических процессов в блоке газификации 15 синтез-газ поступает в горячий контур теплоносителя 17 первого поверхностного теплообменника 16, где отдает свое тепло азоту, проходящему через холодный контур теплоносителя 18 первого поверхностного теплообменника 16. Далее синтез-газ поступает в горячий контур теплоносителя 22 второго поверхностного теплообменника 21, где отдает свое тепло азоту, проходящему через холодный контур теплоносителя 23 второго поверхностного теплообменника 21. После второго поверхностного теплообменника 21 охлажденный синтез-газ поступает на сжатие в топливный компрессор 11. Поток азота из третьего выхода воздухоразделительной установки 4 разделяется на две части. Первый поток азота направляется в первый компрессор 19, в котором происходит его сжатие. После нагретый при сжатии азот поступает в горячий контур теплоносителя 28 парогенератора 26, где отдает свое тепло воде, проходящей через холодный контур теплоносителя 27 парогенератора 26. Далее поток азота направляется в холодный контур теплоносителя 18 первого поверхностного теплообменника 16, где происходит его нагрев синтез-газом после блока газификации 15, проходящим через горячий контур теплоносителя 17 первого поверхностного теплообменника 16. После первого поверхностного теплообменника 16 горячий азот поступает в первую турбину 20, в которой вырабатывает полезную работу, после чего азот выбрасывается в атмосферу. Второй поток азота направляется во второй компрессор 24, в котором происходит его сжатие. Далее поток азота направляется в холодный контур теплоносителя 23 второго поверхностного теплообменника 21, где происходит его нагрев синтез-газом после блока газификации 15, проходящим через горячий контур теплоносителя 22 второго поверхностного теплообменника 21. После второго поверхностного теплообменника 21 горячий поток азота поступает во вторую турбину 25, в которой вырабатывает полезную работу, после чего азот выбрасывается в атмосферу.
Результаты моделирования кислородно-топливной энергоустановки с газификацией угля показали, что электрический КПД нетто вырос на 2,5% по сравнению с прототипом при одинаковых термодинамических параметрах цикла - начальная температура цикла 1083°С, начальное давление 30 МПа, давление на выхлопе газовой турбины 3 МПа.
Использование изобретения позволяет повысить электрический КПД нетто кислородно-топливной энергоустановки с газификацией угля за счет полезной утилизации теплоты синтез-газа после блока газификации в двух дополнительных азотных газотурбинных установках.