СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
METHOD OF ENERGY ACCUMULATION

Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим как различные виды топлива, так и возобновляемые источники энергии, например энергию ветра или солнца, и предназначено для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией различных объектов, имеющих неравномерную энергетическую нагрузку.
Известны энергоустановки, ветроустановки с электрогенераторами или приливные электростанции, преобразующие первичную энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости подводится к различным потребителям электроэнергии. Применяются также различные энергоустановки, преобразующие тепловую (солнечную или геотермальную) энергию в электрическую энергию. Значительный потенциал имеют атомные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как в энергосистеме существуют дневные пики и ночные провалы мощности. Как видно из приведенного перечисления особенностей работы различных энергогенерирующих систем, существует значительная разница во временных графиках выработки и потребления энергии. Таким образом, возникает задача создания энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать потребителя различными видами энергии, вторичными энергоносителями и опресненной водой в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика расхода первичной энергии.
Энергетический потенциал атомных и возобновляемых источников энергии более чем на два порядка превышает потребность в энергии. Использование этого потенциала решит геополитические проблемы, связанные с неравномерностью размещения природных месторождений органического топлива, а также приведет к заметному восстановлению природного экологического потенциала и улучшению состояния окружающей среды.
Выравнивание графика нагрузок энергоисточников за счет применения традиционных накопителей электроэнергии или теплоаккумуляторов увеличивает стоимость производства энергии и усложняет регламент работы.
Предложен цикл воздушно-аккумулирующих газотурбинных установок (ВАГТУ) [см. в книге: Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). Г.Г. Ольховский, В.А. Казарян, А.Я. Столяревский. Из-во: Институт компьютерных исследований, 2011, с.113], представляющий собой вариацию стандартного цикла выработки энергии газовой турбиной. В стандартном цикле выработки электроэнергии газотурбинной электростанцией газовая турбина физически соединена с воздушным компрессором. Таким образом, при работе газовой турбины примерно две трети энергии турбины идет на сжатие воздуха. При использовании установки ВАГТУ цикл сжатия протекает отдельно от циклов сжигания и выработки. Энергия, получаемая в непиковые периоды, или избыточная электроэнергия используется для предварительного сжатия воздуха, который хранится в подземной полости, как правило, в соляной полости. Когда установка ВАГТУ преобразует энергию, сжатый воздух из подземной полости отбирается и нагревается регенератором, а затем смешивается с топливом (природным газом) и расширяется в турбине для выработки энергии. Поскольку мощности турбины для приведения в действие воздушного компрессора более не требуется, турбина того же размера может вырабатывать в три раза больше энергии, используя меньше топлива на каждый генерируемый МВт. Накапливаемый сжатый воздух занимает место газа, который нужно было бы в противном случае сжечь в процессе выработки энергии и использовать для сжатия воздуха компрессором ГТУ.
Концепция ВАГТУ зарекомендовала себя на действующих установках накопления энергии сжатого воздуха. На установках есть блок сжатия, соединенный с блоком генерации общим мотор-генератором и рядом сцеплений. ВАГТУ часто имеет регенератор (воздухо-воздушный теплообменник) для утилизации отработавшего тепла газовой турбины для предварительного нагрева воздуха, поступающего из подземного хранилища. Такие изменения в конструкции повышают тепловую мощность.
При стоимости пиковой электроэнергии на оптовом рынке в 7-10 раз выше ночной суммарная выручка от работы накопителей с учетом оплаты системных услуг обеспечивает инвестиционную привлекательность долгосрочных финансовых вложений в их строительство.
В частности, предложен способ работы ветроэлектростанции с водородным аккумулированием энергии, заключающийся в том, что воду разлагают на кислород и водород, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности создают замкнутый цикл, где воду нагнетают насосом в пароохладитель и электролизер, из которого водород и кислород как компоненты разложения воды собирают в резервуары для раздельного хранения, сжигают в камере сгорания, а продукты сгорания в виде перегретого водяного пара направляют в пароохладитель, где впрыскивают воду и охлаждают перегретый водяной пар, энергию которого посредством паровой турбины, генератора, конденсатора и электрокотла преобразуют в электрическую и тепловую энергию, а конденсат сливают в конденсатную емкость (заявка РФ на изобретение №99102865, дата публикации 2000.12.20). Недостатком данного решения является высокая стоимость и низкая эффективность аккумулирования энергии, что связано с большими затратами на создание и эксплуатацию электролизеров (до 3000 дол. США/кВт) и систем хранения водорода и кислорода, а также относительно низким кпд паротурбинного цикла.
Более экономичное решение предложено в патенте ЕС на изобретение №2378100 (дата публикации 19.10.2011), в котором система производства электроэнергии на основе ВАГТУ включает в себя первый компрессор, второй компрессор, камеру сгорания, сконфигурированную для приема сжатого воздуха из второго компрессора для получения потока выхлопных газов, первую турбину и силовую турбину. Первая турбина, выполненная с возможностью приема потока выхлопных газов, генерирует энергию за счет расширения потока выхлопных газов и служит также приводом для второго компрессора, сжимающего поток газа из подземного хранилища сжатого воздуха. Система включает в себя соединительное устройство, выполненное с возможностью соединения и отделения первого компрессора от второй турбины, соединенной по выхлопу газа с силовой турбиной, питающей электрогенератор, выполненного с возможностью вывода электрической мощности, - аналог. Недостатками данного решения являются относительно низкий кпд производства электроэнергии и необходимость большого объема газохранилища.
Техническим решением по устранению данного недостатка стало предложение ВАГТУ по патенту РФ на изобретение №2273742 - прототип, в котором в энергоаккумулирующей установке, содержащей генератор электрического тока, компрессор, газовую турбину и соединенный с последней резервуар сжатого воздуха, последний выполнен в виде эластичной герметичной оболочки и установлен в гидросреде на глубине, определяемой соотношением рада параметров, в том числе: суммарная площадь поперечного сечения входного отверстия турбины и суммарная площадь поперечного сечения выпускных отверстий резервуара. В часы пониженной нагрузки на энергосистему воздух из атмосферы закачивается компрессором по воздуховодам в резервуар. С начала подачи воздуха давление внутри резервуара устанавливается равным гидростатическому в соответствии с глубиной его погружения. При этом воздух сжимается и его объем уменьшается во столько раз, во сколько гидростатическое давление воды на заданной глубине превышает атмосферное давление воздуха. При пиках нагрузки в энергосистеме сжатый воздух из резервуаров поступает по воздуховодам в газовую турбину с электрогенератором для выработки электроэнергии. В данном предложении недостатком является невысокий КПД и необходимость создания аккумуляторов воздуха высокой стоимости, обусловленной высоким давлением, эластичной оболочкой и большим объемом.
Задача изобретения - это создание способа энергоаккумулирования, в котором за счет утилизации тепловой энергии продуктов сгорания в парогенераторе и применения сжатого воздуха, запасаемого в газохранилище за счет провальной электроэнергии, получают водородосодержащую парогазовую смесь с повышенным содержанием водорода, сжигание которой повышает мощность газовой турбины в пиковом режиме и снижает выбросы вредных веществ, создают условия снижения затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличивают надежность энергоаккумулирующей установки, упрощают ее конструкцию, повышают надежность и улучшают условия эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в способе аккумулирования энергии, в котором в энергоустановку подают из газохранилища сжатый воздух, а также газообразное топливо, продукты сжигания которого используют в периоды увеличения нагрузки электросети для газотурбинного привода мотор-генератора, который в периоды провала нагрузки электросети используют для сжатия воздуха и нагнетания его в газохранилище сжатого воздуха, по меньшей мере часть сжатого воздуха, отбираемого из газохранилища сжатого воздуха, используют для проведения паровоздушной конверсии природного газа в адиабатическом реакторе конверсии, продукты которой подают в периоды увеличения нагрузки электросети на сжигание в потоке сжатого воздуха с получением продуктов сгорания, подаваемых на расширение в газотурбинный привод мотор-генератора, а затем на охлаждение в водяном парогенераторе, из которого вырабатываемый водяной пар подают на смешение со сжатым воздухом перед паровоздушной конверсией природного газа.
Кроме того:
- в периоды провала нагрузки электросети перед подачей в газохранилище сжатого воздуха его охлаждают за счет нагрева теплофикационной воды;
- паровоздушную конверсию природного газа проводят с использованием катализатора;
- газообразное топливо выбирают из ряда, содержащего природный газ, углеводороды, диметиловый эфир, метанол, этиловый спирт или их смеси;
- питательную воду в парогенератор подают из резервуара, пополняемого конденсатом, выделяемым из продуктов сгорания;
- перед подачей в камеру сгорания продукты конверсии охлаждают за счет нагрева входного паровоздушного потока, поступающего на реакцию конверсии, и накапливают в емкости хранения;
- температурный режим конверсии поддерживают изменением расхода и состава входного паровоздушного потока;
- подачу сжатого воздуха, отбираемого из газохранилища, распределяют между камерой сгорания и реактором конверсии путем применения запирающего и/или регулирующего элемента.
Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.
x
3
Наиболее высокой термодинамической эффективности утилизации сбросного тепла газовой турбины можно достичь при получении с помощью этого тепла химических продуктов, при сгорании которых образуется высокотемпературное рабочее тело, срабатываемое в газотурбинном цикле. К числу таких продуктов относится водород, который не только не образует при сгорании вредных продуктов, но и обеспечивает повышение эффективности турбины и позволяет работать на крайне бедной смеси с очень большим коэффициентом избытка воздуха (до λ=9.8 в случае водородо-воздушной смеси). Благодаря наличию в камере сгорания большого количества воздуха, не принимающего участия в сгорании топлива, достигается значительное снижение температуры выхлопных газов и невероятно низкий уровень выбросов NO - менее 5 мг/нм или 2 ppm, что практически приближается к пределу выявления. При этом увеличение массового расхода рабочего тела приводит к росту мощности турбины. Применение продуктов конверсии, представляющих из себя водородсодержащие смеси с высоким содержанием водорода (до 30-40%), в качестве топливного газа на газотурбинных установках, в том числе - типа ВАГТУ, позволит не только существенно улучшить эксплуатационные характеристики и снизить расход топливного газа, но и значительно снизить эмиссионные показатели. Получение продуктов конверсии водородсодержащего газа согласно изобретению производят путем каталитического процесса паровоздушной конверсии природного газа (метана), в котором используют сжатый воздух, запасенный в газохранилище сжатого воздуха в периоды провала нагрузки электросети, и водяной пар, получаемый в парогенераторе, в котором утилизируют сбросное тепло продуктов сгорания водородсодержащего газа. Отбор тепла от продуктов сгорания, выводимых из газовой турбины, производят как для получения водяного пара, часть которого используют в реакции конверсии метана, а оставшийся поток может быть направлен вместе с потоком продуктов конверсии в камеру сгорания, или на силовую турбину. Тем самым удается с максимально возможной эффективностью использовать энергию продуктов сгорания, отводимых из газовой турбины.
Примером реализации изобретения служит способ аккумулирования энергии, описанный ниже.
На фигуре дана схема реализации способа, где 1 - природный газ, 2 - камера смешения, 3 - паровоздушный поток, 4 - реактор парциального окисления, 5 - продукты конверсии, 6 - камера сгорания, 7 - сжатый воздух-окислитель, 8 - продукты сгорания, 9 - газовая турбина, 10 - мотор-генератор, 11 - электроэнергия, 12 - дымовые газы, 13 - парогенератор, 14 - питательная вода, 15 - резервуар питательной воды, 16 - водяной пар, 17 - ресивер, 18 - сжатый воздух-реагент, 19 - узел распределения, 20 -сжатый воздух, 21 - газохранилище сжатого воздуха, 22 - трубы подачи воздуха, 23 - воздух из компрессора, 24 - теплофикационный теплообменник, 25 - компрессор, 26 - воздух из атмосферы.
Способ осуществляется следующим образом.
В периоды увеличения нагрузки электросети природный газ 1 подают в камеру смешения 2, в которую направляют также паровоздушный поток 3 высокого давления. За счет окисления природного газа температура смеси при давлении свыше 2.0 МПа повышается до 1100-1200°С и образуется нагретая реакционная смесь, поступающая в каталитический реактор парциального окисления 4, в котором смесь конвертируется в продукты конверсии 5, направляемые с температурой около 700°С в камеру сгорания 6, в которую также направляют сжатый воздух 7. Для коррекции состава газов в камеру сгорания 6 могут подавать дополнительный поток природного газа 1. Образующиеся в камере сгорания 6 продукты сгорания 8 с температурой 1100-1400°С подают на вход газовой турбины 9, в которой продукты сгорания 8 расширяются и превращаются в дымовые газы низкого давления с температурой 450°С, которые направляют в парогенератор 13, а затем в атмосферу. Перед камерой сгорания 6 продукты конверсии 5 могут накапливать в емкости хранения (на фигуре не показана). В парогенераторе 13 из питательной воды 14, отбираемой из резервуара 15, производят водяной пар высокого давления 16, который подают на смешение со сжатым воздухом 18 в ресивере 17. Целесообразно из охлажденных в парогенераторе 13 дымовых газов 12, направляемых в атмосферу в контактном конденсаторе (на чертеже не показан) выводить воду, конденсируя водяной пар низкого давления, содержащийся в продуктах сгорания 12, сбрасываемых после этого в атмосферу 11. Конденсацию ведут охлажденной водой. Часть конденсата после насоса (на чертеже не показан) направляют в резервуар питательной воды 15.
В периоды провала нагрузки электросети в компрессоре 25 сжимают воздух 26, забираемый из окружающей среды, подают его в газохранилище сжатого воздуха 21, предварительно охлаждая его в теплофикационном теплообменнике 24, в котором нагревают теплоноситель - теплофикационную воду, подаваемую в сеть отопления и горячего водоснабжения.
В качестве механической нагрузки турбины 9 помимо мотор-генератора 10 (в периоды увеличения нагрузки электросети) может выступать компрессор воздуха 25 (в периоды провала нагрузки электросети).
Реакцию в каталитическом реакторе 4 ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, для повышения работоспособности которого перед смешением природного газа 1 с паровоздушным потоком 3 проводят очистку природного газа от соединений серы.
Давление водяного пара 16 высокого давления выбирают в диапазоне ориентировочно от 2.0 до 9.0 МПа, максимально приближая его к давлению на входе в газовую турбину 9. Предложенный способ энергоаккумулирования по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
- повышается мощность газовой турбины 9 и общая вырабатываемая пиковая энергия, поскольку требуемый расход энергии, подводимой в пиковом режиме от стороннего энергоисточника, составляет только 20-30% от энергии, подводимой к рабочему телу от стороннего источника в прототипном техническом решении;
- повышается надежность работы установки и снижается стоимость производства энергии за счет резкого (на 40-50%) снижения подачи природного газа в установку, подаваемого со стороны, что исключает также и зависимость от подвозки рабочего тела на площадку размещения установки;
- обеспечивается полная экологическая безопасность предложенного способа аккумулирования энергии, поскольку резко снижается эмиссия вредных соединений в окружающую среду;
- с помощью теплофикационных аккумуляторов в предложенном способе аккумулирования энергии запасается любое требуемое количество энергии, достаточное для обеспечения отопительных нагрузок и горячего водоснабжения даже в периоды перерыва в подводе тепловой энергии от стороннего источника;
- обеспечивается возможность применения данной установки для выработки пиковой электроэнергии и снабжения различных объектов тепловой энергией и холодом в режиме разуплотненного графика их потребления;
- технически просто и надежно обеспечивается возможность аккумулирования провальной ночной энергии, отпускаемой по сниженному тарифу;
- обеспечивается возможность эффективной утилизации сбросного тепла различных тепловых двигателей, а также расширяется возможность применения возобновляемых природных источников энергии, обладающих значительным ресурсным потенциалом и в то же время высокой неравномерностью поступления их энергии, а также дополнительного повышения эффективности установки в холодные климатические периоды;
- повышается надежность работы и снижается стоимость предложенного способа аккумулирования энергии за счет умеренных по температуре и давлению параметров рабочего тела.
3
3
3
Так, например, при расходе в период выдачи пиковой энергии 100 тыс. м воздуха/ч и подводе природного газа 1 с расходом 20 т/ч (около 35 тыс.м/ч) в реактор 4 с подачей образующихся продуктов конверсии 5 в камеру сгорания 6 в газовой турбине 9 при расширении рабочего тела до давления 0.1 МПа вырабатывается 200 МВт электрической энергии. Высокое значение противодавления в газовой турбине 9 резко сокращает габариты и стоимость турбины. Для выдачи пиковой мощности в течение 8 ч/сутки емкость подземной полости газохранилища сжатого воздуха 21 составит около 0.4 млн м, что освоено в отечественной практике, имеющей опыт создания подземных газохранилищ с давлением 10-12 МПа и емкостью около 1 млрд куб. м активного газа.
Дополнительным положительным свойством данной энергоаккумулирующей установки является возможность использования уже существующих материалов, технических решений и оборудования, необходимых для ее создания.
Таким образом, указанный способ позволит за счет утилизации тепловой энергии продуктов сгорания в парогенераторе и применения сжатого воздуха, запасаемого в газохранилище за счет провальной электроэнергии, получить водородосодержащую парогазовую смесь с повышенным содержанием водорода, сжигание которой повышает мощность газовой турбины в пиковом режиме и снижает выбросы вредных веществ, создать условия снижения затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличения надежности энергоаккумулирующей установки, упрощения ее конструкции, повышения надежности и улучшения условий эксплуатации.