Энерготехнологический комплекс выработки тепловой и электрической энергии и способ работы комплекса
ENERGY-TECHNOLOGY COMPLEX FOR HEAT AND ELECTRIC ENERGY GENERATION AND METHOD FOR OPERATION OF THE COMPLEX

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам выработки тепловой и электрической энергий.
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; (f) 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, (патент РФ №2698865, опубл. 30.08.2019), выполненный с возможностью сжижения природного газа и 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.
К недостаткам представленных аналогов можно отнести потери мощности и низкую эффективность парогазовой установки при сжижении природного газа и получении жидкого кислорода.
Известен энерготехнологический комплекс переработки природного газа и способ работы комплекса, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (патент РФ №2739165 от 21.12.2020). Энерготехнологический комплекс переработки природного газа содержит источник природного газа, установку криогенного разделения воздуха, завод по производству сжиженного природного газа (СПГ-завод), блок переработки газа и энергетическую установку, причем установка криогенного разделения воздуха соединена с СПГ-заводом линией подачи жидкого азота и с энергетической установкой линией подачи жидкого кислорода, источник природного газа соединен с блоком переработки газа и с СПГ-заводом, который в свою очередь соединен с блоком переработки газа линией подачи отпарного газа и с камерой сгорания энергетической установки линией подачи сжиженного природного газа, энергетическая установка включает в себя линию подачи воды в камеру сгорания и выполнена с возможностью обеспечения подачи пара из линии подачи воды, а также сконденсированного в энергетической установке диоксида углерода в блок переработки газа, который выполнен с возможностью получения жидких углеводородов и метано-водородной смеси, а энергетическая установка выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии к блоку переработки газа, СПГ-заводу и к установке криогенного разделения воздуха. Способ работы энерготехнологического комплекса переработки природного газа заключается в том, что пар из линии подачи воды в камеру сгорания и сконденсированный в энергетической установке диоксид углерода подают в блок переработки газа, кроме того, в блок переработки газа подают природный газ от источника природного газа и подают отпарной газ от завода по производству сжиженного природного газа (СПГ-завод), на выходе из блока переработки газа в ходе химических реакций, протекающих в блоке, получают жидкие углеводороды и метано-водородную смесь, при этом в СПГ-завод также подают природный газ от источника природного газа и жидкий азот от установки криогенного разделения воздуха, по меньшей мере часть жидкого кислорода из установки криогенного разделения воздуха и по меньшей мере часть сжиженного природного газа из СПГ-завода подают в камеру сгорания энергетической установки, от которой выработанную энергию подают к блоку переработки газа, СПГ-заводу и установке криогенного разделения воздуха.
К недостаткам приведенного наиболее близкого аналога можно отнести относительно низкую энергоэффективность комплекса и низкое использование тепловой энергии сред, что обуславливает низкий КПД и ухудшение экологических показателей установки.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении энергоэффективности комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива.
Технический результат достигается энерготехнологическим комплексом выработки тепловой и электрической энергии, содержащим энергетическую установку (1), установку (2) криогенного разделения воздуха, соединенную с энергетической установкой (1) линией подачи жидкого кислорода и линией подачи жидкого азота, источник (3) топлива, при этом дополнительно содержит парогазовую установку (4) (ПГУ), выполненную с возможностью выработки тепловой и электрической энергий, электролизер (5) и соединенная с ним установка (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), электролизер (5) линией (8) подачи кислорода соединен с энергетической установкой (1) и линией (9) подачи водорода - с ПГУ (4), которая также выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии установке (2) криогенного разделения воздуха и электролизеру (5).
Энергией, передаваемой от ПГУ (4) к электролизеру (5), является тепловая энергия, а к установке (2) криогенного разделения воздуха - электрическая и/или механическая энергия.
ПГУ (4) дополнительно выполнена с возможность передачи по меньшей мере части тепловой энергии энергетической установке (1).
Установка (2) криогенного разделения воздуха дополнительно соединена с энергетической установкой (1) линией передачи вырабатываемой энергетической установкой (1) энергии, кроме того, ПГУ (4) дополнительно выполнена с возможность передачи вырабатываемой электрической и/или механической энергии энергетической установке (1).
Электролизер (5), выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) и водорода в ПГУ (4) под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода от установки (2) криогенного разделения воздуха, а также воды и сжиженного диоксида углерода от энергетической установки (1) и выработанной в ней (1) энергий, к внешнему потребителю (7).
Также технический результат достигается способом работы энерготехнологического комплекса, заключающимся в том, что выработанную установкой (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) электрическую энергию подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), на водород и кислород, полученный таким образом кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1), где его направляют в камеру сгорания энергетической установки (1), а полученный водород по линии (9) подачи водорода подают в парогазовую установку (4) (ПГУ), где за счет сжигания этого водорода вырабатывают тепловую и электрическую энергии, при этом по меньшей мере один из видов вырабатываемой ПГУ (4) энергии подают к электролизеру (5), а к установке (2) криогенного разделения воздуха от ПГУ (4) подают электрическую и/или механическую энергию, в установке (2) криогенного разделения воздуха получают по меньшей мере жидкие азот и кислород, которые по линиям подачи жидкого кислорода и подачи жидкого азота подают в энергетическую установку (1).
ПГУ (4) передают электролизеру (5) тепловую энергию, а к установке (2) криогенного разделения воздуха - электрическая и/или механическая энергия.
Дополнительно от ПГУ (4) передают по меньшей мере часть тепловой энергии энергетической установке (1).
Дополнительно к установке (2) криогенного разделения воздуха подают энергию, выработанную энергетической установкой (1), а от ПГУ (4) подают выработанную ей электрическую и/или механическую энергию к энергетической установке (1).
Кислород в энергетическую установку (1) и водород в ПГУ (4) от электролизера (5), подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также полученный в установке (2) криогенного разделения воздуха сжиженный кислород подают к внешнему потребителю (7), а также от энергетической установки (1) воду, выработанной в ней (1) энергий и сжиженный диоксид углерода подают к внешнему потребителю (7).
На представленной фигуре показана схема энерготехнологического комплекса выработки тепловой и электрической энергии.
На представленной фигуре обозначены следующие элементы.
1 - энергетическая установка без выхлопа;
2 - установка криогенного разделения воздуха;
3 - источник топлива;
4 - парогазовая установка, работающая на водороде;
5 - электролизер;
6 - установка для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ);
7 - внешний потребитель;
8 - линия подачи кислорода от электролизера (5) к энергетической установке (1);
9 - линия подачи водорода от электролизера (5) к парогазовой установке (4).
Стрелками показаны направления движения сред в комплексе и энергий для обеспечения работоспособности комплекса.
Энерготехнологический комплекс выработки тепловой и электрической энергии содержит источник (3) топлива, которым может быть источник углеродсодержащего топлива, например метана, энергетическую установку (1), установку (2) криогенного разделения воздуха, соединенную с энергетической установкой (1) линией подачи жидкого кислорода и линией подачи жидкого азота, что повышает энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии жидкого кислорода и жидкого азота, циркулирующих в комплексе, а именно холода жидкого азота и кислорода в энергетической установке (1), в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода.
Комплекс дополнительно содержит парогазовую установку (4) (ПГУ), выполненную с возможностью выработки тепловой и электрической/механической энергий за счет сжигания водорода и воздуха, что позволяет снизить выбросы вредных веществ при работе комплекса в атмосферу.
Электролизер (5) соединен с установкой (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса и улучшить экологические показатели комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды.
Электролизер (5) линией (8) подачи кислорода соединен с энергетической установкой (1) и линией (9) подачи водорода - с ПГУ (4), которая также выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии установке (2) криогенного разделения воздуха и электролизеру (5), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет использования относительно более дешевых кислорода и водорода в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии.
Энергетическая установка (1) дополнительно включает замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, выполненный с возможностью получения тепла низкокипящей рабочей жидкостью от отработанных газов и выработки дополнительной механической энергии от расширения низкокипящей рабочей жидкости на турбине ОЦР и далее выработки дополнительной электрической энергии генератором ОЦР, соединенным с турбиной ОЦР, что повышает КПД комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, что соответствует установке, описанной в патенте RU 2739165 от 21.12.2020. Кроме того, холодная вода, сконденсированная из отработанных газов энергетической установки (1) за счет ступенчатого охлаждения, направляется в электролизер (5).
Энергией, передаваемой от ПГУ (4) электролизеру (5), является тепловая энергия в том числе и от водяного пара, содержащегося в выхлопных газах ПГУ (4), за счет этого тепла подогревается вода, поступающая в электролизер (5) от энергетической установки (1), до рабочей температуры электролизера (5), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат.
ПГУ (4) дополнительно выполнена с возможность передачи по меньшей мере части тепловой энергии отработавших газов, содержащих пары воды, энергетической установке (1), где смешавшись с отработанными газами энергетической установки (1) также передадут тепло в замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет увеличения использования тепла, а также улучшение экологических показателей за счет конденсации диоксида углерода.
Установка (2) криогенного разделения воздуха дополнительно соединена с энергетической установкой (1) линией передачи вырабатываемой энергетической установкой (1) энергии, которая может быть электрической и/или механической, например, для приводов по меньшей мере части компрессоров может использоваться механическая энергия, а для другой части - электрическая, или один вид энергии для всего оборудования установки (2) криогенного разделения воздуха. Кроме того, ПГУ (4) дополнительно выполнена с возможность передачи вырабатываемой энергии энергетической установке (1), которая также может быть электрической и/или механической, например, для привода по меньшей мере одного насоса питательной воды, может использоваться механическая энергия, а для привода по меньшей мере одного другого насоса - электрическая, или только один из указанных энергий, что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет увеличения использования энергий в комплексе.
Электролизер (5), выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) и водорода в ПГУ (4) под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), например, за счет работы самого электролизера (5) под высоким давлением может достигаться необходимое давление кислорода для подачи в камеру сгорания энергетической установки (1), что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет отсутствия необходимости повышения давления кислорода и водорода, либо включать один дополнительный компрессор, обеспечивающий повышение давления кислорода для подачи его в камеру сгорания энергетической установки (1) под необходимым давлением, а также другой дополнительный компрессор, обеспечивающий подачу водорода в камеру сгорания ПГУ (4) (А.И. Счастливцев, Назарова О.В. / Водородно-воздушная газотурбинная система аккумулирования энергии. // ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА, 2016, №2, с. 31-37). Конструкция самого электролизера высокого давления может быть любой из известных, например, раскрытая в статье «С.П. Королев, В.Н. Кулешов и др. / Электролизер высокого давления с фитильной подачей воды для работы в невесомости // Известия РАН. Энергетика, 2019, №2, стр. 68-77 [URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=izen&y=2019&v=0&n=2&a=IzEn1902009Korolev]» или в соответствии с патентом РФ 2496918, опубликованным 27.10.2013, электролизер высокого давления выполнен с возможностью получения водорода и кислорода под высоким давлением (7 МПа и более).
Также комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода от установки (2) криогенного разделения воздуха, а также воды и сжиженного диоксида углерода, полученных посредством ступенчатого охлаждения отработанных газов, от энергетической установки (1) и выработанной в ней (1) энергий, к внешнему потребителю (7), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования избытков сред, выработанных при эксплуатации комплекса.
Комплекс работает следующим образом.
От установки (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), возобновляемым источником энергии для которой может быть солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная или их комбинации, получают электрическую энергию и далее подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), на водород и кислород, что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, а также улучшить экологические показатели комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии в ПГУ (4) и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива в энергетической установке (1).
Полученный таким образом кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1), где его направляют в камеру сгорания энергетической установки (1), а полученный водород по линии (9) подачи водорода подают в парогазовую установку (4) (ПГУ), где за счет сжигания этого водорода с воздухом из атмосферы вырабатывают тепловую и электрическую энергии, при этом по меньшей мере один из видов вырабатываемой ПГУ (4) энергии подают к электролизеру (5), а к установке (2) криогенного разделения воздуха от ПГУ (4) подают электрическую/механическую энергию, что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет использования относительно более дешевых кислорода и водорода в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии в ПГУ (4) и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива в энергетической установке (1).
В установке (2) криогенного разделения воздуха получают по меньшей мере жидкие азот и кислород, которые по линиям подачи жидкого кислорода и подачи жидкого азота подают в энергетическую установку (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, а именно холода жидкого азота и кислорода в энергетической установке (1), в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода.
От ПГУ (4) передают электролизеру (5) тепловую энергию, например, с отработанными газа, содержащими водяной пар, для подогрева воды, поступающей из энергетической установки (1), до рабочей температуры электролизера (5), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат.
Дополнительно от ПГУ (4) передают по меньшей мере часть тепловой энергии выхлопных газов в энергетическую установку (1), при этом по меньшей мере часть тепла передается замкнутому контуру утилизации тепла, работающему по ОЦР, и дальнейшей тепловой обработки, что позволяет дополнительно повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет тепла, полученного от сжигания в воздухе водорода, сгенерированного энергией ВИЭ, и кислорода для энергетической установки (1), полученного без затрат углеродсодержащего топлива.
Дополнительно к установке (2) криогенного разделения воздуха подают энергию, выработанную энергетической установкой (1), а именно механическую и/или электрическую, при этом часть компрессоров установки (2) приводится за счет использования электрической энергии и другая часть - механической энергии, или только одним из этих видов энергий, при этом от ПГУ (4) дополнительно подают выработанную ей механическую и/или электрическую энергию к энергетической установке (1), также, например, для привода по меньшей мере части циркуляционных насосов установки (1) электрической энергией, а другой части циркуляционных насосов - механической энергий, либо только одним из видов энергий, что позволяет дополнительно повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования энергий, вырабатываемых комплексом.
Также водород к ПГУ (4) и кислород к энергетической установке (1) от электролизера (5), подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также полученный в установке (2) криогенного разделения воздуха сжиженный кислород подают к внешнему потребителю (7), при этом, как указывалось ранее известны электролизеры (5) высокого давления, способные обеспечить давление вырабатываемых газов, необходимое для их подачи в камеры сгорания энергетической установки (1) и ПГУ (4) без использования дополнительных компрессоров, что позволяет повысить эффективность комплекса в целом за счет такой экономии энергии на подаче водорода и кислорода от электролизера (5). Однако это не ограничивает использование электролизеров (5) только с таким давление, при более низком давлении возможно использовать по меньшей мере один компрессор для повышения давления кислорода, при этом компрессор также будет получать электрическую энергию от ВИЭ (6), что позволяет повысить эффективность комплекса, за счет уменьшения использования энергии на повышение давления кислорода. Также от энергетической установки (1) воду и сжиженный диоксид углерода, полученные ступенчатым охлаждением отработанных газов в энергетической установке (1), подают к внешнему потребителю (7), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования излишков сред, выработанных при эксплуатации комплекса.
На получение жидкого кислорода, путем криогенного разделения воздуха необходимо затратить 0,8 кВт⋅ч/кг [https://cryogenmash.ra/catalog/kriogennye-vru/].
А на получение 1 кг водорода с помощью электролизера требуется 50 кВт⋅ч [https://ru.qaz.wiki/wiki/Electrolysis_of_water].
2
При этом, масса водорода в молекуле воды составляет 2⋅100/18=11,11%, а масса кислорода 16⋅100/18=88,89% [https://www.drive2.ru/b/2451114/], откуда 50 кВт⋅ч/88.89⋅11.11=6.25 кВт⋅ч/кг O. И так, для получения 1 кг кислорода в электролизере требуется 6.25 кВт⋅ч энергии.
При этом получается еще 0,1111/0,8889=125 грамм водорода, которые при сжигании дадут 0,125⋅33,3 кВт⋅ч (по низшей)=4,2 кВт⋅ч или 0,125⋅39,2 кВт⋅ч (по высшей)=4,9 кВт⋅ч. Если считать, что эта энергия в ПГУ с КПД 50% превратится в электричество и 40% в виде пара поступит в электролизер, что уменьшит потребность в электричестве, то считаем, что 0,9 4,9 кВт⋅ч=4,1 кВт⋅ч мы вернем электролизеру.
Т.е. для выработки 1 кг кислорода на электролизере требуется 6.25 кВт⋅ч-4,1 кВт⋅ч=1,84 кВт⋅ч от ВЭИ.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении энергоэффективности комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива.