Способ и установка для выработки механической и тепловой энергии
METHOD AND PLANT FOR MECHANICAL AND THERMAL ENERGY GENERATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.
2
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, энергетическая установка для выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, раскрытые в патенте на изобретение РФ №2433339, опубликованном 10.11.2011. Способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в по существу чистом кислороде, при этом способ включает в себя следующие этапы, на которых: (а) подают углеродсодержащее топливо в топку; (b) подают по существу чистый кислород из источника кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для получения отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду; (с) выпускают отходящий газ из топки посредством канала для отходящего газа; (d) извлекают все количество низкопотенциального тепла из отходящего газа посредством использования множества охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды; (е) превращают предварительно нагретую питательную воду в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; (f) повышают давление первой части отходящего газа во множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода; (g) рециркулируют вторую часть отходящего газа в топку посредством канала для рециркуляции отходящего газа; (h) расширяют пар в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности; (i) отбирают все количество пара из паротурбинной системы и используют первую часть отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла составляет более 50% от всего количества извлеченного низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и способ включает в себя дополнительную операцию: (j) расширяют вторую часть отобранного пара в по меньшей мере одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие по меньшей мере одного компрессора или по меньшей мере одного насоса энергетической установки. К недостаткам указанного выше технического решения можно отнести большие эксергетические потери при передаче высокопотенциального тепла в топке на процесс превращения воды в пар. Вследствие этих потерь средняя температура подвода тепла в термодинамический цикл очень низкая и коэффициент полезного действия такого цикла тоже низкий. Также к недостаткам могут быть отнесены и большие затраты энергии на перераспределение сред, используемых в установке, что ведет к уменьшению КПД установки в целом. Кроме того, усложняется регулирование количества CO, циркулирующего в установке.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.
2
Технический результат заключается в увеличении КПД установки за счет повышения средней температуры подвода тепла в термодинамический цикл, повышения регенерации тепла и получения большей работы расширения за счет использования высокого давления в установке, а также в увеличении сбора и увеличении контроля циркуляции сконденсированного CO в энергетической установке.
Технический результат достигается за счет способа выработки механической и тепловой энергии, который включает в себя этапы, на которых:
(a) горячие газы из камеры сгорания (1) направляют на вход в парогазовую турбину (2), при этом давление в камере сгорания (1) составляет по меньшей мере 7,5 МПа;
(b) отработанные в парогазовой турбине (2) газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в блок (4) утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из блока (4) утилизации тепла и воды;
(c) отработанные газы из блока (4) утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор (3), который сжимает газ до давления, по меньшей мере, 3,5 МПа;
(d) сжатый отработанный газ подают в блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока (5) утилизации тепла и диоксида углерода;
(e) некоторую часть слитой воды из блока (4) утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора (7), который закачивает ее в камеру сгорания (1);
(f) некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора (9), который закачивает его в камеру сгорания (1);
(g) в камеру сгорания (1) топливным насосом-регулятором (22) и кислородным насосом-регулятором (25) подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи нужного количества в камеру сгорания (1);
Этап (b) дополнительно может включать в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов в блоке (4) утилизации тепла и воды:
(i) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с водой, поступающей в камеру сгорания (1);
(j) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с диоксидом углерода и кислородом, поступающим в камеру сгорания (1);
(k) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем потребителя тепла (28);
(k') охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с углеродсодержащим топливом;
(l) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем передачи тепла внешней среде;
(m) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с холодильной машиной.
Этап (d) дополнительно может включать в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода:
(n) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем потребителя тепла (26);
(o) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем передачи тепла внешней среде;
(p) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с холодильной машиной;
(q) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с углеродсодержащим топливом;
(r) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с кислородом.
Способ дополнительно может включать в себя этап (s) ожижения газообразного углеродсодержащего топлива перед топливным насосом-регулятором (22).
Источником (10) кислорода может являться блок получения кислорода из воздуха, при этом способ дополнительно может содержать этап (t) направления жидкого кислорода после кислородного насоса-регулятора (25) в блок ожижения газообразного углеродсодержащего топлива.
Способ дополнительно может включать в себя этап (u), на котором оставшуюся часть сконденсированного диоксида углерода в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода подготавливают для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.
Способ дополнительно может включать в себя этап (v), на котором оставшуюся часть сконденсированной воды в блоке (4) утилизации тепла и воды подготавливают для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.
Температура охлаждения отработанного газа в блоке (4) утилизации тепла и воды и блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода может быть поддержана не ниже 273 К.
Способ дополнительно может включать в себя этап (h), на котором при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) изменение баланса вырабатываемых тепловой и электрических энергий достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного нососов-регуляторов (7 и 9), при этом для получения большего количества тепловой энергии повышается производительность водяного насоса-регулятора, а для получения большего количества электрической энергии повышается производительность углекислотного насоса-регулятора.
Кроме того, технический результат достигается установкой для выработки механической и тепловой энергии, содержащей камеру сгорания (1) и парогазовую турбину (2), газоотводящую систему, которая состоит из последовательно соединенных через углекислотный компрессор (3) блоков утилизации тепла и воды (4) и тепла и диоксида углерода (5), причем выход парогазовой турбины последовательно соединен с блоком (4) утилизации тепла и воды, углекислотным компрессором (3) и блоком (5) утилизации тепла и диоксида углерода, причем блок (4) утилизации тепла и воды включает теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, теплообменник (13) потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, выполненный с возможностью передачи тепла потребителю тепла (28) и теплообменнику (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенному на линии подачи топлива в камеру сгорания (1), теплообменник (14) теплоносителя передачи тепла внешней среде и теплообменник (15) холодильной машины, а блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода включает теплообменник (16) потребителя тепла (26), теплообменник (17) теплоносителя передачи тепла внешней среде, теплообменник (18) холодильной машины, теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода, а вход парогазовой турбины (2) соединен с выходом камеры сгорания (1), которая соединена через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода и насос-регулятор (25) кислорода с источником кислорода (10), через теплообменник (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода и топливный насос-регулятор (22) - с источником углеродсодержащего топлива, через теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды и водяной насос-регулятор (7) - с накопителем воды (6), а через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода и углекислотный насос-регулятор (9) - с накопителем жидкого диоксида углерода (8), причем камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющим по меньшей мере 7,5 МПа, парогазовая турбина (2) выполнена с возможностью выпуска отработавших газов с давлением 0,2-0,9 МПа, углекислотный компрессор (3) выполнен с возможностью сжатия газа до по меньшей мере 3,5 МПа, а водяной и углекислотный насосы-регуляторы (7 и 9) выполнены с возможностью обеспечения закачивания воды и диоксида углерода с давлением по меньшей мере 7,5 МПа.
Вход топливного насоса-регулятора (22) может быть соединен с источником углеродсодержащего топлива через блок ожижения топлива, у которого охлаждающий топливо теплообменник (23) имеет замкнутый контур с теплообменником (24) нагрева кислорода, причем вход кислородного контура теплообменника (24) нагрева кислорода может быть соединен с выходом насоса-регулятора кислорода (25), а его выход - с входом в теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода.
Теплообменники (23 и 24) в блоке ожижения топлива могут быть выполнены с использованием промежуточного теплоносителя.
В качестве промежуточного теплоносителя может быть использован инертный газ с давлением, превышающим давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.
В качестве инертного газа может выступать гелий.
В качестве углеродсодержащего топлива может применяться природный газ, причем давление газа на выходе из источника составляет 0,15-0,25 МПа.
По меньшей мере один теплообменник теплоносителя передачи тепла внешней среде может быть соединен с градирней (21).
Один из входов камеры сгорания (1) может быть соединен со смесителем (29) через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, причем первый вход смесителя (29) может быть соединен с выходом углекислотного насоса-регулятора (9), а другой вход - с насосом-регулятором кислорода через теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода.
На фигуре представлена схема установки для выработки механической и тепловой энергии, включающая следующие элементы:
1 камера сгорания;
2 парогазовая турбина;
3 углекислотный компрессор;
4 блок утилизации тепла и воды;
5 блок утилизации тепла и диоксида углерода;
6 накопитель воды;
7 водяной насос-регулятор;
8 накопитель жидкого диоксида углерода;
9 углекислотный насос-регулятор;
10 источник кислорода;
11 теплообменник регенеративного нагревателя воды;
12 теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода;
13 теплообменник потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;
14 теплообменник теплоносителя передачи тепла внешней среде;
15 теплообменник холодильной машины;
16 теплообменник потребителя тепла;
17 теплообменник теплоносителя передачи тепла внешней среде;
18 теплообменник холодильной машины;
19 теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;
20 теплообменник регенеративного нагревателя кислорода;
21 градирня;
22 топливный насос-регулятор;
23 теплообменник охлаждения топлива;
24 теплообменник нагрева кислорода;
25 насос-регулятор кислорода;
26 потребитель тепла;
27 теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;
28 потребителя тепла
29 смеситель.
Установка для выработки механической и тепловой энергии содержит камеру сгорания (1), вход которой соединен с источником (10) кислорода и источником углеродсодержащего топлива, а выход соединен с входом парогазовой турбины (2), и газоотводящую систему, которая состоит из последовательно соединенных через углекислотный компрессор (3) блоков утилизации тепла и воды (4) и тепла и диоксида углерода (5). Установка также содержит накопитель воды (6), соединенный с входом камеры сгорания (1) через водяной насос-регулятор (7) и теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, и накопитель (8) жидкого диоксида углерода, соединенный с входом камеры сгорания (1) через углекислотный насос-регулятор (9) и теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода. Камера сгорания (1) также соединена с источником (10) кислорода и источником углеродсодержащего топлива, а один из входов камеры сгорания (1) соединен через теплообменник (12), расположенный в газоотводящей системе, с выходом смесителя (29). Первый вход смесителя (29) соединен с выходом углекислотного насоса-регулятора (9) диоксида углерода, а его второй вход - с выходом насоса-регулятора (25) кислорода через теплообменник (24) нагрева кислорода и теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода в газоотводящей системе.
Выход парогазовой турбины (2) последовательно соединен с блоком (4) утилизации тепла и воды, углекислотным компрессором (3) и блоком (5) утилизации тепла и диоксида углерода, причем блок (4) утилизации тепла и воды включает теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, теплообменник (13) потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, теплообменник (14) теплоносителя передачи тепла внешней среде и теплообменник (15) холодильной машины, а блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода включает теплообменник (16) потребителя тепла (26), теплообменник (17) теплоносителя передачи тепла внешней среде, теплообменник (18) холодильной машины, теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода. Причем по меньшей мере один теплообменник (14, 17) теплоносителя передачи тепла внешней среде заполнен водой и соединен с градирней (21), выполненной, например, сухой, а из линии отбора тепла теплообменником (13) потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, находящегося в блоке утилизации тепла и воды (4), тепло передается потребителю тепла (28) и углерод содержащему топливу через теплообменник (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенный на линии подачи топлива в камеру сгорания (1).
На линиях теплообменников (13-15, 16-18), расположенных в блоках утилизации тепла и воды (4) и тепла и диоксида углерода (5), могут быть расположены насосы. Тепло из теплообменников холодильных машин может быть передано во внешнюю среду с помощью по меньшей мере одной градирни.
На линии подачи топлива в камеру сгорания (1) установлен топливный насос-регулятор (22). В качестве углеродсодержащего топлива может применяется природный газ, причем давление природного газа на выходе из источника углеродсодержащего газообразного топлива составляет 0,15-0,25 МПа. Вход топливного насоса-регулятора (22) соединен с источником углеродсодержащего газообразного топлива через блок ожижения топлива, у которого охлаждающий топливо теплообменник (23) имеет замкнутый контур с теплообменником (24) нагрева кислорода. Вход кислородного контура теплообменника (24) нагрева кислорода соединен с выходом насоса-регулятора кислорода (25), а его выход - с входом в теплообменник (20) блока (5) утилизации тепла и диоксида углерода. Теплообменники (23, 24) в блоке ожижения топлива выполнены с использованием промежуточного теплоносителя. В качестве промежуточного теплоносителя может быть использован инертный газ, например гелий, с давлением, превышающим давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.
Заявленное изобретение 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 производится на любой известной установке разделения воздуха, включенной в состав энергетической установки и получающей от нее необходимую электроэнергию.
Сжатие всех рабочих газов, включая углеродсодержащее топливо, производится в сжиженном состоянии с помощью насосов, что уменьшает затраты энергии на перекачивание и достижение необходимого давления по меньшей мере 7,5 МПа.
2
Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине (2) с противодавлением значительно выше атмосферного, которое составляет от 0,2 до 0,9 МПа, и последовательно проходят блок (4) утилизации тепла и воды, в котором происходит ее конденсация за счет охлаждения до температуры не ниже 273 К при давлении от 0,2 до 0,9 МПа, углекислотный компрессор (3) и блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода, в котором происходит конденсация CO за счет охлаждения до температуры не ниже 273 К при давлении газа по меньшей мере 3,5 МПа. Величина давления в блоке (4) утилизации тепла и воды выбирается из условий обеспечения конденсации водяного пара из продуктов сгорания в температурном диапазоне, позволяющем направлять теплоту конденсации внешнему потребителю тепла (28), например в сети централизованного теплоснабжения при стандартных для региона параметрах. Давление в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода обеспечивается углекислотным компрессором (3) по меньшей мере 3,5 МПа, что позволяет конденсировать диоксид углерода при температуре не ниже 273 К, а также обусловлено необходимостью достижения максимально высокой степени улавливания диоксида углерода из продуктов сгорания при сохранении тепловой экономичности энергетической установкой и, соответственно, обеспечения высокого КПД установки.
Сконденсированная и охлажденная вода сливается из блока (4) утилизации тепла и воды в накопитель (6) воды, при этом некоторая необходимая часть воды с помощью водяного насоса-регулятора (7) направляется в камеру сгорания (1) через теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, расположенного в блоке (4) утилизации тепла и воды. Другая часть воды из накопителя (6) воды направляется в хранилище или водоем.
2
2
Сконденсированный диоксид углерода сливается из блока (5) утилизации тепла и CO в накопитель (8) жидкого диоксида углерода, при этом некоторая необходимая часть жидкого CO с помощью углекислотного насоса-регулятора (9) направляется в камеру сгорания (1) через смеситель (29) и теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, расположенного в блоке (4) утилизации тепла и воды. Другая часть диоксида углерода выводится из накопителя (8) жидкого диоксида углерода для дальнейшего использования вне установки или для хранения.
Жидкий кислород от любого известного источника (10) кислорода насосом-регулятором (25), обеспечивающим подачу кислорода под давлением более 7,5 МПа, направляется в теплообменник (24), в котором происходит нагрев жидкого кислорода за счет теплообмена с газообразным углеродсодержащим топливом, например метаном. Далее кислород поступает в теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода, расположенный в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода, после чего поступает в смеситель (29), где кислород смешивается с диоксидом углерода, поступающим из накопителя (8) жидкого диоксида углерода, и направляется в теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода.
2
Углеродсодержащее газообразное топливо за счет теплообмена с жидким кислородом сжижается в блоке ожижения газообразного углеродсодержащего топлива и насосом-регулятором (22), обеспечивающим подачу топлива под давлением более 7,5 МПа, подается в теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенного в блоке (5) утилизации тепла и CO. Далее углеродсодержащее топливо поступает в теплообменник (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, где нагревается за счет тепла, отведенного из блока (4) утилизации тепла и воды, и направляется в камеру сгорания (1).
Таким образом, конденсация воды в блоке (4) утилизации тепла и воды достигается за счет последовательного охлаждения отработанных газов водой, диоксидом углерода и кислородом, углеродсодержащим топливом согласно приведенному выше описанию. Также охлаждение отработанных газов в блоке (4) утилизации тепла и воды достигается за счет теплообмена с теплоносителем потребителя тепла (28), а также за счет теплообмена с теплоносителем передачи тепла внешней среде и теплообмена с холодильной машиной.
Конденсация диоксида углерода в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода достигается за счет последовательного охлаждения отработанных газов теплообменом с теплоносителем потребителя тепла (26), теплообменом с теплоносителем передачи тепла внешней среде, теплообмена с холодильной машиной, теплообмена с углеродсодержащим топливом и теплообмена с кислородом.
Изменение баланса выработки механической и тепловой энергий при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного насосов-регуляторов (7 и 9). При этом для получения большего количества тепловой энергии повышается производительность водяного насоса-регулятора (7), что обуславливается большим отводом тепла из камеры сгорания за счет температуры, выделяющейся при конденсации водяного пара в блоке (4) утилизации тепла и воды, а для получения большего количества электрической энергии по отношению к тепловой повышается производительность углекислотного насоса-регулятора (9) 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.
2
2
Применительно к предлагаемому изобретению реализация процесса сжижения CO в значительной мере упрощается наличием большого охлаждающего потенциала у жидкого кислорода, поступающего в установку. При этом основная доля CO сжижается за счет жидкого кислорода, а оставшаяся небольшая часть - с помощью холодильной машины.
Выбор значений указанных интервалов давлений, а именно в камере сгорания по меньшей мере 7,5 МПа, отработанных газов, поступающих в блок (4) утилизации тепла и воды от 0,2 до 0,9 МПа, отработанных газов, поступающих в блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода по меньшей мере 3,5 МПа обуславливается получением большей работы за счет расширения газов, находящихся под большим давлением в парогазовой турбине (2), что, в свою очередь, повышает выработку энергии энергетической установкой и увеличение КПД установки в целом. Кроме того, давления в блоках (4 и 5) утилизации тепла и воды и тепла и диоксида углерода выбраны таким образом, чтобы минимизировать потери энергии установкой для перекачивания отработанных газов из одного блока в другой, а также для обеспечения максимальной степени конденсации и сбора диоксидов углерода. Давление углеродсодержащего топлива и смеси кислорода с диоксидом углерода составляет более 7,5 МПа, что необходимо для осуществления подачи их в камеру сгорания (1) энергетической установки.
Также ограничение охлаждения до температуры не ниже 273 К в блоке (4) утилизации тепла и воды связано с условием максимально возможной конденсации воды из отработанных газов, избегая возможной ее кристаллизации. А ограничение охлаждения до температуры не ниже 273 К в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода связано с условием оптимальной конденсации диоксида углерода из отработанных газов при заданном давлении.