ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЙ И СПОСОБ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА
ENERGY TECHNOLOGICAL COMPLEX FOR GENERATION OF THERMAL AND MECHANICAL ENERGY AND METHOD FOR OPERATION OF COMPLEX

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистыми экономически выгодным способам и установкам для выработки тепловой и механической энергий.
4
4
Известен способ комплексного использования шахтного метана, вентиляционной струи, углеводородных отходов угледобычи и устройство для его осуществления(патент РФ №2393354, опубл. 27.06.260), включающий в себя транспортировку и применение кондиционной метано-воздушной смеси в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке, флегматизацию продуктами сгорания некондиционной метано-воздушной смеси с установленными верхним и нижним концентрационными пределами содержания СН в ней, транспортировку, разбавление воздухом и использование ее также в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке, отличающийся тем, что некондиционную метано-воздушную смесь с содержанием СН в ней ниже установленного нижнего концентрационного предела разбавляют вентиляционной струей, транспортируют и используют ее в качестве дутья при сжигании углеводородных отходов угледобычи и для получения синтез-газа, причем полученный синтез-газ используют при сжигании углеводородных отходов угледобычи и/или применяют в качестве резервного газового топлива для, по меньшей мере, одной энергетической установки, выполненной в виде теплового аппарата. Устройство для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи включает вакуум-насосную станцию с газоанализатором, связанную входом с подземной системой сбора шахтного метана, а выходом - с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку, оснащенную горелками для сжигания кондиционной и некондиционной метано-воздушной смеси и связанную с линией подвода дутья, блок подготовки метано-воздушной смеси в линии подвода шахтного метана, блок обработки некондиционной метано-воздушной смеси, расположенный в линии подвода дутья, отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана, расположенный в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией с газоанализатором и узлом обработки некондиционной метано-воздушной смеси, и систему автоматического управления, причем узел обработки некондиционной метано-воздушной смеси выполнен в виде первого и второго смесителей, один вход каждого из которых соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у первого смесителя - с линией подвода инертного разбавителя, а у второго смесителя - с линией подвода вентиляционной струи, выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метано-воздушной смеси, выход второго смесителя - с линией подвода дутья, при этом энергетическая установка оборудована котлом-газогенератором и выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи.
К недостаткам приведенного аналога можно отнести отсутствие возможности использования без флегматизирования шахтного воздуха с концентрацией метана менее 18%.
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; (i) 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 представленного аналога можно отнести невозможность использования природного газа, содержащегося в воздухе, поступающим из угольной шахты, ввиду широкого диапазона концентраций природного газа в этом воздухе, что также ухудшает экологические показатели установки.
Известен энерготехнологический комплекс для выработки тепловой и механической энергий и способ работы комплекса, выбранные в качестве наиболее близкого аналога, (патент RU 2732530 С1 опубл. 21.09.2020), включает энергетическую установку, состоящую из камеры сгорания, парогазовой турбины, соединенной с генератором электрической энергии, линий подачи кислорода, природного газа, воды и диоксида углерода в камеру сгорания, а также линию охлаждения отработанных газов, выполненную с возможностью конденсации воды и диоксида углерода. Комплекс дополнительно включает установку криогенного разделения воздуха и систему вентиляции угольной шахты. При этом система вентиляции угольной шахты соединена линией подачи воздуха из угольной шахты с установкой криогенного разделения воздуха, выполненной с возможностью обеспечения подачи сжиженного кислорода и сжиженного природного газа в энергетическую установку, которая также выполнена с возможностью передачи выработанной электрической энергии к угольной шахте, а кроме того, передачи выработанной энергии к установке криогенного разделения воздуха. Способ работы энерготехнологического комплекса, заключающийся в том, что из системы вентиляции угольной шахты воздух подают в установку криогенного разделения воздуха, обеспечивают подачу сжиженных в установке криогенного разделения воздуха природного газа и кислорода в линии подачи сжиженного природного газа и сжиженного кислорода энергетической установки и далее подают в камеру сгорания энергетической установки, из камеры сгорания газы подают в парогазовую турбину, соединенную с генератором электрической энергии, при этом выработанную электрическую энергию подают к угольной шахте, а также выработанную энергию подают к установке криогенного разделения воздуха, после парогазовой турбины отработанные газы подают в линию охлаждения отработанных газов, где их охлаждают до температур, обеспечивающих возможность конденсации содержащейся в отработанных газах воды и диоксида углерода, по меньшей мере часть которых подают в камеру сгорания энергетической установки.
К недостаткам наиболее близкого аналога относится невозможность поддерживать заданный функционирование комплекса в целом при низких значениях концентрации природного газа (метана), содержащегося в воздухе из угольной шахты, что влечет снижение работоспособности комплекса при заданных показателях выработки тепловой и электрической энергий, а также к снижению выработки необходимого для работы объема сжиженных газов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы комплекса при низких концентрациях природного газа, содержащегося в воздухе из шахты, а также в обеспечении поддержания заданного уровня выработки тепловой и механической энергий, выработки требуемого уровня сжиженных газов, необходимого по меньшей мере для функционирования комплекса.
Технический результат достигается энерготехнологическим комплексом для выработки тепловой и механической энергий включает энергетическую установку (1), состоящую из камеры сгорания, парогазовой турбины, соединенной с генератором электрической энергии, линий подачи кислорода, природного газа, воды и диоксида углерода в камеру сгорания, а также линии охлаждения отработанных газов, выполненной с возможностью конденсации воды и диоксида углерода, установку (2) криогенного разделения воздуха, систему вентиляции угольной шахты (3), при этом система вентиляции угольной шахты (3) соединена линией (5) подачи воздуха из угольной шахты (3) с установкой (2) криогенного разделения воздуха. Комплекс содержит дополнительную энергетическую установку (6), соединенную линией подачи электроэнергии с угольной шахтой (3) и соединенную линией (7) подачи сжиженного природного газа и линией (8) подачи электроэнергии с установкой (2) криогенного разделения воздуха, выполненную с возможностью обеспечения подачи сжиженного кислорода средством (9) передачи кислорода в энергетическую установку (1), при этом дополнительная энергетическая установка (6) содержит емкость для хранения жидких углеводородов и выполнена с возможностью регулирования количества используемого в установке сжиженного природного газа, поступающего из линии (7) подачи сжиженного природного газа и жидких углеводородов из емкости для хранения жидких углеводородов.
Дополнительная энергетическая установка (6) выполнена с возможностью выработки дополнительной электрической энергии от по меньшей мере одного возобновляемого источника энергии.
Средство (9) передачи кислорода в энергетическую установку (1) представляет собой перекачивающую насосную станцию, выполненная с возможностью получения электрической энергии от дополнительной энергетической установки (6) или от энергетической установки (1).
Средство (9) передачи кислорода в энергетическую установку (1) представляет собой транспортное средство, выполненное с возможностью перевозки жидкого кислорода.
Энергетическая установка (1) выполнена с возможностью передачи электрической энергии, тепловой энергии, в качестве носителя которой является вода, и сжиженного диоксида углерода к внешнему потребителю (4).
Также технический результат достигается способом работы энерготехнологического комплекса, который заключается в том, что из системы вентиляции угольной шахты (3) воздух подают в установку (2) криогенного разделения воздуха, обеспечивают подачу сжиженного в установке (2) криогенного разделения воздуха природного газа в линию (7) подачи сжиженного природного газа и далее подают в дополнительную энергетическую установку (6), а также обеспечивают передачу кислорода из установки (2) криогенного разделения воздуха средством (9) передачи кислорода в линию подачи кислорода энергетической установки (1) и далее в камеру сгорания энергетической установки (1), из камеры сгорания газы энергетической установки (1) подают в парогазовую турбину, соединенную с генератором электрической энергии, после парогазовой турбины отработанные газы подают в линию охлаждения отработанных газов, где их охлаждают до температур, обеспечивающих возможность конденсации содержащейся в отработанных газах воды и диоксида углерода, по меньшей мере часть которых подают в камеру сгорания энергетической установки (1), при этом количество электрической энергии, вырабатываемое дополнительной энергетической установкой (6), регулируют за счет изменения количества используемого в установке сжиженного природного газа, поступающего из линии (7) подачи сжиженного природного газа и жидких углеводородов из емкости для хранения жидких углеводородов, выработанную таким образом в дополнительной энергетической установке (6) электрическую энергию подают к угольной шахте (3), а также к установке (2) криогенного разделения воздуха. Дополнительно регулируют количество выработанной энергии от по меньшей мере одного возобновляемого источника энергии. При количестве природного газа, содержащегося в воздухе из системы вентиляции угольной шахты (3), ниже порогового значения, увеличивают количество подаваемых в камеру сгорания жидких углеводородов из дополнительной емкости для жидких углеводородов. Кроме того, обеспечивают передачу от энергетической установки (1) к внешнему потребителю (4) электрической энергии, тепловой энергий, в качестве носителя которой является вода, и сконденсированного диоксида углерода.
На представленной фигуре показана схема энерготехнологического комплекса для выработки тепловой и механической энергий.
На представленной фигуре обозначены следующие элементы.
1 - энергетическая установка;
2 - установка криогенного разделения воздуха;
3 - угольная шахта;
4 - внешний потребитель;
5 - линия подачи воздуха из угольной шахты (3);
6 - дополнительная энергетическая установка;
7 - линия подачи сжиженного природного газа;
8 - линией подачи электроэнергии;
9 - средство передачи кислорода.
Энерготехнологический комплекс для выработки тепловой и механической энергий включает энергетическую установку (1), состоящую из камеры сгорания, парогазовой турбины, соединенной с генератором электрической энергии, линий подачи кислорода, природного газа, воды и диоксида углерода в камеру сгорания, а также линии охлаждения отработанных газов, выполненную с возможностью конденсации воды и диоксида углерода, установку (2) криогенного разделения воздуха, систему вентиляции угольной шахты (3), при этом система вентиляции угольной шахты (3) соединена линией (5) подачи воздуха из угольной шахты (3) с установкой (2) криогенного разделения воздуха.
Комплекс содержит дополнительную энергетическую установку (6), соединенную линией подачи электроэнергии с угольной шахтой (3) и соединенную линией (7) подачи сжиженного природного газа и линией (8) подачи электроэнергии с установкой (2) криогенного разделения воздуха, что позволяет при низкой концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергии, поддерживающей работу системы вентиляции угольной шахты (3), а также поддерживающей требуемый уровень выработки сжиженных газов установкой (2) криогенного разделения воздуха в том числе и требуемого для работы энергетической установки (1), что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом.
Установка (2) криогенного разделения воздуха выполнена с возможностью обеспечения подачи сжиженного кислорода средством (9) передачи кислорода в энергетическую установку (1).При этом дополнительная энергетическая установка (6) может являться газотурбинной установкой и содержит емкость для хранения жидких углеводородов и выполнена с возможностью регулирования количества используемого в установке сжиженного природного газа, поступающего из линии (7) подачи сжиженного природного газа и жидких углеводородов из емкости для хранения жидких углеводородов, что также позволяет при низкой концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергии, поддерживающей работу системы вентиляции угольной шахты (3), а также поддерживающей требуемый уровень выработки сжиженных газов установкой (2) криогенного разделения воздуха в том числе и требуемого для работы энергетической установки (1), что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом. Таким образом, при концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) ниже допустимого минимального порогового значения, топливо для работы дополнительной энергетической установки (6) поступает из емкости для хранения жидких углеводородов, что также позволяет при низкой концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергий, поддерживающей работу системы вентиляции угольной шахты (3), а также поддерживающей требуемый уровень выработки сжиженных газов установкой (2) криогенного разделения воздуха в том числе и требуемого для работы энергетической установки (1), что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом. Кроме того, жидким углеводородом, хранящимся в емкости для жидких углеводородов, может являться дизельное топливо, то есть дополнительная энергетическая установка (6) является двух топливной газотурбинной установкой и, соответственно, выполнена с возможностью работы как одновременно, так и в различных пропорциях на двух видах топлива, что позволяет при низкой концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергий, поддерживающей работу системы вентиляции угольной шахты (3), а также поддерживающей требуемый уровень выработки сжиженных газов установкой (2) криогенного разделения воздуха в том числе и требуемого для работы энергетической установки (1), что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом. Также дополнительная энергетическая установка (6) выполнена с возможностью выработки дополнительной электрической энергии от по меньшей мере одного возобновляемого источника энергии, то есть дополнительная электрическая энергия может быть выработана из энергии солнца и/или энергии движения воздушных масс (ветра), что позволяет при выработки излишков сжиженного природного газа накапливать его для последующего использования или при низкой концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергий, поддерживающей работу системы вентиляции угольной шахты (3), а также поддерживающей требуемый уровень выработки сжиженных газов установкой (2) криогенного разделения воздуха в том числе и требуемого для работы энергетической установки (1), что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом.
Средство (9) передачи кислорода в энергетическую установку (1) представляет собой транспортное средство, выполненное с возможностью перевозки жидкого кислорода перекачивающую насосную станцию, выполненную с возможностью получения электрической энергии от дополнительной энергетической установки (6) или от энергетической установки (1), что позволяет обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергий, что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом.
Энергетическая установка (1) выполнена с возможностью передачи электрической энергии, тепловой энергии, в качестве носителя которой является вода, и сжиженного диоксида углерода к внешнему потребителю (4).
Установка (2) криогенного разделения воздуха может, представлять собой, например, установку, включающую компрессор, ступени охлаждения, по меньшей мере часть которых выполнена с возможностью конденсации и отвода сконденсированных по меньшей мере природного газа, кислорода, а также других газов: аргона, азота, неоногелиевой смеси и первичного криптоноксенонового концентрата из этих ступеней, а также установка (2) выполнена с возможность отделения диоксида углерода из воздуха и отвода из установки (2), при этом, охлаждение достигается любым известным способом, например, тепловыми насосами, отводящими излишки тепла в атмосферу. Энергетическая установка (1) дополнительно включает замкнутый контур утилизации тепла, работающий по органическому циклу Ренкина (ОЦР), выполненный с возможностью получения тепла низкокипящей рабочей жидкостью от отработанных газов из линии охлаждения 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.
Энерготехнологический комплекс работает следующим образом.
Из системы вентиляции угольной шахты (3) воздух подают в установку (2) криогенного разделения воздуха, обеспечивают подачу сжиженного в установке (2) криогенного разделения воздуха природного газа в линию (7) подачи сжиженного природного газа и далее подают в дополнительную энергетическую установку (6), а также обеспечивают передачу кислорода из установки (2) криогенного разделения воздуха средством (9) передачи кислорода в линию подачи кислорода энергетической установки (1) и далее в камеру сгорания энергетической установки (1), из камеры сгорания газы энергетической установки (1) подают в парогазовую турбину, соединенную с генератором электрической энергии, после парогазовой турбины отработанные газы подают в линию охлаждения отработанных газов, где их охлаждают до температур, обеспечивающих возможность конденсации содержащейся в отработанных газах воды и диоксида углерода, по меньшей мере часть которых подают в камеру сгорания энергетической установки (1).При этом количество электрической энергии, вырабатываемое дополнительной энергетической установкой (6), регулируют за счет изменения количества используемого в установке сжиженного природного газа, поступающего из линии (7) подачи сжиженного природного газа и жидких углеводородов из емкости для хранения жидких углеводородов, что позволяет при колебаниях концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергий, поддерживающей работу системы вентиляции угольной шахты (3), а также поддерживающей требуемый уровень выработки сжиженных газов установкой (2) криогенного разделения воздуха в том числе и требуемого для работы энергетической установки (1), что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом. Выработанную таким образом в дополнительной энергетической установке (6) электрическую энергию подают к угольной шахте (3), а также к установке (2) криогенного разделения воздуха.
Дополнительно регулируют количество выработанной энергии от по меньшей мере одного возобновляемого источника энергии, что также позволяет при колебаниях концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергий, поддерживающей работу системы вентиляции угольной шахты (3), а также поддерживающей требуемый уровень выработки сжиженных газов установкой (2) криогенного разделения воздуха в том числе и требуемого для работы энергетической установки (1), что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом.
При количестве природного газа, содержащегося в воздухе из системы вентиляции угольной шахты (3), ниже порогового значения, увеличивают количество подаваемых в камеру сгорания жидких углеводородов из дополнительной емкости для жидких углеводородов, что также позволяет при низкой концентрации природного газа в воздухе из угольной шахты (3) обеспечивать поддержание заданного уровня выработки механической (электрической) энергий, поддерживающей работу системы вентиляции угольной шахты (3), а также поддерживающей требуемый уровень выработки сжиженных газов установкой (2) криогенного разделения воздуха в том числе и требуемого для работы энергетической установки (1), что в свою очередь повышает эффективность работы комплекса в целом.
Обеспечивают передачу от энергетической установки (1) к внешнему потребителю (4) электрической энергии, тепловой энергий, в качестве носителя которой является вода, и сконденсированного диоксида углерода.
Излишки тепла, вырабатываемого установкой (2) криогенного разделения воздуха и энергетической установкой (1), отводятся любым известным способ, например, с помощью тепловых насосов в окружающую среду.
Таким образом, достигается повышение эффективности работы комплекса при низких концентрациях природного газа, содержащегося в воздухе из шахты, а также в обеспечении поддержания заданного уровня выработки тепловой и механической энергий, выработки требуемого уровня сжиженных газов, необходимого по меньшей мере для функционирования комплекса.