МЕТОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОЙ И НИЗКОТОКСИЧНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ, А ТАКЖЕ ДЛЯ АККУМУЛИРОВАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR EFFECTIVE AND LOW-TOXIC OPERATION OF THERMAL POWER PLANTS, AND FOR ACCUMULATION AND CONVERSION OF ENERGY

x
Изобретение касается метода и технического устройства для улучшенного использования теплового потенциала электростанции и ее внешних условий, а также относящихся к ней установок для снижения выбросов диоксида углерода и NO в атмосферу, а также временного аккумулирования и повторного использования электрического тока.
Техническое состояние
В отношении данного изобретения речь идет о комплексной системе, на которую необходимо найти спрос в соответствии с имеющимися требованиями в существующем энергетическом секторе. Концепция установки должна в частности удовлетворять следующим требованиям:
- использование избыточных производственных мощностей для создания аккумулирующих устройств, а также их использование для регенерации электроэнергии с высоким КПД,
- создание экологически чистой электростанции,
- использование разряженной энергии и связанных с ней различных тепловых потенциалов для выработки электроэнергии,
- оптимальное использование низкотемпературного тепла для получения электроэнергии,
- использование установок, связанных с тепловым энергетическим потенциалом для повышения электрического КПД всей установки и
- использование теплового энергетического потенциала окружающей среды установки.
Несмотря на многочисленные исследования не было найдено никаких ссылок на аналогичную компактную и объединенную в сеть структуру установок. По этой причине были проведены исследования, относящиеся к приведенным выше областям задач.
Для временного аккумулирования электроэнергии в качестве самых эффективных зарекомендовали себя насосно-аккумулирующие электростанции. Преимуществом данной установки является высокий КПД, а также сравнительно простая конструкция. Недостатками данной технологии является ее некомпактность, ограниченное количество подходящих мест расположения и высокий расход воды из-за испарения. Оно в частности негативно сказывается при накоплении электрического тока из ветросиловых установок, так как насосно-аккумулирующие электростанции могут быть установлены только в горах, а центры ветровой энергии находятся в основном на равнинах и рядом с морем. Таким образом, нет необходимости в разгрузке электросетей за счет временного аккумулирования.
В США устанавливаются подземные пневмоаккумуляторы, являющиеся второй возможностью временного аккумулирования электроэнергии. Они наполняются избыточной энергией и позволяют использовать при дополнительном потреблении электроэнергии энергию давления через детандеры с генератором. Преимуществами опять же являются простая конструкция и использование воздуха в качестве рабочей среды. Недостатками являются высокие компрессионные потери, сильное выделение тепла в окружающую среду и низкий КПД установки.
Дальнейшие попытки временного аккумулирования электроэнергии, например, при помощи батарей и остальных находящихся на стадии разработки методов не могут быть реализованы при выполнении поставленной задачи. Дискуссии вокруг парникового эффекта и изменений климата требуют от специалистов, эксплуатирующих электростанции, как можно менее токсичной эксплуатации установок. Так как энергоснабжение осуществляется во всем мире с использованием топлива, являющегося природным ископаемым, существует ряд проектов, в центре которых стоит отделение и конечное накопление диоксида углерода. Отделение диоксида углерода от дымовых газов может быть проведено с использованием известных методов конденсации, абсорбции и адсорбции. Для захоронения исследуются в настоящее время различные варианты и их влияние на окружающую среду, а также возможная угроза в будущем. Так, рассматриваются возможности хранения диоксида углерода в открытом море, в подземных образованиях горных пород и на бывших месторождениях природного газа и нефтяных месторождениях. Были высказаны противоположные точки зрения по предложенным методам, их можно назвать в ближайшем будущем решением проблемы только очень приблизительно. Экономические аспекты этих методов, как правил, не приводятся, так как место расположения электростанции и приспособленные для хранения места иногда удалены друг от друга на тысячи километров, а транспортировка предполагает сжижение или затвердевание диоксида углерода.
x
x
Известен ряд способов снижения выбросов NO, соответствующим является и технический уровень. Эксплуатация без выработки NO возможна только при сгорании с использованием чистого кислорода с сопутствующими газами. По данной теме в настоящее время происходит реализация проекта под руководством Vattenfall in Schwarze Pumpe, Германия. При этом происходит отделение диоксида углерода при помощи кислородно-топливной технологии. Инициаторы полагают, что этот метод является очень энергоемким и имеет очень низкий КПД. В настоящее время происходит поиск подходящих мест для хранения.
Использование энергии разгрузки для выработки энергии является известным методом, но используется, например, при разделении воздуха, при декомпрессии природного газа и при использовании пневмоаккумуляторов для получения электроэнергии. Возникающий при разгрузке газа сильный эффект охлаждения при этом в большинстве случаев нежелателен и, если это возможно, снижается за счет ранее проведенного подогрева находящейся под давлением среды. И наоборот в установках по разделению воздуха для сжижения и разделения воздуха используется эффект охлаждения.
Для использования низкоэнергетического тепла, являющегося результатом процессов горения, до сих пор существовали два метода. При использовании метода OCR (органический цикл Ренкина) через теплообменник из среды процесса забирается тепло и используется для производства пара, пар разгружается через паровую турбину и приводит в действие генератор, при этом разгруженный пар используется для предварительного подогрева и затем конденсируется. Теплота конденсации выделяется в атмосферу. Производительность определяется при этом в зависимости от используемого рабочего тела, от температуры конденсации (температуры окружающей среды) и доступной температуры испарения от 300 К до 625 К. Доступный КПД установки, работающей по методу ORC, составляет при температуре 373 К примерно 6,5% и при температуре 473 К примерно 13-14%.
При использовании метода Калина через теплообменник из технологической среды забирается тепло при помощи насыщенного раствора аммиака и воды, при этом аммиак удаляется. Аммиачный пар разгружается через турбину и через нее приводит в действие генератор. Затем аммиак в охлажденном состоянии снова растворяется. При этом согласно литературным источникам достигается немного более высокий КПД прим. 18%. В этой связи благоприятной является более простая с технологической точки зрения конструкция установки, а также значительно более широкий эффективный диапазон температур рабочего тела. Недостатком этого метода являются материально-технические проблемы, которые являются результатом агрессивности смеси аммиака и воды и которые при использовании этого практически еще неопробованного метода приведут к снижению срока службы. Следующим недостатком являются возможные выбросы высокотоксичного и вредного для окружающей среды аммиака при возможных утечках. Оба метода подходят, если речь идет об использовании низкотемпературного теплового потенциала окружающей среды. Но в любом случае соответствующая привязка является проблематичной и согласно проведенным исследованиям не используется.
Задача изобретения
x
Задачей изобретения является разработка метода и установки для использования метода, КПД которой выше полученных при использовании уже известных методов и рабочие диапазоны которой включают более широкий спектр температур при наличии более простой конструкции и сравнительно небольших материально-технических затратах. Данная задача решается за счет метода и технической установки, при использовании которых достигается улучшенное использование теплового потенциала при эксплуатации электростанции с одновременным предотвращением любых выбросов NO и значительным снижением выделяющегося в атмосферу диоксида углерода, хорошая регулируемость при оптимальном использовании имеющихся и изменяющихся температур окружающей среды, минимизация отработанного тепла и оптимальный режим работы в сочетании с повышением электрического КПД, а также создание возможностей аккумулирования электрического тока из временных избыточных мощностей и его эффективного использования после преобразования для повышения КПД при эксплуатации электростанции в обычном и пиковом режимах.
В качестве электростанции может быть использована постоянно работающая электростанция на основе GuD с эксплуатацией на газе, который подразумевает использование временной избыточной энергии для установки в солевых полостях промежуточных аккумуляторов природного газа, сжатого воздуха и рабочей среды - диоксида углерода, находящихся под давлением 10-20 МПа, и для постоянного забора из аккумулятора сжатого воздуха через установку по разделению воздуха при давлении 0,6-0,8 МПа сжатого воздуха для бесперебойного производства и кратковременного хранения жидкого кислорода, чтобы постоянно отбирать его вместе с природным газом и использовать аккумулятор диоксида углерода как в качестве теплоносителя, так и в качестве буферного накопителя рабочей среды, причем аккумулятор жидкого кислорода является буфером и осуществляет таким образом изменения режима работы электростанции без возмущающих воздействий на работу установки по разделению воздуха.
x
Для временного аккумулирования используется избыточная электроэнергия для периодического заполнения энергоаккумуляторов высокого давления, предназначенных для природного газа, сжатого воздуха и диоксида углерода, причем воздушный энергоаккумулятор высокого давления служит в качестве буфера непрерывно работающей установки по разделению воздуха для производства жидкого кислорода, который после повторного выпаривания вместе с природным газом и частично отводимым отработавшим газом подается в газовую турбину. Теплота испарения кислорода служит при этом для сжижения используемого в качестве теплоносителя и рабочего тела диоксида углерода. Аккумулятор природного газа служит для создания запасов и снабжения горючим, а аккумулятор диоксида углерода является резервуаром для цикла теплоносителя для использования тепловой энергии установки. Использование чистого кислорода и природного газа, а также использование диоксида углерода в качестве теплоносителя позволяют осуществить эффективное с термодинамической и технической точек зрения объединение отдельных установок в одну, в отношении суммарного электрического КПД, предотвращения выбросов NO, а также снижения выбросов окиси углерода и диоксида углерода. В качестве дополнительного источника тепла может быть использовано тепло земли из более глубоких слоев земли. В качестве промежуточного накопителя могут использоваться солевые полости большой глубины. Солевые полости могут использоваться в этом процессе как в качестве накопителя большой емкости для сжатого диоксида углерода в сверхкритическом состоянии, так и в качестве теплообменника, причем они дополнительно снижают потенциал возможного выделения диоксида углерода в атмосферу.
В паровой части электростанции тепловая энергия потока отработавшего газа поглощается за счет находящегося под высоким сверхкритическим давлением диоксида углерода, являющегося теплоносителем. Затем нагретый сверхкритический поток диоксида углерода разгружается через турбодетандер, соединенный с генератором, охлаждается, потом снова охлаждается за счет использования источника холода и сжижается, в сжиженном виде сжимается до рабочего давления и снова подается в аккумулятор диоксида углерода. В качестве источника холода выступают возникающие в процессе расширения природного газа, воздуха и диоксида углерода эффекты охлаждения, а также теплота испарения и холодильный потенциал накопленного жидкого кислорода. Охлаждаемый в теплообменнике поток отработавшего газа частично сжимается до оптимального для газовой турбины уровня давления, перемешивается с чистым кислородом или впрыскивается с чистым кислородом и природным газом в камеру сгорания газовой турбины. И наоборот, на структурном этапе подземного аккумулятора диоксида углерода сжимается целый поток отработавшего газа и только после этого он разделяется. Неотводимая часть дымового газа сжимается, охлаждается за счет отходящего воздуха установки по разделению воздуха и при этом сжижается и перекачивается вакуумным насосом в подземный аккумулятор. В случае заполненного подземного аккумулятора этот способ используется для восполнения потерь или получения чистого диоксида углерода в жидкой или твердой форме. Восстановление аккумулятора диоксида углерода происходит бесперебойно из осушенных отработавших газов электростанции, причем эти газы сначала сжимаются при подаче энергии сжатия до давления, при котором использование имеющегося холодильного потенциала является достаточным для сжижения, и затем при помощи сжатия жидкого диоксида углерода подаются в подземный аккумулятор.
Пример использования
Остальные преимущества изобретения вытекают из описания примера использования изобретения с различными температурами использования тепла, а также с использованием теплового потенциала земли при температуре 310 К или без него и относящегося сюда же чертежа, с соответствующими модификациями.
При использовании теплового потенциала земли сжижение происходит вблизи поверхности земли на глубине 8-30 м, в то время как подземное аккумулирование из-за высокого давления диоксида углерода как минимум 10 МПа по причинам безопасности происходит на глубине минимум 400 м, причем статическое давление сжиженного диоксида углерода снижает необходимые расходы на сжатие.
На чертеже схематически представлена основная конструкция устройства для использования метода с использованием теплового потенциала земли.
В последующих примерах будет рассматриваться тепловой потенциал электростанции, имеющий решающее значение для использования метода. Соответствующий цикл, характеризующийся исходными значениями от 21 до 24, отмечен жирной линией. Все остальные преимущества специалисту будут понятны и без объяснений.
В таблице в наглядной форме для двух температурных потенциалов 423 К и 473 К представлены основные параметры, а именно передаваемое количество теплоты, температуры и мощность. В частности в результате сравнения соответствующих вариантов А и В, соответственно в результате использования схемы с использование тепла земли и без него, было получено особое преимущество от сочетания различных потенциалов.
x
Сначала приходящаяся на определенный период времени неиспользуемая электроэнергия используется для компрессии и для периодического заполнения аккумуляторов высокого давления, предназначенных для природного газа 1, сжатого воздуха 2 и диоксида углерода 3. Воздушный аккумулятор высокого давления 2 служит при этом в качестве буфера непрерывно работающей установки по разделению воздуха 4 для производства жидкого кислорода, который хранится в отдельных криогенных баках 5 и после обратного выпаривания в испарителе 6 участвует с процессе горения в газовой турбине 7, таким образом, чтобы теплота испарения кислорода способствовала сжижению в теплообменнике 8 с низкими температурами используемого в качестве теплоносителя и рабочего тела диоксида углерода. Аккумулятор природного газа 1 служит для создания запасов и снабжения горючим, а аккумулятор диоксида углерода 3, с одной стороны, выступает в качестве промежуточного накопителя жидкого или сверхкритического диоксида углерода, являющегося теплоносителем и рабочим телом, а с другой стороны, имеет активные задачи в схеме теплообмена электростанции для улучшения суммарного КПД, позволяя более эффективно использовать отработанное тепло электростанции для выработки электроэнергии. Использование чистого кислорода и природного газа, а также использование диоксида углерода в качестве теплоносителя позволяют осуществить эффективное с термодинамической и технической точек зрения объединение отдельных установок в одну, в отношении суммарного электрического КПД, предотвращения выбросов NO, а также снижения выбросов окиси углерода и диоксида углерода.
В паровой части электростанции, состоящей из котла-утилизатора 9, из турбины с противодавлением 10 с частичным обратным сжатием охлажденного потока отработавшего газа и генератора 11 тепловая энергия потока отработавшего газа после КС или на выходе из газовой турбины 7 поглощается за счет находящегося под высоким сверхкритическим давлением диоксида углерода, являющегося теплоносителем. Затем нагретый сверхкритический поток диоксида углерода разгружается через турбодетандер 10, соединенный с генератором 11, охлаждается, и наконец снова охлаждается и сжижается в теплообменниках 12 за счет использования источника холода, в сжиженном виде сжимается до рабочего давления при помощи вакуумного насоса 13 и снова подается в аккумулятор диоксида углерода 3. Рабочая декомпрессия осуществляется до зоны конденсации, при этом происходит частичное сжижение и смесь, состоящая из газа и жидкости, сжижается дальше при использовании источника холода и в жидком виде снова сжимается до рабочего давления и подвергается промежуточному хранению. В качестве источника холода могут использоваться в зависимости от режима работы наряду с восстановлением природного газа за счет снижения давления в декомпрессионных установках 14a и 14b, за счет редукции сжатого воздуха в установках 15a и 15b, и испарения и нагрева кислорода, холодильные потенциалы отходящего воздуха из установки по разделению воздуха 4, а также, если это необходимо, соответствующие холодильные потенциалы окружающей среды, может частично использоваться тепловой потенциал земли на глубине 5-30 м, может частично использоваться для отвода теплоты конденсации холодильный потенциал озерной, речной и/или морской воды, могут частично использоваться низкие температуры, возникающие при декомпрессии природного газа или сжатого воздуха, может частично использоваться теплота испарения участвующего в процессе жидкого кислорода и его тепловой потенциал. Охлаждаемый в теплообменнике 9 поток отработавшего газа частично сжимается до оптимального для газовой турбины уровня давления, перемешивается с чистым кислородом или впрыскивается с чистым кислородом в камеру сгорания газовой турбины. Часть потока отработавшего газа после выхода из теплообменника диоксида углерода после обратного сжатия и охлаждения или же при добавлении диоксида углерода и подземного аккумулятора подается вместе с сжатым кислородом в камеру сгорания, причем давление горючего газа и давление смеси отработавший газ-диоксид углерода-кислород настраивается в соответствии с потребностями турбины.
На структурном этапе подземного аккумулятора диоксида углерода 3, наоборот, сжимается целый поток отработавшего газа и только после этого он разделяется. Неотводимая часть дымового газа сжимается, охлаждается за счет отходящего воздуха установки по разделению воздуха и при этом сжижается и перекачивается вакуумным насосом в подземный аккумулятор. В случае заполненного подземного аккумулятора этот способ используется для восполнения потерь или получения чистого диоксида углерода в жидкой или твердой форме.
Метод в сочетании с пиковой электростанцией, работающей на природном газе в периодическом режиме, подразумевает использование временной избыточной энергии для установки в солевых полостях промежуточных аккумуляторов природного газа, сжатого воздуха и рабочей среды - диоксида углерода, находящихся под давлением 10-20 МПа и для постоянного забора из аккумулятора сжатого воздуха через установку по разделению воздуха при давлении 0,6-0,8 МПа сжатого воздуха, чтобы при необходимости периодически отбирать кислород и природный газ.
Использование диоксида углерода в качестве теплоносителя и рабочего тела под давлением особенно выгодно для использования тепловой энергии и ее преобразования в электроэнергию. При этом диоксид углерода сжижается при низких температурах, затем сжимается в жидком состоянии до сверхкритического давления, при этом в этой области происходит поглощение тепла, затем разгружается через турбодетандер, причем турбодетандер приводит в движение генератор и охлаждается, причем конечная температура регулируется в соответствии с желаемым давлением сжижения. Затем происходит сжижение за счет источника холода при температуре, являющейся результатом соответствующего давления, причем выводится теплота конденсации и происходит повышение давления через вакуумный насос до сверхкритического рабочего давления.
Выбор сверхкритической области поглощения тепла происходит благодаря имеющимся там особо благоприятным для обмена термодинамическим условиям сверхкритической жидкой области для интересной с точки зрения использования низкоэнергетического тепла области температур. Сюда же относятся высокие значения теплоемкости, а также низкие значения вязкости, в сочетании с сопоставимой с водяным паром теплопроводностью. По направлению вниз термодинамически обусловленная область состояния ограничена тройной точкой диоксида углерода при температуре прим. 217 К, что соответствует давлению прим. 0,55 МПа. По направлению вверх не существует термодинамических границ ни с давлением, ни с полезной температурой. Из практических и материально-технических соображений есть ограничения иного рода.
Преимущество использования диоксида углерода состоит и в том, что нет необходимости в использовании дополнительных теплообменников, так как среда теплоносителя находится в замкнутом цикле, при этом она является рабочей средой в том же цикле.
Преимуществом является также то, что диоксид углерода имеет сравнительно небольшую опасность для окружающей среды и относительно высокую доступность. Выбранные методы предусматривают таким образом возможность использования большого количества диоксида углерода в качестве рабочей среды при одновременной эксплуатации тепла земли или окружающей среды для повышения соответствующего методу КПД. Отсюда вытекает ряд значительных преимуществ по сравнению с методами ORC и Калина. Остальные преимущества появляются благодаря более высоким КПД и сочетанию с другими тепловыми и холодильными потенциалами, которые позволяют осуществлять дальнейшее повышение достигаемых при работе электростанции КПД. Это в частности удается благодаря использованию приповерхностных тепловых потенциалов земли, а также за счет использования холодильного потенциала в процессе разгрузки, в частности при разгрузке природного газа и снижении температуры с содержанием сжатого воздуха для подготовки необходимой для сжижения диоксида углерода энергии холода.
Пример использования подтверждает это своими высокими электрическими КПД.
Метод может способствовать благодаря временному аккумулятору диоксида углерода также его аккумулированию и удалению из окружающей среды и позволяет одновременно с этим осуществлять безотказную периодическую работу электростанции также с сильно меняющимися режимами работы без значительных периодов времени на запуск и адаптацию. Как следует из примера, благодаря использованию теплового потенциала земли с температурой всего лишь 301 К суммарный КПД электростанции удается повысить прим. на 2%.
Рабочее тело потока
Агрегат
Темп-ра, К
Давление, МПа
Мощность, кВт
Эл-во Брутто
Эл-во Нетто
КПД нетто
Пример
Тепл.
Электр.
20
423
15
Ia
10+11
1015,5
21
260
2,0
8+12
-289,5
22
253
2,0
13
-124
23, 24
260
15
9
3788
1015,5
890
23,5%
20
423
15
Ib
10+11
1015,5
21
260
2
8+12
-289,5
22
253
2
13
-124
23
260
15
24
301
9
2922
1015,5
890
30,5%
20
473
15
IIa
10+11
1721
21
232
0,6
8+12
-4486
22
220
0,6
13
-123
23, 24
224
15
19
5598
1721
1599
31,0%
20
473
15
IIb
10+11
1721
21
232
0,6
8+12
-3556
22
220
0,6
13
-123
23
224
15
24
301
9
2442
1721
1599
44,4%