УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
INSTALLATION FOR PRODUCING THERMAL AND MECHANICAL ENERGY AND METHOD FOR ITS OPERATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.
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), 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.
Известна установка для выработки тепловой и механической энергии и способ ее регулирования, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, (патент РФ №2723264, опубл. 09.06.2020),состоящая из камеры сгорания, соединенной с парогазовой турбиной, охладителей отработанных газов, конденсатора диоксида углерода, соединенного с тепловым насосом, компрессора, источника кислорода и источника углеродсодержащего топлива, соединенных с камерой сгорания, при этом установка дополнительно содержит контур утилизации низко потенциальной тепловой энергии, который включает в себя турбодетандер, соединенный с генератором, конденсатор низкокипящего рабочего тела, насос низкокипящего рабочего тела и по меньшей мере три теплообменника-утилизатора, выполненных с возможностью передачи тепла от отработанных газов к низкокипящему рабочему телу, причем температура низкокипящего рабочего тела возрастает в направлении от конденсатора низкокипящего рабочего тела к турбодетандеру, по меньшей мере один теплообменник-утилизатор соединен со вторым охладителем и контактным теплообменником, выполненным с возможностью подачи насосом сконденсированной из отработанных газов воды через по меньшей мере один другой теплообменник-утилизатор в первый охладитель отработанных газов и к потребителю, по меньшей мере один третий теплообменник-утилизатор также выполнен с возможностью передачи тепла низкокипящему рабочему телу контура утилизации от воды, отводящейся насосом из второго контактного теплообменника и поступающей к потребителю и к блоку охлаждения воды, а также установка дополнительно содержит датчик
К недостаткам представленных аналогов можно отнести относительно низкую эффективность парогазовой установки за счет менее эффективной рекуперации энергии, а также низкую надежность установок за счет работы их при большом давлении
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении рекуперации и как следствие КПД, а также надежности установки.
Технический результат достигается установкой для выработки тепловой и механической энергии, состоящей из камеры сгорания (7), соединенной с парогазовой турбиной (12), линий подачи диоксида углерода и воды в камеру сгорания (7), рекуперативных охладителей (11, 13), устройства (20) ожижения диоксида углерода, соединенного с холодильной установкой (22), компрессора (18), источника (21) кислорода и источника сжиженного природного газа (СПГ), соединенных линиями подачи кислорода и СПГ с камерой сгорания (7), контактных теплообменников (15, 19) низкого и высокого давления, соединенных с компрессором (18), при этом камера сгорания (7) включает в себя первичную и вторичную зоны, при этом линия подачи СПГ соединена с первичной зоной камеры сгорания (7) и включает насос (1) СПГ, теплообменник-утилизатор (5) холода СПГ, расположенный в устройстве (20) ожижения диоксида углерода, и теплообменник для подогрева (6) СПГ, причем линия подачи кислорода также соединена с первичной зоной камеры сгорания (7) и включает кислородный насос (2), теплообменник-утилизатор (8) холода кислорода, расположенный в устройстве (20) ожижения диоксида углерода, и теплообменник для подогрева (9) кислорода, теплообменники для подогрева (6, 9) СПГ и кислорода выполнены с возможностью охлаждения воды, поступающей в контактный теплообменник (15) низкого давления, а линия подачи диоксида углерода соединена с первичной и вторичной зонами камеры сгорания (7) и включает насос (3) диоксида углерода, подогреватель (10) диоксида углерода и рекуперативный охладитель (11) отработанных газов, при этом подогреватель (10) диоксида углерода выполнен с возможностью охлаждения воды поступающей в по меньшей мере один контактный теплообменник (15 и/или 19), также линия подачи воды в камеру сгорания (7) соединена с первичной и вторичной зонами камеры сгорания (7) и включает насос (4) воды, соединенный с контактным теплообменником (15) низкого давления, и рекуперативный охладитель (13) отработанных газов.
Контактный теплообменник (15) низкого давления включает по меньшей мере две секции (16, 17) подачи воды, контактирующей с отработанными газами, по меньшей мере одна из этих секций (16) соединена с подогревателем (25) сетевой воды, а по меньшей мере одна другая секция (17) соединена с теплообменниками для подогрева (6, 9, 10) СПГ, кислорода и диоксида углерода, при этом циркуляция воды через контактный теплообменник (15) низкого давления и контактный теплообменник (19) высокого давления обеспечивается циркуляционными насосами (23, 24), а холодильная установка (22) представляет собой тепловой насос.
Линия подачи диоксида углерода дополнительно соединена с проточной частью парогазовой турбины (12).
Устройство (20) ожижения диоксида углерода содержит систему (27) удаления несконденсированных газов.
Установка выполнена с возможностью вывода из установки воды и диоксида углерода.
Указанный технический результат также достигается способом работы установки для выработки тепловой и механической энергии по любому из предыдущих пунктов, включающий:
в первичную зону камеры сгорания (7) насосами (1, 2) подают сжиженный природный газ (СПГ) и кислород, которые, проходя через устройство (20) ожижения диоксида углерода, охлаждают отработанные газы до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода при заданном давлении, а проходя через теплообменники для подогрева (6, 9) СПГ и кислорода, охлаждают воду, которая подается в контактный теплообменник (15) низкого давления для охлаждения отработанных газов;
в первичную и вторичную зоны камеры сгорания (7) насосами (3, 4) диоксида углерода и воды по линиям подачи диоксида углерода и воды подают соответственно диоксид углерода и воду, при этом воду по линии подачи воды в камеру сгорания (7) забирают из контактного теплообменника (15) низкого давления и, направляя через рекуперативный охладитель (13) отработанных газов, нагревают перед подачей в камеру сгорания (7), а диоксид углерода забирают из устройства (20) ожижения диоксида углерода и подают через теплообменник для подогрева (10) диоксида углерода, где он охлаждает воду, которую подают в по меньшей мере один контактный теплообменник (15, 19), направляя диоксид углерода далее по линии подачи диоксида углерода через рекуперативный охладитель (11) отработанных газов, его нагревают перед подачей в камеру сгорания (7),
отработанные газы из камеры сгорания подают на парогазовую турбину (12), после которой, пройдя рекуперативные охладители (13, 11) отработанных газов, они поступают в контактный теплообменник (15) низкого давления, где за счет охлаждения конденсируют часть воды из отработанных газов, далее компрессором (18) повышают давление отработанных газов и подают в контактный теплообменник (19) высокого давления, где конденсируют оставшуюся часть воды из отработанных газов,
после этого отработанные газы подают в устройство (20) ожижения диоксида углерода, где отработанные газы охлаждают в том числе и холодильной установкой (22).
Воду к по меньшей мере одной из по меньшей мере двух секций (16, 17) контактного теплообменника (15) низкого давления подают одним циркуляционным насосом (23) через подогреватель (25) сетевой воды, а к по меньшей мере одной другой секции (17) через теплообменники для подогрева (6, 9, 10) СПГ, кислорода и диоксида углерода, при этом воду для охлаждения отработанных газов в контактном теплообменнике (19) высокого давления другим циркуляционным насосом (24) забирают из контактного теплообменника (19) высокого давления и направляют через теплообменник для подогрева (10) диоксида углерода.
Диоксид углерода из линии подачи диоксида углерода подают в проточную часть парогазовой турбины (12).
Несконденсированные газы из устройства (20) ожижения диоксида углерода выводят из установки с помощью системы (27) удаления несконденсированных газов, а также излишки сжиженной воды и диоксида углерода выводят из установки.
На представленной фигуре показана схема установки для выработки тепловой и механической энергии.
На представленной фигуре обозначены следующие элементы.
1 - насос сжиженного природного газа (СПГ);
2
2 - насос кислородный (O);
2
3 - насос диоксида углерода (CO);
2
4 - насос водяной (HO);
5 - теплообменник-утилизатор холода СПГ;
6 - теплообменник для подогрева СПГ;
7 - камера сгорания, состоящая из первичной зоны;
8 - теплообменник-утилизатор холода кислорода;
9 - теплообменник для подогрева кислорода;
10 - теплообменник для подогрева диоксида углерода;
11 - охладитель отработанных газов рекуперативный линии подачи диоксида углерода в камеру сгорания (7);
12 - турбина парогазовая;
13 - охладитель отработанных газов рекуперативный линии подачи воды в камеру сгорания (7);
14 - генератор электрической энергии;
15 - теплообменник контактный низкого давления;
16 - первая секция подачи воды контактного теплообменника (15);
17 - вторая секция подачи воды контактного теплообменника (15);
18 - компрессор;
19 - теплообменник контактный высокого давления;
2
20 - устройство ожижения CO;
21 - источник кислорода (установка разделения воздуха криогенная);
22 - установка холодильная;
23 - насос циркуляционный;
24 - насос циркуляционный;
25 - подогреватель сетевой воды;
26 - насос сетевой воды;
27 - система удаления несконденсированных газов.
Стрелками показаны направления движения сред в установке.
Установка для выработки тепловой и механической энергии состоит из камеры сгорания (7), соединенной с парогазовой турбиной (12), линий подачи диоксида углерода и воды в камеру сгорания (7), рекуперативных охладителей (11, 13), устройства (20) ожижения диоксида углерода, соединенного с холодильной установкой (22), компрессора (18), источника (21) кислорода и источника сжиженного природного газа (СПГ), соединенных линиями подачи кислорода и СПГ с камерой сгорания (7), контактных теплообменников (15, 19) низкого и высокого давления, соединенных с компрессором (18). Камера сгорания (7) включает в себя первичную и вторичную зоны, которые по сути являются огневой зоной и зоной смешения соответственно. Линия подачи СПГ соединена с первичной зоной камеры сгорания (7) и включает насос (1) СПГ, подающий СПГ от источника СПГ (на фигуре не показан), которым может являться завод по производству сжиженного природного газа и/или хранилище СПГ, теплообменник-утилизатор (5) холода СПГ, расположенный в устройстве (20) ожижения диоксида углерода, и теплообменник для подогрева (6) СПГ, при этом насос (1) СПГ позволяет обеспечить расход подаваемого СПГ при заданном давлении в установке, что повышает надежность установки в целом за счет поддержания расчетного режима работы установки при заданных условиях, а наличие теплообменников (5 и 6) обеспечивает повышение рекуперации холода в установке, что повышает КПД установки, кроме того за счет подобного подогрева СПГ перед подачей в камеру сгорания (7) уменьшается перепад температур и повышается ее надежность.
2
2
2
Линия подачи кислорода соединена с первичной зоной камеры сгорания (7) и включает кислородный насос (2), подающий кислород от источника (21) кислорода, которым может являться установка криогенного разделения воздуха и/или хранилище O теплообменник-утилизатор (8) холода кислорода, расположенный в устройстве (20) ожижения диоксида углерода, и теплообменник для подогрева (9) кислорода, при этом кислородный насос (2) позволяет обеспечить расход подаваемого O при заданном давлении в установке, что повышает надежность установки в целом за счет поддержания расчетного режима работы установки при заданных условиях, а наличие теплообменников (8 и 9) обеспечивает повышение рекуперации холода в установке, что повышает КПД установки, кроме того за счет подобного подогрева Oперед подачей в камеру сгорания (7) уменьшается перепад температур и повышается надежность.
Теплообменники для подогрева (6, 9) СПГ и кислорода выполнены с возможностью охлаждения воды, поступающей в контактный теплообменник (15) низкого давления, что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки.
2
Линия подачи диоксида углерода соединена с первичной и вторичной зонами камеры сгорания (7) и включает насос (3) диоксида углерода, соединенный с устройством (20) ожижения диоксида углерода, подогреватель (10) диоксида углерода и рекуперативный охладитель (11) отработанных газов, что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, кроме того за счет подобного подогрева CO перед подачей в камеру сгорания (7) уменьшается перепад температур и повышается надежность.
Подогреватель (10) диоксида углерода выполнен с возможностью охлаждения воды поступающей в по меньшей мере один контактный теплообменник (15 и/или 19), что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного режима работы.
Также линия подачи воды в камеру сгорания (7) соединена с первичной и вторичной зонами камеры сгорания (7) и включает насос (4) воды соединенный с контактным теплообменником (15) низкого давления, и рекуперативный охладитель (13) отработанных газов что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет подогрева воды перед подачей в камеру сгорания (7), что уменьшает перепад температур.
Контактный теплообменник (15) низкого давления включает по меньшей мере две секции (16, 17) подачи воды, контактирующей с отработанными газами, по меньшей мере одна из этих секций (16) соединена с подогревателем (25) сетевой воды, а по меньшей мере одна другая секция (17) соединена с теплообменниками для подогрева (6, 9, 10) СПГ, кислорода и диоксида углерода, что дополнительно обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного режима работы.
Циркуляция воды через контактный теплообменник (15) низкого давления и контактный теплообменник (19) высокого давления обеспечивается циркуляционными насосами (23,24), а холодильная установка (22) представляет собой тепловой насос, что обеспечивает повышение рекуперации холода и охлаждение в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного режима работы.
Линия подачи диоксида углерода дополнительно соединена с проточной частью парогазовой турбины (12), что повышает надежность турбины (12) за счет снижения ее температуры и установки в целом.
Устройство (20) ожижения диоксида углерода содержит систему (27) удаления несконденсированных газов из установки.
Установка выполнена с возможностью вывода из установки воды и диоксида углерода для дальнейшего хранения и использования.
Установка работает следующим образом.
В первичную зону камеры сгорания (7) насосами (1, 2) подают сжиженный природный газ (СПГ) и кислород, которые, проходя через устройство (20) ожижения диоксида углерода, охлаждают отработанные газы до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода при заданном давлении, а проходя через теплообменники для подогрева (6, 9) СПГ и кислорода, охлаждают воду, которая подается в контактный теплообменник (15) низкого давления для охлаждения отработанных газов, что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного режима работы. Подача кислорода регулируется насосом (2) так, чтобы был минимальный избыток кислорода в камере сгорания (7), обеспечивающий требуемую полноту сгорания топлива.
В первичную и вторичную зоны камеры сгорания (7) насосами (3, 4) диоксида углерода и воды по линиям подачи диоксида углерода и воды подают соответственно диоксид углерода и воду, при этом воду по линии подачи воды в камеру сгорания (7) забирают из контактного теплообменника (15) низкого давления и, направляя через рекуперативный охладитель (13) отработанных газов, нагревают перед подачей в камеру сгорания (7), что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного температурного режима работы. А диоксид углерода забирают из устройства (20) ожижения диоксида углерода и подают через теплообменник для подогрева (10) диоксида углерода, где он охлаждает воду, которую подают в по меньшей мере один контактный теплообменник (15, 19), направляя диоксид углерода далее по линии подачи диоксида углерода через рекуперативный охладитель (11) отработанных газов, его нагревают перед подачей в первичную и вторичную зоны камеры сгорания (7) так, чтобы обеспечить приемлемое количество сжигания топлива и требуемое температурное поле на выходе из камеры сгорания (7), что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного температурного режима работы. Подачей воды регулируется отношение генерируемой тепловой и электрической энергии. Подачей диоксида углерода поддерживается заданная температура рабочего тела в турбине (в зависимости от закона регулирования на входе и/или на выходе).
Отработанные газы из камеры сгорания подают на парогазовую турбину (12), где рабочее тело расширяется до давления примерно 0,6 МПа, совершая работу. После парогазовой турбины (12) отработанные газы проходят рекуперативные охладители (13, 11) отработанных газов, где они охлаждаются до температуры максимально близкой температуре росы, то есть до температуры максимально близкой к температуре конденсации водяного пара, входящего в состав отработанных газов, после чего они поступают в контактный теплообменник (15) низкого давления, где за счет охлаждения конденсируют часть воды из отработанных газов, далее компрессором (18) повышают давление отработанных газов и подают в контактный теплообменник (19) высокого давления, где конденсируют оставшуюся часть воды из отработанных газов, что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного режима работы каждого теплообменника. А именно к по меньшей мере одной секции (16) контактного теплообменника (15) низкого давления для конденсации воды, содержащейся в отработанных газах, подают воду с температурой несколько выше температуры обратной сетевой воды, а к по меньшей мере одной второй секции (17) подают воду с температурой несколько выше температуры жидкого диоксида углерода. На выходе из контактного теплообменника (15) низкого давления отработанные газы представляют собой в большей степени диоксид углерода с небольшими примесями, в том числе еще остается небольшое количество воды. Таким образом, чтобы избежать обмерзания, давление рабочего тела повышается компрессором (18) до 3,5 МПа - это давление, при котором температура конденсации диоксида углерода выше температуры замерзания воды, что повышает надежность установки.
После этого отработанные газы подают в устройство (20) ожижения диоксида углерода, где отработанные газы охлаждают в том числе и холодильной установкой (22), что обеспечивает поддержание заданного температурного режима установки и, следовательно, повышает надежность установки.
Воду к по меньшей мере одной из по меньшей мере двух секций (16, 17) контактного теплообменника (15) низкого давления подают одним циркуляционным насосом (23) через подогреватель (25) сетевой воды, а к по меньшей мере одной другой секции (17) через теплообменники для подогрева (6, 9, 10) СПГ, кислорода и диоксида углерода, при этом воду для охлаждения отработанных газов в контактном теплообменнике (19) высокого давления другим циркуляционным насосом (24) забирают из контактного теплообменника (19) высокого давления и направляют через теплообменник для подогрева (10) диоксида углерода, что обеспечивает повышение рекуперации холода в установке и повышает КПД установки, а также надежность установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного температурного режима работы.
Диоксид углерода из линии подачи диоксида углерода подают в проточную часть парогазовой турбины (12) для охлаждения горячих деталей в проточной части парогазовой турбины (12),что дополнительно обеспечивает повышение надежности установки в целом за счет обеспечения поддержания заданного температурного режима работы.
Несконденсированные газы из устройства (20) ожижения диоксида углерода выводят из установки с помощью системы (27) удаления несконденсированных газов, а также излишки сжиженной воды и диоксида углерода выводят из установки.
Таким образом, достигается повышение рекуперации и как следствие КПД, а также надежность установки.