Кислородно-топливная энергоустановка
OXYGEN-FUEL POWER PLANT

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при разработке электрических станций с малыми выбросами вредных веществ в атмосферу.
Известна энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Bolland О., Saether S. New concepts for natural gas fired power plants which simplify the recovery of carbon dioxide //Energy Conversion and Management. - 1992. - T. 33. - №. 5-8. - C. 467-475.), содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, насос, первый и второй электрогенераторы.
Недостатком данного технического решения являются большие потери теплоты в охладителе-сепараторе.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Рогалев А.Н., Киндра В.О., Зонов А.С., Рогалев Н.Д. Исследование экологически безопасных энергетических комплексов с кислородным сжиганием топлива // Новое в российской энергетике. - 2019. - 8. - С. 6-25.), содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, насос, первый и второй электрогенераторы.
Недостатком данного технического решения являются большие потери теплоты в охладителе-сепараторе.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении потерь за счет полезной утилизации низкопотенциальной теплоты газов на выходе из котла-утилизатора в дополнительном цикле, работающем на углекислом газе.
Технический результат заключается повышении электрического КПД энергоустановки.
Это достигается тем, что известная кислородно-топливная энергоустановка, содержащая многоступенчатый компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, котлом-утилизатором, включающим газоводяной двухпоточный теплообменник, содержащий горячий газовый контур теплоносителя и холодный водяной контур теплоносителя, и охладителем-сепаратором, выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом многоступенчатого компрессора, топливный компрессор и воздухоразделительную установку, выходы которых соединены с двумя другими входами камеры сгорания, последовательно соединенные паровую турбину, конденсатор, насос, выход которого соединен с входом холодного контура теплоносителя газоводяного двухпоточного теплообменника, а его выход соединен с паровой турбиной, идентичные первый и второй электрогенераторы, расположенные на одном валу с газовой и паровой турбинами соответственно, снабжена газовоздушным двухпоточным теплообменником, содержащим собственный горячий газовый контур теплоносителя и холодный углекислотный контур теплоносителя, турбодетандером, дополнительным конденсатором, дополнительным насосом и третьим электрогенератором, при этом вход горячего газового контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника подсоединен к выходу горячего газового контура теплоносителя газоводяного двухпоточного теплообменника, а его выход присоединен к охладителю-сепаратору, причем выход холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника соединен с турбодетандером, который последовательно соединен с дополнительным конденсатором и дополнительным насосом, выход которого соединен с входом холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника, при этом турбодетандер механически соединен с третьим электрогенератором.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема кислородно-топливной энергоустановки.
Кислородно-топливная энергоустановка содержит многоступенчатый компрессор 1, камеру сгорания 2, топливный компрессор 3, воздухоразделительную установку 4, газовую турбину 5, котел-утилизатор 6, который выполнен в виде двух теплообменников - газоводяного двухпоточного теплообменника 7, содержащего горячий газовый контур теплоносителя 8 и холодный водяной контур теплоносителя 9, а также газовоздушного двухпоточного теплообменника 10, содержащего горячий газовый контур теплоносителя 11 и холодный углекислотный контур теплоносителя 12, охладитель-сепаратор 13, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 14, паровую турбину 15, конденсатор 16, насос 17, турбодетандер 18, дополнительный конденсатор 19, дополнительный насос 20, первый электрогенератор 21, второй электрогенератор 22, третий электрогенератор 23. При этом многоступенчатый компрессор 1 расположен на одном валу с газовой турбиной 5, которая имеет механическую связь с первым электрогенератором 21. Паровая турбина 15 имеет механическую связь со вторым электрогенератором 22, а турбодетандер 18 с третьим электрогенератором 23.
Вход многоступенчатого компрессора 1 выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, а выход многоступенчатого компрессора 1 соединен с первым входом камеры сгорания 2, со вторым входом камеры сгорания 2 соединен выход топливного компрессора 3, а третий вход камеры сгорания 2 соединен с выходом воздухоразделительной установки 4. Выход камеры сгорания 2 соединен с входом газовой турбины 5, выход которой соединен с горячим газовым контуром теплоносителя 8 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла утилизатора 6. Выход горячего газового контура теплоносителя 8 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла утилизатора 6 соединен с входом горячего газового контура теплоносителя 11 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла утилизатора 6, который в свою очередь соединен с охладителем-сепаратором 13. Первый выход охладителя-сепаратора 13 параллельно соединен с многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением 14 и многоступенчатым компрессором 1. Выход холодного водяного контура теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла утилизатора 6 соединен с входом паровой турбины 15, выход которой соединен с конденсатором 16. Вход насоса 17 соединен с выходом конденсатора 16, а выход насоса 17 с входом холодного водяного контура 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла утилизатора 6. Выход холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла утилизатора 6 соединен с входом в турбодетандер 18, выход которого соединен с дополнительным конденсатором 19. Вход дополнительного насоса 20 соединен с выходом дополнительного конденсатора 19, а выход дополнительного насоса 20 соединен с входом холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла утилизатора 6.
Кислородно-топливная энергоустановка работает следующим образом. На вход многоступенчатого компрессора 1 подается поток рабочей среды, который после сжатия в многоступенчатом компрессоре 1 направляется на первый вход камеры сгорания 2, на второй вход подается природный газ, предварительно сжатый в топливном компрессоре 3, а на третий вход подается кислород, полученный в воздухоразделительной установке 4. После сгорания горячей смеси и выработки полезной работы в газовой турбине 5 выхлопные газы проходят через горячий газовый контур теплоносителя 8 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла утилизатора 6, где они передают свою теплоту рабочей среде холодного водяного контура теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6, после чего поступают на вход в горячий газовый контур теплоносителя 11 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла утилизатора 6, в котором происходит процесс передачи теплоты холодному углекислотному контуру теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла утилизатора 6. Затем выхлопные газы попадают в охладитель-сепаратор 13, в котором происходит конденсация водяных паров и их удаление из цикла через второй выход охладителя-сепаратора 13. Образовавшийся в результате сжигания природного газа избыток диоксид углерода сжимается в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением 14 и направляется на захоронение, а оставшаяся рабочая среда снова направляется на вход многоступенчатого компрессора 1. Перегретый пар, выработанный в холодном водяном контуре теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6, расширяясь, совершает работу в паровой турбине 15, после чего направляется в конденсатор 16. Образовавшийся конденсат с помощью насоса 17 направляется обратно на вход холодного водяного контура теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла утилизатора 6. Нагретая рабочая среда холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла утилизатора 6 поступает в турбодетандер 18, в котором, расширяясь, совершает полезную работу, после чего направляется в дополнительный конденсатор 19. Образовавшийся конденсат дополнительным насосом 20 подается на вход холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла утилизатора 6. Для охлаждения газовой турбины 5 используется рабочая среда, отобранная из компрессора 1.
Результаты моделирования кислородно-топливной энергоустановки показали, что электрический КПД нетто вырос на 1,25% по сравнению с прототипом при одинаковых термодинамических параметрах цикла - начальная температура цикла 1400°, начальное давление 60 бар, давление на выхлопе газовой турбины 1 бар.
Использование изобретения позволяет повысить электрический КПД кислородно-топливной энергоустановки за счет установки дополнительного газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла утилизатора 6, турбодетандера 18, дополнительного конденсатора 19, дополнительного насоса 20 и третьего электрогенератора 23. В предлагаемой схеме предусматривается полезное использование теплоты уходящих газов после котла-утилизатора 6 в холодном углекислотном контуре теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6, что позволяет выработать дополнительную энергию в турбодетандере 18 при расширении подогретого углекислого газа.