Установка для выработки тепловой и механической энергии и способ ее регулирования
INSTALLATION FOR GENERATING THERMAL AND MECHANICAL ENERGY AND METHOD FOR ITS REGULATION

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 С1, 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 низкопотенциальной тепловой энергии, который включает в себя турбину, соединенную 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 турбине, 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 температура атмосферного воздуха. Способ регулирования установки для выработки тепловой и механической энергии включает определение температуры атмосферного воздуха датчиком температуры атмосферного воздуха, при этом, если температура ниже одного порогового значения, то увеличивают количество воды, поступающей в камеру сгорания от первого охладителя отработанных газов, а также уменьшают подачу диоксида углерода в камеру сгорания, если температура атмосферного воздуха выше другого порогового значения, то увеличивают подачу диоксида углерода в камеру сгорания и уменьшают количество воды, поступающей в камеру сгорания от первого охладителя отработанных газов.
К недостаткам указанных аналогов относятся относительно низкий КПД установок, вследствие низкого использования энергии парогазовой смеси, повышенные нагрузки не электрическую часть установок, а также повышенный расход энергии вследствие возникновения реактивной мощности
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении надежности установки, при сохранении высокого КПД, за счет ступенчатого уменьшения давления, что повышает использования парогазовой смеси, а также в повышении надежности установки за счет уменьшения реактивной мощности.
Технический результат достигается установкой для выработки тепловой и механической энергии, состоящей из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (2), охладителей отработанных газов, линий подачи углеродсодержащего топлива (3), диоксида углерода (4), кислорода (5) и воды (6) в камеру сгорания (1), при этом дополнительно включает по меньшей мере две парогазовые турбины, по меньшей мере одна из которых является парогазовой турбиной (7) среднего давления, а по меньшей мере другая - парогазовой турбиной (8) низкого давления, при этом парогазовая турбина (2), соединенная с камерой сгорания (1), является парогазовой турбиной высокого давления, каждая парогазовая турбина (2, 7, 8) соединена с по меньшей мере двумя электрогенераторами (9), соединенными с блоком (10) управления, выполненным с возможностью изменения режима работы по меньшей мере части электрогенераторов (9) с обеспечением компенсации реактивной мощности в электрической сети, а также по меньшей мере один датчик мощности, соединенный с блоком (10) управления, кроме того блок (10) управления выполнен с возможностью определения коэффициента мощности.
Каждая парогазовая турбина (2, 7, 8) является двухпоточной центростремительной.
Установка содержит две парогазовые турбины (7) среднего давления, каждый вход которых соединен с по меньшей мере одним выходом парогазовой турбины (2) высокого давления, и две парогазовые турбины (8) низкого давления, каждый вход которых соединен с по меньшей мере одним выходом по меньшей мере одной парогазовой турбины среднего давления.
Каждый электрогенератор (9) имеет номинальную мощность по меньшей мере 1 МВт, при этом общая вырабатываемая установкой электрическая мощность составляет по меньшей мере 60 МВт.
Также технический результат достигается способом регулирования установки для выработки тепловой и механической энергии, включающим определение датчиком мощности величины активной и полной мощностей в электрической сети, при этом, если значение коэффициента мощности, определенного блоком (10) управления, ниже одного порогового значения, то блок (10) управления изменяет фазу передаваемого в электрическую сеть тока по меньшей мере одного электрогенератора (9) для компенсации реактивной мощности в электрической сети.
При этом количество пороговых значений коэффициента мощности, хранящихся в блоке (10) управления, более одного, причем при достижении каждого порогового значения коэффициента мощности блок (10) управления изменяет фазу передаваемого в электрическую сеть тока у разного количества электрогенераторов (9).
На представленной фигуре показана схема установки для выработки тепловой и механической энергии.
На представленной фигуре обозначены следующие элементы.
1 - камера сгорания;
2 - парогазовая турбина;
3 - линия подачи углеродсодержащего топлива в камеру сгорания (1);
4 - линия подачи диоксида углерода в камеру сгорания (1);
5 - линия подачи кислорода в камеру сгорания (1);
6 - линия подачи воды в камеру сгорания (1);
7 - парогазовая турбина среднего давления;
8 - парогазовая турбина низкого давления;
9 - электрогенераторы;
10 - блок управления.
Установка для выработки тепловой и механической энергии состоит из камеры сгорания (1), при этом давление в камере сгорания (1) составляет по меньшей мере 7,5 МПа. Парогазовая турбина (2) соединена с камерой сгорания (1). Установка также включает охладители отработанных газов (ОГ), состоящие из нескольких ступеней охлаждения ОГ и выполненные с возможностью по меньшей мере частичной конденсации воды и диоксида углерода, содержащихся в ОГ, что улучшает экологические показатели энергетической установки. В частности, по меньшей мере одна ступень охлаждения включает в себя теплообменник, соединенный разъемным соединением с выходом парогазовой турбины, что позволяет использовать энергетическую установку в качестве испытательного стенда для различных теплообменников, таким образом дополнительно достигается расширение функциональных возможностей энергетической установки.
Также камера сгорания (1) соединена с линиями подачи углеродсодержащего топлива (3), диоксида углерода (4), кислорода (5) и воды (6) в камеру сгорания (1). Дополнительно включает по меньшей мере две парогазовые турбины (7, 8), по меньшей мере одна из которых является парогазовой турбиной среднего давления, а по меньшей мере другая - парогазовой турбиной низкого давления, при этом парогазовая турбина (2), соединенная с камерой сгорания (1), является парогазовой турбиной высокого давления, что повышает надежность установки за счет ступенчатого уменьшения давления, что также повышает использование парогазовой смеси в установке. Каждая парогазовая турбина соединена с по меньшей мере двумя электрогенераторами (9), что позволяет повысить надежность установки за счет распределения нагрузки на вал, соединяющий парогазовую турбину с электрогенераторами, а также за счет распределения крутящего момента между несколькими ступенями парогазовых турбин. Также каждый электрогенератор (9) соединен с блоком (10) управления, выполненным с возможностью изменения режима работы по меньшей мере части электрогенераторов (9) с обеспечением компенсации реактивной мощности в электрической сети, при этом установка включает по меньшей мере один датчик мощности (не показан), например, OMIX P99-MLY-3, обеспечивающий определение по меньшей мере активной, реактивной и полной мощности (см. https://www.automatix.ru/catalog/?sid=19716&id=3255964) или аналогичный, соединенный с блоком (10) управления, что позволяет повысить надежность установки за счет по меньшей мере частичного снижения реактивной мощности сети, а именно за счет снижения нагрузки на электрогенераторы.
Каждая парогазовая турбина (2, 7, 8) является двухпоточной центростремительной, что дополнительно обеспечивает снижение осевой нагрузки на подшипники и, следовательно, повышает надежность установки при высоких давлениях в камере сгорания (1), составляющих по меньшей мере 7,5 МПа.
Установка содержит две парогазовые турбины (7) среднего давления, каждый вход которых соединен с по меньшей мере одним выходом парогазовой турбины (2) высокого давления, и две парогазовые турбины (8) низкого давления, каждый вход которых соединен с по меньшей мере одним выходом по меньшей мере одной парогазовой турбины (7) среднего давления, что дополнительно повышает надежность установки за счет распределения и ступенчатого уменьшения давления, что также повышает использование парогазовой смеси в установке.
f
f
Блок (10) управления выполнен с возможностью определения коэффициента мощности P, который определяется по показаниям полной мощности S и активной мощности Р по формуле P=P/S (см. https://www.asutpp.ru/reaktivnaya-moschnost.html), а также с возможностью изменения у по меньшей мере части электрогенераторов (9) фазы передаваемого в электрическую сеть тока, что позволяет повысить надежность установки за счет снижения реактивной мощности сети, а именно за счет снижения нагрузки на электрогенераторы (9).
Каждый электрогенератор (9) имеет номинальную мощность по меньшей мере 1 МВт, при этом общая вырабатываемая установкой электрическая мощность составляет по меньшей мере 60 МВт.
Установка для выработки тепловой и механической энергии 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 может подаваться из любого известного источника кислорода, который может представлять собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха. Таким образом, кислород может, например, производиться на любой известной установке разделения воздуха, включенной в состав энергетической установки и получающей от нее необходимую электроэнергию.
Подача в камеру сгорания (1) углеродсодержащего топлива, диоксида углерода, кислорода и воды по соответствующим линиям (3, 4, 5, 6) производится в сжиженном состоянии с помощью насосов под давлением по меньшей мере 7,5 МПа. Регулирование насосов обеспечивается блоком (10) управления, что в свою очередь обеспечивает изменение частоты вращения парогазовых турбин (2, 7, 8), а также блок (10) управления обеспечивает передачу в электрическую сеть напряжения и тока требуемых частот, что обеспечивает повышение надежности установки.
Продукты сгорания ступенчато расширяются в парогазовых турбинах (2, 7, 8), каждая из которых соединена с по меньшей мере двумя электрогенераторами для выработки электрической энергии. При этом предпочтительно давление на входе парогазовой турбины (2) высокого давления (первая ступень) составляет 30 МПа, на выходе из парогазовой турбины (2) и соответственно на входе парогазовой турбины (7) среднего давления (вторая ступень) - 10 МПа, на выходе из парогазовой турбины (7) и на входе парогазовой турбины (8) низкого давления (третья ступень) - 2,5 МПа, а также на выходе из парогазовой турбины (8) низкого давления - 0,5 МПа.
По меньшей мере одним датчиком мощности, установленным на линии электрической сети, направляющей электрическую энергию к потребителю, определяют величины активной и полной мощностей в электрической сети, при этом, если значение коэффициента мощности, определенного блоком (10) управления, ниже одного порогового значения, то блок (10) управления изменяет фазу передаваемого в электрическую сеть тока по меньшей мере одного электрогенератора (9) для компенсации реактивной мощности в электрической сети, что позволяет повысить надежность установки за счет снижения реактивной мощности сети, а именно за счет снижения нагрузки на электрогенераторы. Так как линий электрических сетей, направляющих электрическую энергию к потребителю, может быть несколько, то на каждой из них установлен свой датчик мощности.
Количество пороговых значений коэффициента мощности, хранящихся в блоке (10) управления, более одного, причем при достижении каждого порогового значения коэффициента мощности блок (10) управления изменяет фазу передаваемого в электрическую сеть тока разному количеству электрогенераторов (9), что позволяет повысить надежность установки за счет обеспечения точности снижения реактивной мощности сети, а именно за счет снижения нагрузки на электрогенераторы. Блок управления (10) дополнительно выполнен с возможность изменения частоты напряжения и тока, а также смещения фаз тока, передаваемого в электрическую сеть, для каждого электрогенератора (9), что позволяет повысить надежность установки за счет снижения реактивной мощности сети.
Далее ОГ проходят несколько ступеней охлаждения, выполненных с возможностью по меньшей мере частичной конденсации воды и диоксида углерода, содержащихся в ОГ, а по меньшей мере часть сконденсированной воды и диоксида углерода направляют в камеру сгорания (1) по соответствующим линиям (4, 6), а другую часть на хранение и/или к потребителю.
Таким образом установка и способ ее регулирования позволяют повысить надежность установки, при сохранении высокого КПД, за счет ступенчатого уменьшения давления, что повышает использования парогазовой смеси, а также повысить надежность установки за счет уменьшения реактивной мощности в электрической сети.