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 кислородно-топливная 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.
Недостатками данного технического решения являются большие потери теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и большие потери энергии с охлаждением газовой турбины.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является кислородно-топливная 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, деаэратор, теплообменник, насос, первый и второй электрогенераторы.
Недостатками данного технического решения являются большие потери теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и большие потери энергии с охлаждением газовой турбины.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении потерь теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и уменьшении потерь энергии, связанных с охлаждением газовой турбины.
Технический результат заключается в повышении электрического КПД нетто кислородно-топливной энергоустановки.
Это достигается тем, что предлагаемая кислородно-топливная энергоустановка, содержащая компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, котлом-утилизатором, выполненным в виде газоводяного двухпоточного теплообменника, содержащим горячий газовый контур теплоносителя, холодный водяной контур теплоносителя, и охладителем-сепаратором, выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом компрессора, топливный компрессор и воздухоразделительную установку, выходы которых соединены с двумя другими входами камеры сгорания, паровую турбину, вход которой соединен с выходом холодного контура теплоносителя двухпоточного газоводяного теплообменника котла-утилизатора, соединенную с конденсатором, деаэратор и питательный насос, первый и второй электрогенераторы, расположенные на одном валу с газовой и паровой турбинами соответственно, снабжена газовоздушным двухпоточным теплообменником котла-утилизатора, содержащим собственные горячий газовый контур теплоносителя и холодный углекислотный контур теплоносителя, углекислотной турбиной, дополнительными конденсатором, 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 выход горячего газового контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника присоединен к входу охладителя-сепаратора, причем выход холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника соединен с входом углекислотной турбины, выход которой в свою очередь последовательно соединен с дополнительным конденсатором и дополнительным насосом, выход которого соединен с входом холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного двухпоточного теплообменника, при этом углекислотная турбина механически соединена с третьим электрогенератором, в паровом контуре, включающем паровую турбину, конденсатор последовательно соединен с первыми конденсационным насосом и подогревателем низкого давления смешивающего типа, вторыми конденсационным насосом и подогревателем низкого давления смешивающего типа, третьим конденсационным насосом, группой, состоящей из трех подогревателей низкого давления поверхностного типа, деаэратором, питательным насосом и с группой, состоящей из трех подогревателей высокого давления поверхностного типа, выход которой соединен с входом холодного контура теплоносителя двухпоточного газоводяного теплообменника котла-утилизатора, причем первый и второй подогреватели низкого давления смешивающего типа соединены также с отборами низкого давления цилиндра низкого давления паровой турбины, группа из трех подогревателей низкого давления поверхностного типа соединена также с отборами низкого давления цилиндра низкого давления и цилиндра среднего давления паровой турбины, группа из трех подогревателей высокого давления поверхностного типа соединена также с отборами высокого давления цилиндра высокого давления и цилиндра среднего давления паровой турбины.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема кислородно-топливной энергоустановки.
Кислородно-топливная энергоустановка содержит 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. Паровой контур состоит из паровой турбины 15, содержащей цилиндр высокого давления 16, цилиндр среднего давления 17 и цилиндр низкого давления 18, конденсатора 19, первого конденсационного насоса 20, первого подогревателя низкого давления смешивающего типа 21, второго конденсационного насоса 22, второго подогревателя низкого давления смешивающего типа 23, третьего конденсационного насоса 24, группы, состоящей из трех подогревателей низкого давления поверхностного типа 25, деаэратора 26, питательного насоса 27, группы, состоящей из трех подогревателей высокого давления поверхностного типа 28, углекислотной турбины 29, дополнительного конденсатора 30, дополнительного насоса 31, первого электрогенератора 32, второго электрогенератора 33, третьего электрогенератора 34. При этом компрессор 1 расположен на одном валу с газовой турбиной 5, которая имеет механическую связь с первым электрогенератором 32. Паровая турбина 15 имеет механическую связь со вторым электрогенератором 33, а углекислотная турбина 29 с третьим электрогенератором 34.
Вход компрессора 1 выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, а выход 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, выход которого в свою очередь соединен с входом охладителя-сепаратора 13. Первый выход охладителя-сепаратора 13 параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 14 и входом компрессора 1. Второй выход охладителя-сепаратора 13 выполнен с возможностью отвода конденсата. Выход холодного водяного контура теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6 последовательно соединен с цилиндрами высокого давления 16, среднего давления 17 и низкого давления 18 паровой турбины 15, конденсатором 19, первым конденсационным насосом 20, первым подогревателем низкого давления смешивающего типа 21, вторым конденсационным насосом 22, вторым подогревателем низкого давления смешивающего типа 23, третьим конденсационным насосом 24, группой, состоящей из трех подогревателей низкого давления поверхностного типа 25, деаэратором 26, питательным насосом 27, группой, состоящей из трех подогревателей высокого давления поверхностного типа 28. Первый подогреватель низкого давления смешивающего типа 21 и второй подогреватель низкого давления смешивающего типа 22 соединены с отборами низкого давления цилиндра низкого давления 18 паровой турбины 15, группа подогревателей низкого давления поверхностного типа 25 соединена с отборами низкого давления цилиндра низкого давления 18 и цилиндра среднего давления 17 паровой турбины 15, группа подогревателей высокого давления поверхностного типа 28 соединена с отборами высокого давления цилиндра высокого давления 16 и цилиндра среднего давления 17 паровой турбины 15. Выход холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6 последовательно соединен с углекислотной турбиной 29, дополнительным конденсатором 30, дополнительным насосом 31, чей выход соединен с входом холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6.
Кислородно-топливная энергоустановка работает следующим образом.
На вход компрессора 1 подается поток рабочей среды, который после сжатия в 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, которая вращает первый электрогенератор 32, 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 удаление образовавшегося конденсата из цикла через второй выход охладителя-сепаратора 13. Углекислый газ из охладителя-сепаратора 13 удаляется через первый выход. 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, которая вращает второй электрогенератор 33, проходя через цилиндр высокого давления 16, среднего давления 17 и низкого давления 18, после чего направляется в конденсатор 19. Образовавшийся конденсат первый конденсационный насос 20 направляет в первый подогреватель низкого давления смешивающего типа 21, после подогретый конденсат направляется во второй конденсационный насос 22, который создает напор для преодоления второго подогревателя низкого давления смешивающего типа 23, далее конденсат проходит третий конденсационный насос 24, после которого конденсат идет на подогрев в группу подогревателей низкого давления поверхностного типа 25, подогретый конденсат направляется в деаэратор 26. После процесса деаэрации питательная вода направляется в питательный насос 27, пройдя его, питательная вода направляется на подогрев в группу подогревателей высокого давления поверхностного типа 28. После подогрева до температуры питательной воды, рабочая среда обратно направляется 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 углекислотую турбину 29, которая вращает третий электрогенератор 34, в которой, расширяясь, совершает полезную работу, после чего направляется в дополнительный конденсатор 30. Образовавшийся конденсат дополнительным насосом 31 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 паровой турбины 15.
Результаты моделирования кислородно-топливной энергоустановки показали, что электрический КПД нетто вырос на 6,1% по сравнению с прототипом при одинаковых термодинамических параметрах цикла: начальная температура цикла 1700°С, начальное давление 110 бар, давление на выхлопе газовой турбины 1 бар, температура на входе в охладитель-сепаратор 80°С.
Внедрение развитой системы регенерации, содержащей первый конденсационный насос 20, первый подогреватель низкого давления смешивающего типа 21, второй конденсационный насос 22, второй подогреватель низкого давления смешивающего типа 23, третий конденсационный насос 24, группу подогревателей низкого давления поверхностного типа 25 и группу подогревателей высокого давления поверхностного типа 28, приводит к повышению температуры рабочей среды холодного водяного контура 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6 и повышению температуры греющих газов на выходе горячего контура теплоносителя 8 двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6. Однако внедрение низкотемпературного углекислотного цикла с помощью дополнительного газовоздушного двухпоточного теплообменника 10, углекислотной турбины 29, дополнительного конденсатора 30, дополнительного насоса 31 позволяет утилизировать образовавшуюся излишнюю теплоту при той же температуре газов на выходе в охладитель-сепаратор. Использование в качестве хладагента для газовой турбины 5 пара из цилиндра высокого давления 16 позволяет уменьшить расход хладагента, за счет повышения его теплоемкости и коэффициента теплоотдачи, а также снизить затраты на его сжатие благодаря повышению плотности среды при смене углекислотного охлаждения из компрессора 1 на паровое из цилиндра высокого давления 16.
Использование изобретения позволяет повысить электрический КПД нетто кислородно-топливной энергоустановки за счет уменьшения потерь теплоты в конденсаторе 19 и потерь, возникающих из-за охлаждения газовой турбины 5.