УТИЛИЗАЦИОННАЯ УГЛЕКИСЛОТНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА
RECYCLING CARBON POWER PLANT

2
2
2
2
Изобретение относится к теплоэнергетике. Углекислотные (диоксид-углеродные) энергоустановки (СО-ЭУ) - это тепловые энергоустановки, использующие диоксид углерода (СО) в качестве рабочего тела и реализующие замкнутый регенеративный цикл Брайтона [ГОСТ Ρ 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения»] со сверхкритическим начальным давлением рабочего тела (sCO), как правило, выше 20 МПа. Заявляемая утилизационная СО-ЭУ может быть применена для выработки энергии на теплоте высокотемпературных отходящих газов различных технологических процессов и установок, в частности, выхлопных газов газотурбинных двигателей (ГТД) в установках комбинированного цикла (УКЦ).
2
Ниже приведен перечень сокращений, используемых в настоящем описании БП - байпасный подогреватель СО в.д. котла;
ВТР - высокотемпературный рекуператор (высокотемпературная ступень рекуператора);
ГТД - газотурбинный двигатель;
КУ - котел-утилизатор;
НТР - низкотемпературный рекуператор (низкотемпературная ступень рекуператора);
УКЦ - установка комбинированного цикла;
УТА - утилизационный теплообменный ппарат;
ЭУ - энергоустановка;
2
СО - диоксид углерода (углекислый газ);
2
СО в.д. - углекислый газ высокого давления;
2
СО н.д. - углекислый газ низкого давления;
2
СО-ЭУ - диоксид-углеродная энергоустановка:
2
sCO - углекислый газ (диоксид углерода) при сверхкритическом давлении.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Известен концептуальное предложение по утилизационной СО-ЭУ для УКЦ, разработанное специалистами компании Siemens и Университета Duisburg-Essen и представленное ими на 2-й Европейской конференции по СО-ЭУ со сверхкритическими параметрами [опубликованный доклад: "Evaluation of СО-power cycles for direct and waste heat applications" / Glos, Stefan; Wechsung, Michael; Schlehuber, Dominic (Siemens AG, Power and Gas Division, Mulheim an der Ruhr, Germany); Wagner, Rebecca; Heidenhof, Andre (University Duisburg-Essen. Duisburg, Germany)// In: 2nd European sCO Conference, Duisburg, 2018, c.6, рисунок Fig. 14]. СО-ЭУ содержит утилизационный теплообменный аппарат (УТА) - котел-утилизатор (КУ), состоящий из трех участков теплообмена -основного подогревателя (ОП) углекислого газа высокого давления (СО в.д.) 4, высокотемпературного и низкотемпературного байпасных подогревателей СО в.д. (БП) 3 и 2, расположенных в указанной последовательности по ходу дымовых газов в КУ, высокотемпературный рекуператор (ВТР) 6, сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ОП 4 по СО в.д., низкотемпературный рекуператор (НТР) 5, сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ВТР 6 по нагреваемому СО в.д., на входе по греющему СО низкого давления (СО н.д.) - с выходом ВТР 6 по СО н.д., высокотемпературную турбину 7, сообщенную на входе по рабочему телу с выходом ОП 4 по СО в.д., на выходе по рабочему телу (СО н.д.) - с входом ВТР 6 по СО н.д., низкотемпературную турбину 8, сообщенную на входе по СО в.д. с выходом ВТР 6 по СО в.д.,, на выходе по СО н.д. - с входом НТР 5 по СО н.д., охладитель СО н.д. 9, сообщенный на входе по СО н.д. с выходом НТР5 по СО н.д., и компрессор 1, сообщенный на входе по СО н.д. с выходом охладителя 9 по СО н.д., на выходе по СО в.д. - с входами по СО в.д. низкотемпературного участка БП 2 и НТР 5. Высокотемпературный БП 3 на выходе по СО в.д. сообщен с входами ОП 4 и низкотемпературной турбины 8 по СО в.д., а низкотемпературный БП 2 на выходе по СО в.д. сообщен с входами высокотемпературного БПЗ и ВТР 6 по СО в.д.
2
2
2
2
2
2
Исходя из характера изменения теплоемкости СО в.д. в зависимости от температуры, наличие двух точек регулируемого распределения расхода СО в.д. за ВТР 6 и НТР 5 между трактами рекуператоров и участков КУ и связанное с этим исполнение КУ в виде трех участков нагрева СО в.д. позволяет снизить значения средних температурных напоров в рекуператорах и в КУ при фиксированных значениях температурных напоров в низконапорных точках КУ и рекуператоров [там же, с.6, рисунок Fig. 15], повысить средний уровень температуры подвода тепла к СО в.д. в рекуператорах и в КУ с одновременным повышением расхода СО в.д. в высокотемпературную турбину и за счет этого повысить КПД утилизационной СО-ЭУ до уровня, близкого к максимально возможному.
2
2
2
2
2
2
2
2
Недостатками данного устройства являются сложность изготовления, недостаточно высокая надежность и пониженный межремонтный период. Указанные недостатки связаны с тем, что во избежание утечек рабочего тела из контура СО-ЭУ регулирующие распределительные устройства должны быть выполнены инкапсулированными (размещенными внутри герметичного контура) в тракте по СО в.д. вместе с приводными электродвигателями. По крайней мере, одно из двух регулирующих устройств в данной СО-ЭУ будет работать в среде СО в.д. при температуре выше 250°С, т.е. окажется низкоресурсным элементом. Снижение межремонтного периода влечет за собой повышенный расход операционных запасов рабочего тела при остановах и пусках СО-ЭУ, а также увеличение затрат на плановую замену указанного низкоресурсного элемента. Кроме того, два регулирующих устройства на двух параллельных потоках СО в.д. создают возмущающие воздействия на работу друг друга, вследствие чего расчетное (оптимальное) распределение расходов СО в.д. достигается в динамике, а не как фиксированная величина, не меняющаяся в реальном времени при неизменных условиях эксплуатации, что также отрицательно влияет на фактическую величину эффективного КПД и мощность СО-ЭУ.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является утилизационная СО-ЭУ для УКЦ [Патент РФ №2740614, опубл. 15.01.2021, бюл. №2], содержащая утилизационный теплообменный аппарат - котел-утилизатор 1, состоящий из двух участков теплообмена - основного и байпасного подогревателей СО в.д. (ОП 2 и БП 3), расположенных в КУ 1 в указанной последовательности по ходу дымовых газов, высокотемпературный рекуператор (ВТР) 4, сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ОП 2 по СО в.д., низкотемпературный рекуператор (НТР) 5, сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ВТР 4 по нагреваемому СО в.д., на входе по греющему СО н.д. - с выходом ВТР 4 по СО н.д., высокотемпературную турбину 6, сообщенную на входе по СО в.д. с выходом ОП 2 по СО в.д., на выходе по СО н.д. - с входом ВТР 4 по СО н.д., низкотемпературную турбину 7, сообщенную на выходе по рабочему телу с входом НТР 5 по СО н.д., охладитель СО н.д. 8, сообщенный на входе по СО н.д. с выходом НТР 5 по СО н.д., и нагнетатель (компрессор) 9, сообщенный на входе по СО н.д. с выходом охладителя 8 по СО н.д., на выходе по СО в.д. - с входами по СО в.д. БП 3 и НТР 5. БП 3 на выходе по СО в.д. сообщен с входом низкотемпературной турбины 7.
2
2
Рабочее тело (СО в.д.) подают в высокотемпературную турбину 6 по линии НТР 5-ВТР 4 - ОП 2, в низкотемпературную турбину 7 - через БП 3. Распределение расхода СО в.д. между этими параллельными линиями в отсутствие каких-либо промежуточных поперечных гидравлических связей между ними обусловлено только пропускными способностями турбин 6 и 7, что обеспечивает возможность достижения оптимального распределения расходов между двумя линиями только на основе оптимизации проектных параметров оборудования на стадии проектирования, без применения средств регулирования.
2
2
Температурные напоры на концах БП 3, НТР 5, на холодном конце ВТР 4 и на одном из концов ОП 2 могут быть приняты равными минимально-допустимым значениям, но средние температурные напоры в ВТР, ОП и БП оказываются более высокими, чем в схеме предыдущего аналога, близкой к идеальной, что несколько снижает КПД и мощность СО-ЭУ по сравнению с максимально возможным значением, которое может быть достигнуто в идеальной схеме. При этом по мере расширения диапазона изменения начальной температуры греющего теплоносителя перед УТА отклонение КПД и мощности СО-ЭУ от максимально возможных значений увеличивается.
2
Целью заявляемого изобретения является устранение указанного недостатка - повышение КПД и мощности СО-ЭУ в широком диапазоне изменения начальной температуры первичного греющего теплоносителя перед УТА без ущерба для надежности работы устройства.
2
2
2
2
2
Техническим результатом изобретения является увеличение расхода СО в.д. в высокотемпературную турбину при снижении расхода СО в.д. в низкотемпературную турбину и общего расхода СО через компрессор с соответствующим снижением расхода СО н.д. и сброса тепла в окружающую среду и увеличением среднемассовой температуры подвода тепла к рабочему телу в СО-ЭУ, что, согласно первому и второму законам термодинамики, обеспечивает достижение указанной цели.
Определение из перечня выявленных аналогов указанного прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволило выявить в заявляемом устройстве определенную в нижеприведенной формуле изобретения совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Заявляемая утилизационная СО-ЭУ содержит утилизационный теплообменный аппарат (УТА), состоящий из двух участков теплообмена - основного и байпасного подогревателей СО в.д. (ОП и БП), расположенных в указанной последовательности по ходу греющего теплоносителя в УТА, высокотемпературный рекуператор (ВТР), сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ОП по СО в.д., низкотемпературный рекуператор (НТР), сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ВТР по нагреваемому СО в.д., на входе по греющему СО н.д. - с выходом ВТР по СО н.д., высокотемпературную турбину, сообщенную на входе по СО в.д. с выходом ОП по СО в.д., на выходе СО н.д. - с входом ВТР по греющему СО н.д., низкотемпературную турбину, сообщенную на выходе СО н.д. с входом НТР по СО н.д., охладитель СО н.д., сообщенный на входе по СО н.д. с выходом НТР по СО н.д., и компрессор, сообщенный на входе по СО н.д. с выходом охладителя СО н.д. по СО н.д., на выходе по СО в.д. - с входами по СО в.д. БП и НТР. Согласно изобретению, заявляемая утилизационная СО-ЭУ снабжена регулирующим распределительным устройством, размещенным вместе со своим электроприводом внутри герметичного контура в тракте по СО в.д. перед входами НТР и БП по СО в.д. и выполненным с возможностью регулирования распределения расхода СО в.д. между входами НТР и БП по СО в.д. по условию поддержания разности температур СО в.д. на выходах ВТР и БП на заданном уровне, при этом ВТР на выходе по СО в.д. сообщен также с входом низкотемпературной турбины по СО в.д., а БП на выходе по СО в.д. сообщен с входом ОП по СО в.д.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Углекислый газ является диэлектриком, а расчетная температура СО в.д. за компрессором не превышает 70°С, что допускает размещение распределительного трехходового клапана вместе со своим приводным электродвигателем внутри герметичного контура в тракте по СО в.д. перед входами НТР и БП по СО в.д. без ущерба для ресурса и надежности работы распределительного клапана и СО-ЭУ в целом. Распределение расхода СО в.д. между НТР и БП по условию поддержания температур СО в.д. на выходах ВТР и БП на одинаковом уровне исключает прирост энтропии при смешении разнотемпературных потоков СО в.д. перед ОП и обеспечивает поддержание температурных напоров на холодном конце ОП и горячем конце БП на одинаковом (минимальном) уровне. Распределение расхода СО в.д. из ВТР между ОП и низкотемпературной турбиной обусловлено только пропускными способностями турбин и не требует применения каких-либо иных дополнительных средств автоматического регулирования. В прототипе расход СО в.д. в низкотемпературную турбину равен расходу СО в.д. в БП, что при заданных температурных напорах в низконапорных точках НТР и БП полностью определяет и расход в высокотемпературную турбину и, соответственно, значения пропускных способностей обеих турбин. В заявляемой же СО-ЭУ появляется дополнительная степень свободы, позволяющая распределить расходы СО в.д. между турбинами (подобрать их пропускные способности) таким образом, чтобы средняя температура подвода тепла к рабочему телу (СО в.д.) обеих турбин была бы выше, а расход в низкотемпературную турбину и суммарный расход СО н.д. через охладитель - меньше, чем в прототипе.
В ходе проведенного анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-исследовательским источникам информации, а также выявление других источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, технического решения, характеризующегося признаками, тождественными (эквивалентными) признакам заявляемого изобретения, не обнаружено, при этом изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Сущность изобретения поясняется схематическим чертежом, представленным на фиг.1. Утилизационная СО-ЭУ содержит УТА 1, состоящий из двух участков теплообмена - ОП 2 и БП 3, расположенных в УТА 1 в указанной последовательности по ходу греющего теплоносителя, ВТР 4, сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ОП 2 по СО в.д., НТР 5, сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ВТР 4 по нагреваемому СО в.д., на входе по греющему СО н.д. - с выходом ВТР 4 по СО н.д., высокотемпературную турбину 6, сообщенную на входе по СО в.д. с выходом ОП 2 по СО в.д., на выходе СО н.д. - с входом ВТР 4 по СО н.д., низкотемпературную турбину 7, сообщенную на выходе СО н.д. с входом НТР 5 по СО н.д., охладитель СО н.д. 8, сообщенный на входе по СО н.д. с выходом НТР 5 по СО н.д., и компрессор 9, сообщенный на входе по СО н.д. с выходом охладителя СО н.д. 8 по СО н.д., на выходе по СО в.д. - с входами по СО в.д. БП 3 и НТР 5. Согласно изобретению, заявляемая утилизационная СО-ЭУ снабжена регулирующим распределительным устройством - трехходовым клапаном 10, размещенным вместе со своим электроприводом внутри герметичного контура в тракте по СО в.д. перед входами НТР 5 и БП 3 по СО в.д. и выполненным с возможностью регулирования распределения расхода СО в.д. между входами НТР 5 и БП 3 по СО в.д. по условию поддержания температур СО в.д. на выходах ВТР 4 и БП 3 на одинаковом уровне, при этом ВТР 4 на выходе по СО в.д. сообщен также с входом низкотемпературной турбины 7 по СО в.д., а БП 3 на выходе по СО в.д. сообщен с входом ОП 2 по СО в.д. Приведенная на фиг.1 СО-ЭУ содержит также турбогенератор 11.
2
Утилизационная СО-ЭУ работает следующим образом.
2
2
2
2
2
2
2
2
Охлажденный в охладителе 8 СО н.д. сжимают компрессором 9 до высокого давления и подают на входы по СО в.д. БП 3 и НТР 5 по СО в.д. с регулированием трехходовым регулирующим клапаном 10 по условию поддержания температур СО в.д. за ВТР 4 и БП 3 на одинаковом уровне. Из БП 3 СО в.д. подают в на вход ОП 2 по СО в.д., а из ВТР 4 - на входы ОП 2 и низкотемпературной турбины 7 по СО в.д. Нагретый в ОП 2 СО в.д. подают в высокотемпературную турбину 6.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Поступивший в турбины 6 и 7 СО в.д. совершает работу по приводу турбогенератора 11 и компрессора 9, обеспечивающего перепад давлений в турбинах и возможность расширения СО в турбинах до низкого давления. Отработанный СО н.д. из высокотемпературной турбины 6 подают на вход ВТР 4 по греющему СО н.д., где он охлаждается, примерно, до температуры СО н.д. за низкотемпературной турбиной 7, отдавая тепло на нагрев СО в.д. Отработанный СО н.д. из низкотемпературной турбины 7 подают на смешение с потоком СО н.д. за ВТР 4, поступающим на вход НТР 5 по греющему СО н.д.; далее, охлажденный в НТР 5 поток СО н.д. подают в охладитель 8, где его охлаждают, в данном примере, жидким охлаждающим теплоносителем, и подают на вход компрессора 9.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Распределение расхода СО в.д. между НТР 5 и БП 3 по условию поддержания температур СО в.д. на выходах ВТР 4 и БП 3 на одинаковом уровне исключает прирост энтропии при смешении разнотемпературных потоков СО в.д. перед ОП 2 и обеспечивает поддержание температурных напоров на холодном конце ОП 2 и горячем конце БП 3 на одинаковом (минимальном) уровне. Распределение расхода СО в.д. из ВТР 4 между ОП 2 и низкотемпературной турбиной 7 обусловлено только пропускными способностями турбин и не требует применения каких-либо иных дополнительных средств автоматического регулирования. При этом если в прототипе расход СО в.д. в низкотемпературную турбину 7 равен расходу СО в.д. в БП 3, что при заданных температурных напорах в низконапорных точках НТР 5 и БП 3 полностью определяет также расход СО в.д. в высокотемпературную турбину 6 и, соответственно, величину пропускных способностей обеих турбин, то в заявляемой СО-ЭУ появляется дополнительная степень свободы, позволяющая распределить расходы СО в.д. между турбинами 6 и 7 (подобрать их пропускные способности) таким образом, чтобы средняя температура подвода тепла к рабочему телу (СО в.д.) турбин 6 и 7 была бы выше, а расход в турбину 7 и суммарный расход СО н.д. через охладитель 8 - меньше, чем в прототипе.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Приведенный на фиг. 1 пример реализации заявляемого изобретения представлен для иллюстрации отличительных признаков формулы и не исчерпывает всех возможных вариантов его реализации, которые могут отличаться исполнением компрессора 9 (наличие или отсутствие промежуточного охлаждения), охладителя 8 (охладитель или охладитель-конденсатор), наличием подогревателя воды, размещенного в рассечку поверхностей нагрева БП 3 (для подогрева топлива в случае применения заявляемой СО-ЭУ в схеме УКЦ, как в прототипе), охлаждающим теплоносителем (вода, раствор антифриза, воздух), первичным греющим теплоносителем, подаваемым в УТА (выхлопные газы ГТД, отходящие газы химических производств и металлургических предприятий) и т.п.Наконец, в случае наличия ограничений по температуре СО в.д. перед УТА снизу (например, вследствие особенностей хим. состава первичного греющего теплоносителя), СО-ЭУ может быть снабжена предварительным рекуперативным подогревателем СО в.д. (ПРП), при этом НТР 5 на выходе по СО н.д. будет сообщен с входом охладителя 8 по СО н.д. через тракт ПРП по СО н.д., а компрессор 9 на выходе по СО в.д. будет сообщен со входами по СО в.д. НТР 5 и БП 3 не только через распределительный трехходовой клапан 10, но и через тракт ПРП по СО в.д.
В любом из перечисленных вариантов применения заявляемого изобретения обеспечивается достижение заявленного технического результата по сравнению с прототипом.