Утилизационная углекислотная энергоустановка для установки комбинированного цикла
RECYCLING CARBON DIOXIDE POWER PLANT FOR INSTALLATION OF COMBINED CYCLE

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 Р 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения»] со сверхкритическим начальным давлением рабочего тела (sCO), как правило, выше 20 МПа. Заявляемая утилизационная СО-ЭУ для может быть применена для выработки энергии на теплоте высокотемпературных отходящих газов различных технологических процессов и установок, но наибольший эффект может быть получен при ее использовании в установках комбинированного цикла (УКЦ) с ГТД мощностью не выше 50-60 МВт, в первую очередь, на объектах, где применение УКЦ в классическом варианте исполнения - в виде парогазовой установки ПГУ - проблематично по условиям эксплуатации, например, в климатических условиях Севера, в судовых силовых установках и т.п.
Ниже приведен перечень сокращений, используемых в настоящем описании.
2
БП - байпасный подогреватель СО в.д. котла;
ВПТ - водяной подогреватель топлива;
ВТБП - высокотемпературный участок БП;
ВТР - высокотемпературный рекуператор (высокотемпературная ступень рекуператора);
ГПВ - газовый подогреватель воды;
ГТД - газотурбинный двигатель;
ГТУ - газотурбинная установка;
КУ – котел- утилизатор;
НТБП - низкотемпературный участок БП;
НТР - низкотемпературный рекуператор (низкотемпературная ступень рекуператора);
ПГУ - парогазовая установка;
СТР - среднетемпературный рекуператор;
УКЦ - установка комбинированного цикла;
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 с.д. - углекислый газ высокого 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
2
2
2
2
2
2
st
Известна утилизационная СО-ЭУ для УКЦ, представленная на международной Азиатской конференции по тепловым наукам в 2017 г. специалистами Корейского института машиностроения и материалов и Корейского Университета Инха [опубликованный доклад “A study on supercritical CO cycle for gas turbine waste heat recovery” / Do Won Kang, Hyun Min Kwon и др. // Asian Conference on Thermal Sciences 2017, 1 ACTS March 26-30, 2017, Jeju Island, Korea], содержащая котел утилизатор КУ), состоящий из одного подогревателя СО высокого давления (СО в.д.), высокотемпературный, среднетемпературный и низкотемпературный рекуператоры (ВТР, СТР, НТР), высокотемпературную, среднетемпературную и низкотемпературную турбины, охладитель-конденсатор СО низкого давления (СО н.д.) и двухкаскадный нагнетатель (насос) СО с промежуточным охладителем СО, при этом высокотемпературная турбина сообщена на входе по СО в.д. с выходом КУ по СО в.д., на выходе по СО н.д. – с входом ВТР по СО н.д., среднетемпературная турбина сообщена на входе по СО в.д. с выходом ВТР по СО в.д., на выходе по СО н.д. – с входом СТР по СО н.д., низкотемпературная турбина сообщена на входе по СО в.д. с выходом СТР по СО в.д., на выходе по СО н.д. – с входом НТР по СО н.д.; кроме того, на входе по СО н.д. и на выходе по СО в.д. НТР сообщен, соответственно, с выходами по СО н.д. и входами по СО в.д. ВТР и СТР, на выходе по СО в.д. НТР сообщен с входом КУ по СО в.д. НТР сообщен на входе по СО в.д. с выходом по СО в.д. нагнетателя (насоса), на выходе по СО н.д. - с входом охладителя-конденсатора по охлаждаемому СО н.д. На входе по СО н.д. нагнетатель сообщен с выходом охладителя- конденсатора по охлажденному СО н.д. (в виде конденсата). Подача нагнетателем всего СО в.д. в НТР целесообразна только в случае наличия ограничения по минимально-допустимой температуре СО в.д. перед КУ. В отсутствие такового нагнетатель на выходе по СО в.д. сообщен со входами НТР и КУ по СО в.д., а НТР на выходе по СО в.д. сообщен только со входами ВТР и СТР по СО в.д.
2
2
2
Данная утилизационная СО-ЭУ для УКЦ относительно проста в проектировании и пуско-наладке, но ее мощность и КПД недостаточно высоки, в частности, из-за того, что велики средние температурные напоры в КУ, состоящем из одного подогревателя СО в.д., и в рекуператорах, а также слишком велик расход СО н.д. через охладитель-конденсатор и, соответственно, велик отвод теплоты в окружающую среду.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
nd
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является утилизационная СО-ЭУ для УКЦ, разрабатываемая специалистами компании Siemens и Университета Duisburg-Essen и представленная ими на 2-й Европейской конференции по СО-ЭУ со сверхкритическими параметрами [опубликованный доклад: “Evaluation of CO-power cycles for direct and waste heat applications” / Glos, Stefan; Wechsung, Michael; Schlehuber, Dominic (Siemens AG, Power and Gas Division,  an der Ruhr, Germany); Wagner, Rebecca; Heidenhof, Andre (University Duisburg-Essen. Duisburg, Germany)// In: 2 European sCO Conference, Duisburg, 2018, c.6, рисунок Fig.14]. Прототип содержит КУ, состоящий из основного подогревателя (ОП) 4 и байпасного подогревателя (БП) СО в.д., расположенных в указанной последовательности по ходу дымовых газов в КУ, при этом БП выполнен, состоящим из двух участков - высокотемпературного участка 3 и низкотемпературного участка 2, высокотемпературный рекуператор (ВТР) 6, сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ОП 4 по СО в.д., а также содержит 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 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, сообщенную 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. БП (его низкотемпературного участка 2) и НТР 5.
2
2
2
2
2
2
В данном устройстве байпасный подогреватель (его высокотемпературный участок 3) на выходе по СО в.д. сообщен с входом ОП 4 по СО в.д., ВТР 6 на выходе по СО.в.д. сообщен также с входом низкотемпературной турбины по СО в.д., а НТР 5 на выходе по СО в.д. сообщен с выходом низкотемпературного участка БП 2 по СО в.д.
2
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. В сравнении с предыдущим аналогом при одинаковых значениях температурных напоров в низконапорных точках КУ и рекуператоров КПД утилизационной СО-ЭУ повышается более чем на 5% (относительных) при меньшем числе турбин и рекуператоров.
2
2
2
2
2
2
2
Недостатками прототипа являются пониженный межремонтный период и недостаточно высокая надежность. Указанные недостатки связаны с тем, что во избежание утечек рабочего тела из контура СО-ЭУ регулирующие распределительные устройства размещают в тракте по СО в.д. (в трубопроводе) вместе с приводными электродвигателями. По крайней мере, одно из двух регулирующих устройств в прототипе должно будет работать в среде СО в.д. при температуре выше 250°С, т.е. становится 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, включенные последовательно в тракт СО в.д., влияют 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 СО-ЭУ и, соответственно, КПД УКЦ в целом.
Целью заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков.
2
2
Техническим результатом изобретения является исключение из конструкции утилизационной СО-ЭУ для УКЦ устройств автоматического регулирования распределения расхода СО в.д. между трактами рекуператоров и КУ с минимальным ущербом для величины эффективного КПД УКЦ.
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
Заявляемая утилизационная СО-ЭУ для УКЦ содержит котел-утилизатор (КУ), состоящий из основного и байпасного подогревателей (ОП и БП) углекислого газа высокого давления (СО в.д.), расположенных в КУ в указанной последовательности по ходу дымовых газов, высокотемпературный рекуператор (ВТР), сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ОП по СО в.д., а также содержащая один низкотемпературный рекуператор (НТР), сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ВТР по нагреваемому СО в.д., на входе по греющему углекислому газу низкого давления (СО н.д.) - с выходом ВТР по СО н.д., высокотемпературную турбину, сообщенную на входе по рабочему телу (СО в.д.) с выходом ОП по СО в.д., на выходе по рабочему телу (СО н.д.) - с входом ВТР по СО н.д., низкотемпературную турбину, сообщенную на выходе по рабочему телу 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 нагнетатель, 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.
2
2
Согласно изобретению, БП на выходе по СО в.д. сообщен со входом низкотемпературной турбины на входе по СО в.д.
2
Утилизационная СО-ЭУ для УКЦ может быть также снабжена жидкостным подогревателем топлива и газовым подогревателем жидкости, размещенным в КУ по ходу дымовых газов в рассечку байпасного подогревателя и сообщенным на входе и выходе по нагреваемой жидкости, соответственно, с выходом и входом жидкостного подогревателя топлива по греющей жидкости.
2
2
2
В заявляемой СО-ЭУ рабочее тело (СО в.д.) подают в высокотемпературную турбину по линии НТР-ВТР-ОП, в низкотемпературную турбину - через БП. Распределение расхода СО в.д. между этими параллельными линиями в отсутствие каких-либо промежуточных поперечных гидравлических связей между ними обусловлено только пропускными способностями турбин, 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
В этом случае температурные напоры на концах БП, НТР и на холодных концах ВТР и ОП могут быть приняты равными минимально-допустимым значениям, но средние температурные напоры в ВТР и, особенно, в ОП и БП оказываются более высокими, чем в прототипе, что несколько снижает КПД СО-ЭУ по сравнению с прототипом.
2
Наличие жидкостного подогревателя топлива и газового подогревателя жидкости, размещенного в КУ по ходу дымовых газов в рассечку байпасного подогревателя, позволяет снизить расход топлива в УКЦ, а также снизить средние температурные напоры в БП и ОП. В этом случае снижение мощности и КПД утилизационной СО-ЭУ по сравнению с прототипом практически не скажется на снижении КПД УКЦ в целом, поскольку будет компенсировано снижением расхода топлива в УКЦ.
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
Сущность изобретения поясняется схематическим чертежом, представленным на фиг.1. Утилизационная СО-ЭУ для УКЦ содержит КУ 1, состоящий из основного и байпасного подогревателей СО в.д. (ОП 2 и БП 3), расположенных в КУ в указанной последовательности по ходу дымовых газов, ВТР 4, сообщенный на выходе по нагреваемому СО в.д. с входом ОП 2 по СО в.д., а также 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 рабочему телу (СО в.д.) с выходом ОП 2 по СО в.д., на выходе по рабочему телу (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 (в данном примере - в виде компрессора) 9, 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 3 и НТР 5. Согласно изобретению, БП 3 сообщен с входом низкотемпературной турбины 7 на входе по СО в.д.
2
2
В приведенном на фиг.1 примере заявляемая утилизационная СО-ЭУ для УКЦ содержит ГТУ 10 и турбогенератор утилизационной СО-ЭУ 11, а также жидкостной (в данном примере - водяной) подогреватель топлива (ВПТ) 12 и газовый подогреватель жидкости (в данном случае - воды) 13, размещенный в КУ 1 по ходу дымовых газов в рассечку БП 3 и сообщенный на входе и выходе по нагреваемой воде, соответственно, с выходом и входом ВПТ 12 по греющей воде. В данном примере газовый подогреватель воды (ГПВ) 13 на входе по воде сообщен с ВПТ 12 на выходе по греющей воде через циркуляционный насос 14.
2
Утилизационная СО-ЭУ для УКЦ 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. СО в.д., поступивший в БП 3, нагревают в БП3 и подают в низкотемпературную турбину 7, где СО в.д., расширяясь до низкого давления, совершает работу по приводу компрессора 9 и турбогенератора 11. Отработанный СО н.д. из низкотемпературной турбины 7 подают на вход по греющему теплоносителю НТР 5, где СО н.д. охлаждается, отдавая свое тепло на нагрев СО2 в.д., далее, СО н.д. поступает в охладитель 8, где СО н.д. охлаждают, в данном примере, жидким охлаждающим теплоносителем и подают на вход компрессора 9.
2
2
2
2
2
2
2
СО в.д., поступивший в НТР 5, последовательно нагревают в НТР5, ВТР 4, в ОП 2 и подают в высокотемпературную турбину 6, где СО в.д., расширяясь до низкого давления, совершает работу по приводу компрессора 9 и турбогенератора 11. Отработанный СО н.д. из высокотемпературной турбины 6 подают на вход по греющему теплоносителю ВТР 4, где СО н.д. охлаждается примерно до температуры СО н.д. за низкотемпературной турбиной 7, отдавая тепло на нагрев СО в.д., далее, греющий и СО н.д. подают в НТР 5.
2
2
Поскольку в высокотемпературную турбину 6 СО в.д. подают по линии НТР 5 - ВТР 4 - ОП 2, а в низкотемпературную турбину 7 - только через БП 3, то 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. Это обеспечивает возможность достижения оптимального распределения расходов между двумя линиями только на основе оптимизации проектных параметров оборудования - пропускных способностей турбин, параметров теплопередающих поверхностей КУ 1, рекуператоров 4 и 5, давлений переда и за турбинами и др. - на стадии проектирования, без применения средств регулирования.
2
2
2
2
Расход теплоты на участке КУ 1 за ОП 2 - в БП 3 и ГПВ 13 - определяется температурными напорами на концах БП 3. Включение ГПВ 13 в рассечку БП 3 приводит к снижению расхода тепла в БП 3 и, соответственно, к снижению расхода СО в.д. в низкотемпературную турбину 7. Однако поскольку при этом снижаются средние температурные напоры в ОП 2 и в БП 3, т.е. повышается средний уровень температуры подвода тепла к рабочему телу в КУ 1, то мощность и КПД утилизационной СО-ЭУ снижаются незначительно, в то время как расход топлива (например, метана) в УКЦ при нагреве до 200°С снижается примерно на 1%, что эквивалентно повышению КПД и мощности утилизационной СО-ЭУ примерно на 3% (относительных). Таким образом, включение в схему заявляемой утилизационной СО-ЭУ ВПТ 12 и ГПВ 13, согласно п.2 формулы, обеспечивает достижение заявленного технического результата практически без снижения КПД УКЦ в целом по сравнению с прототипом.
Приведенный на фиг.1 пример реализации заявляемого изобретения представлен для иллюстрации отличительных признаков по обоим пунктам формулы и не исчерпывает всех возможных вариантов его реализации, которые могут отличаться исполнением нагнетателя (компрессор или насос), охладителя (охладитель или охладитель-конденсатор), наличием или отсутствием водяного (жидкостного) подогревателя топлива, химическим составом жидкости (вода, раствор антифриза и др.), охлаждающим теплоносителем (вода, раствор антифриза, воздух). Нагнетатель может быть выполнен двухкаскадным с промежуточным охладителем, как в упомянутом корейском аналоге, и т.п.
В любом из перечисленных вариантов применения заявляемого изобретения обеспечивается достижение заявленного технического результата с минимальным ущербом для эффективного КПД УКЦ по сравнению с прототипом или вообще без такового.