Энергетическая установка
POWER PLANT

Изобретение относится к области энергетики, к комплексным энергетическим установкам, в частности, к парогазотурбинным установкам, имеющим систему комбинированного цикла паровой и газовой турбины. Может использоваться для получения электрической, механической и тепловой энергии.
Известна энергетическая установка с газовой турбиной по патенту РФ на полезную модель №158646, F02С 6/16, 2016, содержащая компрессор, газотурбинный блок, короткоцикловую безнагревную адсорбционную установку разделения воздуха, снабжающую компрессор обогащенным кислородом воздухом, устройство впрыска воды или пара в газовую турбину. Для получения пара на впрыск в турбину в испарителе используют тепло выхлопных газов турбины. В короткоцикловой безнагревной адсорбционной установке из атмосферного воздуха под давлением адсорбентом поглощается часть азота, сбрасываемого при регенерации периодически в атмосферу по линии, а обогащенная кислородом воздушная смесь закачивается дожимным компрессором в резервуар. Это обеспечивает больший запас окислителя для продолжительной работы газотурбинного блока или для его работы на более высокой мощности. Обогащение окислителя кислородом имеет следствием увеличение температуры продуктов сгорания на выходе камеры сгорания газотурбинного блока, что опасно для лопаток турбины. Ввод (впрыск) воды или, что лучше, пара понижает температуру лопаток, и одновременно увеличивает расход рабочего тела в турбине. Недостатком является невысокая эффективность энергосистемы.
Известна газотурбинная установка, использующая в качестве рабочего тела смесь углекислого газа и воды, по заявке на изобретение US 20080320, F02C 1/10, 2008. Газотурбинная установка содержит компрессор и турбину. Ротор турбины с рядами лопаток помещен в корпус, между рядами подвижных лопаток расположены неподвижные направляющие в пространстве между корпусом и ротором. В газотурбинной установке предусмотрены модификации проточных каналов турбины. В частности, по одному из вариантов некоторые из проточных каналов в каскаде направляющих лопаток имеют заблокированные сектора, распределенные по окружности. По второму варианту для уменьшения поперечных сечений проточных каналов турбины введены кольцевые препятствия потока. В теплоотводе газотурбинной установки размещено устройство выработки пара. Часть потока, вырабатываемого пара подают на охлаждение компонентов турбины, которые подвергаются тепловой нагрузке. Вторую часть потока пара используют для работы паровой турбины. В газотурбинной установке предусмотрены средства для конденсации рабочего тела за счет отвода тепла. Недостатком является невысокий КПД газотурбинной установки, выброс вредных веществ в атмосферу.
Известен способ преобразования энергии сжатого газа в полезную энергию и газотурбинная (парогазовая) установка для его осуществления по Евразийскому патенту №001062, F01K 25/08, 1999. В способе преобразования энергии в камеру сгорания подают топливо и сжатый газообразный окислитель, обеспечивают сжигание топлива в камере сгорания при одновременной подаче в нее вторичных газов для охлаждения продуктов сгорания, последние направляют на лопатки газовой турбины. В камеру сгорания в качестве газообразного окислителя подают смесь кислорода с диоксидом углерода при концентрации кислорода в смеси, равной, по существу, 21%. Сжигание топлива осуществляют при поддержании коэффициента избытка окислителя в зоне горения в пределах 1,05-1,15.Кислород получают путем разделения воздуха на кислород и азот. Отработавшие газы турбины охлаждают до температуры ниже точки росы, при этом выделяющуюся в виде конденсата пресную воду отводят в накопитель. Охлажденные отработавшие газы подают в камеру сгорания в качестве вторичных газов. Газотурбинная (парогазовая) установка, содержит камеру сгорания, имеющую вход подачи топлива, вход подачи окислителя и выход продуктов сгорания. Компрессор подключен по стороне высокого давления к входу подачи окислителя. Газовая турбина расположена за камерой сгорания по ходу потока продуктов сгорания и находится на одном валу с компрессором. Имеется средство охлаждения отработавших газов турбины. Газотурбинная (парогазовая) установка снабжена воздухоразделительным устройством, имеющим выходы по кислороду и по азоту. Средство охлаждения отработавших газов выполнено в виде расположенных последовательно по ходу потока газов парогенератора или котла-утилизатора и контактного экономайзера с охлаждением до температуры ниже точки росы, оснащенного линией отбора пресной воды с температурой 50-60°С и выходом охлажденных продуктов сгорания. Недостатком является низкий КПД установки, сложность конструкции, большое количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана энергетическая установка и способ получения энергии без выброса диоксида углерода по патенту US5247791, F01K 21/04, 1993. В энергетической установке закрытого типа топливо подают в камеру сгорания и сжигают в ней в присутствии кислорода, а не воздуха. Газ сгорания, в основном включающий воду и углекислый газ, подают из камеры сгорания в турбину. Отработавший газ из турбины подают в котел-утилизатор для осуществления в нем теплообменной операции. Далее отработавший газ, в основном включающий водный компонент и углекислый газ из котла-утилизатора, поступает в конденсатор. Газовый компонент, в основном включающий углекислый газ, отделяют от конденсата в водогазовом сепараторе и подают в камеру сгорания в сжатом состоянии. Отделенный конденсат подают в котел-утилизатор для проведения в нем операции теплообмена с образованием перегретого пара, который подают в камеру сгорания. Паровая турбина может быть соединена с котлом-утилизатором и генератором. Конденсатор быть соединен с паровой турбиной и котлом-утилизатором, так что паровая турбина, конденсатор и котел-утилизатор образуют замкнутый цикл. Недостатком является невысокая эффективность установки, низкий КПД.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности работы энергетической установки при снижении количества вредных выбросов в выходных газах.
Технический результат достигается за счет того, что в энергетической установке, содержащей компрессор, связанный с входом камеры сгорания, камеру сгорания, выход которой связан с турбиной, парогенератор, связанный с камерой сгорания, канал отвода топливных газов снабжен конденсатором и связан с емкостью для сбора дистилированной воды, емкость для сбора дистиллированной воды связана с парогенератором, согласно изобретению, компрессор является винтовым компрессором, компрессор связан с емкостью для сбора дистиллированной воды, вход компрессора связан с воздухоразделительной установкой.
2
Технический результат обеспечивается тем, что в энергетической установке используют компрессор объемного сжатия, а именно, винтовой мультифазный компрессор, который работает с газообразными и жидкими средами одновременно. По сравнению с компрессором динамического сжатия, в котором происходит адиабатное сжатие газа, и КПД которого составляет 80 – 85%, КПД винтового компрессора обычно составляет 95%. За счет того, что винтовой компрессор связан с емкостью для сбора дистиллированной воды, вода поступает в компрессор. В процессе сжатия среды вода испаряется, охлаждая сжимаемый газ. Вода обладает высокой теплопроводностью и теплоемкостью, температура сжатого газа на выходе из компрессора повышается незначительно. За счет испарения воды в компрессоре происходит сжатие газа близкое к изотермическому сжатию. За счет отсутствия потерь, вызванных нагревом сжимаемого газа, КПД такого компрессора достигает 97%, что повышает эффективность работы энергетической установки. За счет отсутствия трения в винтовом блоке данного компрессора значительно снижается расход потребления электроэнергии, по сравнению с компрессорами иного типа, что так же повышает эффективность работы энергетической установки. Вход компрессора связан с воздухоразделительной установкой типа установки вакуумной короткоцикловой абсорбции (ВКЦА), в которой из атмосферного воздуха удаляется азот и происходит насыщение кислородом до 85%. Подача в компрессор уже обогащенного воздуха позволяет снизить его энергетические затраты на сжатие и подать в камеру сгорания обогащенный кислородом воздух в сжатом состоянии. Таким образом, в компрессоре затрачивается меньше энергии на сжатие кислорода, а не атмосферного воздуха, а в камере сгорания при сжигании, выработается столько же энергии, сколько при окислении газа не сжатым кислородом. Это повышает эффективность работы камеры сгорания и исключает из работы газы, не участвующие в процессе горения, обеспечивает стехиометрическое отношение количества окислителя к топливу равное единице. Основным газом, не участвующим в горении, является азот с объёмной (и молярной) концентрацией около 80 %. Подача в камеру сгорания из компрессора сжатого очищенного воздуха значительно сокращает содержание NOx, SОx и СО.
Использование ВКЦА является одним из самых малозатратных способов получения кислорода из воздуха. Другим малозатратным способом, при котором из воздуха получают максимум кислорода при минимальных затратах, является криогенный способ. Но криогенный способ очень громоздкий и инертный. Существуют и другие способы, такие как мембранный, применение КЦА и пр. Для заявляемой энергетической установки, мощность которой не превышает 10 Мвт использование ВКЦА является оптимальным.
На фигуре представлена схема работы энергетической установки.
Энергетическая установка содержит установку ВКЦА 1, выход которой связан со входом винтового компрессора 2, выход винтового компрессора 2 связан со входом камеры сгорания 3. На выходе камеры сгорания 3 установлена турбина 4, в части 5 выходного канала отходящих из турбины 4 газов установлен парогенератор 6. Парогенератор 6 может быть установлен в потоке газов, исходящих из камеры сгорания 3. В части 7 выходного канала установлен конденсатор 8, связанный с внешним охладителем. Выходной канал 7 связан с емкостью для сбора дистиллированной воды 9. Части энергетической установки связаны между собой системой трубопроводов с запорной арматурой. Емкость для сбора дистиллированной воды 9 связана с парогенератором 6. Парогенератор 6 связан с камерой сгорания 3 линией подачи пара, Камера сгорания 3 связана с линией подачи топлива. Емкость для сбора дистиллированной воды 9 связана с винтовым компрессором 2 линией подачи воды.
Энергетическая установка работает следующим образом.
Атмосферный воздух с объемным содержанием кислорода около 10% и содержанием азота до 80% через фильтр и компрессор (на схеме не показаны) подают в установку ВКЦА 1, где из воздуха удаляют азот и насыщают его кислородом. На выходе из установки ВКЦА объёмная (и молярная) концентрация азота в воздухе составляет 15%, концентрация кислорода – до 85%. Обогащённый кислородом воздух подают в винтовой компрессор 2 и сжимают его до давления 60 бар. При этом в компрессор 2 одновременно подают дистиллированную воду, поступающую из емкости для сбора дистиллированной воды 9. Используют компрессор высокого давления с впрыском воды.  При сжатии воздуха в винтовом блоке компрессора 2 дистиллированная вода испаряется, и воздух не нагревается. За счет подачи воды в компрессор 2 не требуется применение масла для охлаждения сжимаемого воздуха. В винтовом компрессоре отсутствуют потери на трение. КПД компрессора 2 достигает 97 %. С выхода компрессора 2 сжатый и обогащенный кислородом воздух подают в камеру сгорания 3, так же в камеру сгорания 3 подают топливный газ – метан и пары воды, поступающие из парогенератора 5. За счет подачи пара в камеру сгорания 3 происходит экономия тепловой энергии из-за отсутствия фазового перехода из воды в пар, что повышает КПД энергетической установки. В камере сгорания 3 происходит возгорание метана и идет процесс его горения при стехиометрическом отношении, которое равно 1. Далее продукты горения, содержащие азот и углекислый газ, вместе с паром подают на турбину 4. За счет полностью ушедшего на горение топлива окислителя на выходе из камеры сгорания 3 отсутствует кислород, что защищает лопатки турбины 4 от окисления и разрушения. Пар, подаваемый на вход турбины 4, защищает ее лопатки от высокой температуры продуктов горения. Кроме того, площадь выходного канала камеры сгорания 3 частично перекрыта защитными пластинами в виде секторов для защиты лопаток турбины 4 от высокой температуры. Энергию вращения вала турбины 4 передают потребителям энергии. Отходящие горячие газы продуктов сгорания способствуют образованию пара в парогенераторе 6, который может быть установлен по ходу потока продуктов сгорания за камерой сгорания 3, или в канале 5 за турбиной 4. Образовавшийся пар подаётся в камеру сгорания 3 для её охлаждения и вращает турбину 4. Пройдя парогенератор 6 газы охлаждаются от конденсатора 8, связанного с внешним охладителем, например с рекой, озером и т.п. За счет охлаждения из газов выделяется дистиллированная вода, которая собирается в газоходе 7. Образовавшуюся дистиллированную воду сливают в ёмкость для сбора дистиллированной воды 9 и вновь подают в систему энергетической установки. Дистиллированную воду из емкости 9 подают в компрессор 2 и парогенератор 6.  Таким образом, дистиллированная вода, заменяющая смазку системы и повышающая за счет этого КПД установки, вырабатывается их отходящих продуктов горения. Осушенные продукты горения, содержащие минимальное количество NOx выбрасываются в атмосферу. Основными преимуществами предлагаемой энергетической установки являются:
- высокий КПД,
- минимальное количество NOx выбрасываемое в атмосферу,
- высокая надежность и долговечность,
- отказ от использования масла для смазки частей.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность работы энергетической установки при снижении количества вредных выбросов в выходных газах.