ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ГАЗОВОЙ ТУРБИНОЙ И АККУМУЛИРОВАНИЕМ ОКИСЛИТЕЛЯ

Энергетическая установка с газовой турбиной и аккумулированием окислителя относится к энергетике, конкретно к устройствам аккумулирования энергии, которые используются в энергосистемах для выравнивания графика нагрузки, что все более актуально по мере вовлечения в систему источников нестабильной мощности, в частности, от ветроустановок или солнечных батарей, для использования ее во время пика нагрузки в электросети. Газовая турбина в системе с аккумулированием газообразного окислителя под давлением не нуждается в компрессоре, и поэтому степень преобразования химической энергии топлива в электричество в такой системе выше, чем в обычных газотурбинных установках.
Среди множества устройств такого рода CAES (Compressed Air Energy Storage / Накопители энергии со сжатым воздухом - Susan М. Schoenung, "Characteristics and Technologies for Long - vs. Short-Term Energy Storage", Sandia Report SAND2001-0765, 2001) системы с подземным хранением или в трубах для газопроводов уверенно занимают нишу пиковой мощности от часа до нескольких часов, тогда как при использовании универсальных баллонов высокого давления CAES переходят в область минутных пиков, где им приходится конкурировать с водородоаккумулирующими станциями и маховиковыми накопителями.
Для обеспечения мультимегаваттного уровня мощности в течение пиков нагрузки длительностью в несколько часов в патенте США 3866058 (Power-generating system and method / Электрогенерирующая система и метод, US 3866058, 1973) предлагается использовать подземные хранилища в местах со специальными геологическими условиями. К сожалению, такие условия встречаются не часто.
В патенте США 5845479 (Method for providing emergency reserve power using storage / Метод, обеспечивающий резервирование мощности с накопителем - US 5845479, 1998) предлагается хранить сжатый воздух в лежащих на поверхности земли газопроводных трубах большого диаметра длиной в несколько километров. Это решение требует выделения территории под громоздкий объект, и не дешево.
Наконец, отметим принципиально иное решение хранилища. Для создания запаса окислителя в вертикально стоящих емкостях высокого давления для покрытия пиков продолжительностью в час в заявке США 8136354 (Adsorption-enhanced compressed air energy storage / Система с адсорбционным накопителем энергии сжатого воздуха, US 8136354 В2) предлагается заполнить емкости адсорбентом, так как плотность адсорбированного воздуха выше, чем просто сжатого. При этом необходимо обеспечивать отвод тепла из хранилища воздуха при его закачке, и подогрев - для выделения воздуха при включении турбины. Это усложняет систему и снижает ее маневренность.
Из рассмотренных выше систем с накоплением окислителя под давлением для газотурбинной установки, работающей во время пиков нагрузки, наиболее близкой по решению (прототипом) является описанная выше в патенте США US 5845479. В этом решении воздух в газовое хранилище из труб большой длины закачивается автономным компрессором в часы минимальной нагрузки в энергосети, а в пиковом режиме этот воздух через регулятор давления поступает в турбину, что обеспечивает генерирование пиковой мощности.
Чтобы при фиксированном объеме хранилища обеспечить более высокий запас окислителя, увеличить продолжительность работы и/или производимую пиковую мощность, увеличить эффективность работы турбины, предлагается Энергетическая установка с газовой турбиной и аккумулированием окислителя, содержащая газотурбинный энергоблок без компрессора, резервуар аккумулирования окислителя для газовой турбины с регулятором давления на выходе из резервуара, компрессор закачки аккумулируемого окислителя, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит короткоцикловую безнагревную адсорбционную установку разделения воздуха, снабжающую обогащенным кислородом воздухом компрессор закачки аккумулируемого окислителя в резервуар, а также устройство впрыска в турбину воды, или пара при наличии испарителя вводимой воды теплом с выхода газовой турбины.
Принципиальная схема газоаккумулирующей энергетической установки с газовой турбиной представлена на фиг. 1.
Установка работает следующим образом. В часы малой нагрузки в энергосистеме работает короткоцикловая безнагревная адсорбционная установка 1, в которой из атмосферного воздуха под давлением адсорбентом поглощается часть азота, сбрасываемого при регенерации периодически в атмосферу по линии 2, а обогащенная таким образом кислородом воздушная смесь закачивается дожимным компрессором 3 в резервуар 4, что обеспечивает больший запас окислителя для более продолжительной или на более высокой мощности работы газотурбинного блока 5 при его включении в пике нагрузки. Определение «дожимной» для компрессора указывает на то, что из блока разделения воздуха рабочая смесь поступает под давлением, несколько выше атмосферного, что соответственно уменьшает его работу сжатия. Регулятор давления на выходе из резервуара обеспечивает необходимое давление перед турбиной. 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, то есть ее мощность, без дополнительных затрат механической энергии на это увеличение расхода рабочего тела. Вода как дополнительное рабочее тело практически несжимаема, и расход энергии при впрыске воды либо пара введенной жидкости практически пренебрежим. В испарителе 7 на фиг. 1 для получения пара на впрыск в газотурбинный блок используется тепло отработавших продуктов сгорания с выхода газовой турбины, и тепловая экономичность установки с такого рода регенерацией тепла оказывается выше, чем при впрыске воды, но в пусковой период порядка минут турбина работает с пониженной эффективностью. Стрелкой 6 на фиг. 1 условно представлен вывод электроэнергии в сеть в пике нагрузки в сети.
Относительно работы компрессора сжатия обогащенного кислородом воздуха следует отметить, что ее удельная величина на единицу массы окислителя, поступающего в камеру сгорания газотурбинного блока, оказывается меньше, чем при работе на воздухе. Но появляются затраты энергии в блоке разделения воздуха. Отметим, что выбор указанного выше типа простых, высоко автоматизированных и высокоэффективных кислородных установок адсорбционного типа определен их высокой маневренностью при нерегулярном графике работы.
Эффект от усложнения схемы газоаккумулирующей энергетической установки с газовой турбиной и дополнительных затрат заключается в увеличении эффективной емкости хранилища и увеличении к.п.д. газотурбинного блока в пиковом режиме выдачи мощности, тогда как несколько возрастает потребление энергии в период аккумулирования при низкой загрузке энергосистемы, когда энергия дешева.
Все элементы газоаккумулирующей энергетической установки с газовой турбиной являются известными и широко применяемыми по своему назначению.