ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ КОМПЛЕКС С КОМБИНИРОВАННЫМ ТОПЛИВОМ Российский патент 2009 года по МПК F01K13/00 

Устройство относится к области энергетики и может быть использовано для производства электроэнергии и тепла с использованием комбинированного топлива.

Известно аналогичное устройство (монография Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г. Кулешов. «Введение в водородную энергетику». М.: Энергоатомиздат, 1984, с.203), содержащее атомный реактор, камеру сгорания кислородно-водородного топлива (Н₂О₂-парогенератор), паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, электролизер, накопители водорода и кислорода.

Недостатком этого устройства является необходимость дополнительных затрат электроэнергии для получения водорода, а также наличие больших емкостей для хранения взрывоопасного водорода.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является электрогенерирующий комплекс по патенту RU на полезную модель №54631 от 08.06.2005, который содержит паровой котел, Н₂О₂-парогенератор, играющий роль высокотемпературного водородного пароперегревателя (ВВПП), паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, установки по производству кислорода и водорода (установка для паровой конверсии природного газа в водород) с утилизационным котлом, пар из которого подают в промежуточную ступень паровой турбины.

Недостатком устройства по патенту №54631 является неполное использование теплоты сгорания топлива в паровом котле и высокие температурные напряжения в камере смешения после Н₂О₂-парогенератора высокотемпературного пара.

Задача изобретения заключается в повышении эффективности работы, экономичности и надежности электрогенерирующего комплекса.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном электрогенерирующем комплексе, содержащем паровой котел, высокотемпературный водородный пароперегреватель (Н₂О₂-парогенератор), который соединен трубопроводами подачи топлива - кислорода и водорода с установкой по производству кислорода и установкой для паровой конверсии природного газа в водород, а также паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, утилизационный котел, трубопровод подачи пара от парового котла к высокотемпературному водородному пароперегревателю и к установке для паровой конверсии природного газа в водород, другие трубопроводы и арматуру, в нем высокотемпературный водородный пароперегреватель снабжен камерой смешения, на трубопроводах подачи водорода и кислорода в высокотемпературный водородный пароперегревател, соответственно установлены теплообменники, к которым подведены трубопроводы подачи уходящих газов из парового котла, а к камере смешения подведен трубопровод подачи пара в нее от парового котла.

Использование установки для паровой конверсии природного газа в водород позволяет обеспечить непрерывную работу паровой турбины с номинальной мощностью при высоких начальных температуре и давлении. Высокая температура водяного пара до 1700-1800 К на входе в паровую турбину за счет сжигания в ВВПП водорода с кислородом в среде водяного пара после его выхода из парового котла обеспечивает работу турбины в режимах, характерных для газовых турбин. Выход паровой турбины связан с конденсатором пара, обеспечивающим давление существенно ниже атмосферного, что характерно для таких турбин. Это дает возможность иметь располагаемый теплоперепад, срабатываемый в высокотемпературной паровой турбине, на 25-30 процентов больше, чем в газовой. Предварительный подогрев водорода и кислорода в теплообменниках уходящими газами парового котла повышает экономичность комплекса, а охлаждение камеры смешения паром из парового котла повышает его надежность.

Нагрев водяного пара в современных паровых котлах выше 900 К фактически невозможен из-за пережога труб независимо от вида топлива (природный газ, водород, уголь и т.д.).

Заявляемый электрогенерирующий комплекс с комбинированным топливом (далее - комплекс) представлен в виде схемы на чертеже.

Комплекс содержит паровой котел 1, установку 2 для паровой конверсии природного газа в водород, установку 3 для производства кислорода, высокотемпературный водородный пароперегреватель (ВВПП) 4, который снабжен камерой смешения 5, паровую турбину 6 с электрогенератором и конденсатором 7, утилизационный котел 8, а также теплообменник 9 - для подогрева кислорода и теплообменник 10 - для подогрева водорода перед подачей их в ВВПП 4.

Комплекс включает также трубопровод 11 подачи пара от парового котла соответственно к ВВПП 4 и установке 2 для паровой конверсии природного газа в водород, трубопровод 12 подачи пара от парового котла к камере смешения 5, трубопровод 13 подачи уходящих газов из парового котла 1 к теплообменнику 9 подогрева кислорода, трубопровод 14 подачи уходящих газов из парового котла 1 к теплообменнику 10 для подогрева водорода. Теплообменники 9 и 10 предназначены для подогрева топлива - кислорода и водорода и установлены на трубопроводах 15 и 16 подачи кислорода и водорода от установок 2 и 3 в ВВПП 4. Комплекс включает также трубопровод 17 подачи водорода в паровой котел 1, трубопровод 18 подачи смешанного пара к турбине 6, трубопровод 19 подачи вторичных продуктов сгорания из установки 2 в утилизационный котел 8, трубопровод 20 подачи пара из утилизационного котла 8 в промежуточную ступень паровой турбины 6, а также другое оборудование и арматуру.

Комплекс работает следующим образом.

Из парового котла 1 пар поступает по трубопроводу 11 подачи пара от парового котла 1 в ВВПП 4 и к установке 2 для паровой конверсии природного газа в водород, а по трубопроводу 12 часть пара поступает в камеру смешения 5, образовавшийся водород из установки 2 для паровой конверсии природного газа в водород поступает по трубопроводу 16 в ВВПП 4. В установке 3 для производства кислорода, например методом разделения воздуха, получают кислород, который также поступает по трубопроводу 15 в ВВПП 4. Из парового котла 1 часть пара поступает в ВВПП 4, где происходит сгорание кислорода и водорода в среде водяного пара. Продукты сгорания, высокотемпературный водяной пар поступает в камеру смешения 5, где он смешивается с другой частью пара, поданной по трубопроводу 12 из парового котла 1, этот пар охлаждает стенки камеры смешения 5, повышая надежность комплекса и увеличивая температуру перегрева пара (без промежуточных теплообменных поверхностей). Смесь паров по трубопроводу 18 поступает в паровую турбину 6 с электрогенератором, вырабатывая электроэнергию. Вторичные продукты производства водорода из установки 2 по трубопроводу 19 поступают в утилизационный котел 8, пар из которого поступает в промежуточную ступень паровой турбины 6.

Кислород и водород из установок 2 для паровой конверсии природного газа в водород и 3 для производства кислорода перед подачей в ВВПП 4 подогреваются в теплообменниках 9 и 10, установленных соответственно на трубопроводе 15 подачи кислорода из установки 3 в ВВПП 4 и на трубопроводе 16 подачи водорода из установки 2 в ВВПП 4. В теплообменниках 9 и 10 кислород и водород подогреваются уходящими газами парового котла 1, которые поступают по трубопроводам 13 и 14 подачи уходящих газов из парового котла 1. Использование уходящих газов парового котла 1 для подогрева кислорода и водорода перед подачей их в ВВПП 4 уменьшает потери тепла, повышает эффективность работы комплекса в целом.

Пар после парового котла 1, подаваемый по трубопроводу 12 к камере смешения 5, охлаждает ее стенки, снижает термические напряжения и повышает надежность. Благодаря высокой температуре пара, поступающего после ВВПП 4 к паровой турбине 6, увеличивается мощность и КПД турбинной установки.

Заявляемый электрогенерирующий комплекс позволяет обеспечить непрерывную работу паровой турбины с номинальной мощностью при высокой начальной температуре и давлении.

Перечисленные конструктивные особенности позволяют достигнуть коэффициента полезного действия по выработанной электроэнергии до 70% по отношению к теплоте сгорания водорода (статья С.П.Малышенко, О.В.Назаров, Ю.А.Сарумов «Некоторые теоретические и технико-экономические аспекты применения водорода как энергоносителя в электроэнергетике», сб. статей «Атомно-водородная энергетика и технология», Энергоатомиздат, 1988, №8, с.16-38).

Достоинством данного устройства также является то, что для генерации пара, обеспечения его начального перегрева и подогрева кислорода и водорода могут быть использованы уголь, мазут, альтернативные виды топлива и возобновляемые источники энергии.

Изобретение относится к энергетике. Электрогенерирующий комплекс с комбинированным топливом включает паровой котел, высокотемпературный водородный пароперегреватель, к которому подведены трубопроводы подачи топлива - кислорода и водорода, установки по производству кислорода и водорода, паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, утилизационный котел, трубопроводы и арматуру. На трубопроводах подачи кислорода и водорода в высокотемпературный водородный пароперегреватель установлены теплообменники, к которым подведены трубопроводы уходящих газов из парового котла. К камере смешения после высокотемпературного водородного пароперегревателя подведен трубопровод подачи части пара из парового котла, который охлаждает стенки камеры смешения, повышая ее надежность. Изобретение позволяет повысить эффективность, экономичность и надежность электрогенерирующего комплекса. 1 ил.

Электрогенерирующий комплекс с комбинированным топливом, включающий паровой котел, высокотемпературный водородный пароперегреватель, соединенный трубопроводами подачи топлива - водорода и кислорода с установкой по производству кислорода и установкой для паровой конверсии природного газа в водород, а также паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, утилизационный котел, трубопровод подачи пара от парового котла к высокотемпературному водородному пароперегревателю и к установке для паровой конверсии природного газа в водород, другие трубопроводы и арматуру, отличающийся тем, что высокотемпературный водородный пароперегреватель снабжен камерой смешения, на трубопроводах подачи водорода и кислорода в высокотемпературный водородный пароперегреватель, соответственно, установлены теплообменники, к которым подведены трубопроводы подачи уходящих газов из парового котла, а к камере смешения подведен трубопровод подачи пара в нее из парового котла.