УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПРЕССИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА Российский патент 2016 года по МПК F02C6/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящая заявка, в основном, относится к газотурбинным двигателям, а более конкретно относится к энергоэффективным устройствам для сжатия диоксида углерода для применения в газотурбинных электростанциях комбинированного цикла на природном газе и к другим типам оборудования для выработки электроэнергии.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Диоксид углерода ("СO₂"), образующийся в оборудовании для выработки электроэнергии и т.д., обычно считают парниковым газом. Таким образом, выбросы диоксида углерода могут подвергаться все более и более строгому государственному регулированию. По существу, диоксид углерода, образующийся в процессе выработки электроэнергии в целом, предпочтительно можно изолировать и/или повторно использовать для других целей, а не выбрасывать в атмосферу или распределять иным образом.

Многие новые виды оборудования для выработки электроэнергии могут представлять собой газотурбинные электростанции комбинированного цикла на природном газе ("КЦПГ"). Такие электростанции КЦПГ обычно могут выбрасывать меньшие количества диоксида углерода в расчете на мегаватт-час по сравнению с угольными электростанциями. В основном, данное снижение выбросов может быть обусловлено более низким относительным содержанием углерода в топливе, а также более высокими значениями коэффициента полезного действия, достигаемыми в электростанциях комбинированного цикла.

Кроме того, электростанции КЦПГ также могут захватывать и хранить по меньшей мере часть вырабатываемого ими диоксида углерода. Однако такие процессы захвата и хранения могут приводить к паразитным потреблениям мощности. Например, для отделения диоксида углерода в установке аминовой очистки и т.д. может потребоваться пар, в то же время для сжатия диоксида углерода для хранения и других применений может потребоваться энергия. Таким образом, в любом виде оборудования для выработки электроэнергии данные паразитные потребления мощности могут снизить чистую выработку электроэнергии. Таким образом, коэффициент полезного действия электростанции КЦПГ и т.д. может снизиться при применении известных устройств и технологий захвата, сжатия и хранения диоксида углерода.

Таким образом, может возникнуть потребность в усовершенствованных устройствах для выработки электроэнергии и в способах эксплуатации оборудования для сжатия диоксида углерода и других типов оборудования электростанции с уменьшенной паразитной нагрузкой. Такая уменьшенная паразитная нагрузка также должна повысить чистую выработку электроэнергии электростанцией КЦПГ и т.д. при непрерывно низких выбросах диоксида углерода.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, настоящая заявка предлагает устройство для сжатия газа для применения с потоком газа. Устройство для сжатия газа может включать ряд компрессоров для сжатия потока газа, один или несколько эжекторов для дополнительного сжатия потока газа, конденсатор, расположенный по потоку после эжекторов, и источник отходящего тепла. Возвращаемая часть потока газа может сообщаться с эжекторами через источник отходящего тепла.

Кроме того, настоящая заявка предлагает сжимающее устройство для сжатия потока диоксида углерода. Сжимающее устройство может включать ряд компрессоров для сжатия потока диоксида углерода, эжектор для дополнительного сжатия потока диоксида углерода, конденсатор, расположенный после эжектора, и источник отходящего тепла. Возвращаемую часть потока диоксида углерода возвращают в эжектор через источник отходящего тепла.

Кроме того, настоящая заявка предлагает устройство для сжатия газа для применения с потоком газа. Устройство для сжатия газа может включать ряд компрессоров для сжатия потока газа, конденсатор, расположенный по потоку после компрессоров, расширитель газа, источник отходящего тепла для приведения в действие расширителя газа, причем часть потока газа после конденсатора направляют в расширитель газа.

Указанные и другие особенности и усовершенствования из настоящей заявки будут видны специалистам в данной области после рассмотрения последующего подробного описания, взятого в сочетании с несколькими чертежами и прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение узлов известной газотурбинной электростанции комбинированного цикла на природном газе.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение известной установки аминовой очистки для применения с газотурбинной электростанцией комбинированного цикла на природном газе, изображенной на Фиг.1.

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение известного устройства для сжатия диоксида углерода для применения с газотурбинной электростанцией комбинированного цикла на природном газе, изображенной на Фиг.1.

Фиг.4 представляет собой схематическое изображение устройства для сжатия диоксида углерода, как может быть описано в данном документе.

Фиг.5 представляет собой схематическое изображение альтернативного воплощения устройства для сжатия диоксида углерода, как может быть описано в данном документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь обратимся к чертежам, на которых одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые элементы на всех отдельных изображениях.

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение известной газотурбинной электростанции 10 комбинированного цикла на природном газе (КЦПГ). Электростанция 10 КЦПГ может включать газотурбинный двигатель 15. Описанный в общих чертах газотурбинный двигатель 15 может включать компрессор 20. Компрессор 20 сжимает входящий поток 25 воздуха. Компрессор 20 выпускает сжатый поток 25 воздуха в камеру 30 сгорания. В камере 30 сгорания сжатый поток 25 воздуха смешивают со сжатым потоком 35 топлива и поджигают смесь, чтобы получить поток 40 газообразных продуктов сгорания. Хотя показана только одна камера 30 сгорания, газотурбинный двигатель 15 может включать любое число камер 30 сгорания. Поток 40 газообразных продуктов сгорания, в свою очередь, выпускают в турбину 45. Поток 40 газообразных продуктов сгорания приводит в действие турбину 45, чтобы произвести механическую работу. Механическая работа, произведенная в турбине 45, приводит в действие компрессор 20 и внешнюю нагрузку 50, такую как электрогенератор и т.д.

В газотурбинном двигателе 15 электростанции 10 КЦПГ можно применять природный газ и/или другие типы топлива, такие как синтетический газ и т.д. Газотурбинный двигатель 15 может иметь другие схемы, и в нем можно применять другие типы составных элементов. Здесь также можно применять другие типы газотурбинных двигателей и/или другие типы оборудования для выработки электроэнергии.

Электростанция 10 КЦПГ также может включать парогенератор-рекуператор 55. Парогенератор-рекуператор 55 может сообщаться с потоком 60 отработавших на данный момент газообразных продуктов сгорания. Электростанция 10 КЦПГ также может включать дополнительную камеру сгорания (не показана) перед парогенератором-рекуператором 55, чтобы обеспечить дополнительный нагрев. Парогенератор-рекуператор 55 может нагревать входящий поток 65 воды, чтобы получить поток 70 пара. Поток 70 пара можно применять в паровой турбине 75 и/или в составных элементах других типов. Здесь также можно применять другие схемы.

Электростанция 10 КЦПГ также может включать устройство 80 для отделения и сжатия диоксида углерода. Электростанция 10 КЦПГ также может включать вентилятор для топочного газа (не показан), чтобы слегка повысить давление топочного газа и преодолеть потери давления здесь. Устройство 80 для отделения и сжатия диоксида углерода может отделять поток 85 диоксида углерода от потока 60 отработавших газообразных продуктов сгорания. Затем устройство 80 для отделения и сжатия диоксида углерода может сжимать поток 85 диоксида углерода для повторного использования и/или изоляции в резервуаре 90 для хранения диоксида углерода и т.д. Диоксид углерода 85 можно применять, только в качестве примера, при добыче нефти вторичным методом, в различных производственных процессах и т.д. Устройство 80 для отделения и сжатия диоксида углерода может иметь другие схемы, и в нем можно применять другие составные элементы.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение нескольких составных элементов примера устройства 80 для отделения и сжатия диоксида углерода. Устройство 80 для отделения и сжатия диоксида углерода может включать установку 95 аминовой очистки в качестве части разделительного устройства 100. Описанная в общих чертах установка 95 аминовой очистки может включать (stripper) десорбер 105, абсорбер (не показан) и другие составные элементы. В десорбере 105 можно применять растворители на основе алифатического аминоспирта, которые обладают способностью абсорбировать диоксид углерода при относительно низких температурах. Растворители, которые применяют в данном способе, могут включать, например, триэтаноламин, моноэтаноламин, диэтаноламин, диизопропаноламин, дигликольамин, метилдиэтаноламин и т.д. Здесь можно применять другие типы растворителей. Установка 95 аминовой очистки удаляет поток 85 диоксида углерода из потока 60 отработавших газообразных продуктов сгорания.

В установку 95 аминовой очистки можно подавать пар, который отбирают из парогенератора-рекуператора 55, паровой турбины 75 или иного оборудования. Однако поток 70 пара обычно следует охладить после перегрева и превратить его в насыщенный пар в пароохладителе 110 и т.д., чтобы избежать избыточного нагрева потока амина там. Пароохладитель 110 может сообщаться с десорбером 105 через котел или кипятильник 115. Затем поток конденсата, выходящий из кипятильника 115, можно направить в пароохладитель 110 или в парогенератор-рекуператор 55. Здесь можно применять другие схемы и другие типы составных элементов.

Затем поток 85 диоксида углерода можно направить в сжимающее устройство 120 устройства 80 для отделения и сжатия диоксида углерода. Сжимающее устройство 120 может включать ряд компрессоров 125 и ряд промежуточных холодильников 130. Здесь также можно применять ряд парожидкостных сепараторов (не показаны). Сжимающее устройство 120 также включает устройство 135 для сжижения диоксида углерода, чтобы сжижать поток 85 диоксида углерода. Устройство 135 для сжижения диоксида углерода может включать конденсатор 140 диоксида углерода. Также можно применять парожидкостный сепаратор. Сжимающее устройство 120 также может включать насос 145, сообщающийся с резервуаром 90 для хранения диоксида углерода. Здесь можно применять другие известные типы и схемы устройств 80 для отделения и сжатия диоксида углерода. Здесь также можно применять другие схемы и другие типы составных элементов.

На Фиг. 4 изображено устройство 200 для сжатия диоксида углерода, как может быть описано в данном документе. В устройстве 200 для сжатия диоксида углерода также можно применять ряд компрессоров 210 и ряд промежуточных холодильников 220, по аналогии с компрессорами 125 и промежуточными холодильниками 130 описанного выше сжимающего устройства 120. Компрессоры 210 и промежуточные холодильники 220 могут иметь традиционную схему. Можно применять любое число компрессоров 210 и промежуточных холодильников 220. Компрессоры 210 могут сообщаться с потоком газа, таким как поток 230 диоксида углерода из, например, устройства 100 для отделения диоксида углерода, такого как описанное выше устройство, или из других типов источников диоксида углерода.

Устройство 200 для сжатия диоксида углерода также может сообщаться с источником 205 отходящего тепла. В данном примере источник 205 отходящего тепла может представлять собой пароохладитель 240 установки 245 аминовой очистки, аналогичный описанному выше, а также охладитель конденсата (описанный более подробно ниже) и т.д. Поток 250 перегретого в данный момент пара может поступать из парогенератора-рекуператора 55, паровой турбины 75 или из любого другого источника тепла. Затем источник 205 отходящего тепла можно применять в качестве пароохладителя, и можно создать поток насыщенного пара, сообщающийся с кипятильником 260. Здесь также можно применять другие схемы. Таким образом, в устройстве 200 для сжатия диоксида углерода применяют отходящее тепло от охлаждения после перегрева потока 250 пара перед его поступлением в кипятильник 260 или в иное оборудование. Здесь также можно применять другие источники отходящего тепла.

Вместо одного или нескольких компрессоров 125 описанного выше сжимающего устройства 120 описанное в данном документе устройство 200 для сжатия диоксида углерода может включать эжектор 270. Описанный в общих чертах эжектор 270 представляет собой механическое приспособление без движущихся частей. Эжектор 270 смешивает два потока текучей среды на основе передачи импульса. В частности, эжектор 270 может включать (motive inlet) рабочее впускное отверстие 280, сообщающееся с потоком 390 нагретого диоксида углерода из возвратного насоса 410 (описан более подробно ниже). Рабочее впускное отверстие 280 может вести в первичное сопло 290, чтобы снизить статическое давление рабочего потока до значения, которое ниже давления всасывания. Эжектор 270 также включает всасывающее отверстие 300. Всасывающее отверстие 300 может сообщаться с потоком 230 диоксида углерода из вышерасположенных компрессоров 210. Всасывающее отверстие 300 может сообщаться с вторичным соплом 310. Вторичное сопло 310 может ускорять вторичный поток, чтобы понизить его статическое давление. Эжектор 270 также может включать смесительную трубу 320, чтобы смешать два потока, чтобы создать смешанный поток 330. Эжектор 270 также может включать диффузор 340 для замедления смешанного потока 330 и восстановления статического давления. Здесь можно применять другие схемы и другие типы эжекторов 270. Здесь можно применять один или более эжекторов.

Устройство 200 для сжатия диоксида углерода также может включать конденсатор 350 диоксида углерода, расположенный по потоку после эжектора 270. Конденсатор 350 диоксида углерода конденсирует смешанный поток 330 в жидкий поток 360 аналогично тому, что описано выше. Также можно применять парожидкостный сепаратор. Компрессоры 210 и эжектор 270 нужны, чтобы сжать смешанный поток 330 до давления, достаточного для сжижения в конденсаторе 350.

Разделитель 370 потока может располагаться по потоку после конденсатора 350. Жидкий поток 360 можно разделить на поток 380, направляемый на хранение, и обратный поток 390. Поток 380, направляемый на хранение, можно направить в резервуар 90 для хранения диоксида углерода и т.д. с помощью насоса 400, направляющего на хранение. Давление обратного потока 390 можно повысить с помощью возвратного насоса 410, и обратный поток 390 можно нагреть с помощью источника 205 отходящего тепла или других источников тепла. Обратный поток 390 можно применять в качестве рабочего потока в эжекторе 270 или иным образом. Обратный поток 390 также можно нагреть в охладителе 420 конденсата после кипятильника 260 установки 245 аминовой очистки или в другом месте. Охладитель 420 конденсата может представлять собой традиционный теплообменник и т.д. Здесь можно применять другие схемы.

Таким образом, в устройстве 200 для сжатия диоксида углерода применяют ряд компрессоров 210 с промежуточным охлаждением, эжектор 270 и источник 205 отходящего тепла, чтобы обеспечить эффективное сжатие диоксида углерода. В частности, последний компрессор 210 с промежуточным охлаждением можно заменить эжектором 270. Таким образом, в эжекторе 270 применяют низкотемпературное отходящее тепло из пароохладителя 240 или иного оборудования вместо других типов паразитной мощности. Поскольку последняя стадия сжатия обычно имеет наименьшую эффективность, замена последнего компрессора 210 на эжектор 270 должна улучшить общий баланс коэффициента полезного действия электростанции.

Таким образом, эжектор 270 превращает энергию давления рабочего потока, чтобы увлечь поток всасывания с помощью эффекта Вентури. Затем смешанный поток 330, выходящий из эжектора 270, можно подвергнуть сжижению в конденсаторе 350. Затем часть жидкого потока 360 можно хранить, тогда как обратный поток 390 можно нагреть с помощью охладителя 420 конденсата и вернуть в эжектор 270 в качестве рабочего потока, чтобы дополнительно повысить общую эффективность сжатия.

Таким образом, чтобы повысить суммарный коэффициент полезного действия, в устройстве 200 для сжатия диоксида углерода применяют два источника тепла, которые в настоящее время не используются. В частности, в устройстве 200 для сжатия диоксида углерода применяют тепло, доступное в пароохладителе 240, чтобы обеспечить рабочий поток. Кроме того, конденсат, выходящий из кипятильника 260 установки аминовой очистки, также можно применять для подогрева обратного потока 390. Охлаждение конденсата перед его возвратом в парогенератор-рекуператор 55 благоприятно в том отношении, что оно уменьшает температуру топочного газа, выходящего из парогенератора-рекуператора 55. По существу, может потребоваться меньше энергии, чтобы приводить в движение вентилятор для топочного газа. Таким образом, паразитная мощность, требующаяся на более поздних стадиях сжатия, зависит только от возвратного насоса 410, чтобы уменьшить общие потребности в энергии, при условии применения источника 205 отходящего тепла и потока 250 пара. Кроме того, в результате применения эжектора 270 уменьшается общее число движущихся частей, чтобы сократить требуемое техническое обслуживание и повысить общий срок службы составных элементов.

На Фиг. 5 изображено альтернативное воплощение устройства 430 для сжатия диоксида углерода. В данном примере компрессоры 210 с промежуточным охлаждением сообщаются напрямую с конденсатором 350 диоксида углерода. Вместо применения эжектора 270, по потоку после пароохладителя 240 и обратного потока 390 можно поместить расширитель 440 диоксида углерода. Расширитель 440 диоксида углерода может включать турбину 450, которую приводит в действие диоксид углерода. Расширитель 440 диоксида углерода может сообщаться с соединением 460 потоков сразу перед конденсатором 350. Здесь можно применять другие схемы.

Таким образом, компрессоры 210 с промежуточным охлаждением повышают давление потока 230 диоксида углерода, тогда как конденсатор 350 создает жидкий поток 360, давление которого затем дополнительно повышают насосами 400, 410. Затем обратный поток 390 можно подогреть в охладителе 420 конденсата и в пароохладителе 240, а затем расширить в турбине 450, которую приводит в действие диоксид углерода. Таким образом, во втором воплощении устройства 430 для сжатия диоксида углерода применяют поток пара из источников 205 отходящего тепла, описанных выше, чтобы обеспечить расширение обратного потока 390 приблизительно до такого же давления, как давление на выходе из компрессоров 210. Турбина 450 также может быть механически соединена с одним или несколькими компрессорами 210. Здесь можно применять другие схемы.

Таким образом, преимуществом первого воплощения, описанного в данном документе, является то, что эжектор 270 не включает движущиеся части. Таким образом, преимуществом второго воплощения, описанного в данном документе, является то, что расширитель 440 диоксида углерода обладает более высокой эффективностью. Оба воплощения имеют одинаковую значимость и важность.

Очевидно, что вышеизложенное относится только к некоторым воплощениям из настоящей заявки и что специалисты в данной области могут внести множество изменений и модификаций, не отклоняясь от общей идеи и объема изобретения, определенных в последующей формуле изобретения и ее эквивалентах.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ НА ЧЕРТЕЖАХ

10 газотурбинная электростанция комбинированного цикла на природном газе (КЦПГ)

15 газотурбинный двигатель

20 компрессор

25 поток воздуха

30 камера сгорания

35 поток топлива

40 поток газообразных продуктов сгорания

45 турбина

50 нагрузка

55 парогенератор-рекуператор

60 отработавшие газообразные продукты сгорания

65 поток воды

70 поток пара

75 паровая турбина

80 устройство для отделения и сжатия диоксида углерода

85 поток диоксида углерода

90 резервуар для хранения

95 установка аминовой очистки

100 разделительное устройство

105 десорбер

110 пароохладитель

115 кипятильник

120 сжимающее устройство

125 компрессоры

130 промежуточные холодильники

135 устройство для сжижения

140 конденсатор

145 насос

200 устройство для сжатия диоксида углерода

205 источник отходящего тепла

210 компрессоры

220 промежуточные холодильники

230 поток диоксида углерода

240 пароохладитель

245 установка аминовой очистки

250 поток пара

260 кипятильник

270 эжектор

280 рабочее впускное отверстие

290 первичное сопло

300 всасывающее отверстие

310 вторичное сопло

320 смесительная труба

330 смешанный поток

340 диффузор

350 конденсатор

360 жидкий поток

370 разделитель потока

380 поток, направляемый на хранение

390 обратный поток

400 насос, направляющий на хранение

410 возвратный насос

420 охладитель конденсата

430 устройство для сжатия диоксида углерода

440 расширитель

450 турбина

460 соединение потоков

Предложено устройство (200) для сжатия газа для применения с потоком (230) газа. Устройство (200) для сжатия газа может включать ряд компрессоров, один или несколько эжекторов (270), конденсатор (350), расположенный по потоку после одного или нескольких эжекторов (270), и источник (205) отходящего тепла. Возвращаемая часть (390) потока (230) газа может сообщаться с одним или несколькими эжекторами (270) через источник (205) отходящего тепла. При этом каждый из одного или нескольких эжекторов (270) включает рабочее впускное отверстие (280), сообщающееся с возвращаемой частью (390) потока (230) газа, и всасывающее отверстие (300), сообщающееся с потоком (230) газа. Изобретение направлено на уменьшение паразитной нагрузки и на повышение чистой выработки электроэнергии электростанцией. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (200) для сжатия газа для применения с потоком (230) газа, включающее: ряд компрессоров (210) для сжатия потока (230) газа; один или несколько эжекторов (270) для дополнительного сжатия потока (230) газа; конденсатор (350), расположенный по потоку после одного или нескольких эжекторов (270), и источник (205) отходящего тепла; причем возвращаемая часть (390) потока (230) газа сообщается с одним или несколькими эжекторами (270) через источник (205) отходящего тепла; и при этом каждый из одного или нескольких эжекторов (270) включает рабочее впускное отверстие (280), сообщающееся с возвращаемой частью (390) потока (230) газа, и всасывающее отверстие (300), сообщающееся с потоком (230) газа.

2. Устройство (200) для сжатия газа по п. 1, где источник (205) отходящего тепла включает поток (250) пара из пароохладителя (240).

3. Устройство (200) для сжатия газа по п. 2, где пароохладитель (240) включает часть потока, выходящего из установки (245) аминовой очистки.

4. Устройство (200) для сжатия газа по п. 1, дополнительно включающее возвратный насос (410), расположенный по потоку после конденсатора (350), для возврата части (390) потока (250) газа в один или несколько эжекторов (270).

5. Устройство (200) для сжатия газа по п. 4, дополнительно включающее охладитель (420) конденсата, расположенный по потоку после возвратного насоса (410), сообщающийся с источником (205) отходящего тепла.

6. Устройство (200) для сжатия газа по п. 1, дополнительно включающее насос (400), направляющий на хранение, и резервуар (90) для хранения, расположенные по потоку после конденсатора (350).

7. Устройство (200) для сжатия газа по п. 1, дополнительно включающее разделитель (370) потока, расположенный по потоку после конденсатора (350).

8. Устройство (200) для сжатия газа для применения с потоком (230) газа, включающее: ряд компрессоров (210) для сжатия потока (230) газа; один или несколько эжекторов (270) для дополнительного сжатия потока (230) газа; конденсатор (350), расположенный по потоку после одного или нескольких эжекторов (270), и источник (205) отходящего тепла; причем возвращаемая часть (390) потока (230) газа сообщается с одним или несколькими эжекторами (270) через источник (205) отходящего тепла; и при этом каждый из одного или нескольких эжекторов (270) включает первичное сопло (290), сообщающееся с возвращаемой частью (390) потока (230) газа, и вторичное сопло (310), сообщающееся с потоком (250) газа.

9. Устройство (200) для сжатия газа по п. 8, где источник (205) отходящего тепла включает поток (250) пара из пароохладителя (240).

10. Устройство (200) для сжатия газа по п. 9, где пароохладитель (240) включает часть потока, выходящего из установки (245) аминовой очистки.

11. Устройство (200) для сжатия газа по п. 8, дополнительно включающее возвратный насос (410), расположенный по потоку после конденсатора (350), для возврата части (390) потока (250) газа в один или несколько эжекторов (270).

12. Устройство (200) для сжатия газа по п. 11, дополнительно включающее охладитель (420) конденсата, расположенный по потоку после возвратного насоса (410), сообщающийся с источником (205) отходящего тепла.

13. Устройство (200) для сжатия газа по п. 8, дополнительно включающее насос (400), направляющий на хранение, и резервуар (90) для хранения, расположенные по потоку после конденсатора (350).

14. Устройство (200) для сжатия газа по п. 8, дополнительно включающее разделитель (370) потока, расположенный по потоку после конденсатора (350).