Электрогенерирующее устройство с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной Российский патент 2017 года по МПК F01K23/02 F01K21/04 

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к энергетическим установкам, работающим на твердом топливе и природном газе.

Известно электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной (патент РФ на изобретение №2335642, МПК F01K 13/00, опубл. 10.10.2008), содержащее: паровой котел, установку для получения кислорода из воздуха, установку для паровой конверсии природного газа в водород, кислородный и водородный компрессоры, высокотемпературный пароперегреватель, высокотемпературную конденсационную паровую турбину с электрогенератором, систему утилизации углекислого газа, насосы.

Его недостатками являются большой расход электроэнергии на привод высоконапорных электроприводных кислородного и водородного компрессоров и высокая стоимость установки для получения водорода из природного газа методом конверсии.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является экологически чистое электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной и воздушным конденсатором (патент РФ на полезную модель №121300, МПК F01K 13/00, опубл. 20.10.2012), содержащее паровой котел, высокотемпературную паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, высокотемпературный пароперегреватель, воздухоразделительную установку для производства кислорода и азота, высоконапорные электроприводные компрессоры для сжатия природного газа и кислорода, систему утилизации углекислого газа, насосы, причем в высокотемпературном пароперегревателе производится сжигание природного газа с кислородом, выход конденсатора связан по конденсату пара через насос с паровым котлом, а по неконденсирующимся газам через эжектор отсоса с системой утилизации углекислого газа.

Недостатками этого устройства, принятого за прототип изобретения, являются большой расход электроэнергии на привод высоконапорных электроприводных компрессоров природного газа и кислорода, а также низкий коэффициент теплоотдачи в конденсаторе и значительный расход электроэнергии на сжатие углекислого газа, сбрасываемого в атмосферу.

Целью изобретения является создание электрогенерирующего устройства с высокотемпературной паровой конденсационной турбиной, обеспечивающего экономичную выработку электроэнергии и устраняющего недостатки аналога и прототипа.

Поставленная цель достигается тем, что электрогенерирующее устройство с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной, содержащее магистральный газопровод природного газа высокого давления, воздухоразделительную установку для производства кислорода высокого давления, электроприводные компрессоры для сжатия природного газа и кислорода, твердотопливный паровой котел, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси с камерой сгорания, высокотемпературную конденсационную парогазовую турбину с электрогенератором, конденсатор пара, эжекторы отсоса неконденсирующихся газов, согласно изобретению в устройстве применены твердотопливный паровой котел с естественной циркуляцией, пароструйные компрессоры высокого давления для сжатия природного газа и кислорода, охладители природного газа и кислорода, высокотемпературный перегреватель перогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания, вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа, турбина углекислого газа, теплообменник охлаждения пара, регенеративные подогреватели низкого давления, деаэратор, регенеративные подогреватели высокого давления, при этом высокотемпературная конденсационная парогазовая турбина состоит из цилиндров высокого давления, среднего давления и низкого давления, выходы электроприводных компрессоров сжатия природного газа и кислорода связаны соответственно через охладители природного газа и кислорода с входами пароструйных компрессоров высокого давления природного газа и кислорода, сопла которых связаны по насыщенному пару высокого давления с барабаном парового котла с естественной циркуляцией, а их выходные патрубки связаны трубопроводами высокого давления природного газа и кислорода с входом камеры сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления, к которому также подключен «экологическими» и «энергетическими» паропроводами перегретого пара высокого давления пароперегреватель парового котла, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси среднего давления размещен между цилиндром высокого давления и цилиндром среднего давления высокотемпературной парогазовой турбины, его камера сгорания связана газопроводом природного газа с магистральным газопроводом и трубопроводом кислорода с выходом воздухоразделительной установки, вход вихревого разделителя, установленного между цилиндром среднего давления и цилиндром низкого давления высокотемпературной парогазовой турбины, соединен трубопроводом парогазовой смеси с выходом цилиндра среднего давления, первый выход вихревого разделителя связан трубопроводом перегретого пара с входом парового цилиндра низкого давления парогазовой турбины, а его второй выход связан трубопроводом углекислого газа через турбину углекислого газа с атмосферой, при этом ротор электрогенератора связан с роторами турбины углекислого газа, цилиндров высокого давления, среднего давления и низкого давления парогазовой турбины, а выход цилиндра низкого давления через теплообменник охлаждения пара связан с конденсатором, выход которого через конденсатный насос связан с подогревателями низкого давления, связанный через деаэратор, позволяющий дегазировать конденсат, с питательным насосом и подогревателями высокого давления, связанными, в свою очередь, с паровым котлом с естественной циркуляцией, который имеет возможность вырабатывать насыщенный и перегретый пар высокого давления.

Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежом, где представлена тепловая схема электрогенерирующего устройства с высокотемпературной паровой конденсационной турбиной.

Устройство с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной содержит электроприводной компрессор природного газа 1, электроприводной компрессор кислорода 2, охладитель природного газа 3, охладитель кислорода 4, пароструйный компрессор высокого давления для сжатия природного газа 5, пароструйный компрессор высокого давления для сжатия кислорода 6, трубопровод высокого давления природного газа 7, трубопровод высокого давления кислорода 8, «экологический» паропровод перегретого пара высокого давления 9, «энергетический» паропровод перегретого пара высокого давления 10, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси высокого давления 11, цилиндр высокого давления 12, газопровод природного газа 13, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания 14, цилиндр среднего давления 15, цилиндр низкого давления 16, вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа 17, турбина углекислого газа 18, трубопровод углекислого газа 19, электрогенератор 20; трубопровод насыщенного пара высокого давления 21, трубопровод кислорода 22, подогреватели высокого давления 23, подогреватели низкого давления 24, теплообменник охлаждения пара 25, паровой котел с естественной циркуляцией 26, деаэратор 27, эжекторы отсоса неконденсирующихся газов 28, конденсатор 29, конденсатный насос 30, питательный насос 31.

Электрогенерирующее устройство работает следующим образом. Природный газ из магистрального газопровода поступает в электроприводной компрессор природного газа 1, сжимается в нем, охлаждается внешним теплоносителем (например, водой) в охладителе природного газа 3 и подается в камеру смешения пароструйного компрессора высокого давления для сжатия природного газа 5. В качестве инжектирующего агента в нем используется пар, подводимый по трубопроводу насыщенного пара высокого давления 21 из барабана парового котла с естественной циркуляцией 26. Сжатая смесь природного газа и перегретого пара высокого давления подается по трубопроводу высокого давления природного газа 7 в камеру сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления 11. Кислород, подготовленный в воздухоразделительной установке, поступает в электроприводной компрессор кислорода 2, сжимается в нем, охлаждается внешним теплоносителем (водой) в охладителе кислорода 4 и подается в камеру смешения пароструйного компрессора высокого давления для сжатия кислорода 6, инжектирующим агентом в котором является насыщенный пар, подводимый по трубопроводу насыщенного пара высокого давления 21 из барабана парового котла с естественной циркуляцией 26. В камеру сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления 11 по трубопроводу высокого давления природного газа 7 подается природный газ, а также по трубопроводу высокого давления кислорода 8 подается кислород и по «экологическому» паропроводу перегретого пара высокого давления 9 подается перегретый пар высокого давления. В выходную часть камеры сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления 11 по «энергетическому» паропроводу перегретого пара высокого давления 10 подается перегретый пар высокого давления. Смесь продуктов сгорания и перегретого до высокой температуры пара высокого давления, вышедшая из высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления 11, расширяется с совершением работы в цилиндре высокого давления 12, затем она смешивается с природным газом, подводимым по газопроводу природного газа 13, и с кислородом, подаваемым по трубопроводу кислорода 22. Эта смесь поступает в камеру сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания 14 и сжигается в ней. Вышедшая из перегревателя парогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания 14 высокотемпературная смесь продуктов сгорания и пара расширятся с совершением работы в цилиндре среднего давления 15 и поступает в вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа 17, где приводится во вращение с разделением парогазовой смеси на два потока: первого, основного потока, состоящего из перегретого пара, и второго, меньшего потока, содержащего углекислый газ. Первый поток перегретого пара, вышедший из вихревого разделителя перегретого пара и углекислого газа 17, поступает в цилиндр низкого давления 16, где расширяется с совершением работы. Перегретый пар, расширившийся в цилиндре низкого давления 16, проходит через теплообменник охлаждения пара 25, охлаждается в нем, нагревая конденсат пара, и поступает в конденсатор 29, где он конденсируется с отводом теплоты конденсации охлаждающей водой. Поток углекислого газа отводится из вихревого разделителя перегретого пара и углекислого газа 17 по трубопроводу углекислого газа 19, поступает в турбину углекислого газа 18 и расширяется в ней с совершением работы. Мощность, развиваемая в цилиндрах высокого давления 12, среднего давления 15, низкого давления 16 и в турбине углекислого газа 18, используется в электрогенераторе 20 для выработки электрической энергии. Неконденсирующиеся газы отсасываются из конденсатора 29 эжекторами отсоса неконденсирующихся газов 28 и сбрасываются в атмосферу. Конденсат из конденсатора 29 подается конденсатным насосом 30 через теплообменник охлаждения пара 25, где производится его подогрев за счет теплоты пара, поступающего в конденсатор, в подогреватели низкого давления 24. Конденсат подогревается в них за счет теплоты отборного пара из цилиндра низкого давления 16 и цилиндра среднего давления 15. В деаэраторе 27 производится деаэрация подогретого конденсата, затем его давление повышается в питательном насосе 31, и питательная вода через подогреватель высокого давления 23, нагреваясь в них паром генеративных отборов из цилиндра высокого давления 12, подается в паровой котел с естественной циркуляцией 26 для выработки в нем насыщенного и перегретого пара высокого давления. Применение в установке пароструйных компрессоров высокого давления для сжатия природного газа 5 и кислорода 6, а также использование в этих пароструйных компрессорах в качестве инжектирующего рабочего тела насыщенного пара из барабана парового котла с естественной циркуляцией 26, позволяет уменьшить величины степени сжатия и стоимость электроприводных компрессоров природного газа 1 и кислорода 2, в том числе потому, что давление насыщенного пара поступающего из барабана парового котла с естественной циркуляцией 26 примерно в 1,1 раза больше, чем давление перегретого пара, подаваемого из его пароперегревателя этого котла, так как расход энергии, затрачиваемой на сжатие воды в питательном насосе, существенно ниже, чем энергии, потребляемой электроприводными компрессорами природного газа 1 и кислорода 2. Использование перегретого пара для его «экологического» и «энергетического» впрыска в высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси высокого давления 11 уменьшает образовании окиси углерода и увеличивает мощность высокотемпературной паровой турбины. Применение в установке вихревого разделителя перегретого пара и углекислого газа 17 позволяет отделить в нем углекислый газ от перегретого пара с последующим расширением образовавшегося потока углекислого газа в турбине углекислого газа 18 и его сбросом в атмосферу помимо конденсатора. Это позволит повысить интенсивность теплообмена в конденсаторе 29 и уменьшить его стоимость, а также исключить затраты энергии на сжатие углекислого газа от давления в конденсаторе до атмосферного давления, если бы углекислый газ поступал в конденсатор вместе с паром, отработавшим в цилиндре низкого давления 16. В вихревом разделителе перегретого пара и углекислого газа 17 производится закрутка смеси перегретого пара и углекислого газа, что позволяет разделить эти потоки за счет того, что удельный вес и плотность углекислого газа, поступающих в вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа 17, значительно выше, чем у пара.

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к энергетическим установкам, работающим на твердом топливе и на природном газе. Устройство содержит магистральный газопровод природного газа, воздухоразделительную установку для производства кислорода высокого давления, электроприводные и пароструйные компрессоры сжатия природного газа и кислорода, охладители природного газа и кислорода, твердотопливный паровой котел, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси высокого давления, высокотемпературную конденсационную парогазовую турбину с электрогенератором, согласно изобретению в ней дополнительно применены пароструйные компрессоры природного газа и кислорода, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси среднего давления, вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа, турбина углекислого газа, твердотопливный паровой котел с естественной циркуляцией, природный газ из магистрального газопровода и кислород из воздухоразделительной установки сжимают в электроприводных компрессорах природного газа и кислорода, охлаждают их в охладителях природного газа и кислорода, сжимают в пароструйных компрессорах природного газа и кислорода, подают в высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси высокого давления, в продукты их сгорания подают перегретый пар из пароперегревателя парового котла, насыщенный пар из барабана которого используют как инжектирующий агент в пароструйных компрессорах природного газа и кислорода. Применение вихревого разделителя перегретого пара и углекислого газа позволяет интенсифицировать процесс теплообмена в конденсаторе и повысить экономичность установки. 1 ил.

Электрогенерирующее устройство с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной, содержащее магистральный газопровод природного газа высокого давления, воздухоразделительную установку для производства кислорода высокого давления, электроприводные компрессоры для сжатия природного газа и кислорода, твердотопливный паровой котел, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси с камерой сгорания, высокотемпературную конденсационную парогазовую турбину с электрогенератором, конденсатор пара, эжекторы отсоса неконденсирующихся газов, отличающееся тем, что в устройстве применены твердотопливный паровой котел с естественной циркуляцией, пароструйные компрессоры высокого давления для сжатия природного газа и кислорода, охладители природного газа и кислорода, высокотемпературный перегреватель перогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания, вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа, турбина углекислого газа, теплообменник охлаждения пара, регенеративные подогреватели низкого давления, деаэратор, регенеративные подогреватели высокого давления, при этом высокотемпературная конденсационная парогазовая турбина состоит из цилиндров высокого давления, среднего давления и низкого давления, выходы электроприводных компрессоров сжатия природного газа и кислорода связаны соответственно через охладители природного газа и кислорода с входами пароструйных компрессоров высокого давления природного газа и кислорода, сопла которых связаны по насыщенному пару высокого давления с барабаном парового котла с естественной циркуляцией, а их выходные патрубки связаны трубопроводами высокого давления природного газа и кислорода с входом камеры сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления, к которому также подключен «экологическими» и «энергетическими» паропроводами перегретого пара высокого давления пароперегреватель парового котла, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси среднего давления размещен между цилиндром высокого давления и цилиндром среднего давления высокотемпературной парогазовой турбины, его камера сгорания связана газопроводом природного газа с магистральным газопроводом и трубопроводом кислорода с выходом воздухоразделительной установки, вход вихревого разделителя, установленного между цилиндром среднего давления и цилиндром низкого давления высокотемпературной парогазовой турбины, соединен трубопроводом парогазовой смеси с выходом цилиндра среднего давления, первый выход вихревого разделителя связан трубопроводом перегретого пара с входом парового цилиндра низкого давления парогазовой турбины, а его второй выход связан трубопроводом углекислого газа через турбину углекислого газа с атмосферой, при этом ротор электрогенератора связан с роторами турбины углекислого газа, цилиндров высокого давления, среднего давления и низкого давления парогазовой турбины, а выход цилиндра низкого давления через теплообменник охлаждения пара связан с конденсатором, выход которого через конденсатный насос связан с подогревателем низкого давления, связанный через деаэратор, позволяющий дегазировать конденсат, с питательным насосом и подогревателями высокого давления, связанными, в свою очередь, с паровым котлом с естественной циркуляцией, который имеет возможность вырабатывать насыщенный и перегретый пар высокого давления.