Способ и установка для выработки механической и тепловой энергии Российский патент 2018 года по МПК F02C3/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, энергетическая установка для выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, раскрытые в патенте на изобретение РФ №2433339, опубликованном 10.11.2011. Способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в по существу чистом кислороде, при этом способ включает в себя следующие этапы, на которых: (а) подают углеродсодержащее топливо в топку; (b) подают по существу чистый кислород из источника кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для получения отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду; (с) выпускают отходящий газ из топки посредством канала для отходящего газа; (d) извлекают все количество низкопотенциального тепла из отходящего газа посредством использования множества охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды; (е) превращают предварительно нагретую питательную воду в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; (f) повышают давление первой части отходящего газа во множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода; (g) рециркулируют вторую часть отходящего газа в топку посредством канала для рециркуляции отходящего газа; (h) расширяют пар в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности; (i) отбирают все количество пара из паротурбинной системы и используют первую часть отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла составляет более 50% от всего количества извлеченного низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и способ включает в себя дополнительную операцию: (j) расширяют вторую часть отобранного пара в по меньшей мере одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие по меньшей мере одного компрессора или по меньшей мере одного насоса энергетической установки. К недостаткам указанного выше технического решения можно отнести большие эксергетические потери при передаче высокопотенциального тепла в топке на процесс превращения воды в пар. Вследствие этих потерь средняя температура подвода тепла в термодинамический цикл очень низкая и коэффициент полезного действия такого цикла тоже низкий. Также к недостаткам могут быть отнесены большие затраты энергии на перераспределение сред, используемых в установке, и потери тепловой энергии при передаче тепла от одной среды к другой, что ведет к уменьшению КПД установки в целом. Кроме того, усложняется регулирование количества CO₂, циркулирующего в установке.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.

Технический результат заключается в увеличении КПД установки, за счет повышения средней температуры подвода тепла в термодинамический цикл, повышения регенерации тепла в том числе и за счет объединения рабочих тел и получения большей работы расширения, за счет использования высокого давления в установке, а также в увеличении сбора и увеличении контроля циркуляции сконденсированного CO₂ в энергетической установке. Кроме того, уменьшение массогабаритных показателей установки за счет исключения стенок теплопередачи.

Технический результат достигается способом выработки механической и тепловой энергии, который включает себя этапы, на которых:

(a) горячие газы из камеры сгорания (1) направляют на вход в парогазовую турбину (2), при этом давление в камере сгорания (1) составляет по меньшей мере 7,5 МПа;

(b) отработанные в парогазовой турбине (2) газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в первый охладитель (3) отработанных газов;

(c) отработанные газы из первого охладителя (3) подают в первый контактный охладитель (4), где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя (4);

(d) отработанные газы из первого контактного охладителя (4), содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор (5), который сжимает газы до давления по меньшей мере 3,5 МПа;

(e) сжатые компрессором (5) отработанные газы подают во второй контактный охладитель (6), где они охлаждаются;

(f) из второго контактного охладителя (6) охлажденные отработанные газы поступают во второй охладитель (7), где отработанные газы охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя (7);

(g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя (4) воды поступает на вход водяного насоса-регулятора (17), который закачивает ее в камеру сгорания (1);

(h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе (7), поступает на вход углекислотного насоса-регулятора (25), который закачивает его в камеру сгорания (1);

(i) в камеру сгорания (1) топливным насосом-регулятором (35) и кислородным насосом-регулятором (32) подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания (1).

Этап (b) дополнительно включает в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов в первом охладителе (3):

(j) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с водой, поступающей в камеру сгорания (1);

(k) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с диоксидом углерода, поступающим в камеру сгорания (1);

Этап (с) дополнительно включает в себя последовательные подэтапы:

(c1) выведенную из первого контактного охладителя (4) часть воды направляют с помощью теплофикационного насоса (18) к потребителю тепла;

(с2) охлаждение отработанных газов в первом контактном охладителе (4) достигают за счет теплообмена с распыленной инжекторами обратной воды от потребителя тепла;

(с3) охлаждение отработанных газов в первом контактном охладителе (4) также достигают за счет теплообмена с распыленной инжекторами воды, поступающей из первого контактного охладителя (4) и охлажденной в теплообменнике (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода.

Этап (е) дополнительно включает в себя подэтап (е’), на котором:

во втором контактном охладителе (6) конденсируют остатки воды из отработанных газов, при этом охлаждение отработанных газов во втором контактном охладителе (6) достигают за счет распыления инжекторами (19) воды, поступающей из второго контактного охладителя (6) через блок (21) охлаждения воды.

В частном случае реализации способа, этап (f) включает в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов во втором охладителе (7):

(f1) охлаждение за счет передачи тепла испарителю (12) теплового насоса;

(f2) охлаждение за счет передачи тепла теплообменнику (11) регенеративного нагревателя кислорода;

(f3) охлаждение за счет передачи тепла теплообменнику (10) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива.

В частном случае реализации способа, тепло, отведенное испарителем (12) теплового насоса, с помощью циркуляционного насоса (28) поступает в конденсатор (29) теплового насоса, где рабочее тело теплового насоса конденсируется, и далее тепло от конденсатора (29) теплового насоса отводится в окружающую среду.

В частном случае реализации способа, тепло от конденсатора (29) теплового насоса отводится в окружающую среду через градирню (30).

Способ дополнительно включает в себя этап (1) ожижения газообразного углеродсодержащего топлива перед топливным насосом-регулятором (35).

В частном случае реализации способа, источником (31) кислорода является блок получения кислорода из воздуха, при этом дополнительно содержит этап (m) направления жидкого кислорода после насоса-регулятора (32) кислорода в теплообменник (33) нагрева кислорода, в котором происходит нагрев жидкого кислорода за счет теплообмена с газообразным углеродсодержащим топливом.

Способ дополнительно включает в себя этап (n), на котором оставшаяся часть сконденсированного диоксида углерода выводится из второго охладителя (7) для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.

В частном случае реализации способа, температуру охлаждения отработанного газа в первом контактном охладителе (4) и втором охладителе (7) поддерживают не ниже 273 К.

Способ дополнительно включает в себя этап (р), на котором при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) изменение баланса вырабатываемых тепловой и электрических энергий достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного нососов-регуляторов (17 и 25), при этом для получения большего количества тепловой энергии повышают производительность водяного насоса-регулятора (17), а для получения большего количества электрической энергии повышают производительность углекислотного насоса-регулятора (25).

Технический результат также достигается за счет установки для выработки механической и тепловой энергии, которая содержит камеру сгорания (1), парогазовую турбину (2), выход которой соединен с газоотводящей системой. Газоотводящая система состоит из последовательно соединенных первого охладителя (3) отработанных газов, первого контактного охладителя (4) отработанных газов, компрессора (5), второго контактного охладителя (6) отработанных газов и второго охладителя (7) отработанных газов.

Первый охладитель (3) содержит теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода и теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды, а второй охладитель (7) содержит теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и испаритель (12) теплового насоса, соединенный с конденсатором (29) теплового насоса.

Первый контактный охладитель (4) выполнен с возможностью конденсации по меньше мере части воды, содержащейся в отработанных газах, и содержит по меньшей мере один ярус инжекторов, выполненных с возможностью подачи воды из первого контактного охладителя (4) через циркуляционный насос (15) и теплообменник (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода. Водяной контур первого охладителя (4) отработанных газов выполнен с возможностью подачи воды в камеру сгорания (1) через теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды с помощью водяного насоса-регулятора (17) и в теплосеть с помощью теплофикационного насоса (18).

Второй контактный охладитель (6) содержит инжекторы (19) подачи воды, выполненные с возможностью подачи воды из контактного охладителя (6) через циркуляционный насос (20) и блок (21) охлаждения воды.

Вход парогазовой турбины (2) соединен с выходом камеры сгорания (1), которая соединена:

- с источником кислорода (31) через насос-регулятор (32) кислорода, теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, смеситель (24), соединенный с накопителем (27) жидкого диоксида углерода, и теплообменник (23) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов;

- с источником углеродсодержащего топлива через топливный насос-регулятор (35), теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива во втором охладителе (7) отработанных газов и теплообменник (22) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов;

- с расположенным на выходе из второго охладителя (7) отработанных газов накопителем (27) жидкого диоксида углерода через углекислотный насос-регулятор (25), регенеративный нагреватель (26) диоксида углерода и теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода в первом охладителе (3) отработанных газов.

Камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющем по меньшей мере 7,5 МПа, парогазовая турбина (2) выполнена с возможностью выпуска отработанных газов с давлением 0,2-0,9 МПа, углекислотный компрессор (5) выполнен с возможностью подачи отработанного газа под давлением по меньшей мере 3,5 МПа, а водяной и углекислотный насосы-регуляторы (17 и 25) выполнены с возможностью обеспечения закачивания воды и диоксида углерода с давлением по меньшей мере 7,5 МПа.

Вход топливного насоса-регулятора (35) может быть соединен с источником углеродсодержащего топлива через блок ожижения топлива, у которого охлаждающий топливо теплообменник (34) имеет замкнутый контур с теплообменником (33) нагрева кислорода, причем вход кислородного контура теплообменника (33) нагрева кислорода соединен с выходом насоса-регулятора кислорода (32), а его выход с входом в теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода.

Теплообменники (33 и 34) в блоке ожижения топлива могут быть выполнены с использованием промежуточного теплоносителя.

В качестве промежуточного теплоносителя может быть использован инертный газ с давлением, превышающим давление, участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.

В качестве инертного газа может выступать гелий.

В качестве углеродсодержащего топлива может применяться природный газ, причем давление газа на выходе из источника составляет 0,6-2,5 МПа.

Конденсатор (29) теплового насоса может быть соединен с градирней (30).

Накопитель (27) жидкого диоксида углерода может быть выполнен с возможностью подачи диоксида углерода для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.

Первый контактный охладитель (4) может содержать по меньшей мере два яруса инжекторов, причем по меньшей мере один инжектор нижнего яруса (14) может быть выполнен с возможностью подачи обратной воды из теплосети.

На фигуре представлена схема установки для выработки механической и тепловой энергии, включающая следующие элементы:

1. камера сгорания;

2. парогазовая турбина;

3. первый охладитель отработанных газов;

4. первый контактный охладитель отработанных газов;

5. компрессор;

6. второй контактный охладитель отработанных газов;

7. второй охладитель отработанных газов;

8. теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода (первого охладителя отработанных газов);

9. теплообменник регенеративного нагревателя воды;

10. теплообменник регенеративного нагревателя кислорода;

11. теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;

12. испаритель теплового насоса;

13. верхний ярус инжекторов (подачи воды);

14. нижний ярус инжекторов (подачи обратной воды из теплосети);

15. циркуляционный насос (водяного контура первого контактного охладителя);

16. теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода (на линии подачи диоксида углерода в первый охладитель отработанных газов);

17. водяной насос-регулятор;

18. теплофикационный насос;

19. инжекторы (подачи воды);

20. циркуляционный насос;

21. блок охлаждения воды (второго контактного охладителя отработанных газов);

22. теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;

23. теплообменник регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода;

24. смеситель;

25. углекислотный насос-регулятор;

26. регенеративный нагреватель диоксида углерода;

27. накопитель жидкого диоксида углерода;

28. циркуляционный насос (теплового насоса);

29. конденсатор теплового насоса;

30. градирня;

31. источник кислорода;

32. насос-регулятор кислорода;

33. теплообменник нагрева кислорода;

34. теплообменник охлаждения топлива;

35. топливный насос-регулятор.

Заявленная установка для выработки механической и тепловой энергии содержит камеру сгорания (1), парогазовую турбину (2) и газоотводящую систему, с которой соединен выход турбины (2). Камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющем по меньшей мере 7,5 МПа, а парогазовая турбина (2) выполнена с возможностью выпуска отработанных газов с давлением 0,2-0,9 МПа.

В свою очередь, газоотводящая система состоит из последовательно соединенных первого охладителя (3) отработанных газов, первого контактного охладителя (4) отработанных газов, компрессора (5), второго контактного охладителя (6) отработанных газов и второго охладителя (7) отработанных газов, причем компрессор (5) выполнен с возможностью сжатия газа до по меньшей мере 3,5 МПа.

Первый охладитель (3) содержит теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода и теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды.

Второй охладитель (7) содержит теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и испаритель (12) теплового насоса. Испаритель (12) теплового насоса соединенного с конденсатором (29) теплового насоса, который соединен с градирней (30).

Первый контактный охладитель (4) выполнен с возможностью конденсации по меньше мере большей части воды, которая содержится в составе отработанных газов и содержит по меньшей мере один ярус инжекторов. Причем инжекторы выполнены с возможностью подачи сконденсированной и нагретой воды из первого контактного охладителя (4) через циркуляционный насос (15) и охлажденной в теплообменнике (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода.

Первый контактный охладитель (4) может быть выполнен с двумя ярусами инжекторов (13 и 14). При этом по меньшей мере один инжектор нижнего яруса (14) выполнен с возможностью подачи обратной воды из теплосети, а по меньшей мере один инжектор из верхнего яруса (13) выполнен с возможностью подачи охлажденной воды.

Водяной контур первого контактного охладителя (4) отработанных газов также выполнен с возможностью подачи воды в камеру сгорания (1) через теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды с помощью водяного насоса-регулятора (17) и в теплосеть с помощью теплофикационного насоса (18).

Второй контактный охладитель (6) содержит инжекторы (19) подачи воды, которые выполнены с возможностью подачи воды из контактного охладителя (6) через циркуляционный насос (20) и блок (21) охлаждения воды.

Вход парогазовой турбины (2) соединен с выходом камеры сгорания (1), а камера сгорания (1) соединена с источником кислорода (31) через насос-регулятор (32) кислорода, теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, смеситель (24) и теплообменник (23) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов.

Смеситель (24) соединен с накопителем (27) жидкого диоксида углерода, который расположен на выходе из второго охладителя (7) отработанных газов. Причем накопитель (27) также соединен с камерой сгорания (1) через углекислотный насос-регулятор (25), регенеративный нагреватель (26) диоксида углерода и теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода в первом охладителе (3) отработанных газов. Кроме того, накопитель (27) может быть выполнен с возможностью подачи диоксида углерода на захоронение или дальнейшее использование, например, вне установки.

Камера сгорания (1) также соединена с источником углеродсодержащего топлива через топливный насос-регулятор (35), теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива во втором охладителе (7) отработанных газов и теплообменник (22) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов.

Водяной и углекислотный насосы-регуляторы (17 и 25) выполнены с возможностью обеспечения закачивания воды и диоксида углерода с давлением по меньшей мере 7,5 МПа.

Заявленная установка также содержит блок ожижения топлива, через который топливо поступает в топливный насос-регулятор (35). Блок ожижения топлива содержит теплообменник (34) охлаждения топлива, который имеет замкнутый контур с теплообменником (33) нагрева кислорода. Вход кислородного контура теплообменника (33) нагрева кислорода соединен с выходом насоса-регулятора (32) кислорода, а его выход с входом в теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода. Теплообменники (33 и 34) в блоке ожижения топлива выполнены с использованием промежуточного теплоносителя, в качестве которого может быть использован инертный газ (например, гелий). Предпочтительно, чтобы давление инертного газа превышало давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.

В качестве углеродсодержащего топлива может применяться природный газ. Предпочтительно, чтобы давление углеродсодержащего топлива на выходе из источника находилось в интервале 0,6-2,5 МПа.

Заявленное изобретение работает следующим образом.

В камеру сгорания (1) подают углеродсодержащее топливо, например, природный газ метан, который сжигается в смеси кислорода, водяного пара и диоксида углерода. При этом кислород может подаваться из любого известного источника кислорода, например, производиться на любой известной установке разделения воздуха, включенной в состав энергетической установки и получающей от нее необходимую электроэнергию.

Сжатие всех рабочих газов, включая углеродсодержащее топливо, производится в сжиженном состоянии с помощью насосов, что уменьшает затраты энергии на перекачивание и достижение необходимого давления, по меньшей мере, 7,5 МПа.

Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине (2) с противодавлением значительно выше атмосферного, которое составляет от 0,2 до 0,9 МПа, и последовательно проходят первый охладитель (3) отработанных газов, в котором происходит охлаждение отработанных газов до температуры начала конденсации воды за счет охлаждения отработанных газов до температуры не ниже 420 К при давлении от 0,2 до 0,9 МПа. Из первого охладителя (3) отработанных газов охлажденные отработанные газы поступают в первый контактный охладитель (4) отработанных газов, в котором происходит охлаждение отработанных газов до температуры не ниже 273 К и конденсация воды, содержащейся в отработанных газах. Компрессором (5) отработанные газы из первого контактного охладителя (4) подаются во второй контактный охладитель (6) под давлением по меньшей мере 3,5 МПа, где охлаждаются до температуры близкой к температуре начала конденсации диоксида углерода. При этом, во втором контактном охладителе (6) также продолжается конденсация воды, оставшейся в отработанных газах. Во втором охладителе (7) отработанных газов происходит конденсация СО₂ за счет охлаждения до температуры не ниже 273 К при давлении газа по меньшей мере 3,5 МПа. Температура и давление во втором охладителе (7) обусловлено необходимостью достижения максимально высокой степени улавливания диоксида углерода из продуктов сгорания при сохранении тепловой экономичности энергетической установки и, соответственно, обеспечению высокого КПД установки, при отсутствии твердой фазы диоксида углерода.

Сконденсированная вода сливается из первого контактного охладителя (4). Некоторая часть сконденсированной воды с помощью водяного насоса-регулятора (17) направляется в камеру сгорания (1) через теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды, расположенного в первом охладителе (3) отработанных газов. Другая часть воды направляется с помощью циркуляционного насоса (15) в контур первого контактного охладителя (4) через теплообменник (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода, который расположен на линии подачи диоксида углерода в первый охладитель (3) отработанных газов. При этом вода, проходя через теплообменник (16), охлаждается до температуры не ниже 273 К и далее через верхний ярус инжекторов (13) подается в первый контактный охладитель (4). Остальная часть воды направляется с помощью теплофикационного насоса (18) к потребителю тепла, например в сети централизованного теплоснабжения при стандартных для региона параметрах.

Сконденсированный диоксид углерода сливается из второго охладителя (7) отработанных газов в накопитель (27) жидкого диоксида углерода, при этом некоторая необходимая часть жидкого СО₂ с помощью углекислотного насоса-регулятора (27) направляется в камеру сгорания (1) через смеситель (24) и теплообменник (23) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, расположенного в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов. Другая часть диоксида углерода насосом-регулятором (27) направляется в камеру сгорания (1) через регенеративный нагреватель (26) диоксида углерода и теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода первого охладителя (3) отработанных газов. Оставшаяся часть диоксида углерода выводится из накопителя (27) жидкого диоксида углерода для дальнейшего использование вне установки или для хранения.

Жидкий кислород от любого известного источника (31) кислорода насосом-регулятором (32) кислорода, обеспечивающим подачу кислорода под давлением более 7,5 МПа, направляется в теплообменник (33) нагрева кислорода, в котором происходит нагрев жидкого кислорода за счет теплообмена с газообразным углеродсодержащим топливом, например, метаном. Далее кислород поступает в теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, расположенный во втором охладителе (7) отработанных газов, после чего поступает в смеситель (24), где кислород смешивается с диоксидом углерода, поступающим из накопителя (27) жидкого диоксида углерода и направляется в камеру сгорания (1) через теплообменник (23) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода.

Углеродсодержащее газообразное топливо за счет теплообмена с жидким кислородом сжижается в блоке ожижения газообразного углеродсодержащего топлива за счет использования промежуточного теплоносителя, циркулирующего через теплообменник (33) нагрева кислорода и теплообменник (34) охлаждения топлива, и насосом-регулятором (35), обеспечивающим подачу топлива под давлением более 7,5 МПа, подается в теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенного во втором охладителе (7) отработанных газов. Далее углеродсодержащее топливо поступает в теплообменник (22) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, где нагревается за счет тепла, отведенного из второго контактного охладителя (6), и направляется в камеру сгорания (1).

Таким образом, конденсация воды в первом контактном охладителе (4) достигается за счет предварительного охлаждения отработанных газов в первом охладителе (3) отработанных газов до температуры начала конденсации воды благодаря теплообменникам (8, 9) регенеративного нагрева диоксида углерода и регенеративного нагрева воды и охлаждению отработанных газов в самом первом контактном охладителе (4) за счет охлаждения отработанных газов благодаря распыленной инжекторами, объединенными в по меньшей мере один ярус, воды. Предпочтительным является наличие по меньшей мере двух ярусов (13, 14) инжекторов. По меньшей мере один из по меньшей мере двух ярусов инжекторов (13, 14) выполнен с возможностью подачи воды, например, находящейся в состоянии бинарного льда. А по меньшей мере один другой ярус из по меньшей мере двух ярусов инжекторов (13, 14) выполнен с возможностью подачи обратной воды из тепловой сети. Также конденсация остатков воды из отработанных газов достигается во втором контактном охладителе (6) за счет охлаждения отработанных газов благодаря распыленной инжекторами (19) воды, поступающей из блока (21) охлаждения воды.

Конденсация диоксида углерода во втором охладителе (7) отработанных газов достигается за счет предварительного охлаждения отработанных газов во втором контактом охладителе (6) до температуры близкой к температуре начала конденсации диоксида углерода и охлаждению отработанных газов в самом втором охладителе (7) за счет передачи тепла благодаря испарителю (12) теплового насоса, теплообменнику (11) регенеративного нагревателя кислорода и теплообменнику (10) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива. При этом тепло, отведенное испарителем (12) теплового насоса, с помощью циркуляционного насоса (28) поступает в конденсатор (29) теплового насоса, где рабочее тело теплового насоса конденсируется, и далее тепло от конденсатора (29) теплового насоса отводится в окружающую среду, например, через градирню (30).

Изменение баланса выработки механической и тепловой энергий при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного насосов-регуляторов (17 и 25). При этом для получения большего количества тепловой энергии повышается производительность водяного насоса-регулятора (17), что обуславливается большим отводом тепла из камеры сгорания за счет температуры, выделяющейся при конденсации водяного пара в контактном охладителе (4), а для получения большего количества электрической энергии по отношению к тепловой повышается производительность углекислотного насоса-регулятора (25) при одновременном уменьшении подачи воды в камеру сгорания (1). Таким образом, в камере сгорания (1) соблюдается баланс инертных составляющих, которые необходимы для поддержания температуры в камере сгорания (1) в заданных пределах.

Применительно к предлагаемому изобретению реализация процесса сжижения СО₂ в значительной мере упрощается наличием большого охлаждающего потенциала у жидкого кислорода, поступающего в установку. При этом основная доля СО₂ сжижается за счет жидкого кислорода, а оставшаяся небольшая часть - с помощью теплового насоса.

Выбор значений указанных интервалов давлений, а именно в камере сгорания (1) по меньшей мере 7,5 МПа, отработанных газов, поступающих в охладители (3 и 4) от 0,2 до 0,9 МПа, отработанных газов, поступающих в охладители (6 и 7) по меньшей мере 3,5 МПа обуславливается получением большей работы за счет расширения газов находящихся под большим давлением в парогазовой турбине (2), что, в свою очередь, повышает выработку энергии энергетической установкой и увеличение КПД установки в целом. Кроме того, давления в охладителях (3, 4, 6, 7) выбраны таким образом, чтобы минимизировать потери энергии установкой для перекачивания отработанных газов из одного блока в другой, а также для обеспечения максимальной степени конденсации и сбора диоксидов углерода, при отсутствии вероятности появления твердой фазы. Давление углеродсодержащего топлива и смеси кислорода с диоксидом углерода составляет более 7,5 МПа, что необходимо для осуществления подачи их в камеру сгорания (1) энергетической установки.

Также ограничение охлаждения отработанных газов до температуры не ниже 273 К в первом контактном охладителе (4) связано с условием максимально возможной конденсации воды из отработанных газов, избегая возможной ее кристаллизации. А ограничение охлаждения до температуры не ниже 273 К во втором охладителе (7) связано с условием оптимальной конденсации диоксида углерода из отработанных газов при заданном давлении.

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Способ выработки механической и тепловой энергии включает в себя этапы, на которых горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину, при этом давление в камере сгорания составляет по меньшей мере 7,5 МПа. Отработанные в парогазовой турбине газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в первый охладитель отработанных газов. Отработанные газы из первого охладителя подают в первый контактный охладитель, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя. Отработанные газы из первого контактного охладителя, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор, который сжимает газы до давления по меньшей мере 3,5 МПа. Сжатые компрессором отработанные газы подают во второй контактный охладитель, где они охлаждаются. Из второго контактного охладителя охлажденные отработанные газы поступают во второй охладитель, где отработанные газы охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя. Некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя воды поступает на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания. Некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе, поступает на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания. В камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания. Также раскрыта установка для выработки механической и тепловой энергии. Изобретение позволяет увеличить КПД установки. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ выработки механической и тепловой энергии, включающий в себя этапы, на которых:

(a) горячие газы из камеры сгорания (1) направляют на вход в парогазовую турбину (2), при этом давление в камере сгорания (1) составляет по меньшей мере 7,5 МПа;

(b) отработанные в парогазовой турбине (2) газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в первый охладитель (3) отработанных газов;

(c) отработанные газы из первого охладителя (3) подают в первый контактный охладитель (4), где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя (4);

(d) отработанные газы из первого контактного охладителя (4), содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор (5), который сжимает газы до давления по меньшей мере 3,5 МПа;

(e) сжатые компрессором (5) отработанные газы подают во второй контактный охладитель (6), где они охлаждаются;

(f) из второго контактного охладителя (6) охлажденные отработанные газы поступают во второй охладитель (7), где отработанные газы охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя (7);

(g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя (4) воды поступает на вход водяного насоса-регулятора (17), который закачивает ее в камеру сгорания (1);

(h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе (7), поступает на вход углекислотного насоса-регулятора (25), который закачивает его в камеру сгорания (1);

(i) в камеру сгорания (1) топливным насосом-регулятором (35) и кислородным насосом-регулятором (32) подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания (1).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (b) дополнительно включает в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов в первом охладителе (3):

(j) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с водой, поступающей в камеру сгорания (1);

(k) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с диоксидом углерода, поступающим в камеру сгорания (1);

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (с) дополнительно включает в себя последовательные подэтапы:

(c1) выведенную из первого контактного охладителя (4) часть воды направляют с помощью теплофикационного насоса (18) к потребителю тепла;

(с2) охлаждение отработанных газов в первом контактном охладителе (4) достигают за счет теплообмена с распыленной инжекторами обратной воды от потребителя тепла;

(с3) охлаждение отработанных газов в первом контактном охладителе (4) также достигают за счет теплообмена с распыленной инжекторами воды, поступающей из первого контактного охладителя (4) и охлажденной в теплообменнике (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (е) дополнительно включает в себя подэтап (е'), на котором:

во втором контактном охладителе (6) конденсируют остатки воды из отработанных газов, при этом охлаждение отработанных газов во втором контактном охладителе (6) достигают за счет распыления инжекторами (19) воды, поступающей из второго контактного охладителя (6) через блок (21) охлаждения воды.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (f) включает в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов во втором охладителе (7):

(f1) охлаждение за счет передачи тепла испарителю (12) теплового насоса;

(f2) охлаждение за счет передачи тепла теплообменнику (11) регенеративного нагревателя кислорода;

(f3) охлаждение за счет передачи тепла теплообменнику (10) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что тепло, отведенное испарителем (12) теплового насоса, с помощью циркуляционного насоса (28) поступает в конденсатор (29) теплового насоса, где рабочее тело теплового насоса конденсируется, и далее тепло от конденсатора (29) теплового насоса отводится в окружающую среду.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что тепло от конденсатора (29) теплового насоса отводится в окружающую среду через градирню (30).

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап (l) ожижения газообразного углеродсодержащего топлива перед топливным насосом-регулятором (35).

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что источником (31) кислорода является блок получения кислорода из воздуха, при этом дополнительно содержит этап (m) направления жидкого кислорода после насоса-регулятора (32) кислорода в теплообменник (33) нагрева кислорода, в котором происходит нагрев жидкого кислорода за счет теплообмена с газообразным углеродсодержащим топливом.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап (n), на котором оставшаяся часть сконденсированного диоксида углерода выводится из второго охладителя (7) для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру охлаждения отработанного газа в первом контактном охладителе (4) и втором охладителе (7) поддерживают не ниже 273 К.

12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап (р), на котором при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) изменение баланса вырабатываемых тепловой и электрических энергий достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного насосов-регуляторов (17 и 25), при этом для получения большего количества тепловой энергии повышают производительность водяного насоса-регулятора (17), а для получения большего количества электрической энергии повышают производительность углекислотного насоса-регулятора (25).

13. Установка для выработки механической и тепловой энергии, содержащая камеру сгорания (1), парогазовую турбину (2), выход которой соединен с газоотводящей системой, которая состоит из последовательно соединенных первого охладителя (3) отработанных газов, первого контактного охладителя (4) отработанных газов, компрессора (5), второго контактного охладителя (6) отработанных газов и второго охладителя (7) отработанных газов, причем первый охладитель (3) содержит теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода и теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды, второй охладитель (7) содержит теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и испаритель (12) теплового насоса, соединенный с конденсатором (29) теплового насоса, первый контактный охладитель (4), выполненный с возможностью конденсации по меньше мере части воды, содержащейся в отработанных газах, и содержащий по меньшей мере один ярус инжекторов, выполненных с возможностью подачи воды из первого контактного охладителя (4) через циркуляционный насос (15) и теплообменник (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода, причем водяной контур первого охладителя (4) отработанных газов выполнен с возможностью подачи воды в камеру сгорания (1) через теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды с помощью водяного насоса-регулятора (17) и в теплосеть с помощью теплофикационного насоса (18), второй контактный охладитель (6) содержит инжекторы (19) подачи воды, выполненные с возможностью подачи воды из контактного охладителя (6) через циркуляционный насос (20) и блок (21) охлаждения воды, а вход парогазовой турбины (2) соединен с выходом камеры сгорания (1), которая соединена с источником кислорода (31) через насос-регулятор (32) кислорода, теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, смеситель (24), соединенный с накопителем (27) жидкого диоксида углерода, и теплообменник (23) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов, с источником углеродсодержащего топлива через топливный насос-регулятор (35), теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива во втором охладителе (7) отработанных газов и теплообменник (22) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов, с расположенным на выходе из второго охладителя (7) отработанных газов накопителем (27) жидкого диоксида углерода через углекислотный насос-регулятор (25), регенеративный нагреватель (26) диоксида углерода и теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода в первом охладителе (3) отработанных газов, причем камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющем по меньшей мере 7,5 МПа, парогазовая турбина (2) выполнена с возможностью выпуска отработанных газов с давлением 0,2-0,9 МПа, углекислотный компрессор (5) выполнен с возможностью подачи отработанного газа под давлением по меньшей мере 3,5 МПа, а водяной и углекислотный насосы-регуляторы (17 и 25) выполнены с возможностью обеспечения закачивания воды и диоксида углерода с давлением по меньшей мере 7,5 МПа.

14. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что вход топливного насоса-регулятора (35) соединен с источником углеродсодержащего топлива через блок ожижения топлива, у которого охлаждающий топливо теплообменник (34) имеет замкнутый контур с теплообменником (33) нагрева кислорода, причем вход кислородного контура теплообменника (33) нагрева кислорода соединен с выходом насоса-регулятора кислорода (32), а его выход с входом в теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода.

15. Установка по п. 14, отличающаяся тем, что теплообменники (33 и 34) в блоке ожижения топлива выполнены с использованием промежуточного теплоносителя.

16. Установка по п. 15, отличающаяся тем, что в качестве промежуточного теплоносителя используется инертный газ с давлением, превышающим давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.

17. Установка по п. 16, отличающаяся тем, что в качестве инертного газа выступает гелий.

18. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что в качестве углеродсодержащего топлива применяется природный газ, причем давление газа на выходе из источника составляет 0,6-2,5 МПа.

19. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что конденсатор (29) теплового насоса соединен с градирней (30).

20. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что накопитель (27) жидкого диоксида углерода выполнен с возможностью подачи диоксида углерода для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.

21. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что первый контактный охладитель (4) содержит по меньшей мере два яруса инжекторов, причем по меньшей мере один инжектор нижнего яруса (14) выполнен с возможностью подачи обратной воды из теплосети.