ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С КИСЛОРОДНЫМ БОЙЛЕРОМ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ПО ТЕПЛУ БЛОКОМ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 2018 года по МПК F01K13/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится, в целом, к схемам интегрирования тепла в применении к энергетической установке с работающим на угле с кислородным бойлером и, в частности, к тепловому интегрированию в такие установки блока разделения воздуха.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время уголь вносит свою долю в большой процент генерации электричества в мире и, как ожидается, сохранит свою доминирующую долю в обозримом будущем. Тем не менее, значительное давление внешних обстоятельств привело к повышенным требованиям по отношению к окружающей среде, обуславливающим необходимость не только высокой эффективности, но и уменьшения уровней выбросов углекислого газа СО₂, двуокиси серы SО₂, окислов азота NО_X и ртути до ультранизких значений.

Особенно преимущественной конфигурацией установки является использование пароэнергетической установки с кислородным горением с улавливанием углекислого газа СО₂. Система с кислородным горением использует для сжигания первичного топлива вместо воздуха кислород, обычно получаемый в блоке разделения воздуха. Кислород часто смешивают с инертным газом, таким как рециркулированный топочный газ, для того чтобы поддерживать температуру горения на подходящем уровне. Процессы кислородного горения дают топочные газы, имеющие в качестве своих главных составляющих углекислый газ, воду и кислород, причем концентрация углекислого газа обычно составляет по объему более чем 70%. Поэтому улавливание углекислого газа из топочных газов процесса кислородного горения может выполняться в установке обработки газа относительно легко.

Пример типичного пароводяного цикла высокоэффективных пароэнергетических установок с кислородным горением показан на фиг. 1. Установка содержит трехступенчатую по давлению последовательность турбин HP, IP, LP повторного подогрева пара, запитываемых паром от бойлера 142. Выпускной пар из последней паровой турбины LP низкого давления конденсируется в конденсаторе 102 перед глубокой очисткой и прокачкой посредством насоса 103 отбора конденсатора второй ступени через последовательность нагревателей 106, 107, 108, 109, 131 низкого давления, резервуар 136 питательной воды и нагреватели 132 высокого давления, после чего в замкнутом контуре возвращается в бойлер 142. Источником тепла для нагревателей низкого и высокого давления обычно является пар, отобранный из паровых турбин низкого, промежуточного и высокого давления.

Из-за большого преимущества обеспечения цикла наивысшей эффективности существует постоянная необходимость нахождения способов более высокого интегрирования потребления и отбора тепла улавливающих систем кислородного горения в пароэнергетической установке. Это требует оптимизации потребления и отбора тепла улавливающих систем в рабочем цикле установки с целью обеспечения отсутствия потерь. В частности, эти усилия направлены на то, как блок разделения воздуха интегрировать в цикл конденсации.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложена схема работающего на угле кислородного бойлера с системой подачи кислорода и с системой улавливания углекислого газа СО₂ из топочных газов, а также энергетической установки с паровым циклом, которая интегрирует большую часть источников генерации тепла системы с тем, чтобы обеспечить гибкую работу установки и повышенную общую тепловую эффективность установки.

Настоящее изобретение представляет собой попытку разрешить эту проблему посредством объектов независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления даны в зависимых пунктах.

Изобретение основано на общей идеи содержащей новизну схемы теплового интегрирования блока разделения воздуха в конденсатную систему энергетической установки с работающим на угле кислородным бойлером.

В аспекте изобретения предложена энергетическая установка с работающим на угле кислородным бойлером, работающая по паровому циклу Ренкина, содержащая паровую турбину высокого давления, выполненную с возможностью расширения пара, содержащую выпуск, паровую турбину промежуточного давления, выполненную с возможностью расширения пара из паровой турбины высокого давления, и паровую турбину низкого давления, выполненную с возможностью расширения пара из паровой турбины промежуточного давления, имеющую отверстие отбора пара. Конденсатная система данного цикла дополнительно содержит конденсатор, выполненный с возможностью конденсирования пара, выпущенного из паровой турбины низкого давления, множество последовательных нагревателей низкого давления, выполненных с возможностью получения и последовательного нагрева конденсата из конденсатора, резервуар питательной воды, выполненный и расположенный с возможностью приема конденсата из множества нагревателей низкого давления, и последовательность нагревателей высокого давления, выполненных с возможностью получения конденсата из резервуара питательной воды.

Энергетическая установка с кислородным бойлером дополнительно содержит блок разделения воздуха, имеющий регенератор осушителя с нагревателем осушителя, при этом линия отбора соединяет отверстие отбора с нагревателем осушителя. Далее линия дренажа соединяет по текучей среде регенератор осушителя точкой парового цикла Ренкина между множеством нагревателей низкого давления.

В одном из аспектов паровая турбина промежуточного давления представляет собой многоступенчатую паровую турбину промежуточного давления, а отверстие отбора пара выполнено и расположено с возможностью отбора пара из промежуточной ступени многоступенчатой паровой турбины.

В одном из аспектов линия безопасности подсоединена к линии дренажа и к конденсатору.

В одном из аспектов линия холодного повторного подогрева первым концом подсоединена к выпуску паровой турбины НР высокого давления, а на втором конце - к линии отбора.

В еще одном аспекте линия холодного повторного подогрева содержит клапан управления.

Дополнительной задачей изобретения является устранение или по меньшей мере уменьшения недостатков уровня техники или обеспечения полезной альтернативы.

Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего описания, рассмотренного вместе с сопроводительными чертежами, которые в качестве примера иллюстрируют возможные варианты осуществления настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В качестве примера далее вариант осуществления настоящего изобретения описан более подробно со ссылками на сопроводительные чертежи, в которых:

фиг. 1 представляет собой схематическое изображение энергетической установки с работающим на угле кислородным бойлером уровня техники, к которой могут быть приложены иллюстративные варианты осуществления;

фиг. 2 представляет собой схематическое изображение теплового интегрирования осушителя блока разделения воздуха в энергетическую установку с работающим на угле кислородным бойлером;

фиг. 3 представляет собой схематическое изображение системы теплового интегрирования по фиг. 2, на котором показан путь альтернативной дренажной линии в конденсатную систему; и

фиг. 4 представляет собой схематическое изображение другой системы теплового интегрирования по фиг. 2, на котором показан путь другой альтернативной дренажной линии в конденсатную систему.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь будут описаны иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи, на которых везде для пометки одинаковых элементов использованы одни и те же ссылочные позиции. В нижеследующем описании с целью пояснения приведены многочисленные конкретные подробности для обеспечения полного понимания описания. Однако настоящее изобретение может быть реализовано на практике без этих конкретных подробностей, и оно не ограничено раскрытыми здесь иллюстративными вариантами осуществления.

По всему описанию делаются ссылки на последовательные блоки. В этом контексте «последовательный» означает упорядоченный в последовательность, начинающуюся с верхнего конца, определенного нормальным течением рабочей текучей среды через установку во время ее обычной работы.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг. 2, который может быть приложен к показанной на фиг. 1 энергетической установке с работающим на угле кислородным бойлером, для подачи тепла к регенератору осушителя блока разделения воздуха предложено устройство отбора пара и схема возврата конденсата. Как показано на фиг. 2, энергетическая установка с работающим на угле кислородным бойлером реализует пароэнергетический цикл Ренкина водяного пара и имеет паровую турбину НР высокого давления, выполненную с возможностью расширения пара, имея выпуск 16, паровую турбину 1 промежуточного давления, имеющую отверстие 2 отбора пара, выполненную с возможностью расширения пара из паровой турбины НР высокого давления, и паровую турбину LP низкого давления, выполненную с возможностью расширения пара из паровой турбины 1 промежуточного давления. Конденсор 15, подсоединенный к выпуску паровой турбины LP низкого давления, конденсирует использованный пар в качестве первого элемента конденсатной системы. От конденсатора 15 конденсат последовательно проходит через ряд нагревателей 24, 25, 11, 12, 20 низкого давления, в которых этот конденсат постепенно нагревается. От нагревателей 24, 25, 11, 12, 20 низкого давления конденсат протекает в резервуар питательной воды, который образует следующий элемент конденсатной системы. Конденсат из резервуара 23 питательной воды направляется в последний элемент конденсатной системы - последовательность нагревателей 22 высокого давления.

Энергетическая установка с работающим на угле кислородным бойлером далее содержит блок разделения воздуха, имеющий осушитель с нагревателем 5 осушителя, при этом линия 4 отбора соединяет отверстие 2 отбора пара с нагревателем 5 осушителя. Затем дренажная линия 8 соединяет нагреватель 5 осушителя по текучей среде с конденсатной системой.

В показанном на фиг. 2 иллюстративном варианте осуществления пар отбирается из паровой турбины 1 промежуточного давления (IP) предпочтительно через отверстие 2 отбора, выходящее из промежуточной ступени многоступенчатой паровой турбины IP, который обычно используется в качестве источника тепла для по меньшей мере одного из множества нагревателей 22 высокого давления. В показанном на фиг. 2 иллюстративном варианте осуществления система отбора проходит через линию 4 отбора к нагревателю 5 осушителя блока разделения воздуха. Нагреватель 5 осушителя образует часть системы регенерации осушителя блока разделения воздуха. Давление пара управляется - обычно до величины около 19,5 бар - посредством расположенного в линии 4 отбора клапана 6 управления отбором. В зависимости от температуры пара отбора в линии 4 отбора выше нагревателя 5 осушителя дополнительно может быть установлено устройство исключения перегрева 7. Когда осушитель блока разделения воздуха основан на технологии молекулярного сита, это позволяет иметь оптимальную температуру регенерации обеспечением температуры нагрева азота в около 200°С. Для части нагрузки или для нерасчетного режима, когда давление пара отбора не соответствует норме, используется показанная на фиг. 2 линия 18 регенерации пара с холодным повторным подогревом. Эта линия 18 регенерации пара с холодным повторным подогревом соединяет выпуск 16 паровой турбины НР высокого давления с линией 4 отбора и выполнена с соответствующим клапанным управлением для обеспечения альтернативного источника пара отверстию 2 отбора паровой турбины IP промежуточного давления. Для того чтобы обеспечить адекватное использование холодного повторного подогрева и управления давлением для теплообменника во время рабочего режима, когда линия 18 регенерации пара с холодным повторным подогревом используется для того, чтобы обеспечить пар к нагревателю 5 осушителя, в линию 18 регенерации пара с холодным повторным подогревом может быть установлен клапан 19 управления регенерации пара.

Из нагревателя 5 осушителя дренажная линия 8 направляет конденсат, образованный в нагревателе 5 осушителя, в резервуар 9 конденсата, откуда он конденсатным насосом 10 закачивается назад в конденсатную систему. Клапан 13 управления конденсатом, установленный в дренажной линии 8 после конденсатного насоса 10, обеспечивает резервуар 9 конденсата управлением уровня. В показанном на фиг. 2 иллюстративном варианте осуществления конденсат закачивается назад в конденсатную систему между четвертым 12 из множества нагревателей низкого давления и пятым 20 из множества нагревателей низкого давления. В альтернативном или иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, конденсат закачивается назад в конденсатную систему в точку между пятым 20 из множества нагревателей низкого давления и резервуаром 23 питательной воды. В еще одном иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг. 4, конденсат закачивается назад в резервуар 23 питательной воды.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, дренажная линия 8 соединяется с конденсатором 15 линией безопасности. Эта линия обычно закрыта.

Хотя здесь был показан и описан раскрытый предмет изобретения в том виде, который, как представляется, является наиболее практическим иллюстративным вариантом его осуществления, специалистам в данной области будет ясно, что настоящее изобретение может быть выполнено в других конкретных формах, не выходя за рамки его существа или основных характеристик. Таким образом, раскрытые здесь варианты осуществления следует во всех отношениях рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие. Объем изобретения определен не вышеприведенным описанием, а приложенными пунктами формулы изобретения, и предполагается, что в него включены все изменения, которые соответствуют его смыслу и диапазону.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 - Турбина промежуточного давления (IP)

2 - Отверстие отбора

4 - Линия отбора

5 - Нагреватель осушителя

6 - Клапан управления

7 - Устройство исключения перегрева

8 - Дренажная линия

9 - Резервуар конденсата

10 - Конденсатный насос

11 - Нагреватель низкого давления №3

12 - Нагреватель низкого давления №4

13 - Клапан управление дренажом

14 - Линия безопасности

15 - Конденсатор

16 - Выпуск турбины высокого давления (НР)

18 - Линия регенерации пара с холодным повторным подогревом

19 - Клапан управления регенерацией пара

20 - Нагреватель низкого давления №5

22 - Последовательные нагреватели высокого давления

23 - Резервуар питательной воды

24 - Нагреватель низкого давления №1

25 - Нагреватель низкого давления №2

101 - Насос отбора конденсатора первой ступени

102 - Конденсатор

103 - Насос отбора конденсатора второй ступени

104 - Станция глубокой очистки конденсата

106 - Последовательный нагреватель низкого давления №1

107 - Последовательный нагреватель низкого давления №2

108 - Последовательный нагреватель низкого давления №3

109 - Последовательный нагреватель низкого давления №4

131 - Последовательный нагреватель низкого давления №5

132 - Последовательные нагреватели высокого давления

136 - Резервуар питательной воды

142 - Бойлер

HP - Паровая турбина высокого давления

IP - Паровая турбина промежуточного давления

LP - Паровая турбина низкого давления

Изобретение относится к энергетике. Энергетическая установка с работающим на угле кислородным бойлером содержит схему для теплового интегрирования блока разделения воздуха. Блок разделения воздуха содержит нагреватель осушителя, в котором линия отбора соединяет отверстие отбора пара с нагревателем осушителя. Линия дренажа нагревателя осушителя соединяет по текучей среде нагреватель регенерации с точкой парового цикла Ренкина в конденсатной системе. Изобретение позволяет повысить эффективность получения энергии и уменьшить уровень выбросов газов в окружающую среду. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Энергетическая установка с работающим на угле кислородным бойлером, работающая по паровому циклу Ренкина, содержащая:

паровую турбину высокого давления, содержащую выпуск и выполненную с возможностью расширения пара;

паровую турбину промежуточного давления, содержащую отверстие отбора пара и выполненную с возможностью расширения пара из паровой турбины высокого давления,

паровую турбину низкого давления, выполненную с возможностью расширения пара из паровой турбины промежуточного давления;

конденсатную систему, содержащую:

конденсатор, выполненный с возможностью конденсации пара, выпускаемого из паровой турбины низкого давления;

множество последовательных нагревателей низкого давления, расположенных и пронумерованных в последовательном порядке в направлении потока конденсата, выполненных с возможностью получения и последовательного нагрева конденсата из конденсатора;

резервуар для питательной воды, выполненный и расположенный с возможностью приема конденсата из множества нагревателей низкого давления; и

множество нагревателей высокого давления, выполненных с возможностью получения конденсата из резервуара для питательной воды, и блок разделения воздуха, содержащий нагреватель осушителя, непосредственно соединенный с отверстием отбора пара паровой турбины промежуточного давления, выпуском паровой турбины высокого давления и резервуаром для конденсата для создания потока к нагревателю осушителя для нагрева текучей среды регенерации для использования в осушителе блока разделения воздуха.

2. Энергетическая установка по п. 1, дополнительно содержащая линию дренажа, соединенную по текучей среде с линией отбора, проходящей через нагреватель осушителя.

3. Энергетическая установка по п. 2, в которой линия дренажа выходит из резервуара для конденсата и затем соединена с конденсатной системой в точке между пятым из множества нагревателей низкого давления и резервуаром для питательной воды.

4. Энергетическая установка по п. 2, в которой линия дренажа выходит из резервуара для конденсата и затем соединена с конденсатной системой у резервуара для питательной воды.

5. Энергетическая установка по п. 2, в которой линия дренажа выходит из резервуара для конденсата и затем соединена с конденсатной системой между множеством нагревателей низкого давления.

6. Энергетическая установка по п. 5, в которой линия дренажа выходит из резервуара для конденсата и затем соединена с конденсатной системой в точке между четвертым из множества нагревателей низкого давления и пятым из множества нагревателей низкого давления.

7. Энергетическая установка по п. 2, в которой линия дренажа дополнительно содержит конденсатный насос, расположенный после резервуара для конденсата.

8. Энергетическая установка по п. 7, в которой линия дренажа дополнительно содержит клапан управления конденсатом в местоположении ниже по потоку от конденсатного насоса, выполненный с возможностью обеспечения резервуара для конденсата управлением уровня.

9. Энергетическая установка по п. 1, дополнительно содержащая клапан управления отбором, расположенный в линии отбора, соединяющей отверстие отбора пара паровой турбины промежуточного давления с нагревателем осушителя.

10. Энергетическая установка по п. 9, дополнительно содержащая устройство исключения перегрева в линии отбора, выполненное с возможностью исключения перегрева пара в линии отбора.

11. Энергетическая установка по п. 1, дополнительно содержащая линию отбора, которая соединяет отверстие отбора пара паровой турбины промежуточного давления с нагревателем осушителя, и линию регенерации пара с холодным повторным подогревом, присоединенную на первом конце к выпуску паровой турбины высокого давления, а на втором конце к линии отбора.

12. Энергетическая установка по п. 1, в которой паровая турбина промежуточного давления представляет собой многоступенчатую паровую турбину промежуточного давления, а отверстие отбора пара выполнено и расположено с возможностью отбора пара из промежуточной ступени многоступенчатой паровой турбины.

13. Энергетическая установка по п. 2, дополнительно содержащая линию безопасности, подсоединенную к линии дренажа и к конденсатору.