Способ регулирования и установка для выработки механической и тепловой энергии Российский патент 2019 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. При этом, описанный выше способ выработки энергии требует осуществление регулирования установки путем ее перевода на другой режим работы в зависимости от потребляемой мощности в течение суток, что влечет снижение КПД установки в следствие ее работы на режиме частичной нагрузки, снижает коэффициент загрузки оборудования и надежность установки в целом. 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 СО₂, циркулирующего в установке.

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

Технический результат заключается в снижении продолжительности работы на переходных режимах и режимах частичных нагрузок, увеличение 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 СО₂ в энергетической установке. Кроме того, уменьшение массогабаритных показателей установки за счет исключения стенок теплопередачи.

Технический результат достигается способом регулирования установки для выработки механической и тепловой энергии, включающим по меньшей мере определение электромагнитного момента на якоре генератора (36), соединенного с парогазовой турбиной (2); оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора (36), при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения (37), в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода (39), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения (37).

Способ также включает этапы, на которых:

(a) горячие газы из камеры сгорания (1) направляют на вход в парогазовую турбину (2);

(b) отработанные в парогазовой турбине (2) газы 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);

(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), при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости (38) для накопления углеродсодержащего топлива.

Кислород подается из теплоизолированной емкости (39) для хранения кислорода в сжиженном виде, поступающим от источника (31) кислорода, который представляет собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха, при этом дополнительно если уменьшается электромагнитный момент на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, открывают перепускной клапан (40), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, закрывают перепускной клапан (40).

Дополнительно при уменьшении электромагнитного момента на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, включают устройство охлаждения диоксида углерода, выведенного из второго охладителя (7) в накопитель (27) жидкого диоксида углерода, для поддержания диоксида углерода в жидком состоянии в накопителе (27), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, устройство охлаждения диоксида углерода отключают.

Кислород, углеродсодержащее топливо и диоксид углерода подаются в камеру сгорания (1) из теплоизолированных емкостей, в которых они накапливаются и хранятся.

Технический результат также достигается установкой для выработки механической и тепловой энергии, содержащей камеру сгорания (1), парогазовую турбину (2), соединенную с якорем генератора (36), который снабжен устройством для определения электромагнитного момента на этом якоре генератора (36), выход парогазовой турбины (2) 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, первый контактный охладитель (4), выполнен с возможностью конденсации по меньше мере части воды, содержащийся в отработанных газов, 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, 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, выполненным с возможностью охлаждения 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 блок (37) сжижения, содержит теплообменник охлаждения топлива (34), теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, источник кислорода (31), теплоизолированную емкость (39) для хранения сжиженного кислорода, насос-регулятор (32) и теплообменник (33) нагрева кислорода, а источник (31) кислорода представляет собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха, соединенный с теплоизолированной емкостью (39) для хранения сжиженного кислорода.

Дополнительно блок (37) сжижения содержит перепускной клапан (40) кислорода, установленный на байпасной линии, соединяющей линию подачи сжиженного кислорода после источника кислорода (31) с линией подачи сжиженного кислорода после теплообменника (33) нагрева кислорода, а второй охладитель (7) дополнительно содержит испаритель (12) теплового насоса, соединенный с конденсатором (29) теплового насоса.

Вход топливного насоса-регулятора (35) соединен с теплоизолированной емкостью (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а блок (37) сжижения дополнительно содержит охлаждающий топливо теплообменник (34), имеющий 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.

Камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющим 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.

Теплообменники (33 и 34) в блоке (37) сжижения выполнены с использованием промежуточного теплоносителя, в качестве которого используется инертный газ с давлением, превышающим давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.

Конденсатор (29) теплового насоса соединен с градирней (30), накопитель (27) жидкого диоксида углерода выполнен с возможностью подачи диоксида углерода для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования, а 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.

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; 3 5. топливный насос-регулятор;

36. генератор;

37. блок сжижения;

38. теплоизолированная емкость для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива;

39. теплоизолированная емкость для хранения сжиженного кислорода;

40. перепускной клапан кислорода.

Установка для выработки механической и тепловой энергии содержит камеру сгорания (1), парогазовую турбину (2) и газоотводящую систему, с которой соединен выход турбины (2). Турбина (2) также соединена с якорем генератора (36), который снабжен устройством для определения электромагнитного момента на его якоре. Камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющим 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. Излишки дополнительно сконденсированной воды из отработанных газов выводятся из контактного охладителя (6).

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 и выполнен с возможностью охлаждения диоксида углерода, например, с помощью устройства охлаждения диоксида углерода (на чертеже не показано). 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 сжижения (37), через который углеродсодержащее топливо поступает в топливный насос-регулятор (35), например, из теплоизолированной емкости (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива. Кроме того, блок сжижения (37) содержит источник кислорода (31), теплоизолированную емкость (39) для хранения сжиженного кислорода, насос-регулятор (32), теплообменник (33) нагрева кислорода и перепускной клапан (40) кислорода, установленный на байпасной линии, соединяющей линию подачи сжиженного кислорода после источника кислорода (31) с линией подачи сжиженного кислорода после теплообменника (33) нагрева кислорода. При этом, теплообменник (34) охлаждения топлива 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 сжижения 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.

Блок (37) сжижения содержит также теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, которая соединена с выходом теплообменника (34) охлаждения топлива и со входом в топливный насос-регулятор (35).

Источник кислорода (31) представляет собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха, который соединен с теплоизолированной емкостью (39) для хранения сжиженного кислорода, которое также соединено через перепускной клапан (40) с выходом по кислородному контуру теплообменника (33) нагрева кислорода.

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, который может представлять собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха. Таким образом, кислород может, 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. Эта дополнительно сконденсированная вода выводится из контактного охладителя (6). 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, 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 (25) 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. Часть диоксида углерода может выводиться из накопителя (27) жидкого диоксида углерода для дальнейшего использование вне установки или для хранения.

Во время работы установки определяют электромагнитный момент на якоре генератора (36), соединенного с турбиной (2) и производят оценку рабочего режима установки на основе электромагнитного момента на якоре генератора (26): при уменьшении момента ниже первого порогового значения производят открытие перепускного клапана (40), повышают производительность блока сжижения (37), в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород - в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода (39).

Дополнительно, при снижении электромагнитного момента на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, - включают устройство (на чертеже не показано) охлаждения диоксида углерода, выведенного из второго охладителя (7) в накопитель (27) жидкого диоксида углерода, для поддержания диоксида углерода в накопителе (27) в жидком состоянии.

При увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, устройство охлаждения диоксида углерода отключают.

Кроме этого, при условии увеличенного электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения снижают потребление электрической энергии блоком (37) сжижения. При этом, производят закрытие перепускного клапана (40) и снижают производительность блока сжижение (37) с учетом необходимого расхода углеродсодержащего топлива и кислорода в камере сгорания (1) и накопленных этих компонентов в теплоизолированных емкостях (38, 39). Здесь кислород, углеродсодержащее топливо и диоксид углерода подаются в камеру сгорания (1) из теплоизолированной емкости (39), емкости (38) и накопителя (27), в которых они накапливаются и хранятся.

Жидкий кислород, полученный в описанном выше устройстве получения сжиженного кислорода или 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 из блока (37) сжижения, в частности за счет теплообмена с жидким кислородом сжижается в блоке сжижения 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.

На режиме работы, когда электромагнитный момент на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, т.е. в тех случаях, когда требуемое для потребителя количество механической и тепловой энергии снижается, дополнительно нагрузку генератор (36) получает от блока сжижения(37) и устройства охлаждения диоксида углерода. Таким образом, за счет расхода выработанной установкой энергии на сжижение топлива, кислорода и поддержания диоксида углерода в холодном состоянии для их последующего использования самой установкой удается, в зависимости от времени, в течении которого потребителю нужно меньшее количество энергии, объемов накопителя (27) жидкого диоксида углерода, и емкостей (38) и (39), исключить или значительно снизить продолжительность работы установки на переходных режимах и режимах частичных нагрузок и повысить КПД установки.

Применительно к предлагаемому изобретению реализация процесса сжижения СО₂ в значительной мере упрощается наличием большого охлаждающего потенциала у жидкого кислорода, поступающего в установку. При этом, недостающая доля холода компенсируется возможностью его накопления при работе устройства охлаждения СО₂.

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 регулирования установки для выработки механической и тепловой энергии включает по меньшей мере определение электромагнитного момента на якоре генератора, соединенного с парогазовой турбиной, оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора, при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения, в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода, а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения. Установка для выработки механической и тепловой энергии содержит камеру сгорания, парогазовую турбину, соединенную с якорем генератора, который соединен с устройством для определения электромагнитного момента на якоре генератора. Изобретение позволяет снизить продолжительности работы на переходных режимах и режимах частичных нагрузок. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования установки для выработки механической и тепловой энергии, включающий определение электромагнитного момента на якоре генератора (36), соединенного с парогазовой турбиной (2); оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора (36), при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения (37), в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода (39), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения (37), и включающий этапы, на которых:

(a) горячие газы из камеры сгорания (1) направляют на вход в парогазовую турбину (2);

(b) отработанные в парогазовой турбине (2) газы 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);

(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), при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости (38) для накопления углеродсодержащего топлива.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кислород подается из теплоизолированной емкости (39) для хранения кислорода в сжиженном виде, поступающим от источника (31) кислорода, который представляет собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха, при этом дополнительно если уменьшается электромагнитный момент на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, открывают перепускной клапан (40), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, закрывают перепускной клапан (40).

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно при уменьшении электромагнитного момента на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, включают устройство охлаждения диоксида углерода, выведенного из второго охладителя (7) в накопитель (27) жидкого диоксида углерода, для поддержания диоксида углерода в жидком состоянии в накопителе (27), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, устройство охлаждения диоксида углерода отключают.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что кислород, углеродсодержащее топливо и диоксид углерода подаются в камеру сгорания (1) из теплоизолированных емкостей, в которых они накапливаются и хранятся.

5. Установка для выработки механической и тепловой энергии, содержащая камеру сгорания (1), парогазовую турбину (2), соединенную с якорем генератора (36), который снабжен устройством для определения электромагнитного момента на этом якоре генератора (36), выход парогазовой турбины (2) 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, первый контактный охладитель (4), выполнен с возможностью конденсации по меньше мере части воды, содержащийся в отработанных газов, 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, 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, выполненным с возможностью охлаждения 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 блок (37) сжижения, содержит теплообменник охлаждения топлива (34), теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, источник кислорода (31), теплоизолированную емкость (39) для хранения сжиженного кислорода, насос-регулятор (32) и теплообменник (33) нагрева кислорода, а источник (31) кислорода представляет собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха, соединенный с теплоизолированной емкостью (39) для хранения сжиженного кислорода.

6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что дополнительно блок (37) сжижения содержит перепускной клапан (40) кислорода, установленный на байпасной линии, соединяющей линию подачи сжиженного кислорода после источника кислорода (31) с линией подачи сжиженного кислорода после теплообменника (33) нагрева кислорода, а второй охладитель (7) дополнительно содержит испаритель (12) теплового насоса, соединенный с конденсатором (29) теплового насоса.

7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что вход топливного насоса-регулятора (35) соединен с теплоизолированной емкостью (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а блок (37) сжижения дополнительно содержит охлаждающий топливо теплообменник (34), имеющий 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.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющим 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.

9. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что теплообменники (33 и 34) в блоке (37) сжижения выполнены с использованием промежуточного теплоносителя, в качестве которого используется инертный газ с давлением, превышающим давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.

10. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что конденсатор (29) теплового насоса соединен с градирней (30), накопитель (27) жидкого диоксида углерода выполнен с возможностью подачи диоксида углерода для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования, а 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.