Утилизационная углекислотная энергоустановка для установки комбинированного цикла Российский патент 2021 года по МПК F01K25/10 

Изобретение относится к теплоэнергетике. Углекислотные (диоксид-углеродные) энергоустановки (СО₂-ЭУ) - это тепловые энергоустановки, использующие диоксид углерода (СО₂) в качестве рабочего тела и реализующие замкнутый регенеративный цикл Брайтона [ГОСТ Р 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения»] со сверхкритическим начальным давлением рабочего тела (sCO₂), как правило, выше 20 МПа. Заявляемая утилизационная СО₂-ЭУ для может быть применена для выработки энергии на теплоте высокотемпературных отходящих газов различных технологических процессов и установок, но наибольший эффект может быть получен при ее использовании в установках комбинированного цикла (УКЦ) с ГТД мощностью не выше 50-60 МВт, в первую очередь, на объектах, где применение УКЦ в классическом варианте исполнения - в виде парогазовой установки ПГУ - проблематично по условиям эксплуатации, например, в климатических условиях Севера, в судовых силовых установках и т.п.

Ниже приведен перечень сокращений, используемых в настоящем описании.

БП - байпасный подогреватель СО₂ в.д. котла;

ВПТ - водяной подогреватель топлива;

ВТБП - высокотемпературный участок БП;

ВТР - высокотемпературный рекуператор (высокотемпературная ступень рекуператора);

ГПВ - газовый подогреватель воды;

ГТД - газотурбинный двигатель;

ГТУ - газотурбинная установка;

КУ – котел- утилизатор;

НТБП - низкотемпературный участок БП;

НТР - низкотемпературный рекуператор (низкотемпературная ступень рекуператора);

ПГУ - парогазовая установка;

СТР - среднетемпературный рекуператор;

УКЦ - установка комбинированного цикла;

ЭУ - энергоустановка;

СО₂ - диоксид углерода (углекислый газ);

СО₂ в.д. - углекислый газ высокого давления;

СО₂ н.д. - углекислый газ низкого давления;

СО₂ с.д. - углекислый газ высокого давления;

СО₂-ЭУ - диоксид-углеродная энергоустановка;

sCO₂ - углекислый газ (диоксид углерода) при сверхкритическом давлении.

Известна утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ, представленная на международной Азиатской конференции по тепловым наукам в 2017 г. специалистами Корейского института машиностроения и материалов и Корейского Университета Инха [опубликованный доклад “A study on supercritical CO₂ cycle for gas turbine waste heat recovery” / Do Won Kang, Hyun Min Kwon и др. // Asian Conference on Thermal Sciences 2017, 1^st ACTS March 26-30, 2017, Jeju Island, Korea], содержащая котел утилизатор КУ), состоящий из одного подогревателя СО₂ высокого давления (СО₂ в.д.), высокотемпературный, среднетемпературный и низкотемпературный рекуператоры (ВТР, СТР, НТР), высокотемпературную, среднетемпературную и низкотемпературную турбины, охладитель-конденсатор СО₂ низкого давления (СО₂ н.д.) и двухкаскадный нагнетатель (насос) СО₂ с промежуточным охладителем СО₂, при этом высокотемпературная турбина сообщена на входе по СО₂ в.д. с выходом КУ по СО₂ в.д., на выходе по СО₂ н.д. – с входом ВТР по СО₂ н.д., среднетемпературная турбина сообщена на входе по СО₂ в.д. с выходом ВТР по СО₂ в.д., на выходе по СО₂ н.д. – с входом СТР по СО₂ н.д., низкотемпературная турбина сообщена на входе по СО₂ в.д. с выходом СТР по СО₂ в.д., на выходе по СО₂ н.д. – с входом НТР по СО₂ н.д.; кроме того, на входе по СО₂ н.д. и на выходе по СО₂ в.д. НТР сообщен, соответственно, с выходами по СО₂ н.д. и входами по СО₂ в.д. ВТР и СТР, на выходе по СО₂ в.д. НТР сообщен с входом КУ по СО₂ в.д. НТР сообщен на входе по СО₂ в.д. с выходом по СО₂ в.д. нагнетателя (насоса), на выходе по СО₂ н.д. - с входом охладителя-конденсатора по охлаждаемому СО₂ н.д. На входе по СО₂ н.д. нагнетатель сообщен с выходом охладителя- конденсатора по охлажденному СО₂ н.д. (в виде конденсата). Подача нагнетателем всего СО₂ в.д. в НТР целесообразна только в случае наличия ограничения по минимально-допустимой температуре СО₂ в.д. перед КУ. В отсутствие такового нагнетатель на выходе по СО₂ в.д. сообщен со входами НТР и КУ по СО₂ в.д., а НТР на выходе по СО₂ в.д. сообщен только со входами ВТР и СТР по СО₂ в.д.

Данная утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ относительно проста в проектировании и пуско-наладке, но ее мощность и КПД недостаточно высоки, в частности, из-за того, что велики средние температурные напоры в КУ, состоящем из одного подогревателя СО₂ в.д., и в рекуператорах, а также слишком велик расход СО₂ н.д. через охладитель-конденсатор и, соответственно, велик отвод теплоты в окружающую среду.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ, разрабатываемая специалистами компании Siemens и Университета Duisburg-Essen и представленная ими на 2-й Европейской конференции по СО₂-ЭУ со сверхкритическими параметрами [опубликованный доклад: “Evaluation of CO₂-power cycles for direct and waste heat applications” / Glos, Stefan; Wechsung, Michael; Schlehuber, Dominic (Siemens AG, Power and Gas Division, an der Ruhr, Germany); Wagner, Rebecca; Heidenhof, Andre (University Duisburg-Essen. Duisburg, Germany)// In: 2^nd European sCO₂ Conference, Duisburg, 2018, c.6, рисунок Fig.14]. Прототип содержит КУ, состоящий из основного подогревателя (ОП) 4 и байпасного подогревателя (БП) СО₂ в.д., расположенных в указанной последовательности по ходу дымовых газов в КУ, при этом БП выполнен, состоящим из двух участков - высокотемпературного участка 3 и низкотемпературного участка 2, высокотемпературный рекуператор (ВТР) 6, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ОП 4 по СО₂ в.д., а также содержит низкотемпературный рекуператор (НТР) 5, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ВТР 6 по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему СО₂ н.д. - с выходом ВТР 6 по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину 7, сообщенную на входе по рабочему телу с выходом ОП 4 по СО₂ в.д., на выходе по рабочему телу (СО₂ н.д.) - с входом ВТР 6 по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину, сообщенную на выходе по СО₂ н.д с входом НТР 5 по СО₂ н.д., охладитель СО₂ н.д. 9, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом НТР5 по СО₂ н.д., и компрессор 1, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя 9 по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. БП (его низкотемпературного участка 2) и НТР 5.

В данном устройстве байпасный подогреватель (его высокотемпературный участок 3) на выходе по СО₂ в.д. сообщен с входом ОП 4 по СО₂ в.д., ВТР 6 на выходе по СО₂.в.д. сообщен также с входом низкотемпературной турбины по СО₂ в.д., а НТР 5 на выходе по СО₂ в.д. сообщен с выходом низкотемпературного участка БП 2 по СО₂ в.д.

Исходя из характера изменения теплоемкости СО₂ в.д. в зависимости от температуры, наличие двух точек регулируемого распределения расхода СО₂ в.д. за ВТР 6 и НТР 5 между трактами рекуператоров и участков КУ и связанное с этим исполнение КУ в виде трех участков нагрева СО₂ в.д. позволяет снизить значения средних температурных напоров в рекуператорах и в КУ при фиксированных значениях температурных напоров в низконапорных точках КУ и рекуператоров [там же, с. 6, рисунок Fig. 15], повысить средний уровень температуры подвода тепла к СО₂ в.д. в рекуператорах и в КУ с одновременным повышением расхода СО₂ в.д. в высокотемпературную турбину и за счет этого повысить КПД утилизационной СО₂-ЭУ до уровня, близкого к максимально возможному. В сравнении с предыдущим аналогом при одинаковых значениях температурных напоров в низконапорных точках КУ и рекуператоров КПД утилизационной СО₂-ЭУ повышается более чем на 5% (относительных) при меньшем числе турбин и рекуператоров.

Недостатками прототипа являются пониженный межремонтный период и недостаточно высокая надежность. Указанные недостатки связаны с тем, что во избежание утечек рабочего тела из контура СО₂-ЭУ регулирующие распределительные устройства размещают в тракте по СО₂ в.д. (в трубопроводе) вместе с приводными электродвигателями. По крайней мере, одно из двух регулирующих устройств в прототипе должно будет работать в среде СО₂ в.д. при температуре выше 250°С, т.е. становится низкоресурсным элементом. Снижение межремонтного периода влечет за собой повышенный расход операционных запасов рабочего тела при остановах и пусках СО₂-ЭУ, а также увеличение затрат на плановую замену указанного низкоресурсного элемента. Кроме того, два регулирующих устройства, включенные последовательно в тракт СО₂ в.д., влияют на работу друг друга, вследствие чего расчетное (оптимальное) распределение расходов СО₂ в.д. достигается в динамике, а не как фиксированная величина, не меняющаяся в реальном времени при неизменных условиях эксплуатации, что также отрицательно влияет на фактическую величину эффективного КПД СО₂-ЭУ и, соответственно, КПД УКЦ в целом.

Целью заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом изобретения является исключение из конструкции утилизационной СО₂-ЭУ для УКЦ устройств автоматического регулирования распределения расхода СО₂ в.д. между трактами рекуператоров и КУ с минимальным ущербом для величины эффективного КПД УКЦ.

Определение из перечня выявленных аналогов указанного прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволило выявить в заявляемом устройстве определенную в нижеприведенной формуле изобретения совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату.

Заявляемая утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ содержит котел-утилизатор (КУ), состоящий из основного и байпасного подогревателей (ОП и БП) углекислого газа высокого давления (СО₂ в.д.), расположенных в КУ в указанной последовательности по ходу дымовых газов, высокотемпературный рекуператор (ВТР), сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ОП по СО₂ в.д., а также содержащая один низкотемпературный рекуператор (НТР), сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ВТР по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему углекислому газу низкого давления (СО₂ н.д.) - с выходом ВТР по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину, сообщенную на входе по рабочему телу (СО₂ в.д.) с выходом ОП по СО₂ в.д., на выходе по рабочему телу (СО₂ н.д.) - с входом ВТР по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину, сообщенную на выходе по рабочему телу с входом НТР по СО₂ н.д., охладитель СО₂ н.д., сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом НТР по СО₂ н.д., и нагнетатель, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя СО₂ н.д. по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. БП и НТР.

Согласно изобретению, БП на выходе по СО₂ в.д. сообщен со входом низкотемпературной турбины на входе по СО₂ в.д.

Утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ может быть также снабжена жидкостным подогревателем топлива и газовым подогревателем жидкости, размещенным в КУ по ходу дымовых газов в рассечку байпасного подогревателя и сообщенным на входе и выходе по нагреваемой жидкости, соответственно, с выходом и входом жидкостного подогревателя топлива по греющей жидкости.

В заявляемой СО₂-ЭУ рабочее тело (СО₂ в.д.) подают в высокотемпературную турбину по линии НТР-ВТР-ОП, в низкотемпературную турбину - через БП. Распределение расхода СО₂ в.д. между этими параллельными линиями в отсутствие каких-либо промежуточных поперечных гидравлических связей между ними обусловлено только пропускными способностями турбин, что обеспечивает возможность достижения оптимального распределения расходов между двумя линиями только на основе оптимизации проектных параметров оборудования на стадии проектирования, без применения средств регулирования.

В этом случае температурные напоры на концах БП, НТР и на холодных концах ВТР и ОП могут быть приняты равными минимально-допустимым значениям, но средние температурные напоры в ВТР и, особенно, в ОП и БП оказываются более высокими, чем в прототипе, что несколько снижает КПД СО₂-ЭУ по сравнению с прототипом.

Наличие жидкостного подогревателя топлива и газового подогревателя жидкости, размещенного в КУ по ходу дымовых газов в рассечку байпасного подогревателя, позволяет снизить расход топлива в УКЦ, а также снизить средние температурные напоры в БП и ОП. В этом случае снижение мощности и КПД утилизационной СО₂-ЭУ по сравнению с прототипом практически не скажется на снижении КПД УКЦ в целом, поскольку будет компенсировано снижением расхода топлива в УКЦ.

В ходе проведенного анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-исследовательским источникам информации, а также выявление других источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, технического решения, характеризующегося признаками, тождественными (эквивалентными) признакам заявляемого изобретения, не обнаружено, при этом изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники.

Сущность изобретения поясняется схематическим чертежом, представленным на фиг.1. Утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ содержит КУ 1, состоящий из основного и байпасного подогревателей СО₂ в.д. (ОП 2 и БП 3), расположенных в КУ в указанной последовательности по ходу дымовых газов, ВТР 4, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ОП 2 по СО₂ в.д., а также НТР 5, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ВТР 4 по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему СО₂ н.д. - с выходом ВТР 4 по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину 6, сообщенную на входе по рабочему телу (СО₂ в.д.) с выходом ОП 2 по СО₂ в.д., на выходе по рабочему телу (СО₂ н.д.) - с входом ВТР 4 по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину 7, сообщенную на выходе по рабочему телу с входом НТР 5 по СО₂ н.д., охладитель СО₂ н.д. 8, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом НТР 5 по СО₂ н.д., и нагнетатель (в данном примере - в виде компрессора) 9, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя СО₂ н.д. по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. БП 3 и НТР 5. Согласно изобретению, БП 3 сообщен с входом низкотемпературной турбины 7 на входе по СО₂ в.д.

В приведенном на фиг.1 примере заявляемая утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ содержит ГТУ 10 и турбогенератор утилизационной СО₂-ЭУ 11, а также жидкостной (в данном примере - водяной) подогреватель топлива (ВПТ) 12 и газовый подогреватель жидкости (в данном случае - воды) 13, размещенный в КУ 1 по ходу дымовых газов в рассечку БП 3 и сообщенный на входе и выходе по нагреваемой воде, соответственно, с выходом и входом ВПТ 12 по греющей воде. В данном примере газовый подогреватель воды (ГПВ) 13 на входе по воде сообщен с ВПТ 12 на выходе по греющей воде через циркуляционный насос 14.

Утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ следующим образом.

Охлажденный в охладителе 8 СО₂ н.д. сжимают компрессором 9 до высокого давления и подают на входы по СО₂ в.д. БП 3 и НТР 5. СО₂ в.д., поступивший в БП 3, нагревают в БП3 и подают в низкотемпературную турбину 7, где СО₂ в.д., расширяясь до низкого давления, совершает работу по приводу компрессора 9 и турбогенератора 11. Отработанный СО₂ н.д. из низкотемпературной турбины 7 подают на вход по греющему теплоносителю НТР 5, где СО₂ н.д. охлаждается, отдавая свое тепло на нагрев СО2 в.д., далее, СО₂ н.д. поступает в охладитель 8, где СО₂ н.д. охлаждают, в данном примере, жидким охлаждающим теплоносителем и подают на вход компрессора 9.

СО₂ в.д., поступивший в НТР 5, последовательно нагревают в НТР5, ВТР 4, в ОП 2 и подают в высокотемпературную турбину 6, где СО₂ в.д., расширяясь до низкого давления, совершает работу по приводу компрессора 9 и турбогенератора 11. Отработанный СО₂ н.д. из высокотемпературной турбины 6 подают на вход по греющему теплоносителю ВТР 4, где СО₂ н.д. охлаждается примерно до температуры СО₂ н.д. за низкотемпературной турбиной 7, отдавая тепло на нагрев СО₂ в.д., далее, греющий и СО₂ н.д. подают в НТР 5.

Поскольку в высокотемпературную турбину 6 СО₂ в.д. подают по линии НТР 5 - ВТР 4 - ОП 2, а в низкотемпературную турбину 7 - только через БП 3, то распределение расхода СО₂ в.д. между этими параллельными линиями в отсутствие каких-либо промежуточных поперечных гидравлических связей между ними обусловлено только пропускными способностями турбин 6 и 7. Это обеспечивает возможность достижения оптимального распределения расходов между двумя линиями только на основе оптимизации проектных параметров оборудования - пропускных способностей турбин, параметров теплопередающих поверхностей КУ 1, рекуператоров 4 и 5, давлений переда и за турбинами и др. - на стадии проектирования, без применения средств регулирования.

Расход теплоты на участке КУ 1 за ОП 2 - в БП 3 и ГПВ 13 - определяется температурными напорами на концах БП 3. Включение ГПВ 13 в рассечку БП 3 приводит к снижению расхода тепла в БП 3 и, соответственно, к снижению расхода СО₂ в.д. в низкотемпературную турбину 7. Однако поскольку при этом снижаются средние температурные напоры в ОП 2 и в БП 3, т.е. повышается средний уровень температуры подвода тепла к рабочему телу в КУ 1, то мощность и КПД утилизационной СО₂-ЭУ снижаются незначительно, в то время как расход топлива (например, метана) в УКЦ при нагреве до 200°С снижается примерно на 1%, что эквивалентно повышению КПД и мощности утилизационной СО₂-ЭУ примерно на 3% (относительных). Таким образом, включение в схему заявляемой утилизационной СО₂-ЭУ ВПТ 12 и ГПВ 13, согласно п.2 формулы, обеспечивает достижение заявленного технического результата практически без снижения КПД УКЦ в целом по сравнению с прототипом.

Приведенный на фиг.1 пример реализации заявляемого изобретения представлен для иллюстрации отличительных признаков по обоим пунктам формулы и не исчерпывает всех возможных вариантов его реализации, которые могут отличаться исполнением нагнетателя (компрессор или насос), охладителя (охладитель или охладитель-конденсатор), наличием или отсутствием водяного (жидкостного) подогревателя топлива, химическим составом жидкости (вода, раствор антифриза и др.), охлаждающим теплоносителем (вода, раствор антифриза, воздух). Нагнетатель может быть выполнен двухкаскадным с промежуточным охладителем, как в упомянутом корейском аналоге, и т.п.

В любом из перечисленных вариантов применения заявляемого изобретения обеспечивается достижение заявленного технического результата с минимальным ущербом для эффективного КПД УКЦ по сравнению с прототипом или вообще без такового.

Изобретение относится к области энергетики. Утилизационная углекислотная энергоустановка для установки комбинированного цикла содержит котел-утилизатор, состоящий из основного и байпасного подогревателей углекислого газа высокого давления (СО₂ в.д.), расположенных в котле-утилизаторе в указанной последовательности по ходу дымовых газов, высокотемпературный рекуператор, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом основного подогревателя по СО₂ в.д., также содержит, по крайней мере, один низкотемпературный рекуператор, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. со входом высокотемпературного рекуператора по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему углекислому газу низкого давления (СО₂ н.д.) - с выходом высокотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину, сообщенную на входе по рабочему телу (СО₂ в.д.) с выходом основного подогревателя по СО₂ в.д., на выходе по рабочему телу (СО₂ н.д.) - с входом высокотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину, сообщенную на выходе по рабочему телу с входом низкотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., охладитель углекислого газа низкого давления, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом низкотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., и нагнетатель, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя углекислого газа низкого давления по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. байпасного подогревателя и низкотемпературного рекуператора. Байпасный подогреватель на выходе по СО₂ в.д. сообщен со входом низкотемпературной турбины на входе по СО₂ в.д. Изобретение позволяет повысить КПД установок комбинированного цикла с газотурбинным двигателем мощностью не выше 50…60 МВт. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Утилизационная углекислотная энергоустановка для установки комбинированного цикла, содержащая котел-утилизатор, состоящий из основного и байпасного подогревателей углекислого газа высокого давления (СО₂ в.д.), расположенных в котле-утилизаторе в указанной последовательности по ходу дымовых газов, высокотемпературный рекуператор, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом основного подогревателя по СО₂ в.д., а также содержащая, по крайней мере, один низкотемпературный рекуператор, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом высокотемпературного рекуператора по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему углекислому газу низкого давления (СО₂ н.д.) - с выходом высокотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину, сообщенную на входе по рабочему телу СО₂ в.д. с выходом основного подогревателя по СО₂ в.д., на выходе по рабочему телу СО₂ н.д. - с входом высокотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину, сообщенную на выходе по рабочему телу с входом низкотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., охладитель углекислого газа низкого давления, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом низкотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., и нагнетатель, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя углекислого газа низкого давления по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. байпасного подогревателя и низкотемпературного рекуператора, отличающаяся тем, что байпасный подогреватель на выходе по СО₂ в.д. сообщен со входом низкотемпературной турбины на входе по СО₂ в.д.

2. Утилизационная углекислотная энергоустановка для установки комбинированного цикла по п.1, отличающаяся тем, что содержит жидкостный подогреватель топлива и газовый подогреватель жидкости, размещенный в котле-утилизаторе по ходу дымовых газов в рассечку байпасного подогревателя и сообщенный на входе и выходе по нагреваемой жидкости, соответственно, с выходом и входом жидкостного подогревателя топлива по греющей жидкости.