Кислородно-топливная энергоустановка Российский патент 2021 года по МПК F02C1/00 F02C1/08 F23L7/00 F02C3/34 F01K23/10 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при разработке электрических станций с нулевыми выбросами вредных веществ в атмосферу.

Известна энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Bolland О., Saether S. New concepts for natural gas fired power plants which simplify the recovery of carbon dioxide // Energy Conversion and Management. - 1992. - T. 33. - №. 5-8. - C. 467-475.), содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, насос, электрогенератор.

Недостатком данного технического решения являются большие потери энергии в охладителе-сепараторе.

Также известна энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Mathieu P. et al. New concept of CO₂ removal technologies in power generation, combined with fossil fuel recovery and long term CO₂ sequestration // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. - American Society of Mechanical Engineers, 2000. - T. 78552. - C. V002T04A011.), содержащая воздухоразделительную установку, газовую турбину, топливный компрессор, регенератор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор, насос, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, электрогенератор.

Недостатком данного технического решения являются большие потери энергии в охладителе-сепараторе.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Allam R.J. et al. System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid: патент US 8596075, МПК F02C 1/00, опубл. 03.12.2013), содержащая многоступенчатый компрессор, насос, воздушный компрессор, воздухоразделительную установку, регенератор, камеру сгорания, топливный компрессор, газовую турбину, систему охлаждения, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, электрогенератор.

Недостатком данного технического решения являются большие потери энергии в охладителе-сепараторе и в кислородно-топливной энергоустановке в целом.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении потерь в холодном источнике, а также дополнительной выработке электроэнергии.

Технический результат заключается в повышении электрического КПД энергоустановки.

Это достигается тем, что кислородно-топливная энергоустановка, содержащая многоступенчатый компрессор, выход которого соединен с входом насоса, выход которого параллельно соединен с входами холодных контуров теплоносителя первого и второго многопоточных поверхностных теплообменников, выходы которых соединены с входами холодных контуров теплоносителя третьего и четвертого многопоточных поверхностных теплообменников соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами камеры сгорания, выход которой соединен с входом газовой турбиной, выход которой параллельно соединен с входами горячих контуров теплоносителей третьего и четвертого многопоточных поверхностных теплообменников, а их выходы соединены с входом охладителя-сепаратора, выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом многоступенчатого компрессора, топливный компрессор, выход которого соединен с третьим входом камеры сгорания, воздухоразделительную установку, первый выход которой параллельно соединен с входами горячих контуров теплоносителей первого и второго многопоточных поверхностных теплообменников, а их выходы соединены с входом воздухоразделительной установки, второй выход воздухоразделительной установки соединен с входом воздушного компрессора, а его выход также соединен с входом холодного контура теплоносителя второго многопоточного поверхностного теплообменника, электрогенератор, расположенный на одном валу с газовой турбиной, снабжена закрытой системой охлаждения, турбодетандером и дополнительным электрогенератором, при этом третий выход воздухоразделительной установки соединен с входом закрытой системы охлаждения газовой турбины, а ее выход соединен с турбодетандером, который расположен на одном валу с дополнительным электрогенератором.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема кислородно-топливной энергоустановки.

Кислородно-топливная энергоустановка содержит многоступенчатый компрессор 1, насос 2, воздушный компрессор 3, воздухоразделительную установку 4, первый многопоточный поверхностный теплообменник 5, содержащий горячий контур теплоносителя 6 и холодный контур теплоносителя 7, второй многопоточный поверхностный теплообменник 8, содержащий горячий контур теплоносителя 9 и холодный контур теплоносителя 10, третий многопоточный поверхностный теплообменник 11, содержащий горячий контур теплоносителя 12 и холодный контур теплоносителя 13, четвертый многопоточный поверхностный теплообменник 14, содержащий горячий контур теплоносителя 15 и холодный контур теплоносителя 16, камеру сгорания 17, топливный компрессор 18, газовую турбину 19, охладитель-сепаратор 20, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 21, турбодетандер 22, закрытую систему охлаждения 23, электрогенератор 24 и дополнительный электрогенератор 25.

Вход многоступенчатого компрессора 1 выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, а выход многоступенчатого компрессора 1 соединен с входом насоса 2. Выход насоса 2 параллельно соединен с входом холодного контура теплоносителя 7 первого многопоточного поверхностного теплообменника 5 и с входом холодного контура теплоносителя 10 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8. Также к входу холодного контура теплоносителя 10 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8 подключен выход воздушного компрессора 3. Выход холодного контура теплоносителя 7 первого многопоточного поверхностного теплообменника 5 соединен с входом холодного контура теплоносителя 13 третьего многопоточного поверхностного теплообменника 11, а выход холодного контура теплоносителя 10 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8 соединен с входом холодного контура теплоносителя 16 четвертого многопоточного поверхностного теплообменника 14. Выходы холодного контура теплоносителя 13 третьего многопоточного поверхностного теплообменника 11 и холодного контура теплоносителя 16 четвертого многопоточного поверхностного теплообменника 14 соединены с первым и вторым входом камеры сгорания 17. Также к третьему входу камеры сгорания 17 подключен выход топливного компрессора 18. Выход камеры сгорания 17 соединен с входом газовой турбины 19, которая механически соединена с электрогенератором 24. Выход газовой турбины 19 параллельно соединен с входом горячего контура теплоносителя 12 третьего многопоточного поверхностного теплообменника 11 и с входом горячего контура теплоносителя 15 четвертого многопоточного поверхностного теплообменника 14. Выход горячего контура теплоносителя 12 третьего многопоточного поверхностного теплообменника 11 и выход горячего контура теплоносителя 15 четвертого многопоточного поверхностного теплообменника 14 соединены с входом охладителя-сепаратора 20. Первый выход охладителя-сепаратора 20 параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора 1 и входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 21. Первый выход воздухоразделительной установки 4, которая выполнена с возможностью подачи атмосферного воздуха, параллельно соединен с входом горячего контура теплоносителя 6 первого многопоточного поверхностного теплообменника 5 и входом горячего контура теплоносителя 9 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8. Выход горячего контура теплоносителя 6 первого многопоточного поверхностного теплообменника и выход горячего контура теплоносителя 9 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8 соединены с входом воздухоразделительной установки 4. Второй выход воздухоразделительной установки 4 соединен с входом воздушного компрессора 3 и третий выход воздухоразделительной установки 4 соединен с входом закрытой системы охлаждения 23 газовой турбины 19. Выход закрытой системы охлаждения 23 подключен ко входу турбодетандера 22, который механически соединен с дополнительным электрогенератором 25.

Кислородно-топливная энергоустановка работает следующим образом.

В многоступенчатый компрессор 1 подается диоксид углерода, который после сжатия направляется в насос 2, после этого сжатый диоксид углерода разделяется на два потока. Первый поток направляется в холодный контур теплоносителя 7 первого многопоточного поверхностного теплообменника 5, где он нагревается потоком воздуха из первого выхода воздухоразделительной установки 4, проходящим через горячий контур теплоносителя 6 первого многопоточного поверхностного теплообменника 5.

Второй поток смешивается с предварительно сжатым в воздушном компрессоре 3 кислородом из второго выхода воздухоразделительной установки 4 и попадает в холодный контур теплоносителя 10 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8, где также нагревается потоком воздуха из первого выхода воздухоразделительной установки 4, проходящим через горячий контур теплоносителя 9 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8. После потоки сжатого воздуха из горячего контура теплоносителя 6 первого многопоточного поверхностного теплообменника 5 и горячего контура теплоносителя 9 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8 попадают в воздухоразделительную установку 4. Затем, после первичного подогрева, первый поток из холодного контура теплоносителя 7 первого многопоточного поверхностного теплообменника 5 направляется в холодный контур теплоносителя 13 третьего многопоточного поверхностного теплообменника 11, где он нагревается потоком выхлопных газов газовой турбины 19, проходящим через горячий контур теплоносителя 12 третьего многопоточного поверхностного теплообменника 11. Второй поток из холодного контура теплоносителя 10 второго многопоточного поверхностного теплообменника 8 попадает в холодный контур теплоносителя 16 четвертого многопоточного поверхностного теплообменника 14, где также нагревается потоком выхлопных газов газовой турбины 19, проходящим через горячий контур теплоносителя 15 четвертого многопоточного поверхностного теплообменника 14. После нагрева диоксида углерода первый поток направляется в первый вход камеры сгорания 17, а второй поток во второй вход камеры сгорания 17, а в третий вход камеры сгорания 17 поступает сжатое топливным компрессором 18 топливо. После сгорания горячей смеси в камере сгорания 17 и выработки полезной работы в газовой турбине 19 выхлопные газы разделяются на два потока. Первый поток проходит через горячий контур теплоносителя 12 третьего многопоточного поверхностного теплообменника 11, второй поток проходит через горячий контур теплоносителя 15 четвертого многопоточного поверхностного теплообменника 14 и затем оба потока попадают в охладитель-сепаратор 20, в котором выхлопные газы охлаждаются и из них удаляются водяные пары. Избыток углекислого газа, образовавшийся в результате сжигания метане в кислороде удаляется с помощью многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 21.

Оставшаяся рабочая среда снова направляется на вход многоступенчатого компрессора 1. Для охлаждения газовой турбины 19 используется закрытая система охлаждения 23, в каналах которой в качестве хладагента используется азот, поступающий из третьего выхода воздухоразделительной установкой 4. После прохождения азота через закрытую систему охлаждения 23 нагретый азот расширяется в турбодетандере 22 для выработки дополнительной электроэнергии.

Результаты расчетов показателей тепловой эффективности кислородно-топливной энергоустановки, показали, что электрический КПД нетто вырос на 1,19%.

Использование изобретения позволяет повысить электрический КПД нетто кислородно-топливной энергоустановки за счет установки турбодетандера 22 и за счет исключения отборов рабочей среды из регенеративной теплообменной системы, состоящей из четырех многопоточных поверхностных теплообменников 5, 8, 11, 14, на охлаждение газовой турбины. В предлагаемой схеме охлаждение газовой турбины осуществляется с помощью азота произведенного воздухоразделительной установкой 4 за счет подвода хладагента в лопатки газовой турбины, который после расширяется в турбодетандере 22 и вырабатывает электроэнергию.

Изобретение относится к области электроэнергетики, может быть использовано при разработке электрических станций с нулевыми выбросами вредных веществ в атмосферу и направлено на повышение электрического КПД энергоустановки. Кислородно-топливная энергоустановка содержит многоступенчатый компрессор 1, насос 2, воздушный компрессор 3, воздухоразделительную установку 4. Первый многопоточный поверхностный теплообменник 5 содержит горячий контур теплоносителя 6 и холодный контур теплоносителя 7, второй многопоточный поверхностный теплообменник 8 содержит горячий контур теплоносителя 9 и холодный контур теплоносителя 10, третий многопоточный поверхностный теплообменник 11 содержит горячий контур теплоносителя 12 и холодный контур теплоносителя 13, четвертый многопоточный поверхностный теплообменник 14 содержит горячий контур теплоносителя 15 и холодный контур теплоносителя 16. Установка содержит камеру сгорания 17, топливный компрессор 18, газовую турбину 19, охладитель-сепаратор 20, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 21, турбодетандер 22, закрытую систему охлаждения 23, электрогенератор 24 и дополнительный электрогенератор 25. Выход воздухоразделительной установки 4 соединен с входом закрытой системы охлаждения 23 газовой турбины 19, а ее выход соединен с турбодетандером 22, который расположен на одном валу с дополнительным электрогенератором 25. 1 ил.

Кислородно-топливная энергоустановка, содержащая многоступенчатый компрессор, выход которого соединен с входом насоса, выход которого параллельно соединен с входами холодных контуров теплоносителя первого и второго многопоточных поверхностных теплообменников, выходы которых соединены с входами холодных контуров теплоносителя третьего и четвертого многопоточных поверхностных теплообменников соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами камеры сгорания, выход которой соединен с входом газовой турбины, выход которой параллельно соединен с входами горячих контуров теплоносителей третьего и четвертого многопоточных поверхностных теплообменников, а их выходы соединены с входом охладителя-сепаратора, выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом многоступенчатого компрессора, топливный компрессор, выход которого соединен с третьим входом камеры сгорания, воздухоразделительную установку, первый выход которой параллельно соединен с входами горячих контуров теплоносителей первого и второго многопоточных поверхностных теплообменников, а их выходы соединены с входом воздухоразделительной установки, второй выход воздухоразделительной установки соединен с входом воздушного компрессора, а его выход также соединен с входом холодного контура теплоносителя второго многопоточного поверхностного теплообменника, электрогенератор, расположенный на одном валу с газовой турбиной, отличающаяся тем, что снабжена закрытой системой охлаждения, турбодетандером и дополнительным электрогенератором, при этом третий выход воздухоразделительной установки соединен с входом закрытой системы охлаждения газовой турбины, а ее выход соединен с турбодетандером, который расположен на одном валу с дополнительным электрогенератором.