ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА Российский патент 2023 года по МПК F02C3/00 

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам для выработки тепловой и механической энергий.

Известен способ регулирования и установка для выработки механической и тепловой энергии (патент RU №2698865, опубл. 30.08.2019), выполненный с возможностью сжижения природного газа и включающий 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, и включающий этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину; (b) ОГ из турбины поступают в первый охладитель ОГ; (с) ОГ из первого охладителя подают в первый контактный охладитель, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из ОГ путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя; (d) ОГ из первого контактного охладителя, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор; (е) сжатые компрессором ОГ подают во второй контактный охладитель, где они охлаждаются; (f) из второго контактного охладителя охлажденные ОГ поступают во второй охладитель, где ОГ охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя; (g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя воды поступает на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе, поступает на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (i) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания, при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости для накопления углеродсодержащего топлива.

К недостаткам представленного аналога можно отнести невозможность использования природного газа, содержащегося в воздухе, поступающим из угольной шахты, ввиду широкого диапазона концентраций природного газа в этом воздухе, а также отсутствует возможность повышения концентрации природного газа за счет увеличения метаноотдачи разрабатываемого угольного пласта, что также ухудшает экологические показатели установки, а также низкое использование тепловой энергии сред, что обуславливает низкий КПД и эффективность установки.

Известен энерготехнологический комплекс для выработки тепловой и механической энергий и способ работы комплекса, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (патент RU 2732530, опубл. 21.09.2020), включающий энергетическую установку, состоящую из камеры сгорания, парогазовой турбины, соединенной с генератором электрической энергии, линий подачи кислорода, природного газа, воды и диоксида углерода в камеру сгорания, а также линию охлаждения отработанных газов, выполненную с возможностью конденсации воды и диоксида углерода. Комплекс дополнительно включает установку криогенного разделения воздуха и систему вентиляции угольной шахты. При этом система вентиляции угольной шахты соединена линией подачи воздуха из угольной шахты с установкой криогенного разделения воздуха, выполненной с возможностью обеспечения подачи сжиженного кислорода и сжиженного природного газа в энергетическую установку, которая также выполнена с возможностью передачи выработанной электрической энергии к угольной шахте, а кроме того, передачи выработанной энергии к установке криогенного разделения воздуха.

Способ работы энерготехнологического комплекса, заключающийся в том, что из системы вентиляции угольной шахты воздух подают в установку криогенного разделения воздуха, обеспечивают подачу сжиженных в установке криогенного разделения воздуха природного газа и кислорода в линии подачи сжиженного природного газа и сжиженного кислорода энергетической установки и далее подают в камеру сгорания энергетической установки, из камеры сгорания газы подают в парогазовую турбину, соединенную с генератором электрической энергии, при этом выработанную электрическую энергию подают к угольной шахте, а также выработанную энергию подают к установке криогенного разделения воздуха, после парогазовой турбины отработанные газы подают в линию охлаждения отработанных газов, где их охлаждают до температур, обеспечивающих возможность конденсации содержащейся в отработанных газах воды и диоксида углерода, по меньшей мере часть которых подают в камеру сгорания энергетической установки.

К недостаткам представленного наиболее близкого аналога можно отнести низкий уровень выхода шахтного метана из-за отсутствия непосредственного использования диоксида углерода от выхлопа энергетической установки в угольной шахте, что также ухудшает экологические показатели установки, а также характеризуется значительными затратами энергии на хранение и транспортировку диоксида углерода от энерготехнологического комплекса к внешнему потребителю для использования или захоронения, обуславливает низкий КПД и эффективность комплекса.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении КПД и эффективности комплекса, за счет повышения количества извлекаемого природного газа (метана) из угольного пласта угольной шахты, а также снижение затрат энергии на подачу чистого диоксида углерода с высоким давлением напрямую из энергетической установки.

Технический результат достигается энерготехнологическим комплексом для выработки тепловой и механической энергий, включающим энергетическую установку, которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, а также выполнена с возможностью выработки электрической энергии генератором, соединенным с парогазовой турбиной, и с возможностью охлаждения отработанных газов до конденсации из них воды и диоксида углерода, установку криогенного разделения воздуха (УРВ), выполненную с возможностью подачи кислорода, сжиженного природного газа и сжиженного азота в энергетическую установку, угольную шахту, система вентиляции которой соединена линией подачи воздуха с УРВ, при этом энергетическая установка также соединена линией подачи электрической энергии с угольной шахтой и линией подачи электрической и/или механической энергии с УРВ, при этом энергетическая установка дополнительно соединена линией подачи сконденсированного диоксида углерода, с системой дегазации угольной шахты, включающей трубопровод нагнетания диоксида углерода в разрабатываемый угольный пласт через по меньшей мере одну скважину.

УРВ дополнительно соединена с системой дегазации угольной шахты.

Линия подачи сконденсированного диоксида углерода в угольную шахту содержит насос, который выполнен с возможностью подачи диоксида углерода в систему дегазации шахты.

Комплекс дополнительно выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода, аргона, первичного криптоксенонового концентрата, неоногелиевой смеси от УРВ к внешнему потребителю, а также энергетическая установка выполнена с возможностью передачи электрической энергии, тепловой энергии, в качестве носителя которой является вода к внешнему потребителю.

Технический результат также достигается способом работы энерготехнологического комплекса, заключающимся в том, что из системы вентиляции угольной шахты воздух подают в установку криогенного разделения воздуха (УРВ), где его разделяют и сжижают и обеспечивают подачу сжиженных в УРВ кислорода и природного газа в энергетическую установку, работающую по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, и далее подают в камеру сгорания энергетической установки, из которой газы подают в парогазовую турбину, соединенную с генератором электрической энергии, при этом выработанную электрическую энергию подают к угольной шахте, а также выработанную электрическую и/или механическую энергию подают к УРВ, после парогазовой турбины отработанные газы подают в линию охлаждения отработанных газов, где их охлаждают до температур, обеспечивающих возможность конденсации содержащейся в отработанных газах воды и диоксида углерода, по меньшей мере часть которых подают в камеру сгорания энергетической установки, а другую часть CO₂ - в трубопровод системы дегазации угольной шахты для нагнетания диоксида углерода в разрабатываемый угольный пласт через по меньшей мере одну скважину.

Дополнительно из системы дегазации угольной шахты газы, содержащие природный газ, подают в УРВ, где их разделяют и сжижают.

Дополнительно насосом обеспечивают подачу и поддержание давления для подаваемого от энергетической установки в угольную шахту диоксида углерода.

Дополнительно обеспечивают передачу сжиженного кислорода, аргона, первичного криптоксенонового концентрата, неоногелиевой смеси от УРВ к внешнему потребителю, а также обеспечивают передачу от энергетической установки электрической энергии, тепловой энергии, в качестве носителя которой является вода к внешнему потребителю.

На представленной фигуре показана схема энерготехнологического комплекса для выработки тепловой и механической энергий.

На представленной фигуре обозначены следующие элементы.

1 - энергетическая установка;

2 - установка криогенного разделения воздуха (УРВ);

3 - угольная шахта;

4 - внешний потребитель;

5 - линия подачи воздуха из угольной шахты (3);

6 - линия подачи сжиженного кислорода в энергетическую установку (1);

7 - линия подачи сжиженного природного газа в энергетическую установку (1);

8 - линия подачи электрической энергии от энергетической установки (1) в угольную шахту (3);

9 - линия подачи сконденсированного диоксида углерода в систему дегазации угольной шахты (3);

10 - линия подачи газов из системы дегазации угольной шахты (3) в УРВ (2).

Энерготехнологический комплекс для выработки тепловой и механической энергий включает энергетическую установку (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки и включает камеру сгорания, парогазовую турбину, соединенную с генератором электрической энергии, линий подачи кислорода, природного газа, воды и диоксида углерода в камеру сгорания под давлением по меньшей мере 7,5 МПа, а также линии охлаждения отработанных газов, выполненную с возможностью конденсации воды и диоксида углерода.

Комплекс также включает установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), выполненную с возможностью подачи кислорода, сжиженного природного газа и сжиженного азота в энергетическую установку (1), угольную шахту (3), система вентиляции которой соединена линией (5) подачи воздуха с УРВ (2). Энергетическая установка (1) также соединена линией (8) подачи электрической энергии с угольной шахтой (3) и линией подачи электрической и/или механической энергии с УРВ (2), а именно по меньшей мере часть компрессоров УРВ (2) может приводится электрическими двигателями, а другая часть - за счет привода компрессоров от парогазовой турбины, или только одним из указанных видов энергии. Энергетическая установка (1) дополнительно соединена линией (9) подачи сконденсированного диоксида углерода с системой дегазации угольной шахты (3), включающей трубопровод нагнетания диоксида углерода в разрабатываемый угольный пласт через по меньшей мере одну скважину, при этом непосредственная подача чистого диоксида углерода, повышает КПД и эффективность комплекса, за счет повышения количества извлекаемого природного газа из угольного пласта, а также снижение затрат энергии на подачу чистого диоксида углерода с высоким давлением напрямую из энергетической установки (1). Таким образом, система дегазации угольной шахты (3), как правило, включает по меньшей мере одну скважину для подачи диоксида углерода в разрабатываемый пласт, по меньшей мере одну дегазационную скважину, через которую отводится природный газ в систему дегазации угольной шахты (3) (см. О.В. Тайлаков, Д.Н. Застрелов, Е.А. Уткаев, М.П. Макеев, Применение двуокиси углерода для интенсификации газоотдачи разрабатываемого угольного пласта. Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2020. Вып. 4, стр. 461-466) и далее к потребителю, например, в УРВ (2).

Количество скважин, через которые подается диоксид углерода в разрабатываемый угольный пласт, может зависеть от различных факторов, например, длину раскрытых при гидрорасчленении трещин, мощность пласта, фильтрующую пористость пласта, температуру закачиваемого вещества, давление последнего и температуру пласта (см. патент RU 2121062).

УРВ (2) дополнительно соединена с системой дегазации угольной шахты (3) через линию (10) подачи газов из системы дегазации угольной шахты (3) или через линию (5) подачи воздуха из угольной шахты, что дополнительно повышает КПД и эффективность комплекса, за счет повышения использования природного газа, содержащегося в угольных пластах.

Линия (9) подачи сконденсированного диоксида углерода в угольную шахту (3) может дополнительно содержать насос, который выполнен с возможностью подачи и поддержания заданного давления для диоксида углерода, поступающего в систему дегазации шахты, при этом так как энергетическая установка (1) содержит диоксид углерода в жидком состоянии, то затраты энергии на поддержание давления и перекачку насосом снижаются, повышая таким образом КПД и эффективность комплекса в целом.

Комплекс дополнительно выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода, аргона, первичного криптоксенонового концентрата, неоногелиевой смеси от УРВ (2) к внешнему потребителю (4), а также энергетическая установка (1) выполнена с возможностью передачи электрической энергии, тепловой энергии, в качестве носителя которой является вода к внешнему потребителю (4), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред с целью дальнейшего получения финансовой выгоды, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет исключения выброса природного газа в атмосферу.

Энерготехнологический комплекс работает следующим образом.

Из системы вентиляции угольной шахты (3) воздух, содержащий природный газ, что повышает эффективность комплекса в целом за счет использования природного газа из шахтного воздуха, подают в установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ). В ходе криогенного разделения воздуха от угольной шахты (3) в ступенях охлаждения УРВ (2) получают сжиженные природный газ, кислород, азот, аргон, неоногелиевую смесь, первичный криптоноксеноновый концентрат и диоксид углерода, которые могут быть направлены к внешнему потребителю.

Из УРВ (2) по меньшей мере часть сжиженного кислорода и природного газа подают в энергетическую установку (1), работающую по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, и далее подают в камеру сгорания энергетической установки (1), что позволяет повысить эффективность комплекса. Из камеры сгорания газы подают в парогазовую турбину, соединенную с генератором электрической энергии, при этом выработанную электрическую энергию подают к угольной шахте (3), а также выработанную электрическую и/или механическую энергию подают к УРВ (2). После парогазовой турбины отработанные газы подают в линию охлаждения отработанных газов, где их охлаждают до температур, обеспечивающих возможность конденсации содержащейся в отработанных газах воды и диоксида углерода, по меньшей мере часть которых подают в камеру сгорания энергетической установки (1), а другую часть - в трубопровод системы дегазации угольной шахты (3) для нагнетания диоксида углерода в разрабатываемый угольный пласт через по меньшей мере одну скважину, при этом непосредственная подача чистого диоксида углерода, повышает КПД и эффективность комплекса, за счет повышения количества извлекаемого природного газа из угольного пласта, а также снижение затрат энергии на подачу чистого диоксида углерода с высоким давлением напрямую из энергетической установки (1).

Также из системы дегазации угольной шахты (3) газы, содержащие природный газ, подают в УРВ (2) через линию (10) подачи газов из системы дегазации угольной шахты (3) или через линию (5) подачи воздуха из угольной шахты, где их разделяют и сжижают, что дополнительно повышает КПД и эффективность комплекса, за счет повышения использования природного газа, содержащегося в угольных пластах.

При необходимости поддержания или увеличения давления диоксида углерода, подаваемого от энергетической установки (1) в систему дегазации угольной шахты (3), дополнительно насосом обеспечивают такое поддержание или увеличение давления, введу того, что энергетическая установка (1) содержит диоксид углерода в жидком состоянии, то затраты энергии на поддержание давления и перекачку насосом снижаются, повышая таким образом КПД и эффективность комплекса в целом.

Дополнительно обеспечивают передачу сжиженного кислорода, аргона, первичного криптоксенонового концентрата, неоногелиевой смеси от УРВ (2) к внешнему потребителю (4), а также обеспечивают передачу от энергетической установки (1) электрической энергии, тепловой энергии, в качестве носителя которой является вода к внешнему потребителю (4), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред с целью дальнейшего получения финансовой выгоды, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет исключения выброса природного газа в атмосферу.

Таким образом, достигается повышении КПД и эффективности комплекса, за счет повышения количества извлекаемого природного газа (метана) из угольного пласта угольной шахты, а также снижение затрат энергии на подачу чистого диоксида углерода с высоким давлением напрямую из энергетической установки, а также обеспечение возможности более полного сбора побочных газовых продуктов.

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам для выработки тепловой и механической энергий. Энерготехнологический комплекс для выработки тепловой и механической энергий включает энергетическую установку (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, а также выполнена с возможностью выработки электрической энергии генератором, соединенным с парогазовой турбиной, и с возможностью охлаждения отработанных газов до конденсации из них воды и диоксида углерода, установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), выполненную с возможностью подачи кислорода, сжиженного природного газа и сжиженного азота в энергетическую установку (1), угольную шахту (3), система вентиляции которой соединена линией (5) подачи воздуха с УРВ (2), при этом энергетическая установка (1) также соединена линией (8) подачи электрической энергии с угольной шахтой (3) и линией подачи электрической и/или механической энергии с УРВ (2). Энергетическая установка (1) дополнительно соединена линией (9) подачи сконденсированного диоксида углерода с системой дегазации угольной шахты (3), включающей трубопровод нагнетания диоксида углерода в разрабатываемый угольный пласт через по меньшей мере одну скважину. Также раскрыт способ работы энерготехнологического комплекса. Технический результат заключается в повышении КПД и эффективности комплекса, за счет повышения количества извлекаемого природного газа (метана) из угольного пласта угольной шахты, а также снижение затрат энергии на подачу чистого диоксида углерода с высоким давлением напрямую из энергетической установки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энерготехнологический комплекс для выработки тепловой и механической энергий, включающий энергетическую установку (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, а также выполнена с возможностью выработки электрической энергии генератором, соединенным с парогазовой турбиной, и с возможностью охлаждения отработанных газов до конденсации из них воды и диоксида углерода, установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), выполненную с возможностью подачи кислорода, сжиженного природного газа и сжиженного азота в энергетическую установку (1), угольную шахту (3), система вентиляции которой соединена линией (5) подачи воздуха с УРВ (2), при этом энергетическая установка (1) также соединена линией (8) подачи электрической энергии с угольной шахтой (3) и линией подачи электрической и/или механической энергии с УРВ (2), отличающийся тем, что энергетическая установка (1) дополнительно соединена линией (9) подачи сконденсированного диоксида углерода с системой дегазации угольной шахты (3), включающей трубопровод нагнетания диоксида углерода в разрабатываемый угольный пласт через по меньшей мере одну скважину.

2. Энерготехнологический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что УРВ (2) дополнительно соединена с системой дегазации угольной шахты (3).

3. Энерготехнологический комплекс по п. 1 или 2, отличающийся тем, что линия (9) подачи сконденсированного диоксида углерода в угольную шахту (3) содержит насос, который выполнен с возможностью подачи диоксида углерода в систему дегазации шахты.

4. Энерготехнологический комплекс по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он дополнительно выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода, аргона, первичного криптоксенонового концентрата, неоногелиевой смеси от УРВ (2) к внешнему потребителю (4), а также энергетическая установка (1) выполнена с возможностью передачи электрической энергии, тепловой энергии, в качестве носителя которой является вода к внешнему потребителю (4).

5. Способ работы энерготехнологического комплекса для выработки тепловой и механической энергий по п. 1, заключающийся в том, что из системы вентиляции угольной шахты (3) воздух подают в установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), где его разделяют и сжижают, далее обеспечивают подачу сжиженных в УРВ (2) кислорода и природного газа в энергетическую установку (1), работающую по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, и далее подают в камеру сгорания энергетической установки (1), из которой газы подают в парогазовую турбину, соединенную с генератором электрической энергии, при этом выработанную электрическую энергию подают к угольной шахте (3), а также выработанную электрическую и/или механическую энергию подают к УРВ (2), после парогазовой турбины отработанные газы подают в линию охлаждения отработанных газов, где их охлаждают до температур, обеспечивающих возможность конденсации содержащейся в отработанных газах воды и диоксида углерода, по меньшей мере часть которых подают в камеру сгорания энергетической установки (1), при этом другую часть диоксида углерода подают в трубопровод системы дегазации угольной шахты (3) для нагнетания диоксида углерода в разрабатываемый угольный пласт через по меньшей мере одну скважину.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что дополнительно из системы дегазации угольной шахты (3) газы, содержащие природный газ, подают в УРВ (2), где их разделяют и сжижают.

7. Способ по пп. 5, 6, отличающийся тем, что дополнительно насосом обеспечивают подачу и поддержание давления для подаваемого от энергетической установки (1) в угольную шахту (3) диоксида углерода.

8. Способ по пп. 5-7, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивают передачу сжиженного кислорода, аргона, первичного криптоксенонового концентрата, неоногелиевой смеси от УРВ (2) к внешнему потребителю (4), а также обеспечивают передачу от энергетической установки (1) электрической энергии, тепловой энергии, в качестве носителя которой является вода к внешнему потребителю (4).