Способ подготовки метано-водородного топлива с повышенным содержанием водорода для котельных агрегатов ТЭС и газотурбодетандерной энергетической установки Российский патент 2024 года по МПК F02C3/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области энергетики, а точнее, к тепловым электрическим станциям.

Уровень техники

Известен способ работы комбинированной газо-паротурбинной установки STIG с подачей в камеру сгорания газовой турбины перегретого пара, вырабатываемого за счет утилизации тепла парогазовой смеси, отработавшей в газовой турбине. Впрыск пара увеличивает расход и теплоемкость парогазовой смеси, расширяемой в газовой турбине с увеличением ее мощности и КПД (Стырикович М.А., Фаворский О.Н., Батенин В.М. Парогазовые установки с впрыском пара ПГУ-STIG. Теплоэнергетика, №10, 1995).

Известна газотурбодетандерная энергетическая установка тепловой электрической станции (ТЭС), содержащая газопровод высокого давления, дожимной газовый компрессор, турбодетандер, регенеративную газотурбинную установку, газопровод газа низкого давления, котельные агрегаты теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Топливный газ с давлением 1 – 1,2 МПа, подаваемый из газораспределительной станции, сжимают в дожимном газовом компрессоре до 2,5 – 3 МПа, расширяют в турбодетандере до давления 0,17 МПа и по газопроводу низкого давления подают в горелки котельных агрегатов ТЭЦ (Патент РФ №2699445).

Известна технология получения метано-водородных смесей (МВС), производимых в процессах адиабатической конверсии метана (АКМ). Сырьём для их производства является природный газ, энергоносителем – дымовые газы продуктов сжигания газа. Повышение содержания водорода в МВС позволяет снизить расход топливного газа в теплоэнергетических установках, существенно уменьшить эмиссию СО₂ в продуктах сгорания. «Концепция крупномасштабного развития инновационных систем производства и распределения метано-водородного топлива как эффективного альтернативного энергоносителя». (О.Е. Аксютин, А. Г.Ишаков, В.Г. Хлопцов, В.А. Казарян, А.Я. Столяревский. Международной конференция KualaLumpur, 2012 г.)

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, является способ работы газотурбинной установки на метано-содержащей парогазовой смеси (Патент РФ №2639397). В ее камеру сгорания подают сжатый воздух и метано-содержащую парогазовую смесь, продукты сгорания расширяют в газовой турбине, их теплоту используют для выработки перегретого пара высокого давления. Пар низкого давления, содержащийся в расширенных в газовой турбине продуктах сгорания и охлажденных в котле-утилизаторе, конденсируют, конденсат используют для выработки перегретого пара высокого давления, который затем подают в газовую турбину. Пар высокого давления смешивают с природным газом, полученную смесь подают в первый адиабатический каталитический реактор, с образованием в нем метано-содержащей парогазовой смеси. Затем ее нагревают в котле-утилизаторе теплом продуктов сгорания расширенных в газовой турбине и пропускают через второй адиабатический каталитический реактор. Большую часть выработанного перегретого пара высокого давления подают в камеру сгорания, а его меньшую часть смешивают с природным газом и пропускают через первый адиабатический каталитический реактор, образовавшуюся метано-водородную смесь нагревают до 620 – 680°C теплом газов расширенных в газовой турбине и теплом охлаждения камеры сгорания и подаю во второй каталитический реактор, где долю водорода в метано-водородной смеси повышают выше 20% и подают ее в камеру сгорания газотурбинной установки. Этот способ принят в качестве прототипа предполагаемого изобретения.

Преимуществами способа-прототипа, являются повышение термодинамической эффективности, надежности и снижение стоимости газотурбинной установки.

Недостаток способа связан с невозможностью подачи метано-водородно-паровой смеси в горелочные устройства котельных агрегатов тепловой электрической станции (ТЭС).

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат получаемый при реализации предлагаемого способа подготовки метано-водородного топлива с повышенным содержанием водорода для котельных агрегатов ТЭС и газотурбодетандерной энергетической установки заключается в повышении термодинамической эффективности и экологичности тепловой электрической станции и газотурбодетандерной энергетической установки.

Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что в способе подготовки метано-водородного топлива с повышенным содержанием водорода для котельных агрегатов ТЭС и газотурбодетандерной энергетической установки, согласно которому в ее камеру сгорания подают сжатый воздух и метаносодержащую парогазовую смесь, образующиеся продукты сгорания расширяют в газовой турбине, теплоту продуктов сгорания используют для выработки перегретого водяного пара высокого давления, конденсируют пар низкого давления, содержащийся в охлажденных продуктах сгорания, конденсат пара используют для выработки перегретого пара высокого давления, подают его в газовую турбину, смешивают пар высокого давления с природным газом, полученную смесь природного газа и пара подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, образовавшуюся метаносодержащую парогазовую смесь последовательно нагревают теплотой газов, расширенных в газовой турбине, а затем теплотой, получаемой при охлаждении камеры сгорания, и с температурой 620 – 680°C эту смесь направляют во второй каталитический реактор, в котором долю водорода в метаносодержащей парогазовой смеси повышают больше 20%, обогащенную водородом парогазовую смесь подают в камеру сгорания, причем способ осуществляют в два последовательных этапа; на первом этапе газотурбодетандерную энергетическую установку пускают внешним двигателем, природный газ с давлением 1 – 1,2 МПа сжимают в дожимном газовом компрессоре до давления 2,5 – 3 МПа, в камеру сгорания подают воздух из компрессора и природный газ из дожимного газового компрессора, продукты сгорания расширяют в газовой турбине, их теплоту используют для выработки насыщенного и перегретого пара высокого давления, который подают в камеру сгорания; на втором этапе способа используют насыщенный пар высокого давления для сжатия в дополнительном пароструйном компрессоре до давления 3,5 – 4 МПа природного газа из дожимного газового компрессора и насыщенного водяного пара, полученную метано-паровую смесь нагревают теплом продуктов сгорания до 450°C и подают в первый адиабатический каталитический реактор с получением метано-водородной смеси содержащей около 5% водорода, которую нагревают до 620 – 680°C теплотой охлаждения камеры сгорания и подают во второй адиабатический каталитический реактор с получением метано-водородной смеси с давлением 3-3,5 МПа содержащей больше 20% водорода, большую часть метано-водородной смеси охлаждают теплоносителем до 50°С и с давлением 0,16 – 0,17 МПа подают в котельные агрегаты тепловой электрической станции, меньшую часть метано-водородной смеси подают в камеру сгорания газотурбодетандерной энергетической установки.

Предлагаемый способ может быть реализован в установке содержащей газопровод природного газа, дополнительный дожимающий газовый компрессор, дополнительный пароструйный компрессор, газопаровую энергетическую установку, котел-утилизатор, два адиабатических каталитических реактора, котельные агрегаты тепловой электрической станции; газопаровая энергетическая установка состоит из дополнительного турбодетандера, компрессора, камеры сгорания снабженной обечайкой охлаждения, газопаровой турбины, электрогенератора; котел-утилизатор состоит из экономайзера, испарителя, подогревателя смеси природного газа и насыщенного пара, пароперегревателя, оросительного устройства, сепаратора.

Краткое описание чертежей

На чертеже приведена тепловая схема подготовки метано-водородно-парового топливного газа для тепловой электрической станции и газотурбодетандерной энергетической установки, где: 1 – градирня, 2 – бак конденсата, 3 – химводоочистка, 4 – сепаратор, 5 – оросительное устройство; 6 – экономайзер; 7 – испаритель; 8 – пароструйный компрессор, 9 – первый адиабатический каталитический реактор,10 – подогреватель смеси природного газа и насыщенного пара;11 – пароперегреватель, 12 – обечайка охлаждения камеры сгорания,13 – камера сгорания,14 –дожимной газовый компрессор,15 – газопровод природного газа, 16 – задвижка, 17 – турбодетандер, 18 – компрессор, 19 – газопаровая турбина, 20 – электрогенератор, 21 – запорная задвижка, 22 – второй адиабатический каталитический реактор, 23 – теплообменник, 24 – котельные агрегаты ТЭС.

Осуществление изобретения

Способ подготовки метано-водородного топлива с повышенным содержанием водорода для котельных агрегатов ТЭС и газотурбодетандерной энергетической установки осуществляют в два этапа. На первом этапе способа природный газ из газопровода 15 с давлением 1 – 1,2 МПа сжимают в дожимном газовом компрессоре 14 до 2,5 – 3 МПа, пускают газотурбодетандерную энергетическую установку внешним двигателем (на схеме не показан) и повышают число оборотов общего вала установки. Закрывают запорную задвижку 21, задвижку 16 открывают. В камеру сгорания 13 подают воздух сжатый в компрессоре 18 и природный газ сжатый в дожимном газовом компрессоре 14. Продукты сгорания расширяют в газопаровой турбине 19, их теплоту используют для выработки в котле-утилизаторе насыщенного и перегретого водяного пара высокого давления. Электроэнергию электрогенератора 20, трансформируют и подают во внешние электрические сети. Перегретый пар высокого давления подают из пароперегревателя 11 в газопаровую турбину 19. Воду, охлажденную в градирне 1, подают в оросительное устройство 5 и конденсируют пар низкого давления, содержащийся в расширенной смеси продуктов сгорания охлажденной в поверхностях нагрева котла-утилизатора. Конденсат, отделенный от продуктов сгорания в сепараторе 4, подают в бак конденсата 2. Продукты сгорания сбрасывают в атмосферу. Меньшую часть конденсата из бака 2 подают в химводоочистку 3, умягчают и подают в экономайзер 6, испаритель 7, где его нагревают теплом продуктов сгорания и используют для производства насыщенного и перегретого пара высокого давления. На втором этапе способа, в пароструйный компрессор 8 подают природный газ из дожимного газового компрессора 14 и насыщенный пар высокого давления. Метано-паровую смесь, сжатую в пароструйном компрессоре 8 до 4 – 4,5 МПа, нагревают в подогревателе смеси природного газа и насыщенного пара 10 теплотой продуктов сгорания расширенных в газопаровой турбине 19, до температуры 450°С и подают в первый адиабатический каталитический реактор 9 с образованием в нем метано-водородной содержащей больше 5% водорода. Метано-водородную смесь нагревают до температуры 620-680°С в обечайке 12 охлаждения камеры сгорания 13 и подают во второй адиабатический каталитический реактор 22. Большую часть полученной метано-водородной смеси с давлением 3 – 3,5 МПа содержащей больше 20% водорода, расширяют в дополнительном турбодетандере, охлаждают в теплообменнике 23 до 50°С и подают в котельные агрегаты ТЭС 24 с давлением 0,16 – 0,17 МПа. Открывают запорную задвижку 21, закрывают задвижку 16 и меньшую часть метано-водородной смеси подают из второго адиабатического каталитического реактора 22 в камеру сгорания 13 газотурбодетандерной энергетической установки.

Предлагаемый способ позволяет:

– использовать большую часть метано-водородной смеси содержащую больше 20% водорода, как топливо в котельных агрегатах ТЭС, а ее меньшую часть подавать в камеру сгорания газотурбодетандерной энергетической установки;

– за счет высокой теплотворной способности метано-водородной смеси уменьшить ее расходы в котельные агрегаты ТЭС и в камеру сгорания газотурбодетандерной энергетической установки; повысить тепловую экономичность ТЭС и газотурбодетандерной энергетической установки;

– за счет сокращения выброса в атмосферу агрессивных газов повысить экологичность ТЭС и газотурбодетандерной энергетической установки.

Изобретение относится к области энергетики, а точнее, к тепловым электрическим станциям. Повышение термодинамической эффективности и экологичности тепловой электрической станции и газотурбодетандерной энергетической установки достигается тем, что способ подготовки метано-водородного топлива с повышенным содержанием водорода для котельных агрегатов ТЭС и газотурбодетандерной энергетической установки, осуществляют в два этапа, на первом этапе газотурбодетандерную энергетическую установку пускают внешним двигателем, природный газ с давлением 1 – 1,2 МПа сжимают в дополнительном дожимном газовом компрессоре до давления 2,5 – 3 МПа, в камеру сгорания подают воздух из компрессора и природный газ из дополнительного дожимного газового компрессора, продукты сгорания расширяют в газовой турбине, их теплоту используют для выработки насыщенного и перегретого пара высокого давления; на втором этапе способа в дополнительном пароструйном компрессоре сжимают насыщенным паром высокого давления до 3,5 – 4 МПа природный газ из дожимного газового компрессора. Полученную метаносодержащую паровую смесь нагревают теплом продуктов сгорания до 450°C, подают в первый адиабатический каталитический реактор, нагревают теплотой охлаждения камеры сгорания до 620 – 680°C, подают во второй адиабатический каталитический реактор с образованием метано-водородно-паровой смеси с давлением 3 – 3,5 МПа, содержащей больше 20% водорода, большую часть этой смеси расширяют в дополнительном турбодетандере, охлаждают теплоносителем до 50°С и с давлением 0,16 – 0,17 МПа подают в котельные агрегаты тепловой электрической станции, меньшую часть метано-водородной смеси подают из второго адиабатического каталитического реактора в камеру сгорания газотурбодетандерной энергетической установки. Способ позволяет использовать большую часть метано-водородной смеси, содержащей больше 20% водорода, как топливо в котельных агрегатах тепловой электрической станции, значительно уменьшить расходы метано-водородной смеси в котельных агрегатах тепловой электрической станции и в камере сгорания газотурбодетандерной энергетической установки, повысить тепловую экономичность и экологичность тепловой электрической станции и газотурбодетандерной энергетической установки. 1 ил.

Способ подготовки метано-водородного топлива с повышенным содержанием водорода для котельных агрегатов ТЭС и газотурбодетандерной энергетической установки, согласно которому в ее камеру сгорания подают сжатый воздух и метаносодержащую парогазовую смесь, образующиеся продукты сгорания расширяют в газовой турбине, теплоту продуктов сгорания используют для выработки перегретого водяного пара высокого давления, конденсируют пар низкого давления, содержащийся в охлажденных продуктах сгорания, конденсат пара используют для выработки перегретого пара высокого давления, подают его в газовую турбину, смешивают пар высокого давления с природным газом, полученную смесь природного газа и пара подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, образовавшуюся метаносодержащую парогазовую смесь последовательно нагревают теплотой газов, расширенных в газовой турбине, а затем теплотой, получаемой при охлаждении камеры сгорания, и с температурой 620 – 680°C эту смесь направляют во второй каталитический реактор, в котором долю водорода в метаносодержащей парогазовой смеси повышают больше 20%, обогащенную водородом парогазовую смесь подают в камеру сгорания, отличающийся тем, что способ осуществляют в два последовательных этапа; на первом этапе газотурбодетандерную энергетическую установку пускают внешним двигателем, природный газ с давлением 1 – 1,2 МПа сжимают в дожимном газовом компрессоре до давления 2,5 – 3 МПа, в камеру сгорания подают воздух из компрессора и природный газ из дожимного газового компрессора, продукты сгорания расширяют в газовой турбине, их теплоту используют для выработки насыщенного и перегретого пара высокого давления, который подают в камеру сгорания; на втором этапе способа используют насыщенный пар высокого давления для сжатия в дополнительном пароструйном компрессоре до давления 3,5 – 4 МПа природного газа из дожимного газового компрессора и насыщенного водяного пара, полученную метано-паровую смесь нагревают теплом продуктов сгорания до 450°C и подают в первый адиабатический каталитический реактор с получением метано-водородной смеси, содержащей около 5% водорода, которую нагревают до 620 – 680°C теплотой охлаждения камеры сгорания и подают во второй адиабатический каталитический реактор с получением метано-водородной смеси с давлением 3 – 3,5 МПа, содержащей больше 20% водорода, большую часть метано-водородной смеси охлаждают теплоносителем до 50°С и с давлением 0,16 – 0,17 МПа подают в котельные агрегаты тепловой электрической станции, меньшую часть метано-водородной смеси подают в камеру сгорания газотурбодетандерной энергетической установки.