Кислородно-топливная энергоустановка для совместного производства электроэнергии и водорода Российский патент 2024 года по МПК F02C1/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при разработке электрических станций для совместного производства электроэнергии и водорода.

Уровень техники

Известна кислородно-топливная энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Bolland O., Saether S. New concepts for natural gas fired power plants which simplify the recovery of carbon dioxide //Energy Conversion and Management. – 1992. – Т. 33. – №. 5-8. – С. 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, первый и второй электрогенераторы.

Недостатками данного технического решения являются большие потери теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и охладителе-сепараторе, а также отсутствие производства водорода.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является кислородно-топливная энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Рогалев А.Н., Киндра В.О., Зонов А.С., Рогалев Н.Д. Исследование экологически безопасных энергетических комплексов с кислородным сжиганием топлива // Новое в российской энергетике. – 2019. – 8. – С. 6-25.), содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, деаэратор, теплообменник, насос, первый и второй электрогенераторы.

Недостатками данного технического решения являются большие потери теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и отсутствие производства водорода.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении потерь теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и появление дополнительного производимого продукта.

Технический результат заключается в повышении коэффициента использования тепла топлива (КИТТ) кислородно-топливной энергоустановки.

Это достигается тем, что предлагаемая кислородно-топливная энергоустановка, содержащая многоступенчатый углекислотный компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, газоводяным трактом котла-утилизатора, который выполнен в виде газоводяного двухпоточного теплообменника, содержащего холодный водяной контур теплоносителя, пароперегреватель, испарительную поверхность, экономайзер, газовый подогреватель конденсата, и газовоздушным трактом котла-утилизатора, содержащего холодный углекислотный контур теплоносителя, первым охладителем-сепаратором, многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением, при этом холодный водяной контур газоводяного двухпоточного теплообменника содержит паровую турбину, состоящую из первого дросселя, цилиндра высокого давления, второго дросселя, цилиндра низкого давления, соединенную последовательно с конденсатором, конденсационным насосом, рециркулирующим насосом, деаэратором, питательным насосом, при этом холодный углекислотный контур теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора содержит последовательно соединенные углекислотный дроссель, углекислотную турбину, дополнительный конденсатор и дополнительный насос, при этом первый и второй электрогенераторы расположены на одном валу с газовой и паровой турбинами соответственно, а углекислотная турбина механически соединена с третьим электрогенератором, согласно изобретению снабжена промежуточным пароперегревателем между пароперегревателем и испарительной поверхностью, при этом вход холодного водяного контура теплоносителя газоводяного двухпоточного промежуточного пароперегревателя соединен с выходом цилиндра высокого давления паровой турбины, а выход соединен с вторым дросселем цилиндра высокого давления паровой турбины и выполнен с пристроенной газохимической установкой производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода, содержащей паровой риформер, выполненный с возможностью подведения к нему предварительно смешанной парогазовой смеси, состоящей из пара от холодного контура промежуточного пароперегревателя газоводяного тракта котла-утилизатора и метана, подводимого с помощью газодожимного компрессора, при этом печь риформера выполнена с возможностью подведения нагретых многопоточным рекуператором метана, кислорода и углекислого газа от второго охладителя-сепаратора, соединенного с паровым риформером, при этом вход многоступенчатого углекислотного компрессора также выполнен с возможностью приема углекислого газа от второго охладителя-сепаратора, причем паровой риформер последовательно соединен с многопоточным рекуператором, высокотемпературным реактором водяного сдвига, поверхностным теплообменником, третьим охладителем-сепаратором и установкой короткоцикловой адсорбции, первый выход которой выполнен с возможностью отведения водорода, а второй выход соединен с печью риформера, при этом выход холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора соединен также с входами парового риформера и поверхностного теплообменника, выход которого соединен также с одним из входов высокотемпературного реактора водяного сдвига, причем выходы парового риформера и высокотемпературного реактора водяного сдвига соединены с входом холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

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

Осуществление изобретения

Кислородно-топливная энергоустановка содержит многоступенчатый углекислотный компрессор 1, топливный компрессор 2, воздухоразделительную установку 3, кислородный компрессор 4, камеру сгорания 5, газовую турбину 6, первый электрогенератор 7, газоводяной тракт котла-утилизатора 8, который выполнен в виде газоводяного двухпоточного теплообменника, содержащего холодный водяной контур теплоносителя 9, пароперегреватель 10, промежуточный пароперегреватель 11, испарительную поверхность 12, экономайзер 13, газовый подогреватель конденсата 14, и газовоздушный тракт котла-утилизатора 15, содержащего холодный углекислотный контур теплоносителя 16, первый охладитель-сепаратор 17, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 18. Холодный водяной контур теплоносителя 9 состоит из паровой турбины 19, состоящей из первого дросселя 20, цилиндра высокого давления 21, второго дросселя 22, цилиндра низкого давления 23, второго электрического генератора 24, конденсатора 25, конденсационного насоса 26, рециркулирующего насоса 27, деаэратора 28, питательного насоса 29. Газохимическая установка производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода содержит газодожимной компрессор 30, кислородный компрессор 31, углекислотный компрессор 32, многопоточный рекуператор 33, печь риформера 34, паровой риформер 35, второй охладитель-сепаратор 36, высокотемпературный реактор водяного сдвига 37, поверхностный теплообменник 38, третий охладитель-сепаратор 39, установку короткоцикловой адсорбции 40. Холодный углекислотный контур теплоносителя 16 состоит из углекислотного дросселя 41, углекислотной турбины 42, механически соединенной с третьим электрогенератором 43, дополнительного конденсатора 44, дополнительного насоса 45. При этом многоступенчатый углекислотный компрессор 1 расположен на одном валу с газовой турбиной 6, которая имеет механическую связь с первым электрогенератором 7. Паровая турбина 19 имеет механическую связь со вторым электрогенератором 24.

Вход многоступенчатого углекислотного компрессора 1 выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, а выход многоступенчатого углекислотного компрессора 1 соединен с первым входом камеры сгорания 5, со вторым входом камеры сгорания 5 соединен выход топливного компрессора 2, а третий вход камеры сгорания 5 соединен с выходом кислородного компрессора 4, вход которого соединен с воздухоразделительной установкой 3, выполненной с возможностью отвода кислорода в печь риформера 34. Выход камеры сгорания 5 соединен с входом газовой турбины 6, выход которой соединен с газоводяным трактом котла-утилизатора 8. Газоводяной тракт котла-утилизатора 8 включает в себя последовательно соединенные пароперегреватель 10, промежуточный пароперегреватель 11, испарительную поверхность 12, экономайзер 13, газовый подогреватель конденсата 14, выполнен с возможностью охлаждения проходящих газов холодным водяным контуром 9, и соединен с газовоздушным трактом котла-утилизатора 15, который выполнен с возможностью охлаждения проходящих газов холодным углекислотным контуром теплоносителя 16. Выход газовоздушного тракта котла-утилизатора 15 в свою очередь соединен с входом первого охладителя-сепаратора 17. Один из выходов первого охладителя-сепаратора 17 параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 18 и входом многоступенчатого углекислотного компрессора 1. Второй выход охладителя-сепаратора 17 выполнен с возможностью отвода конденсата. Выход холодного водяного контура теплоносителя 9 пароперегревателя 10 котла-утилизатора 8 последовательно соединен с первым дросселем 20 и цилиндром высокого давления 21 паровой турбины 19, соединенным с промежуточным пароперегревателем 11 газоводяного тракта котла-утилизатора 8. Выход холодного контура теплоносителя 9 промежуточного пароперегревателя 11 котла-утилизатора 8 соединен с цилиндром низкого давления 23 паровой турбины 19 через второй дроссель 22, конденсатором 25, конденсационным насосом 26, рециркуляционным насосом 27, деаэратором 28, питательным насосом 29, холодным водяным контуром теплоносителя 9 экономайзера 13 котла-утилизатора 8. Цилиндр низкого давления 23 паровой турбины 19 дополнительно соединен с деаэратором 28. Холодный водяной контур теплоносителя 9 пароперегревателя 10 котла-утилизатора 8 последовательно соединен с холодным водяным контуром теплоносителя 9 испарительной поверхности 12 и экономайзера 13 котла-утилизатора 8. Выход холодного водяного контура теплоносителя 9 газового подогревателя конденсата 14 котла-утилизатора 8 соединен с рециркулирующим насосом 27, выход которого соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя 9 газового подогревателя конденсата 14 котла-утилизатора 8. Другой выход холодного контура теплоносителя 9 промежуточного пароперегревателя 11 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, выполненного с возможностью смешения с частью потока метана от многопоточного рекуператора 33, соединен с входом парового риформера 35, который соединен с входом многопоточного рекуператора 33, с другим входом которого соединен газодожимной компрессор 30. Другие входы многопоточного рекуператора 33 соединены с выходами кислородного компрессора 31 и углекислотного компрессора 32, а выходы потоков многопоточного рекуператора 33 соединены с печью риформера 34, выход которого соединен с другим входом парового риформера 35 и вторым охладителем-сепаратором 36. Многопоточный рекуператор 33 также последовательно соединен с высокотемпературным реактором водяного сдвига 37, поверхностным теплообменником 38, третьим охладителем-сепаратором 39, установкой короткоцикловой адсорбции 40, первый выход которой выполнен с возможностью отвода водорода, а второй выход соединен с входом в печь риформера 34. Выход холодного углекислотного контура теплоносителя 16 газовоздушного тракта котла-утилизатора 15 последовательно соединен с углекислотным дросселем 41, углекислотной турбиной 42, дополнительным конденсатором 44, дополнительным насосом 45, чей выход соединен с входом холодного углекислотного контура теплоносителя 16 газовоздушного тракта котла-утилизатора 15. Паровой риформер 35, высокотемпературный реактор водяного сдвига 37 и поверхностный теплообменник 38 выполнены с возможностью охлаждения дымовых газов за счёт отбора углекислого газа от холодного углекислотного контура теплоносителя 16 из входа в газовоздушный тракт котла-утилизатора 15. Углекислотный компрессор 32 имеет связь с выходом первого охладителя-сепаратора 17.

Кислородно-топливная энергоустановка работает следующим образом.

На вход многоступенчатого углекислотного компрессора 1 подается поток рабочей среды, который после сжатия в многоступенчатом углекислотном компрессоре 1 направляется на первый вход камеры сгорания 5, на второй вход подается природный газ, предварительно сжатый в топливном компрессоре 2, а на третий вход с помощью кислородного компрессора 4 подается кислород, полученный в воздухоразделительной установке 3. После сгорания горячей смеси и выработки полезной работы в газовой турбине 6, которая вращает первый электрогенератор 7, выхлопные газы проходят через пароперегреватель 10, промежуточный пароперегреватель 11, испарительную поверхность 12, экономайзер 13 и газовый подогреватель конденсата 14 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, где они передают свою теплоту рабочей среде холодного водяного контура теплоносителя 9 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, после чего поступают на вход в газовоздушный контур котла-утилизатора 15, в котором происходит процесс передачи теплоты холодному углекислотному контуру теплоносителя 16. Затем выхлопные газы попадают в охладитель-сепаратор 17, в котором происходит конденсация водяных паров и удаление образовавшегося конденсата из цикла через второй выход охладителя-сепаратора 17. Углекислый газ из охладителя-сепаратора 17 удаляется через первый выход. Образовавшийся в результате сжигания природного газа избыток диоксида углерода сжимается в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением 18 и направляется на захоронение, а оставшаяся рабочая среда снова направляется на вход многоступенчатого компрессора 1. Перегретый пар, выработанный в холодном водяном контуре теплоносителя 9 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, пройдя через первый дроссель 20, расширяется и совершает работу в цилиндре высокого давления 21 паровой турбины 19, после чего направляется в промежуточный пароперегреватель 11 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, после нагрева теплоноситель направляется во второй дроссель 22, после которого пар расширяется в цилиндре низкого давления 23, оба цилиндра вращают второй электрогенератор 24, после чего отработавший пар направляется в конденсатор 25. Образовавшийся конденсат конденсационный насос 26 направляет в газовый подогреватель конденсата 14 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, после чего вторая часть конденсата рециркулирует с помощью рецирулирующего насоса 27, первая часть конденсата направляется в деаэратор 28. После процесса деаэрации питательная вода направляется в питательный насос 29, пройдя его, питательная вода направляется в экономайзер 13, испарительную поверхность 12 и пароперегреватель 10 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, после чего холодный водяной контур 9 газоводяного тракта котла-утилизатора 8 замыкается. Пар из второго выхода холодного контура теплоносителя 9 промежуточного пароперегревателя 11 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, смешивается с очищенным от примесей метаном, который подводится с помощью газодожимного компрессора 30 в многопоточный рекуператор 33, а затем направляется в паровой риформер 35. Часть потока в газодожимном компрессоре 30 направляется в печь риформера 34, во второй вход печи риформера 34 направляется с помощью кислородного компрессора 31 кислород, выработанный с помощью воздухоразделительной установки 3, который предварительно подогревается в многопоточном рекуператоре 33, в третий вход подается углекислый газ с помощью углекислотного компрессора 32, который предварительно подогревается в многопоточном рекуператоре 33. Нагрев парогазовой смеси осуществляется за счёт процесса горения в печи риформера 34, из-за чего в паровом риформере 35 протекает реакция паровой конверсии метана, в результате которой выделяется синтез-газ. Тепло образовавшихся в печи риформера 34 продуктов сгорания утилизируется в холодном углекислотном контуре теплоносителя 16, после чего выхлопные газы попадают во второй охладитель-сепаратор 36, в котором происходит конденсация водяных паров и удаление образовавшегося конденсата из цикла через второй выход охладителя-сепаратора 36. Углекислый газ из охладителя-сепаратора 36 удаляется через первый выход, после чего попадает в многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 18. Полученный синтез-газ охлаждается в многопоточном рекуператоре 33 и направляется в высокотемпературный реактор водяного сдвига 37, где происходит повышение доли водорода за счет реакции остатков водяного пара и монооксида углерода. Выработанный синтез-газ охлаждается в поверхностном теплообменнике 38, затем синтез-газ попадает в третий охладитель-сепаратор 39, в котором происходит конденсация водяных паров и удаление образовавшегося конденсата из цикла через второй выход третьего охладителя-сепаратора 39. Сухой синтез-газ из третьего охладителя-сепаратора 39 удаляется через первый выход. После чего в установке короткоцикловой адсорбции 40 происходит отделение водорода, который удаляется через первый выход установки короткоцикловой адсорбции 40, и остальных газов, которые после сепарации через второй выход направляются в печь риформера 34. Нагретая рабочая среда холодного углекислотного контура теплоносителя 16 газовоздушного тракта котла-утилизатора 15, пройдя третий дроссель 41, поступает в углекислотную турбину 42, которая вращает третий электрогенератор 43, в которой, расширяясь, совершает полезную работу, после чего направляется в дополнительный конденсатор 44. Образовавшийся конденсат дополнительным насосом 45 подается на вход холодного углекислотного контура теплоносителя 16 газовоздушного тракта котла-утилизатора 15. Для охлаждения газовой турбины 6 используется рабочая среда, отобранная из многоступенчатого углекислотного компрессора 1. Тепло дымовых газов парового риформера 35, высокотемпературного реактора водяного сдвига 37 и поверхностного теплообменника 38 утилизируется, параллельно с низкопотенциальным теплом газовоздушного тракта котла-утилизатора 15, который охлаждается с помощью холодного углекислотного контура теплоносителя 16, за счёт отбора углекислого газа от холодного углекислотного контура теплоносителя из входа в газовоздушный тракт котла утилизатора 15. Нагретая низкопотенциальная среда направляется в углекислотную турбину 42.

Результаты моделирования кислородно-топливной энергоустановки для совместного производства электроэнергии и водорода мощностью 300 МВт показали, что при максимально допустимом массовом расходе водорода, равном 9,7 кг/с, КИТТ повышается на 19,9 % по сравнению с прототипом при одинаковых термодинамических параметрах цикла: начальная температура цикла 1400°С, начальное давление 60 бар, давление на выхлопе газовой турбины 1 бар, температура пара на входе в паровую турбину 560°С, давление пара на входе в паровую турбину 90 бар, температура на входе в охладитель-сепаратор 80°С.

Внедрение промежуточного пароперегревателя 11 и газохимической установки производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода, содержащей газодожимной компрессор 30, кислородный компрессор 31, углекислотный компрессор 32, многопоточный рекуператор 33, печь риформера 34, паровой риформер 35, второй охладитель-сепаратор 36, высокотемпературный реактор водяного сдвига 37, поверхностный теплообменник 38, третий охладитель-сепаратор 39, установку короткоцикловой адсорбции 40, позволяет снизить энергетические потери за счёт уменьшения потерь теплоты в конденсаторе 25.

Использование изобретения позволяет осуществить комбинированную выработку электроэнергии и водорода с повышением КИИТ энергоустановки.

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при разработке электрических станций для совместного производства электроэнергии и водорода. Кислородно-топливная энергоустановка содержит газоводяной тракт котла-утилизатора, который выполнен в виде газоводяного двухпоточного теплообменника, содержащего холодный водяной контур теплоносителя, пароперегреватель, испарительную поверхность, экономайзер, газовый подогреватель конденсата, и газовоздушный тракт котла-утилизатора, содержащего холодный углекислотный контур теплоносителя. Кислородно-топливная энергоустановка снабжена промежуточным пароперегревателем между пароперегревателем и испарительной поверхностью, при этом холодный водяной контур теплоносителя газоводяного двухпоточного промежуточного пароперегревателя выполнен с пристроенной газохимической установкой производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования тепла топлива (КИТТ) кислородно-топливной энергоустановки. 1 ил.

Кислородно-топливная энергоустановка, содержащая многоступенчатый углекислотный компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, газоводяным трактом котла-утилизатора, который выполнен в виде газоводяного двухпоточного теплообменника, содержащего холодный водяной контур теплоносителя, пароперегреватель, испарительную поверхность, экономайзер, газовый подогреватель конденсата, и газовоздушным трактом котла-утилизатора, содержащего холодный углекислотный контур теплоносителя, первым охладителем-сепаратором, многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением, при этом холодный водяной контур газоводяного двухпоточного теплообменника содержит паровую турбину, состоящую из первого дросселя, цилиндра высокого давления, второго дросселя, цилиндра низкого давления, соединенную последовательно с конденсатором, конденсационным насосом, рециркулирующим насосом, деаэратором, питательным насосом, при этом холодный углекислотный контур теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора содержит последовательно соединенные углекислотный дроссель, углекислотную турбину, дополнительный конденсатор и дополнительный насос, при этом первый и второй электрогенераторы расположены на одном валу с газовой и паровой турбинами соответственно, а углекислотная турбина механически соединена с третьим электрогенератором, отличающаяся тем, что снабжена промежуточным пароперегревателем между пароперегревателем и испарительной поверхностью, при этом вход холодного водяного контура теплоносителя газоводяного двухпоточного промежуточного пароперегревателя соединен с выходом цилиндра высокого давления паровой турбины, а выход соединен со вторым дросселем цилиндра высокого давления паровой турбины и выполнен с пристроенной газохимической установкой производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода, содержащей паровой риформер, выполненный с возможностью подведения к нему предварительно смешанной парогазовой смеси, состоящей из пара от холодного контура промежуточного пароперегревателя газоводяного тракта котла-утилизатора и метана, подводимого с помощью газодожимного компрессора, при этом печь риформера выполнена с возможностью подведения нагретых многопоточным рекуператором метана, кислорода и углекислого газа от второго охладителя-сепаратора, соединенного с паровым риформером, при этом вход многоступенчатого углекислотного компрессора также выполнен с возможностью приема углекислого газа от второго охладителя-сепаратора, причем паровой риформер последовательно соединен с многопоточным рекуператором, высокотемпературным реактором водяного сдвига, поверхностным теплообменником, третьим охладителем-сепаратором и установкой короткоцикловой адсорбции, первый выход которой выполнен с возможностью отведения водорода, а второй выход соединен с печью риформера, при этом выход холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора соединен также с входами парового риформера и поверхностного теплообменника, выход которого соединен также с одним из входов высокотемпературного реактора водяного сдвига, причем выходы парового риформера и высокотемпературного реактора водяного сдвига соединены с входом холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора.