Установка для выработки тепловой и механической энергии с промежуточным охлаждением (варианты) Российский патент 2025 года по МПК F02C3/00 F02C7/06 F28B5/00 F28B7/00 B01D5/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.

Известна установка для выработки тепловой и механической энергии и способ ее регулирования, (патент RU № 2723264, опубл. 09.06.2020), состоящая из камеры сгорания, соединенной с парогазовой турбиной, охладителей отработанных газов, конденсатора диоксида углерода, соединенного с тепловым насосом, компрессора, источника кислорода и источника углеродсодержащего топлива, соединенных с камерой сгорания, при этом установка дополнительно содержит контур утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, который включает в себя турбодетандер, соединенный с генератором, конденсатор низкокипящего рабочего тела, насос низкокипящего рабочего тела и по меньшей мере три теплообменника-утилизатора, выполненных с возможностью передачи тепла от отработанных газов к низкокипящему рабочему телу, причем температура низкокипящего рабочего тела возрастает в направлении от конденсатора низкокипящего рабочего тела к турбодетандеру, по меньшей мере один теплообменник-утилизатор соединен со вторым охладителем и контактным теплообменником, выполненным с возможностью подачи насосом сконденсированной из отработанных газов воды через по меньшей мере один другой теплообменник-утилизатор в первый охладитель отработанных газов и к потребителю, по меньшей мере один третий теплообменник-утилизатор также выполнен с возможностью передачи тепла низкокипящему рабочему телу контура утилизации от воды, отводящейся насосом из второго контактного теплообменника и поступающей к потребителю и к блоку охлаждения воды, а также установка дополнительно содержит датчик температуры атмосферного воздуха.

Известна установка для выработки тепловой и механической энергии (см. патент RU 2759793 C1, опубл. 17.11.2021), выбранная в качестве наиболее близкого аналога, состоящая из камеры сгорания, соединенной с парогазовой турбиной, линий подачи диоксида углерода и воды в камеру сгорания, рекуперативных охладителей, устройства ожижения диоксида углерода, соединенного с холодильной установкой, компрессора, источника кислорода и источника сжиженного природного газа, соединенных линиями подачи кислорода и СПГ с камерой сгорания, контактных теплообменников низкого и высокого давления, соединенных с компрессором, при этом камера сгорания включает в себя первичную и вторичную зоны, при этом линия подачи СПГ соединена с первичной зоной камеры сгорания и включает насос СПГ, теплообменник-утилизатор холода СПГ, расположенный в устройстве ожижения диоксида углерода, и теплообменник для подогрева СПГ, причем линия подачи кислорода также соединена с первичной зоной камеры сгорания и включает кислородный насос, теплообменник-утилизатор холода кислорода, расположенный в устройстве ожижения диоксида углерода, и теплообменник для подогрева кислорода, теплообменники для подогрева СПГ и кислорода выполнены с возможностью охлаждения воды, поступающей в контактный теплообменник низкого давления, а линия подачи диоксида углерода соединена с первичной и вторичной зонами камеры сгорания и включает насос диоксида углерода, подогреватель диоксида углерода и рекуперативный охладитель отработанных газов, при этом подогреватель диоксида углерода выполнен с возможностью охлаждения воды, поступающей в по меньшей мере один контактный теплообменник, также линия подачи воды в камеру сгорания соединена с первичной и вторичной зонами камеры сгорания и включает насос воды, соединенный с контактным теплообменником низкого давления, и рекуперативный охладитель отработанных газов.

К недостаткам указанных аналогов можно отнести высокие затраты энергии на сжатие отработанных газов в компрессоре и их значительный разогрев в компрессоре, с последующим увеличенным расходом энергии на охлаждение, а также высокую теплонапряженность движущихся элементов конструкции.

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

Технический результат заключается в снижении теплонапряженности движущихся элементов конструкции энергетической установки, повышение использования сред, циркулирующих в установке, повышение надежности и повышение КПД установки за счет уменьшения затрат энергии на сжатие отработанных газов.

Технический результат достигается установкой для выработки тепловой и механической энергии, состоящей из камеры сгорания, соединенной с парогазовой турбиной, линий подачи диоксида углерода, воды, сжиженного природного газа (СПГ) и кислорода в камеру сгорания, рекуперативного охладителя, устройства ожижения диоксида углерода, включающего испаритель холодильной установки и теплообменники утилизации холода кислорода и СПГ, контактных теплообменников низкого и высокого давлений, между которыми установлен компрессор для подачи отработанных газов из контактного теплообменника низкого давления в контактный теплообменник высокого давления, при этом компрессор является компрессором высокого давления, выход для отработанных газов контактного теплообменника низкого давления соединен со входом для отработанных газов контактного теплообменника высокого давления через последовательно соединенные компрессор низкого давления, теплообменник промежуточного охлаждения и компрессор высокого давления, при этом один из входов теплообменника промежуточного охлаждения через циркуляционный насос диоксида углерода и один из выходов теплообменника промежуточного охлаждения соединены с устройством ожижения диоксида углерода.

Теплообменник промежуточного охлаждения является поверхностным теплообменником или является контактным теплообменником, при этом линия, соединяющая его выход с устройством ожижения диоксида углерода, включает конденсатный насос диоксида углерода.

Технический результат также достигается установкой для выработки тепловой и механической энергии, состоящая из камеры сгорания, соединенной с парогазовой турбиной, линий подачи диоксида углерода, воды, сжиженного природного газа (СПГ) и кислорода в камеру сгорания , рекуперативного охладителя, устройства ожижения диоксида углерода, включающего испаритель холодильной установки, контактных теплообменников низкого и высокого давлений, между которыми установлен компрессор для подачи отработанных газов из контактного теплообменника низкого давления в контактный теплообменник высокого давления, при этом компрессор является компрессором высокого давления, выход для отработанных газов контактного теплообменника низкого давления соединен со входом для отработанных газов контактного теплообменника высокого давления через последовательно соединенные компрессор низкого давления, теплообменник промежуточного охлаждения и компрессор высокого давления, при этом один из входов теплообменника промежуточного охлаждения через циркуляционный насос диоксида углерода и один из выходов теплообменника промежуточного охлаждения соединены с устройством ожижения диоксида углерода, при этом упомянутый выход теплообменника промежуточного охлаждения дополнительно соединен с системой смазки подшипниковых узлов опор роторов компрессоров низкого и высокого давления.

Система смазки подшипниковых узлов включает по меньшей мере первый и второй подшипниковые узлы опор роторов для каждого компрессора низкого и высокого давления, при этом выход для смазки второго подшипникового узла компрессора низкого давления соединен с контактным теплообменником высокого давления.

Теплообменник промежуточного охлаждения является поверхностным теплообменником или является контактным теплообменником, при этом линия, соединяющая его выход с устройством ожижения диоксида углерода, включает конденсатный насос диоксида углерода.

На фиг. 1 показана схема установки с поверхностным промежуточным теплообменником.

На фиг. 2 показана схема установки с поверхностным промежуточным теплообменником и системой смазки подшипниковых узлов опор компрессоров.

На фиг. 3 показана схема установки с контактным промежуточным теплообменником.

На фиг. 4 показана схема установки с контактным промежуточным теплообменником и системой смазки подшипниковых узлов опор компрессоров.

На представленных фигурах обозначены следующие элементы:

1 - камера сгорания;

2 - насос-регулятор кислорода;

3 - циркуляционный насос водяного контура контактного теплообменника низкого давления конденсации воды;

4 - насос-регулятор СПГ;

5 - насос-регулятор диоксида углерода;

6 - парогазовая турбина;

7 - турбогенератор;

8 - рекуператор тепла;

9 - теплообменник нагрева воды;

10 - теплообменник нагрева углекислого газа;

11 - контактный теплообменник низкого давления;

12 - теплообменники утилизации тепла (нагрева кислорода и СПГ);

13 - компрессор высокого давления;

14 - контактный теплообменник высокого давления;

15 - устройство ожижения диоксида углерода;

16 - теплообменник утилизации холода кислорода;

17 - теплообменник утилизации холода СПГ;

18 - испаритель холодильной установки;

19 - подогреватель диоксида углерода;

20 - циркуляционный насос диоксида углерода промежуточного охлаждения;

21 - конденсатный насос диоксида углерода промежуточного охлаждения;

22 - компрессор низкого давления;

23 - привод компрессора;

24 - контактный теплообменник промежуточного охлаждения;

25 - линия возврата диоксида углерода промежуточного охлаждения в устройство (15) ожижения диоксида углерода;

26 - линия возврата диоксида углерода системы смазки опор роторов углекислотных компрессоров в теплообменник конденсации воды высокого давления;

27 - клапан-дозатор диоксида углерода системы смазки опор роторов углекислотных компрессоров;

28 - опора ротора углекислотного компрессора;

29 - теплообменник системы промежуточного охлаждения углекислотного компрессора.

Стрелками показаны направления движения сред в установке.

Установка для выработки тепловой и механической энергии состоит из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (6), линий подачи диоксида углерода, воды, сжиженного природного газа (СПГ) и кислорода в камеру сгорания (1), рекуперативного охладителя (8), устройства (15) ожижения диоксида углерода, включающего испаритель (18) холодильной установки и теплообменники (16, 17) утилизации холода кислорода и СПГ. Контактные теплообменники низкого (11) и высокого (14) давлений соединены с компрессором (13) для подачи отработанных газов из контактного теплообменника (11) низкого давления в контактный теплообменник (14) высокого давления.

Компрессор (13) является компрессором высокого давления. выход для отработанных газов контактного теплообменника (11) низкого давления соединен со входом для отработанных газов контактного теплообменника (14) высокого давления через последовательно соединенные компрессор (22) низкого давления, теплообменник (29) промежуточного охлаждения и компрессор (13) высокого давления, что снижает теплонапряженность компрессора (13) высокого давления, повышает использование сред, циркулирующих в установке, а также повышает КПД установки за счет уменьшения затрат энергии на сжатие отработанных газов.

Один из входов теплообменника (29) промежуточного охлаждения через циркуляционный насос (20) диоксида углерода и один из выходов этого теплообменника (29) соединены с устройством (15) ожижения диоксида углерода, что снижает теплонапряженность компрессора (13) высокого давления, повышает использование сред, циркулирующих в установке, а также повышает КПД установки за счет уменьшения затрат энергии на сжатие отработанных газов.

Удельная газовая постоянная для углекислого газа равна R = 188.9 Дж/(кг⋅K).

Показатель адиабаты углекислого газа: k = 1.305 (см. например, Техническая термодинамика. Часть 2. Технические приложения термодинамики: Учеб. пособие / П.А. Трубаев, Б.М. Гришко. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. – 122 с., стр. 8 [1]).

Температура газа перед компрессором (22) низкого давления составляет примерно 420 K (см. рис. 8 статьи Analysis of the compressorless combined cycle gas turbine unit performance efficiency in district heating systems Yuriy Borisov, Nikolay Fominykh, Eldar Ramazanov and Oleg Popel E3S Web Conf., 209 (2020) 03008, DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020903008 [2]).

Адиабатическая температура за компрессором (см. [1]):

где T₁ – температура перед компрессором, p₁ – давление газа перед компрессором, p₂ – давление газа за компрессором, k – показатель адиабаты.

Адиабатическая работа сжатия l_p (см. [1]):

где R – газовая постоянная.

Откуда было получено следующее:

Температура газа за компрессором (13) высокого давления без охлаждения 634 K.

Удельная адиабатическая работа сжатия без охлаждения 173161 Дж/кг.

Компрессор (13) с промежуточным охлаждением после давления 1,2 МПа.

Температура газа за компрессором (22) низкого давления с промежуточным охлаждением 494 K.

Удельная адиабатическая работа сжатия компрессора (22) низкого давления с промежуточным охлаждением 59698 Дж/кг.

Температура газа перед компрессором (13) высокого давления после теплообменника (29) промежуточного охлаждения 278 K.

Температура газа за компрессором (13) высокого давления с промежуточным охлаждением 357 K.

Удельная адиабатическая работа сжатия компрессора (13) высокого давления 63869 Дж/кг.

Удельная адиабатическая работа сжатия компрессора (13) высокого давления с промежуточным охлаждением 123568 Дж/кг.

Таким образом, удельная адиабатическая работа сжатия у компрессора (13) высокого давления с промежуточным охлаждением на 49593 Дж/кг меньше, чем у компрессора (13) без промежуточного охлаждения. Кроме того, температура газа за компрессором (13) низкого давления с промежуточным охлаждением на 277 K ниже, чем за компрессором (13) без охлаждения.

Исходя из сказанного следует, что при использовании промежуточного охлаждения за счет повышения использования сжиженного СО₂, снижается теплонапряженность компрессора (13) низкого давления, а также повышается надежность и уменьшаются затраты энергии на сжатие отработанных газов, что повышает КПД установки.

Во втором варианте установки выход для диоксида углерода теплообменника (29) промежуточного охлаждения дополнительно соединен с системой смазки подшипниковых узлов опор (28) роторов компрессоров (22, 13) низкого и высокого давления, что позволяет снизить теплонапряженность движущихся элементов конструкции установки, повышает использование сред, циркулирующих в установке, а именно диоксида углерода.

Система смазки подшипниковых узлов включает клапан-дозатор (27) диоксида углерода, по меньшей мере первый и второй подшипниковые узлы опор (28) роторов для каждого компрессора (22, 13) низкого и высокого давления, при этом выход для смазки второго подшипникового узла компрессора (22) низкого давления соединен с контактным теплообменником (14) высокого давления, что повышает использование сред, циркулирующих в установке, а именно диоксида углерода.

Теплообменник (29) промежуточного охлаждения может являться поверхностным теплообменником или контактным теплообменником, при этом линия (25), соединяющая его выход с устройством (15) ожижения диоксида углерода, включает конденсатный насос (21) диоксида углерода.

Установка работает следующим образом.

В камеру сгорания (1) насосами-регуляторами (2, 4) подают по линиям кислород и сжиженный природный газ (СПГ), которые, проходя через теплообменники (16, 17) утилизации холода кислорода и СПГ устройства (15) ожижения диоксида углерода, охлаждают отработанные газы до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода при заданном давлении, а проходя через теплообменники (12) подогрева кислорода и СПГ, охлаждают воду, которая подается в контактный теплообменник (11) низкого давления для охлаждения отработанных газов и конденсации по меньшей мере части содержащейся в них воды. Также в камеру сгорания (1) по линии подачи диоксида углерода насосом-регулятором (5) подают соответственно диоксид углерода из устройства (15) ожижения диоксида углерода через подогреватель (19) диоксида углерода и теплообменник (10) рекуператора (8), а также подают воду по линии подачи воды из контактного теплообменника (11) низкого давления насосом через теплообменник (9) нагрева воды рекуператора (8), охлаждая за счет теплообмена в рекуператоре (8) отработанные газы. В подогревателе (19) диоксида углерода охлаждают воду, которую подают в по меньшей мере один из контактных теплообменников (11, 14), например в теплообменник (14) высокого давления.

Парогазовая смесь, полученная в процессах сгорания в камере сгорания (1) поступает в парогазовую турбину (6), соединенную с турбогенератором (7) для выработки электрической энергии. После парогазовой турбины (6) отработанные газы через рекуператор (8) тепла поступают в контактный теплообменник (11) низкого давления, где их охлаждают до температуры конденсации по меньшей мере части содержащейся в них воды.

Далее компрессором (22) низкого давления отработанные газы подают к компрессору (13) высокого давления через теплообменник (29) промежуточного охлаждения, где отработанные газы охлаждают диоксидом углерода, циркуляцию которого из устройства (15) ожижения диоксида углерода обеспечивает циркуляционный насос (20) диоксида углерода, что снижает теплонапряженность компрессора (13) высокого давления, повышает использование сред, циркулирующих в установке, а также повышает КПД установки за счет уменьшения затрат энергии на дальнейшее сжатие отработанных газов.

Кроме того, дополнительно по меньшей мере часть диоксида углерода, прошедшего теплообменник (29) промежуточного охлаждения направляют в систему смазки подшипниковых узлов опор (28) роторов компрессоров (22, 13) низкого и высокого давления, что позволяет снизить теплонапряженность движущихся элементов конструкции установки, повышает использование сред, циркулирующих в установке, а именно диоксида углерода. При этом диоксид углерода в систему смазки подшипниковых узлов подают через клапан-дозатор (27) диоксида углерода к первому подшипниковому узлу опоры (28) ротора компрессора (13) высокого давления, где за счет трения происходит нагрев диоксида углерода, далее этот диоксид углерода направляют ко второму подшипниковому узлу опоры (28) ротора компрессора (13) высокого давления, в котором за счет трения диоксид углерода также нагревается, что позволяет снизить теплонапряженность движущихся элементов конструкции установки, повышает использование сред, циркулирующих в установке, а именно диоксида углерода. От второго подшипникового узла опоры (28) ротора компрессора (13) высокого давления диоксид углерода подают к первому подшипниковому узлу опоры (28) ротора компрессора (22) низкого давления и далее ко второму подшипниковому узлу опоры (28) ротора компрессора (22) низкого давления, после чего диоксид углерода от второго подшипникового узла подают в контактный теплообменник (14) высокого давления, что позволяет снизить теплонапряженность движущихся элементов конструкции установки, повышает использование сред, циркулирующих в установке, а именно диоксида углерода. Использования в системе смазки подшипниковых узлов роторов компрессоров (22, 13) также повышает надежность установки, а именно в случае прорыва некоторого количества диоксида углерода из подшипниковых узлов во внутрь компрессоров (22, 13) не произойдет отказа этих компрессоров (22, 13) или других элементов конструкции установки выработки тепловой и механической энергии.

Охлажденные отработанные газы в теплообменнике (29) промежуточного охлаждения компрессором (13) высокого давления подают в контактный теплообменник (14) высокого давления, что снижает теплонапряженность компрессора (13) высокого давления, повышает использование сред, циркулирующих в установке, а также повышает КПД установки за счет уменьшения затрат энергии на сжатие отработанных газов. В контактном теплообменнике (14) высокого давления охлаждают отработанные газы до температуры конденсации практически всей оставшейся в отработанных газах воды. После этого отработанные газы подают в устройство (15) ожижения диоксида углерода, где отработанные газы охлаждают в том числе за счет теплообмена через испаритель (18) холодильной машины.

При варианте выполнения теплообменника (29) промежуточного охлаждения контактным, по меньшей мере часть диоксида углерода, поступающего из устройства (15) ожижения диоксида углерода, остается в жидком состоянии и дополнительным конденсатным насосом (21) его подают в систему смазки подшипниковых узлов, а испарившаяся часть диоксида углерода смешивается с отработанными газами и направляют компрессором (13) высокого давления в контактный теплообменник (14) высокого давления, что также дополнительно позволяет уменьшить затраты энергии на возвращение диоксида углерода в цикл установки выработки тепловой и механической энергии.

Таким образом, достигается снижение теплонапряженности движущихся элементов конструкции энергетической установки, повышение использования сред, циркулирующих в установке, повышение надежности и повышение КПД установки за счет уменьшения затрат энергии на сжатие отработанных газов.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии. Установка для выработки тепловой и механической энергии, состоящая из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (6), линий подачи диоксида углерода, воды, сжиженного природного газа (СПГ) и кислорода в камеру сгорания (1), рекуперативного охладителя (8), устройства (15) ожижения диоксида углерода, включающего испаритель (18) холодильной установки и теплообменники (16, 17) утилизации холода кислорода и СПГ, контактных теплообменников низкого (11) и высокого (14) давлений, между которыми установлен компрессор (13) для подачи отработанных газов из контактного теплообменника (11) низкого давления в контактный теплообменник (14) высокого давления, при этом компрессор (13) является компрессором высокого давления, выход для отработанных газов контактного теплообменника (11) низкого давления соединен со входом для отработанных газов контактного теплообменника (14) высокого давления через последовательно соединенные компрессор (22) низкого давления, теплообменник (29) промежуточного охлаждения и компрессор (13) высокого давления, при этом один из входов теплообменника (29) промежуточного охлаждения через циркуляционный насос (20) диоксида углерода и один из выходов соединены с устройством (15) ожижения диоксида углерода. Также раскрыт вариант установки. Технический результат заключается в снижении теплонапряженности движущихся элементов конструкции энергетической установки, повышении использования сред, циркулирующих в установке, повышении надежности и повышении КПД установки за счет уменьшения затрат энергии на сжатие отработанных газов. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Установка для выработки тепловой и механической энергии, состоящая из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (6), линий подачи диоксида углерода, воды, сжиженного природного газа (СПГ) и кислорода в камеру сгорания (1), рекуперативного охладителя (8), устройства (15) ожижения диоксида углерода, включающего испаритель (18) холодильной установки и теплообменники (16, 17) утилизации холода кислорода и СПГ, контактных теплообменников низкого (11) и высокого (14) давлений, между которыми установлен компрессор (13) для подачи отработанных газов из контактного теплообменника (11) низкого давления в контактный теплообменник (14) высокого давления, отличающаяся тем, что компрессор (13) является компрессором высокого давления, выход для отработанных газов контактного теплообменника (11) низкого давления соединен со входом для отработанных газов контактного теплообменника (14) высокого давления через последовательно соединенные компрессор (22) низкого давления, теплообменник (29) промежуточного охлаждения и компрессор (13) высокого давления, при этом один из входов теплообменника (29) промежуточного охлаждения через циркуляционный насос (20) диоксида углерода и один из выходов этого теплообменника (29) промежуточного охлаждения соединены с устройством (15) ожижения диоксида углерода.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплообменник (29) промежуточного охлаждения является поверхностным теплообменником.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплообменник (29) промежуточного охлаждения является контактным теплообменником, при этом линия (25), соединяющая его выход с устройством (15) ожижения диоксида углерода, включает конденсатный насос (21) диоксида углерода.

4. Установка для выработки тепловой и механической энергии, состоящая из камеры сгорания (1), соединенной с парогазовой турбиной (6), линий подачи диоксида углерода, воды, сжиженного природного газа (СПГ) и кислорода в камеру сгорания (1), рекуперативного охладителя (8), устройства (15) ожижения диоксида углерода, включающего испаритель (18) холодильной установки и теплообменники (16, 17) утилизации холода кислорода и СПГ, контактных теплообменников низкого (11) и высокого (14) давлений, между которыми установлен компрессор (13) для подачи отработанных газов из контактного теплообменника (11) низкого давления в контактный теплообменник (14) высокого давления, отличающаяся тем, что компрессор (13) является компрессором высокого давления, выход для отработанных газов контактного теплообменника (11) низкого давления соединен со входом для отработанных газов контактного теплообменника (14) высокого давления через последовательно соединенные компрессор (22) низкого давления, теплообменник (29) промежуточного охлаждения и компрессор (13) высокого давления, при этом один из входов теплообменника (29) промежуточного охлаждения через циркуляционный насос (20) диоксида углерода и один из выходов теплообменника (29) промежуточного охлаждения соединены с устройством (15) ожижения диоксида углерода, при этом упомянутый выход теплообменника (29) промежуточного охлаждения дополнительно соединен с системой смазки подшипниковых узлов опор (28) роторов компрессоров (22, 13) низкого и высокого давления.

5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что система смазки подшипниковых узлов включает клапан-дозатор (27), по меньшей мере первый и второй подшипниковые узлы опор (28) роторов для каждого компрессора (22, 13) низкого и высокого давления, при этом выход для смазки второго подшипникового узла компрессора (22) низкого давления соединен с контактным теплообменником (14) высокого давления.

6. Установка по пп. 4, 5, отличающаяся тем, что теплообменник (29) промежуточного охлаждения является поверхностным теплообменником.

7. Установка по пп. 4, 5, отличающаяся тем, что теплообменник (29) промежуточного охлаждения является контактным теплообменником, при этом линия (25), соединяющая его выход с устройством (15) ожижения диоксида углерода, включает конденсатный насос (21) диоксида углерода.