Изобретение относится к области энергетики, а точнее к энергетическим установкам, работающим на твердом топливе и природном газе.The invention relates to the field of energy, and more specifically to power plants running on solid fuel and natural gas.
Известно электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной (патент РФ на изобретение №2335642, МПК F01K 13/00, опубл. 10.10.2008), содержащее: паровой котел, установку для получения кислорода из воздуха, установку для паровой конверсии природного газа в водород, кислородный и водородный компрессоры, высокотемпературный пароперегреватель, высокотемпературную конденсационную паровую турбину с электрогенератором, систему утилизации углекислого газа, насосы.A power generating device with a high-temperature steam turbine is known (RF patent for the invention No. 2335642, IPC F01K 13/00, publ. 10.10.2008), comprising: a steam boiler, a plant for producing oxygen from air, a plant for the conversion of natural gas to hydrogen, oxygen and hydrogen compressors, a high temperature superheater, a high temperature condensing steam turbine with an electric generator, a carbon dioxide recovery system, pumps.
Его недостатками являются большой расход электроэнергии на привод высоконапорных электроприводных кислородного и водородного компрессоров и высокая стоимость установки для получения водорода из природного газа методом конверсии.Its disadvantages are the high energy consumption for driving high-pressure electric oxygen and hydrogen compressors and the high cost of the plant for the production of hydrogen from natural gas by the conversion method.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является экологически чистое электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной и воздушным конденсатором (патент РФ на полезную модель №121300, МПК F01K 13/00, опубл. 20.10.2012), содержащее паровой котел, высокотемпературную паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, высокотемпературный пароперегреватель, воздухоразделительную установку для производства кислорода и азота, высоконапорные электроприводные компрессоры для сжатия природного газа и кислорода, систему утилизации углекислого газа, насосы, причем в высокотемпературном пароперегревателе производится сжигание природного газа с кислородом, выход конденсатора связан по конденсату пара через насос с паровым котлом, а по неконденсирующимся газам через эжектор отсоса с системой утилизации углекислого газа.The closest to the invention in technical essence is an environmentally friendly power generating device with a high temperature steam turbine and an air condenser (RF patent for utility model No. 121300, IPC F01K 13/00, published on 10/20/2012), containing a steam boiler, a high temperature steam turbine with an electric generator and a condenser, a high-temperature superheater, an air separation unit for the production of oxygen and nitrogen, high-pressure electric drive compressors for compressing natural gas and oxygen, istemu recycling carbon dioxide, pumps, and in high-temperature superheater produced burning natural gas with oxygen, the capacitor output is connected by condensate of steam via a pump with a steam boiler and of non-condensable gases through the ejector suction from the carbon dioxide utilization system.
Недостатками этого устройства, принятого за прототип изобретения, являются большой расход электроэнергии на привод высоконапорных электроприводных компрессоров природного газа и кислорода, а также низкий коэффициент теплоотдачи в конденсаторе и значительный расход электроэнергии на сжатие углекислого газа, сбрасываемого в атмосферу.The disadvantages of this device, adopted as a prototype of the invention, are the high energy consumption for driving high-pressure electric compressors of natural gas and oxygen, as well as the low heat transfer coefficient in the condenser and significant energy consumption for compressing carbon dioxide discharged into the atmosphere.
Целью изобретения является создание электрогенерирующего устройства с высокотемпературной паровой конденсационной турбиной, обеспечивающего экономичную выработку электроэнергии и устраняющего недостатки аналога и прототипа.The aim of the invention is the creation of an electric generating device with a high-temperature steam condensing turbine, which provides economical generation of electricity and eliminates the disadvantages of the analogue and prototype.
Поставленная цель достигается тем, что электрогенерирующее устройство с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной, содержащее магистральный газопровод природного газа высокого давления, воздухоразделительную установку для производства кислорода высокого давления, электроприводные компрессоры для сжатия природного газа и кислорода, твердотопливный паровой котел, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси с камерой сгорания, высокотемпературную конденсационную парогазовую турбину с электрогенератором, конденсатор пара, эжекторы отсоса неконденсирующихся газов, согласно изобретению в устройстве применены твердотопливный паровой котел с естественной циркуляцией, пароструйные компрессоры высокого давления для сжатия природного газа и кислорода, охладители природного газа и кислорода, высокотемпературный перегреватель перогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания, вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа, турбина углекислого газа, теплообменник охлаждения пара, регенеративные подогреватели низкого давления, деаэратор, регенеративные подогреватели высокого давления, при этом высокотемпературная конденсационная парогазовая турбина состоит из цилиндров высокого давления, среднего давления и низкого давления, выходы электроприводных компрессоров сжатия природного газа и кислорода связаны соответственно через охладители природного газа и кислорода с входами пароструйных компрессоров высокого давления природного газа и кислорода, сопла которых связаны по насыщенному пару высокого давления с барабаном парового котла с естественной циркуляцией, а их выходные патрубки связаны трубопроводами высокого давления природного газа и кислорода с входом камеры сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления, к которому также подключен «экологическими» и «энергетическими» паропроводами перегретого пара высокого давления пароперегреватель парового котла, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси среднего давления размещен между цилиндром высокого давления и цилиндром среднего давления высокотемпературной парогазовой турбины, его камера сгорания связана газопроводом природного газа с магистральным газопроводом и трубопроводом кислорода с выходом воздухоразделительной установки, вход вихревого разделителя, установленного между цилиндром среднего давления и цилиндром низкого давления высокотемпературной парогазовой турбины, соединен трубопроводом парогазовой смеси с выходом цилиндра среднего давления, первый выход вихревого разделителя связан трубопроводом перегретого пара с входом парового цилиндра низкого давления парогазовой турбины, а его второй выход связан трубопроводом углекислого газа через турбину углекислого газа с атмосферой, при этом ротор электрогенератора связан с роторами турбины углекислого газа, цилиндров высокого давления, среднего давления и низкого давления парогазовой турбины, а выход цилиндра низкого давления через теплообменник охлаждения пара связан с конденсатором, выход которого через конденсатный насос связан с подогревателями низкого давления, связанный через деаэратор, позволяющий дегазировать конденсат, с питательным насосом и подогревателями высокого давления, связанными, в свою очередь, с паровым котлом с естественной циркуляцией, который имеет возможность вырабатывать насыщенный и перегретый пар высокого давления.This goal is achieved in that an electric generating device with a high-temperature steam-gas condensing turbine, comprising a high-pressure main gas pipeline, an air separation unit for the production of high-pressure oxygen, electric drive compressors for compressing natural gas and oxygen, a solid fuel boiler, a high-temperature superheater of a gas-vapor mixture with a combustion chamber high-temperature condensing combined-cycle turbine with an electric generator, steam condenser, non-condensable gas suction ejectors, according to the invention, a solid fuel steam boiler with natural circulation, high-pressure steam-jet compressors for compressing natural gas and oxygen, natural gas and oxygen coolers, a high-temperature superheater of a medium-pressure gas mixture with a combustion chamber, a superheated swirl separator are used in the device steam and carbon dioxide, carbon dioxide turbine, steam cooling heat exchanger, low pressure regenerative heaters oia, deaerator, regenerative high-pressure heaters, and the high-temperature condensing combined-cycle turbine consists of high-pressure, medium-pressure, and low-pressure cylinders; the outputs of the electric drive compressors of natural gas and oxygen are connected respectively through the coolers of natural gas and oxygen to the inputs of the steam-jet high-pressure compressors of natural gas and oxygen, the nozzles of which are connected via saturated high-pressure steam to the drum of a steam boiler with natural circulating by cooler, and their outlet pipes are connected by high-pressure pipelines of natural gas and oxygen to the inlet of the combustion chamber of a high-temperature superheater of a gas-vapor mixture of high pressure, which is also connected by "ecological" and "energy" pipelines of superheated high-pressure steam, a boiler superheater, a high-temperature superheater of a medium-gas mixture pressure is placed between the high-pressure cylinder and the medium-pressure cylinder of the high-temperature combined-cycle turbine, its combustion chamber is connected by a natural gas pipeline with a gas main and an oxygen pipeline with an outlet of an air separation unit, an inlet of a vortex separator installed between a medium pressure cylinder and a low pressure cylinder of a high-temperature combined-cycle turbine, connected by a vapor-gas mixture pipeline with an outlet of a medium-pressure cylinder, the first exit of the vortex separator is connected a superheated steam pipeline with an inlet of a low pressure steam cylinder of a combined cycle gas turbine, and its second The outlet is connected by a carbon dioxide pipeline through the carbon dioxide turbine to the atmosphere, while the rotor of the electric generator is connected to the rotors of the carbon dioxide turbine, high pressure cylinders, medium pressure and low pressure of the combined cycle gas turbine, and the output of the low pressure cylinder through the steam cooling heat exchanger is connected to the condenser, the output of which through a condensate pump it is connected to low-pressure heaters, connected through a deaerator, allowing condensate to be degassed, with a feed pump and high-pressure heaters -pressure associated in turn with a steam boiler with natural circulation, which has the ability to produce a saturated and superheated high pressure steam.
Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежом, где представлена тепловая схема электрогенерирующего устройства с высокотемпературной паровой конденсационной турбиной.The proposed design is illustrated in the drawing, which shows a thermal diagram of an electric generating device with a high-temperature steam condensing turbine.
Устройство с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной содержит электроприводной компрессор природного газа 1, электроприводной компрессор кислорода 2, охладитель природного газа 3, охладитель кислорода 4, пароструйный компрессор высокого давления для сжатия природного газа 5, пароструйный компрессор высокого давления для сжатия кислорода 6, трубопровод высокого давления природного газа 7, трубопровод высокого давления кислорода 8, «экологический» паропровод перегретого пара высокого давления 9, «энергетический» паропровод перегретого пара высокого давления 10, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси высокого давления 11, цилиндр высокого давления 12, газопровод природного газа 13, высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания 14, цилиндр среднего давления 15, цилиндр низкого давления 16, вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа 17, турбина углекислого газа 18, трубопровод углекислого газа 19, электрогенератор 20; трубопровод насыщенного пара высокого давления 21, трубопровод кислорода 22, подогреватели высокого давления 23, подогреватели низкого давления 24, теплообменник охлаждения пара 25, паровой котел с естественной циркуляцией 26, деаэратор 27, эжекторы отсоса неконденсирующихся газов 28, конденсатор 29, конденсатный насос 30, питательный насос 31.A device with a high-temperature steam-gas condensing turbine contains an electric drive natural gas compressor 1, an electric drive oxygen compressor 2, a natural gas cooler 3, an oxygen cooler 4, a high pressure steam jet compressor for compressing natural gas 5, a high pressure steam jet compressor for compressing oxygen 6, a natural high pressure pipeline gas 7, oxygen high pressure pipeline 8, “ecological” steam superheated high pressure steam pipe 9, “energy” steam high pressure superheated steam gadget 10, high-temperature superheater of steam-gas mixture of high pressure 11, high-pressure cylinder 12, natural gas pipeline 13, high-temperature superheater of gas-vapor mixture of medium pressure with combustion chamber 14, medium pressure cylinder 15, low pressure cylinder 16, swirl separator of superheated steam and carbon dioxide 17, carbon dioxide turbine 18, carbon dioxide pipe 19, electric generator 20; saturated high pressure steam pipe 21, oxygen pipe 22, high pressure heaters 23, low pressure heaters 24, steam cooling heat exchanger 25, natural circulation steam boiler 26, deaerator 27, non-condensable gas suction ejectors 28, condenser 29, condensate pump 30, feed pump 31.
Электрогенерирующее устройство работает следующим образом. Природный газ из магистрального газопровода поступает в электроприводной компрессор природного газа 1, сжимается в нем, охлаждается внешним теплоносителем (например, водой) в охладителе природного газа 3 и подается в камеру смешения пароструйного компрессора высокого давления для сжатия природного газа 5. В качестве инжектирующего агента в нем используется пар, подводимый по трубопроводу насыщенного пара высокого давления 21 из барабана парового котла с естественной циркуляцией 26. Сжатая смесь природного газа и перегретого пара высокого давления подается по трубопроводу высокого давления природного газа 7 в камеру сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления 11. Кислород, подготовленный в воздухоразделительной установке, поступает в электроприводной компрессор кислорода 2, сжимается в нем, охлаждается внешним теплоносителем (водой) в охладителе кислорода 4 и подается в камеру смешения пароструйного компрессора высокого давления для сжатия кислорода 6, инжектирующим агентом в котором является насыщенный пар, подводимый по трубопроводу насыщенного пара высокого давления 21 из барабана парового котла с естественной циркуляцией 26. В камеру сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления 11 по трубопроводу высокого давления природного газа 7 подается природный газ, а также по трубопроводу высокого давления кислорода 8 подается кислород и по «экологическому» паропроводу перегретого пара высокого давления 9 подается перегретый пар высокого давления. В выходную часть камеры сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления 11 по «энергетическому» паропроводу перегретого пара высокого давления 10 подается перегретый пар высокого давления. Смесь продуктов сгорания и перегретого до высокой температуры пара высокого давления, вышедшая из высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси высокого давления 11, расширяется с совершением работы в цилиндре высокого давления 12, затем она смешивается с природным газом, подводимым по газопроводу природного газа 13, и с кислородом, подаваемым по трубопроводу кислорода 22. Эта смесь поступает в камеру сгорания высокотемпературного перегревателя парогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания 14 и сжигается в ней. Вышедшая из перегревателя парогазовой смеси среднего давления с камерой сгорания 14 высокотемпературная смесь продуктов сгорания и пара расширятся с совершением работы в цилиндре среднего давления 15 и поступает в вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа 17, где приводится во вращение с разделением парогазовой смеси на два потока: первого, основного потока, состоящего из перегретого пара, и второго, меньшего потока, содержащего углекислый газ. Первый поток перегретого пара, вышедший из вихревого разделителя перегретого пара и углекислого газа 17, поступает в цилиндр низкого давления 16, где расширяется с совершением работы. Перегретый пар, расширившийся в цилиндре низкого давления 16, проходит через теплообменник охлаждения пара 25, охлаждается в нем, нагревая конденсат пара, и поступает в конденсатор 29, где он конденсируется с отводом теплоты конденсации охлаждающей водой. Поток углекислого газа отводится из вихревого разделителя перегретого пара и углекислого газа 17 по трубопроводу углекислого газа 19, поступает в турбину углекислого газа 18 и расширяется в ней с совершением работы. Мощность, развиваемая в цилиндрах высокого давления 12, среднего давления 15, низкого давления 16 и в турбине углекислого газа 18, используется в электрогенераторе 20 для выработки электрической энергии. Неконденсирующиеся газы отсасываются из конденсатора 29 эжекторами отсоса неконденсирующихся газов 28 и сбрасываются в атмосферу. Конденсат из конденсатора 29 подается конденсатным насосом 30 через теплообменник охлаждения пара 25, где производится его подогрев за счет теплоты пара, поступающего в конденсатор, в подогреватели низкого давления 24. Конденсат подогревается в них за счет теплоты отборного пара из цилиндра низкого давления 16 и цилиндра среднего давления 15. В деаэраторе 27 производится деаэрация подогретого конденсата, затем его давление повышается в питательном насосе 31, и питательная вода через подогреватель высокого давления 23, нагреваясь в них паром генеративных отборов из цилиндра высокого давления 12, подается в паровой котел с естественной циркуляцией 26 для выработки в нем насыщенного и перегретого пара высокого давления. Применение в установке пароструйных компрессоров высокого давления для сжатия природного газа 5 и кислорода 6, а также использование в этих пароструйных компрессорах в качестве инжектирующего рабочего тела насыщенного пара из барабана парового котла с естественной циркуляцией 26, позволяет уменьшить величины степени сжатия и стоимость электроприводных компрессоров природного газа 1 и кислорода 2, в том числе потому, что давление насыщенного пара поступающего из барабана парового котла с естественной циркуляцией 26 примерно в 1,1 раза больше, чем давление перегретого пара, подаваемого из его пароперегревателя этого котла, так как расход энергии, затрачиваемой на сжатие воды в питательном насосе, существенно ниже, чем энергии, потребляемой электроприводными компрессорами природного газа 1 и кислорода 2. Использование перегретого пара для его «экологического» и «энергетического» впрыска в высокотемпературный перегреватель парогазовой смеси высокого давления 11 уменьшает образовании окиси углерода и увеличивает мощность высокотемпературной паровой турбины. Применение в установке вихревого разделителя перегретого пара и углекислого газа 17 позволяет отделить в нем углекислый газ от перегретого пара с последующим расширением образовавшегося потока углекислого газа в турбине углекислого газа 18 и его сбросом в атмосферу помимо конденсатора. Это позволит повысить интенсивность теплообмена в конденсаторе 29 и уменьшить его стоимость, а также исключить затраты энергии на сжатие углекислого газа от давления в конденсаторе до атмосферного давления, если бы углекислый газ поступал в конденсатор вместе с паром, отработавшим в цилиндре низкого давления 16. В вихревом разделителе перегретого пара и углекислого газа 17 производится закрутка смеси перегретого пара и углекислого газа, что позволяет разделить эти потоки за счет того, что удельный вес и плотность углекислого газа, поступающих в вихревой разделитель перегретого пара и углекислого газа 17, значительно выше, чем у пара.The power generating device operates as follows. Natural gas from the main gas pipeline enters an electric drive natural gas compressor 1, is compressed in it, cooled by an external heat carrier (for example, water) in a natural gas cooler 3, and fed into the mixing chamber of a high-pressure steam-jet compressor to compress natural gas 5. As an injection agent, it uses steam supplied through a high-pressure saturated steam pipeline 21 from a drum of a steam boiler with natural circulation 26. A compressed mixture of natural gas and superheated steam of high pressure is supplied through a high-pressure pipeline of natural gas 7 to the combustion chamber of a high-temperature superheater of a gas-vapor mixture of high pressure 11. Oxygen prepared in an air separation unit enters an electric drive oxygen compressor 2, is compressed in it, cooled by an external heat carrier (water) in an oxygen cooler 4 and supplied into the mixing chamber of a high-pressure steam-jet compressor for compressing oxygen 6, the injection agent in which is saturated steam supplied through a pipeline an ode to saturated high-pressure steam 21 from the drum of the steam boiler with natural circulation 26. Natural gas is supplied to the combustion chamber of the high-temperature superheater of the high-pressure gas-vapor mixture 11 through the high-pressure pipeline of natural gas 7, and oxygen is supplied via the high-pressure oxygen pipeline 8 and »Superheated high pressure steam pipe 9 is supplied with superheated high pressure steam. In the output part of the combustion chamber of the high-temperature superheater of the high-pressure gas-vapor mixture 11, superheated high-pressure steam is supplied through the "energy" steam line of the superheated high-pressure steam 10. The mixture of combustion products and high-pressure steam superheated to a high temperature, leaving the high-temperature superheater of the gas-vapor mixture of high pressure 11, expands with completion of work in the high-pressure cylinder 12, then it is mixed with natural gas supplied through the natural gas pipeline 13, and with oxygen, supplied through the oxygen pipeline 22. This mixture enters the combustion chamber of the high-temperature superheater of the gas-vapor mixture of medium pressure with the combustion chamber 14 and is burned therein. The high-temperature mixture of combustion products and steam emerging from the superheater of the gas-vapor mixture of medium pressure with the combustion chamber 14 expands to work in the medium-pressure cylinder 15 and enters the vortex separator of superheated steam and carbon dioxide 17, where it is rotated with the gas-vapor mixture divided into two streams: a first, main stream consisting of superheated steam, and a second, smaller stream containing carbon dioxide. The first stream of superheated steam, leaving the vortex separator of superheated steam and carbon dioxide 17, enters the low-pressure cylinder 16, where it expands with the completion of work. Superheated steam, which expanded in the low-pressure cylinder 16, passes through the steam cooling heat exchanger 25, is cooled in it by heating the steam condensate, and enters the condenser 29, where it condenses with the removal of condensation heat by cooling water. The carbon dioxide stream is diverted from the vortex separator of the superheated steam and carbon dioxide 17 through the carbon dioxide pipeline 19, enters the carbon dioxide turbine 18 and expands in it with completion of work. The power developed in the cylinders of high pressure 12, medium pressure 15, low pressure 16 and in the carbon dioxide turbine 18, is used in the electric generator 20 to generate electrical energy. Non-condensable gases are sucked out of the condenser 29 by the suction ejectors of the non-condensable gases 28 and discharged into the atmosphere. The condensate from the condenser 29 is supplied by the condensate pump 30 through the steam cooling heat exchanger 25, where it is heated by the heat of the steam entering the condenser to the low pressure heaters 24. The condensate is heated in them due to the heat of the selected steam from the low pressure cylinder 16 and the middle cylinder pressure 15. In the deaerator 27, the heated condensate is deaerated, then its pressure rises in the feed pump 31, and the feed water through the high-pressure heater 23, gene -cooperative selections from the high pressure cylinder 12 is supplied to the steam boiler of a natural circulation 26 therein for generating saturated and superheated high pressure steam. The use of high-pressure steam-jet compressors in the installation for compressing natural gas 5 and oxygen 6, as well as the use of saturated steam from the drum of a steam boiler with natural circulation 26 as an injecting working fluid, reduces the compression ratio and the cost of electric drive natural gas compressors 1 and oxygen 2, including because the pressure of saturated steam coming from the drum of a steam boiler with natural circulation 26 is approximately 1.1 times pain higher than the pressure of superheated steam supplied from its superheater to this boiler, since the energy consumption spent on compressing water in the feed pump is significantly lower than the energy consumed by electric drive compressors of natural gas 1 and oxygen 2. The use of superheated steam for its “environmental ”And“ energy ”injection into the high-temperature superheater of the vapor-gas mixture of high pressure 11 reduces the formation of carbon monoxide and increases the power of the high-temperature steam turbine. The use of a superheated steam and carbon dioxide vortex separator 17 in the installation makes it possible to separate carbon dioxide from superheated steam in it, followed by the expansion of the resulting carbon dioxide stream in the carbon dioxide turbine 18 and its discharge into the atmosphere in addition to the condenser. This will increase the heat transfer rate in the condenser 29 and reduce its cost, as well as eliminate the energy costs of compressing carbon dioxide from the pressure in the condenser to atmospheric pressure, if carbon dioxide entered the condenser together with the steam spent in the low pressure cylinder 16. In a vortex superheated steam and carbon dioxide separator 17 swirls a mixture of superheated steam and carbon dioxide, which allows these flows to be separated due to the specific gravity and density of carbon dioxide entering boiling in the vortex separator superheated steam and carbon dioxide 17 is much higher than that of the steam.
