RU2698865C1 - Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy - Google Patents
Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2698865C1 RU2698865C1 RU2018138015A RU2018138015A RU2698865C1 RU 2698865 C1 RU2698865 C1 RU 2698865C1 RU 2018138015 A RU2018138015 A RU 2018138015A RU 2018138015 A RU2018138015 A RU 2018138015A RU 2698865 C1 RU2698865 C1 RU 2698865C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- oxygen
- cooler
- carbon dioxide
- water
- heat exchanger
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.The invention relates to the field of power engineering, and in particular to methods and installations for the environmentally friendly generation of mechanical and thermal energy.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, энергетическая установка для выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, раскрытые в патенте на изобретение РФ №2433339, опубликованном 10.11.2011. Способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в по существу чистом кислороде, при этом способ включает в себя следующие этапы, на которых: (а) подают углеродсодержащее топливо в топку; (b) подают по существу чистый кислород из источника кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для получения отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду; (с) выпускают отходящий газ из топки посредством канала для отходящего газа; (d) извлекают все количество низкопотенциального тепла из отходящего газа посредством использования множества охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды; (е) превращают предварительно нагретую питательную воду в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; (f) повышают давление первой части отходящего газа во множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода; (g) рециркулируют вторую часть отходящего газа в топку посредством канала для рециркуляции отходящего газа; (h) расширяют пар в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности; (i) отбирают все количество пара из паротурбинной системы и используют первую часть отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла составляет более 50% от всего количества извлеченного низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и способ включает в себя дополнительную операцию: (j) расширяют вторую часть отобранного пара в по меньшей мере одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие по меньшей мере одного компрессора или по меньшей мере одного насоса энергетической установки. К недостаткам указанного выше технического решения можно отнести большие эксергетические потери при передаче высокопотенциального тепла в топке на процесс превращения воды в пар. Вследствие этих потерь средняя температура подвода тепла в термодинамический цикл очень низкая и коэффициент полезного действия такого цикла тоже низкий. При этом, описанный выше способ выработки энергии требует осуществление регулирования установки путем ее перевода на другой режим работы в зависимости от потребляемой мощности в течение суток, что влечет снижение КПД установки в следствие ее работы на режиме частичной нагрузки, снижает коэффициент загрузки оборудования и надежность установки в целом. Также к недостаткам могут быть отнесены большие затраты энергии на перераспределение сред, используемых в установке, и потери тепловой энергии при передаче тепла от одной среды к другой, что ведет к уменьшению КПД установки в целом. Кроме того, усложняется регулирование количества СО2, циркулирующего в установке.Closest to the claimed invention is a method of generating energy in a power plant by burning carbon-containing fuel in substantially pure oxygen, a power plant for generating energy by burning carbon-containing fuel in substantially pure oxygen, disclosed in RF patent patent No. 2433339, published on November 10, 2011. A method of generating energy in a power plant by burning carbon-containing fuel in substantially pure oxygen, the method comprising the following steps of: (a) supplying carbon-containing fuel to the furnace; (b) supplying substantially pure oxygen from an oxygen source to a furnace for burning fuel in oxygen to produce an exhaust gas comprising mainly carbon dioxide and water; (c) discharging exhaust gas from the furnace by means of an exhaust gas channel; (d) recovering the entire amount of low-grade heat from the off-gas through the use of a plurality of off-gas coolers located in the downstream part of the off-gas channel, wherein the first part of the extracted low-potential heat is used to preheat the feed water; (f) converting pre-heated feed water into steam by extracting high potential heat on heat transfer surfaces located in the furnace and in the upstream part of the off-gas channel; (f) increasing the pressure of the first portion of the off-gas in a plurality of off-gas compressors to produce liquid carbon dioxide; (g) recycle the second part of the exhaust gas to the furnace through the channel for recirculation of the exhaust gas; (h) expanding the steam in the steam turbine system to drive the power generator; (i) taking the entire amount of steam from the steam turbine system and using the first part of the selected steam to preheat the feed water, the first part of the extracted low potential heat is more than 50% of the total amount of extracted low potential heat, which makes it possible to minimize the first part of the selected steam, and the method includes an additional operation: (j) expanding the second part of the selected steam in at least one auxiliary steam turbine to drive at least one compressor or at least one pump of a power plant. The disadvantages of the above technical solution include large exergetic losses during the transfer of high potential heat in the furnace to the process of converting water into steam. Due to these losses, the average temperature of heat input to the thermodynamic cycle is very low and the efficiency of such a cycle is also low. At the same time, the method of energy generation described above requires regulating the installation by transferring it to another operating mode depending on the consumed power during the day, which entails a reduction in the efficiency of the installation due to its operation at partial load mode, reduces the load factor of the equipment and the reliability of the installation in whole. The disadvantages can be attributed to the large energy costs for the redistribution of the media used in the installation, and the loss of thermal energy during the transfer of heat from one medium to another, which leads to a decrease in the efficiency of the installation as a whole. In addition, the regulation of the amount of CO 2 circulating in the installation is complicated.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.The task to be solved by the claimed invention is directed is the elimination of these disadvantages of the closest analogue.
Технический результат заключается в снижении продолжительности работы на переходных режимах и режимах частичных нагрузок, увеличение КПД установки, за счет повышения средней температуры подвода тепла в термодинамический цикл, повышения регенерации тепла в том числе и за счет объединения рабочих тел и получения большей работы расширения, за счет использования высокого давления в установке, а также в увеличении сбора и увеличении контроля циркуляции сконденсированного СО2 в энергетической установке. Кроме того, уменьшение массогабаритных показателей установки за счет исключения стенок теплопередачи.The technical result consists in reducing the duration of operation in transient and partial load modes, increasing the efficiency of the installation, by increasing the average temperature of heat supply to the thermodynamic cycle, increasing heat recovery, including by combining working fluids and obtaining more expansion work, due to the use of high pressure in the installation, as well as in increasing the collection and increasing control of the circulation of condensed CO 2 in the power plant. In addition, the reduction of the overall dimensions of the installation due to the exclusion of heat transfer walls.
Технический результат достигается способом регулирования установки для выработки механической и тепловой энергии, включающим по меньшей мере определение электромагнитного момента на якоре генератора (36), соединенного с парогазовой турбиной (2); оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора (36), при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения (37), в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода (39), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения (37).The technical result is achieved by the method of regulating the installation for generating mechanical and thermal energy, including at least determining the electromagnetic moment at the armature of the generator (36) connected to the combined-cycle turbine (2); assessment of the current operating mode of the installation for generating mechanical and thermal energy based on the electromagnetic moment at the generator armature (36), while decreasing the electromagnetic moment below the first threshold value, increase the performance of the liquefaction unit (37), in which the liquefied carbon-containing fuel enters a heat-insulated tank (38) for storage of liquefied carbon-containing fuel, and additional liquid oxygen enters the heat-insulated container for storing liquefied oxygen (39), and when increasing the electromagnetic moment at the generator armature (36) above the second threshold value, reduces the performance of the liquefaction unit (37).
Способ также включает этапы, на которых:The method also includes the steps in which:
(a) горячие газы из камеры сгорания (1) направляют на вход в парогазовую турбину (2);(a) hot gases from the combustion chamber (1) are directed to the entrance to the combined-cycle turbine (2);
(b) отработанные в парогазовой турбине (2) газы поступают в первый охладитель (3) отработанных газов;(b) the exhaust gases from the combined cycle gas turbine (2) enter the first exhaust gas cooler (3);
(c) отработанные газы из первого охладителя (3) подают в первый контактный охладитель (4), где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя (4);(c) the exhaust gases from the first cooler (3) are supplied to the first contact cooler (4), where they are cooled to the temperature necessary to separate the water from the exhaust gases by condensing it, then the condensed water is removed from the first contact cooler (4);
(d) отработанные газы из первого контактного охладителя (4), содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор (5);(d) the exhaust gases from the first contact cooler (4) containing carbon dioxide as the main constituent are sent to the inlet to the compressor (5);
(e) сжатые компрессором (5) отработанные газы подают во второй контактный охладитель (6), где они охлаждаются;(e) the exhaust gases compressed by the compressor (5) are supplied to a second contact cooler (6), where they are cooled;
(f) из второго контактного охладителя (6) охлажденные отработанные газы поступают во второй охладитель (7), где отработанные газы охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя (7);(f) from the second contact cooler (6), the cooled exhaust gas enters the second cooler (7), where the exhaust gas is cooled to the temperature necessary for condensation of carbon dioxide, then the condensed carbon dioxide is removed from the second cooler (7);
(g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя (4) воды поступает на вход водяного насоса-регулятора (17), который закачивает ее в камеру сгорания (1);(g) some of the water discharged from the first contact cooler (4) enters the inlet of the water regulator pump (17), which pumps it into the combustion chamber (1);
(h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе (7), поступает на вход углекислотного насоса-регулятора (25), который закачивает его в камеру сгорания (1);(h) some of the carbon dioxide condensed in the second cooler (7) enters the inlet of the carbon dioxide control pump (25), which pumps it into the combustion chamber (1);
(i) в камеру сгорания (1) топливным насосом-регулятором (35) и кислородным насосом-регулятором (32) подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания (1), при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости (38) для накопления углеродсодержащего топлива.(i) carbon-containing fuel and oxygen are supplied to the combustion chamber (1) by the fuel control pump (35) and the oxygen control pump (32), respectively, under the pressure necessary to supply the combustion chamber (1), while the carbon-containing fuel is supplied from a thermally insulated tank (38) for the accumulation of carbon-containing fuel.
Кислород подается из теплоизолированной емкости (39) для хранения кислорода в сжиженном виде, поступающим от источника (31) кислорода, который представляет собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха, при этом дополнительно если уменьшается электромагнитный момент на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, открывают перепускной клапан (40), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, закрывают перепускной клапан (40).Oxygen is supplied from a thermally insulated container (39) for storing oxygen in a liquefied form, coming from an oxygen source (31), which is a device for producing liquefied oxygen from air, in addition, if the electromagnetic moment at the generator armature (36) decreases below the first threshold value , open the bypass valve (40), and when the electromagnetic moment at the generator armature (36) increases above the second threshold value, the bypass valve (40) is closed.
Дополнительно при уменьшении электромагнитного момента на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, включают устройство охлаждения диоксида углерода, выведенного из второго охладителя (7) в накопитель (27) жидкого диоксида углерода, для поддержания диоксида углерода в жидком состоянии в накопителе (27), а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, устройство охлаждения диоксида углерода отключают.Additionally, when the electromagnetic moment at the generator armature (36) decreases below the first threshold value, a carbon dioxide cooling device is removed from the second cooler (7) to the liquid carbon dioxide storage tank (27) to maintain carbon dioxide in a liquid state in the storage tank (27) and when the electromagnetic moment at the generator armature (36) increases above the second threshold value, the carbon dioxide cooling device is turned off.
Кислород, углеродсодержащее топливо и диоксид углерода подаются в камеру сгорания (1) из теплоизолированных емкостей, в которых они накапливаются и хранятся.Oxygen, carbon-containing fuel and carbon dioxide are supplied to the combustion chamber (1) from thermally insulated containers in which they are accumulated and stored.
Технический результат также достигается установкой для выработки механической и тепловой энергии, содержащей камеру сгорания (1), парогазовую турбину (2), соединенную с якорем генератора (36), который снабжен устройством для определения электромагнитного момента на этом якоре генератора (36), выход парогазовой турбины (2) соединен с газоотводящей системой, которая состоит из последовательно соединенных первого охладителя (3) отработанных газов, первого контактного охладителя (4) отработанных газов, компрессора (5), второго контактного охладителя (6) отработанных газов и второго охладителя (7) отработанных газов, причем первый охладитель (3) содержит теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода и теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды, второй охладитель (7) содержит теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, первый контактный охладитель (4), выполнен с возможностью конденсации по меньше мере части воды, содержащийся в отработанных газов, и содержит по меньшей мере один ярус инжекторов, выполненных с возможностью подачи воды из первого контактного охладителя (4) через циркуляционный насос (15) и теплообменник (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода, причем водяной контур первого охладителя (4) отработанных газов выполнен с возможностью подачи воды в камеру сгорания (1) через теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды с помощью водяного насоса-регулятора (17) и в теплосеть с помощью теплофикационного насоса (18), второй контактный охладитель (6) содержит инжекторы (19) подачи воды выполненные с возможностью подачи воды из контактного охладителя (6) через циркуляционный насос (20) и блок (21) охлаждения воды, а вход парогазовой турбины (2) соединен с выходом камеры сгорания (1), которая соединена с источником кислорода (31) через насос-регулятор (32) кислорода, теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, смеситель (24), соединенный с накопителем (27) жидкого диоксида углерода, выполненным с возможностью охлаждения диоксида углерода, и теплообменник (23) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов, с источником углеродсодержащего топлива через топливный насос-регулятор (35), теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива во втором охладителе (7) отработанных газов и теплообменник (22) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов, с расположенным на выходе из второго охладителя (7) отработанных газов накопителем (27) жидкого диоксида углерода через углекислотный насос-регулятор (25), регенеративный нагреватель (26) диоксида углерода и теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода в первом охладителе (3) отработанных газов, причем блок (37) сжижения, содержит теплообменник охлаждения топлива (34), теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, источник кислорода (31), теплоизолированную емкость (39) для хранения сжиженного кислорода, насос-регулятор (32) и теплообменник (33) нагрева кислорода, а источник (31) кислорода представляет собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха, соединенный с теплоизолированной емкостью (39) для хранения сжиженного кислорода.The technical result is also achieved by the installation for generating mechanical and thermal energy containing a combustion chamber (1), a combined-cycle turbine (2) connected to the generator armature (36), which is equipped with a device for determining the electromagnetic moment at this generator armature (36), the gas-vapor output the turbines (2) are connected to a gas exhaust system, which consists of a series of first exhaust gas coolers (3), a first exhaust gas contact cooler (4), a compressor (5), and a second contact cooler For (6) exhaust gas and a second exhaust gas cooler (7), the first cooler (3) comprising a heat exchanger (8) of a regenerative carbon dioxide heater and a heat exchanger (9) of a regenerative water heater, the second cooler (7) containing a regenerative heat exchanger (10) an oxygen heater, a heat exchanger (11) of a regenerative carbon-containing fuel heater, a first contact cooler (4), is configured to condense at least a portion of the water contained in the exhaust gas, and contains at least one tier of injectors configured to supply water from the first contact cooler (4) through a circulation pump (15) and a heat exchanger (16) of a carbon dioxide regenerative heater (26), the water circuit of the first exhaust gas cooler (4) being configured to supply water into the combustion chamber (1) through the heat exchanger (9) of the regenerative water heater using the water pump-controller (17) and into the heating system using the heat pump (18), the second contact cooler (6) contains the injectors (19) for supplying water with the possibility of supplying water from the contact cooler (6) through the circulation pump (20) and the water cooling unit (21), and the input of the combined-cycle turbine (2) is connected to the output of the combustion chamber (1), which is connected to the oxygen source (31) through oxygen controller (32), a heat exchanger (10) of a regenerative oxygen heater, a mixer (24) connected to a liquid carbon dioxide storage (27) capable of cooling carbon dioxide, and a heat exchanger (23) of a regenerative heater of a mixture of carbon dioxide and oxygen in the block ( 21) cooling the water of the second exhaust gas contact cooler (6), with a carbon-containing fuel source through a fuel control pump (35), a carbon-containing regenerative heater heat exchanger (11) in the second exhaust gas cooler (7), and a carbon-containing regenerative heater heat exchanger (22) fuel in the water cooling unit (21) of the second exhaust contact cooler (6), with the liquid carbon dioxide storage (27) located at the outlet of the second exhaust cooler (7) through carbon dioxide pump controller (25), a regenerative heater (26) of carbon dioxide and a heat exchanger (8) of a regenerative carbon dioxide heater in a first exhaust gas cooler (3), the liquefaction unit (37) containing a fuel cooling heat exchanger (34), a heat-insulated tank (38) for storing liquefied carbon-containing fuel, an oxygen source (31), a thermally insulated container (39) for storing liquefied oxygen, a controller pump (32) and an oxygen heat exchanger (33), and the oxygen source (31) is a device GUSTs obtain liquefied oxygen from the air, connected to a thermally insulated container (39) for storage of liquefied oxygen.
Дополнительно блок (37) сжижения содержит перепускной клапан (40) кислорода, установленный на байпасной линии, соединяющей линию подачи сжиженного кислорода после источника кислорода (31) с линией подачи сжиженного кислорода после теплообменника (33) нагрева кислорода, а второй охладитель (7) дополнительно содержит испаритель (12) теплового насоса, соединенный с конденсатором (29) теплового насоса.Additionally, the liquefaction unit (37) contains an oxygen bypass valve (40) installed on the bypass line connecting the liquefied oxygen supply line after the oxygen source (31) to the liquefied oxygen supply line after the oxygen heat exchanger (33), and the second cooler (7) contains a heat pump evaporator (12) connected to a heat pump condenser (29).
Вход топливного насоса-регулятора (35) соединен с теплоизолированной емкостью (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а блок (37) сжижения дополнительно содержит охлаждающий топливо теплообменник (34), имеющий замкнутый контур с теплообменником (33) нагрева кислорода, причем вход кислородного контура теплообменника (33) нагрева кислорода соединен с выходом насоса-регулятора кислорода (32), а его выход с входом в теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода.The inlet of the fuel control pump (35) is connected to a thermally insulated tank (38) for storing liquefied carbon-containing fuel, and the liquefaction unit (37) further comprises a cooling fuel heat exchanger (34) having a closed circuit with a heat exchanger (33) for oxygen heating, and the oxygen inlet the circuit of the heat exchanger (33) for oxygen heating is connected to the output of the oxygen regulator pump (32), and its output is connected to the outlet of the regenerative oxygen heater to the heat exchanger (10).
Камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющим по меньшей мере 7,5 МПа, парогазовая турбина (2) выполнена с возможностью выпуска отработанных газов с давлением 0,2-0,9 МПа, углекислотный компрессор (5) выполнен с возможностью подачи отработанного газа под давлением по меньшей мере 3,5 МПа, а водяной и углекислотный насосы-регуляторы (17 и 25) выполнены с возможностью обеспечения закачивания воды и диоксида углерода с давлением по меньшей мере 7,5 МПа.The combustion chamber (1) is configured to operate at a pressure of at least 7.5 MPa, the combined cycle gas turbine (2) is configured to exhaust exhaust gases with a pressure of 0.2-0.9 MPa, the carbon dioxide compressor (5) is made with the possibility of supplying exhaust gas under a pressure of at least 3.5 MPa, and water and carbon dioxide control pumps (17 and 25) are configured to provide injection of water and carbon dioxide with a pressure of at least 7.5 MPa.
Теплообменники (33 и 34) в блоке (37) сжижения выполнены с использованием промежуточного теплоносителя, в качестве которого используется инертный газ с давлением, превышающим давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.The heat exchangers (33 and 34) in the liquefaction unit (37) are made using an intermediate heat carrier, which uses an inert gas with a pressure exceeding the pressure of the carbon-containing fuel and oxygen involved in the heat exchange.
Конденсатор (29) теплового насоса соединен с градирней (30), накопитель (27) жидкого диоксида углерода выполнен с возможностью подачи диоксида углерода для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования, а первый контактный охладитель (4) содержит по меньшей мере два яруса инжекторов, причем по меньшей мере один инжектор нижнего яруса (14) выполнен с возможностью подачи обратной воды из теплосети.The heat pump condenser (29) is connected to the cooling tower (30), the liquid carbon dioxide storage device (27) is configured to supply carbon dioxide for transportation to storage or for further use, and the first contact cooler (4) contains at least two tiers of injectors, moreover, at least one injector of the lower tier (14) is configured to supply return water from the heating network.
На фигуре представлена схема установки для выработки механической и тепловой энергии, включающая следующие элементы:The figure shows a diagram of an installation for generating mechanical and thermal energy, including the following elements:
1. камера сгорания;1. combustion chamber;
2. парогазовая турбина;2. combined-cycle turbine;
3. первый охладитель отработанных газов;3. The first exhaust gas cooler;
4. первый контактный охладитель отработанных газов;4. The first exhaust gas contact cooler;
5. компрессор;5. compressor;
6. второй контактный охладитель отработанных газов;6. second contact exhaust gas cooler;
7. второй охладитель отработанных газов;7. second exhaust gas cooler;
8. теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода (первого охладителя отработанных газов);8. heat exchanger of a regenerative carbon dioxide heater (first exhaust gas cooler);
9. теплообменник регенеративного нагревателя воды;9. heat exchanger regenerative water heater;
10. теплообменник регенеративного нагревателя кислорода;10. heat exchanger regenerative oxygen heater;
11. теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;11. heat exchanger regenerative heater carbon-containing fuel;
12. испаритель теплового насоса;12. heat pump evaporator;
13. верхний ярус инжекторов (подачи воды);13. the upper tier of the injectors (water supply);
14. нижний ярус инжекторов (подачи обратной воды из теплосети);14. lower tier of injectors (supply of return water from the heating system);
15. циркуляционный насос (водяного контура первого контактного охладителя);15. circulation pump (water circuit of the first contact cooler);
16. теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода (на линии подачи диоксида углерода в первый охладитель отработанных газов);16. heat exchanger of a regenerative carbon dioxide heater (on the carbon dioxide supply line to the first exhaust gas cooler);
17. водяной насос-регулятор;17. water pump regulator;
18. теплофикационный насос;18. heat pump;
19. инжекторы (подачи воды);19. injectors (water supply);
20. циркуляционный насос;20. circulation pump;
21. блок охлаждения воды (второго контактного охладителя отработанных газов);21. water cooling unit (second exhaust gas contact cooler);
22. теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;22. a heat exchanger of a regenerative carbon-containing fuel heater;
23. теплообменник регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода;23. a heat exchanger of a regenerative heater of a mixture of carbon dioxide and oxygen;
24. смеситель;24. a mixer;
25. углекислотный насос-регулятор;25. carbon dioxide pump regulator;
26. регенеративный нагреватель диоксида углерода;26. regenerative carbon dioxide heater;
27. накопитель жидкого диоксида углерода;27. liquid carbon dioxide storage;
28. циркуляционный насос (теплового насоса);28. circulation pump (heat pump);
29. конденсатор теплового насоса;29. heat pump capacitor;
30. градирня;30. cooling tower;
31. источник кислорода;31. source of oxygen;
32. насос-регулятор кислорода;32. oxygen control pump;
33. теплообменник нагрева кислорода;33. oxygen heat exchanger;
34. теплообменник охлаждения топлива; 3 5. топливный насос-регулятор;34. fuel cooling heat exchanger; 3 5. fuel pump regulator;
36. генератор;36. generator;
37. блок сжижения;37. liquefaction unit;
38. теплоизолированная емкость для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива;38. a thermally insulated container for storing liquefied carbon-containing fuel;
39. теплоизолированная емкость для хранения сжиженного кислорода;39. thermally insulated container for storing liquefied oxygen;
40. перепускной клапан кислорода.40. oxygen bypass valve.
Установка для выработки механической и тепловой энергии содержит камеру сгорания (1), парогазовую турбину (2) и газоотводящую систему, с которой соединен выход турбины (2). Турбина (2) также соединена с якорем генератора (36), который снабжен устройством для определения электромагнитного момента на его якоре. Камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющим по меньшей мере 7,5 МПа, а парогазовая турбина (2) выполнена с возможностью выпуска отработанных газов с давлением 0,2-0,9 МПа.The installation for generating mechanical and thermal energy comprises a combustion chamber (1), a combined-cycle turbine (2) and a gas exhaust system to which the turbine outlet (2) is connected. The turbine (2) is also connected to the armature of the generator (36), which is equipped with a device for determining the electromagnetic moment at its armature. The combustion chamber (1) is configured to operate at a pressure of at least 7.5 MPa, and the combined cycle gas turbine (2) is configured to discharge exhaust gases with a pressure of 0.2-0.9 MPa.
В свою очередь, газоотводящая система состоит из последовательно соединенных первого охладителя (3) отработанных газов, первого контактного охладителя (4) отработанных газов, компрессора (5), второго контактного охладителя (6) отработанных газов и второго охладителя (7) отработанных газов, причем компрессор (5) выполнен с возможностью сжатия газа до по меньшей мере 3,5 МПа.In turn, the gas exhaust system consists of a series-connected first cooler (3) of exhaust gases, a first contact cooler (4) of exhaust gases, a compressor (5), a second contact cooler (6) of exhaust gases and a second cooler (7) of exhaust gases, the compressor (5) is configured to compress gas to at least 3.5 MPa.
Первый охладитель (3) содержит теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода и теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды.The first cooler (3) comprises a heat exchanger (8) of a regenerative carbon dioxide heater and a heat exchanger (9) of a regenerative water heater.
Второй охладитель (7) содержит теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и испаритель (12) теплового насоса. Испаритель (12) теплового насоса соединенного с конденсатором (29) теплового насоса, который соединен с градирней (30).The second cooler (7) comprises a heat exchanger (10) of a regenerative oxygen heater, a heat exchanger (11) of a regenerative carbon-containing fuel heater, and a heat pump evaporator (12). The evaporator (12) of the heat pump connected to the condenser (29) of the heat pump, which is connected to the tower (30).
Первый контактный охладитель (4) выполнен с возможностью конденсации по меньше мере большей части воды, которая содержится в составе отработанных газов и содержит по меньшей мере один ярус инжекторов. Причем инжекторы выполнены с возможностью подачи сконденсированной и нагретой воды из первого контактного охладителя (4) через циркуляционный насос (15) и охлажденной в теплообменнике (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода.The first contact cooler (4) is configured to condense at least at most of the water that is contained in the exhaust gas and contains at least one tier of injectors. Moreover, the injectors are configured to supply condensed and heated water from the first contact cooler (4) through a circulation pump (15) and a carbon dioxide regenerated heater (26) cooled in the heat exchanger (16).
Первый контактный охладитель (4) может быть выполнен с двумя ярусами инжекторов (13 и 14). При этом по меньшей мере один инжектор нижнего яруса (14) выполнен с возможностью подачи обратной воды из теплосети, а по меньшей мере один инжектор из верхнего яруса (13) выполнен с возможностью подачи охлажденной воды.The first contact cooler (4) can be made with two tiers of injectors (13 and 14). At least one injector from the lower tier (14) is configured to supply return water from the heating network, and at least one injector from the upper tier (13) is configured to supply chilled water.
Водяной контур первого контактного охладителя (4) отработанных газов также выполнен с возможностью подачи воды в камеру сгорания (1) через теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды с помощью водяного насоса-регулятора (17) и в теплосеть с помощью теплофикационного насоса (18).The water circuit of the first contact cooler (4) of the exhaust gases is also configured to supply water to the combustion chamber (1) through the heat exchanger (9) of the regenerative water heater using a water pump-controller (17) and to the heating system using a heat pump (18).
Второй контактный охладитель (6) содержит инжекторы (19) подачи воды, которые выполнены с возможностью подачи воды из контактного охладителя (6) через циркуляционный насос (20) и блок (21) охлаждения воды. Излишки дополнительно сконденсированной воды из отработанных газов выводятся из контактного охладителя (6).The second contact cooler (6) contains water injectors (19), which are configured to supply water from the contact cooler (6) through a circulation pump (20) and a water cooling unit (21). Excesses of additionally condensed water from the exhaust gases are discharged from the contact cooler (6).
Вход парогазовой турбины (2) соединен с выходом камеры сгорания (1), а камера сгорания (1) соединена с источником кислорода (31) через насос-регулятор (32) кислорода, теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, смеситель (24) и теплообменник (23) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов.The input of the combined cycle gas turbine (2) is connected to the output of the combustion chamber (1), and the combustion chamber (1) is connected to an oxygen source (31) through an oxygen control pump (32), a heat exchanger (10) of the regenerative oxygen heater, a mixer (24) and the heat exchanger (23) of the regenerative heater of the mixture of carbon dioxide and oxygen in the block (21) for cooling the water of the second exhaust contact cooler (6).
Смеситель (24) соединен с накопителем (27) жидкого диоксида углерода, который расположен на выходе из второго охладителя (7) отработанных газов и выполнен с возможностью охлаждения диоксида углерода, например, с помощью устройства охлаждения диоксида углерода (на чертеже не показано). Причем накопитель (27) также соединен с камерой сгорания (1) через углекислотный насос-регулятор (25), регенеративный нагреватель (26) диоксида углерода и теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода в первом охладителе (3) отработанных газов. Кроме того, накопитель (27) может быть выполнен с возможностью подачи диоксида углерода на захоронение или дальнейшее использование, например, вне установки.The mixer (24) is connected to a liquid carbon dioxide storage device (27), which is located at the outlet of the second exhaust gas cooler (7) and is configured to cool carbon dioxide, for example, using a carbon dioxide cooling device (not shown). Moreover, the drive (27) is also connected to the combustion chamber (1) through a carbon dioxide pump-controller (25), a regenerative carbon dioxide heater (26) and a heat exchanger (8) of the carbon dioxide regenerative heater in the first exhaust gas cooler (3). In addition, the drive (27) can be configured to supply carbon dioxide for disposal or further use, for example, outside the installation.
Камера сгорания (1) также соединена с источником углеродсодержащего топлива через топливный насос-регулятор (35), теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива во втором охладителе (7) отработанных газов и теплообменник (22) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов.The combustion chamber (1) is also connected to the source of carbon-containing fuel through a fuel pump-regulator (35), a heat exchanger (11) of the regenerative heater of carbon-containing fuel in the second cooler (7) of exhaust gases and a heat exchanger (22) of the regenerative heater of carbon-containing fuel in block (21) cooling the water of the second contact cooler (6) of the exhaust gas.
Водяной и углекислотный насосы-регуляторы (17 и 25) выполнены с возможностью обеспечения закачивания воды и диоксида углерода с давлением по меньшей мере 7,5 МПа.Water and carbon dioxide control pumps (17 and 25) are configured to pump water and carbon dioxide with a pressure of at least 7.5 MPa.
Заявленная установка также содержит блок сжижения (37), через который углеродсодержащее топливо поступает в топливный насос-регулятор (35), например, из теплоизолированной емкости (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива. Кроме того, блок сжижения (37) содержит источник кислорода (31), теплоизолированную емкость (39) для хранения сжиженного кислорода, насос-регулятор (32), теплообменник (33) нагрева кислорода и перепускной клапан (40) кислорода, установленный на байпасной линии, соединяющей линию подачи сжиженного кислорода после источника кислорода (31) с линией подачи сжиженного кислорода после теплообменника (33) нагрева кислорода. При этом, теплообменник (34) охлаждения топлива имеет замкнутый контур с теплообменником (33) нагрева кислорода. Вход кислородного контура теплообменника (33) нагрева кислорода соединен с выходом насоса-регулятора (32) кислорода, а его выход с входом в теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода. Теплообменники (33 и 34) в блоке сжижения выполнены с использованием промежуточного теплоносителя, в качестве которого может быть использован инертный газ (например, гелий). Предпочтительно, чтобы давление инертного газа превышало давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.The inventive installation also contains a liquefaction unit (37), through which the carbon-containing fuel enters the fuel pump regulator (35), for example, from a thermally insulated container (38) for storing liquefied carbon-containing fuel. In addition, the liquefaction unit (37) contains an oxygen source (31), a thermally insulated container (39) for storing liquefied oxygen, a regulator pump (32), an oxygen heating heat exchanger (33), and an oxygen bypass valve (40) installed on the bypass line connecting the liquefied oxygen supply line after the oxygen source (31) to the liquefied oxygen supply line after the oxygen heat exchanger (33). At the same time, the fuel cooling heat exchanger (34) has a closed loop with the oxygen heating heat exchanger (33). The input of the oxygen circuit of the heat exchanger (33) of oxygen heating is connected to the output of the oxygen control pump (32), and its output is connected to the input of the heat exchanger (10) of the regenerative oxygen heater. The heat exchangers (33 and 34) in the liquefaction unit are made using an intermediate coolant, which can be used as an inert gas (for example, helium). It is preferable that the inert gas pressure exceed the pressure of the carbon-containing fuel and oxygen involved in the heat exchange.
В качестве углеродсодержащего топлива может применяться природный газ. Предпочтительно, чтобы давление углеродсодержащего топлива на выходе из источника находилось в интервале 0,6-2,5 МПа.Natural gas may be used as a carbon-containing fuel. Preferably, the pressure of the carbonaceous fuel at the outlet of the source is in the range of 0.6-2.5 MPa.
Блок (37) сжижения содержит также теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, которая соединена с выходом теплообменника (34) охлаждения топлива и со входом в топливный насос-регулятор (35).The liquefaction unit (37) also contains a thermally insulated container (38) for storing liquefied carbon-containing fuel, which is connected to the outlet of the heat exchanger (34) for cooling the fuel and to the inlet to the fuel pump regulator (35).
Источник кислорода (31) представляет собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха, который соединен с теплоизолированной емкостью (39) для хранения сжиженного кислорода, которое также соединено через перепускной клапан (40) с выходом по кислородному контуру теплообменника (33) нагрева кислорода.The oxygen source (31) is a device for producing liquefied oxygen from air, which is connected to a thermally insulated container (39) for storing liquefied oxygen, which is also connected through an overflow valve (40) with the oxygen heating output through the oxygen circuit of the heat exchanger (33).
Заявленное изобретение работает следующим образом.The claimed invention works as follows.
В камеру сгорания (1) подают углеродсодержащее топливо, например, природный газ метан, который сжигается в смеси кислорода, водяного пара и диоксида углерода. При этом кислород может подаваться из любого известного источника кислорода, который может представлять собой устройство получения сжиженного кислорода из воздуха. Таким образом, кислород может, например, производиться на любой известной установке разделения воздуха, включенной в состав энергетической установки и получающей от нее необходимую электроэнергию.Carbon-containing fuel, for example, natural gas methane, which is burned in a mixture of oxygen, water vapor and carbon dioxide, is fed into the combustion chamber (1). In this case, oxygen can be supplied from any known source of oxygen, which may be a device for producing liquefied oxygen from air. Thus, oxygen can, for example, be produced at any known air separation plant included in the power plant and receiving the necessary electricity from it.
Сжатие всех рабочих газов, включая углеродсодержащее топливо, производится в сжиженном состоянии с помощью насосов, что уменьшает затраты энергии на перекачивание и достижение необходимого давления, по меньшей мере, 7,5 МПа.Compression of all working gases, including carbon-containing fuel, is carried out in a liquefied state using pumps, which reduces the energy cost of pumping and achieving the required pressure of at least 7.5 MPa.
Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине (2) с противодавлением значительно выше атмосферного, которое составляет от 0,2 до 0,9 МПа, и последовательно проходят первый охладитель (3) отработанных газов, в котором происходит охлаждение отработанных газов до температуры начала конденсации воды за счет охлаждения отработанных газов до температуры не ниже 420 К при давлении от 0,2 до 0,9 МПа. Из первого охладителя (3) отработанных газов охлажденные отработанные газы поступают в первый контактный охладитель (4) отработанных газов, в котором происходит охлаждение отработанных газов до температуры не ниже 273 К и конденсация воды, содержащейся в отработанных газах. Компрессором (5) отработанные газы из первого контактного охладителя (4) подаются во второй контактный охладитель (6) под давлением по меньшей мере 3,5 МПа, где охлаждаются до температуры близкой к температуре начала конденсации диоксида углерода. При этом, во втором контактном охладителе (6) также продолжается конденсация воды, оставшейся в отработанных газах. Эта дополнительно сконденсированная вода выводится из контактного охладителя (6). Во втором охладителе (7) отработанных газов происходит конденсация СО2 за счет охлаждения до температуры не ниже 273 К при давлении газа по меньшей мере 3,5 МПа. Температура и давление во втором охладителе (7) обусловлено необходимостью достижения максимально высокой степени улавливания диоксида углерода из продуктов сгорания при сохранении тепловой экономичности энергетической установки, соответственно, обеспечению высокого КПД установки, при отсутствии твердой фазы диоксида углерода.The combustion products expand in the combined cycle gas turbine (2) with a backpressure significantly higher than atmospheric, which is from 0.2 to 0.9 MPa, and the first exhaust gas cooler (3) passes in succession, in which the exhaust gases are cooled to the temperature of the beginning of water condensation after due to cooling of the exhaust gases to a temperature of at least 420 K at a pressure of 0.2 to 0.9 MPa. From the first exhaust gas cooler (3), the cooled exhaust gas enters the first exhaust gas contact cooler (4), in which the exhaust gas is cooled to a temperature not lower than 273 K and the water contained in the exhaust gas is condensed. By compressor (5), the exhaust gases from the first contact cooler (4) are supplied to the second contact cooler (6) at a pressure of at least 3.5 MPa, where they are cooled to a temperature close to the temperature at which carbon dioxide condensation begins. In this case, in the second contact cooler (6), the condensation of the water remaining in the exhaust gases also continues. This additionally condensed water is discharged from the contact cooler (6). In the second exhaust gas cooler (7), CO 2 is condensed by cooling to a temperature of at least 273 K at a gas pressure of at least 3.5 MPa. The temperature and pressure in the second cooler (7) is due to the need to achieve the highest possible degree of carbon dioxide capture from the combustion products while maintaining the thermal efficiency of the power plant, respectively, to ensure high efficiency of the plant, in the absence of a solid phase of carbon dioxide.
Сконденсированная вода сливается из первого контактного охладителя (4). Некоторая часть сконденсированной воды с помощью водяного насоса-регулятора (17) направляется в камеру сгорания (1) через теплообменник (9) регенеративного нагревателя воды, расположенного в первом охладителе (3) отработанных газов. Другая часть воды направляется с помощью циркуляционного насоса (15) в контур первого контактного охладителя (4) через теплообменник (16) регенеративного нагревателя (26) диоксида углерода, который расположен на линии подачи диоксида углерода в первый охладитель (3) отработанных газов. При этом вода, проходя через теплообменник (16), охлаждается до температуры не ниже 273 К и далее через верхний ярус инжекторов (13) подается в первый контактный охладитель (4). Остальная часть воды направляется с помощью теплофикационного насоса (18) к потребителю тепла, например в сети централизованного теплоснабжения при стандартных для региона параметрах.Condensed water is drained from the first contact cooler (4). Some of the condensed water is sent to the combustion chamber (1) through the heat pump (9) of the regenerative water heater, located in the first cooler (3) of the exhaust gases, using the water pump-controller (17). Another part of the water is directed by a circulation pump (15) to the circuit of the first contact cooler (4) through the heat exchanger (16) of the regenerative carbon dioxide heater (26), which is located on the carbon dioxide supply line to the first exhaust gas cooler (3). In this case, the water passing through the heat exchanger (16) is cooled to a temperature not lower than 273 K and then fed through the upper tier of the injectors (13) to the first contact cooler (4). The rest of the water is sent via a heat pump (18) to a heat consumer, for example, in a district heating network with standard parameters for the region.
Сконденсированный диоксид углерода сливается из второго охладителя (7) отработанных газов в накопитель (27) жидкого диоксида углерода, при этом некоторая необходимая часть жидкого СО2 с помощью углекислотного насоса-регулятора (25) направляется в камеру сгорания (1) через смеситель (24) и теплообменник (23) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, расположенного в блоке (21) охлаждения воды второго контактного охладителя (6) отработанных газов. Другая часть диоксида углерода насосом-регулятором (27) направляется в камеру сгорания (1) через регенеративный нагреватель (26) диоксида углерода и теплообменник (8) регенеративного нагревателя диоксида углерода первого охладителя (3) отработанных газов. Часть диоксида углерода может выводиться из накопителя (27) жидкого диоксида углерода для дальнейшего использование вне установки или для хранения.Condensed carbon dioxide is discharged from the second cooler (7) of the exhaust gases into the liquid carbon dioxide storage (27), while some necessary part of the liquid CO 2 is sent to the combustion chamber (1) through a mixer (24) using a carbon dioxide pump-regulator (25) and a heat exchanger (23) of a regenerative heater of carbon dioxide and oxygen located in the water cooling unit (21) of the second exhaust gas contact cooler (6). The other part of the carbon dioxide is pumped to the combustion chamber (1) through the regenerative heater (26) of carbon dioxide and the heat exchanger (8) of the regenerative carbon dioxide heater of the first exhaust gas cooler (3) with the pump-regulator (27). Part of the carbon dioxide can be removed from the liquid carbon dioxide storage (27) for further use outside the installation or for storage.
Во время работы установки определяют электромагнитный момент на якоре генератора (36), соединенного с турбиной (2) и производят оценку рабочего режима установки на основе электромагнитного момента на якоре генератора (26): при уменьшении момента ниже первого порогового значения производят открытие перепускного клапана (40), повышают производительность блока сжижения (37), в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость (38) для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород - в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода (39).During installation operation, determine the electromagnetic moment at the generator armature (36) connected to the turbine (2) and evaluate the operating mode of the installation based on the electromagnetic moment at the generator armature (26): when the moment decreases below the first threshold value, the bypass valve is opened (40 ), increase the productivity of the liquefaction unit (37), in which the liquefied carbon-containing fuel enters the heat-insulated container (38) for storing the liquefied carbon-containing fuel, and additional liquid acidic genus - in a thermally insulated container for storing liquefied oxygen (39).
Дополнительно, при снижении электромагнитного момента на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, - включают устройство (на чертеже не показано) охлаждения диоксида углерода, выведенного из второго охладителя (7) в накопитель (27) жидкого диоксида углерода, для поддержания диоксида углерода в накопителе (27) в жидком состоянии.Additionally, when the electromagnetic moment at the generator armature (36) decreases below the first threshold value, - turn on a device (not shown) for cooling carbon dioxide removed from the second cooler (7) into the liquid carbon dioxide storage (27) to maintain carbon dioxide in the drive (27) in a liquid state.
При увеличении электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения, устройство охлаждения диоксида углерода отключают.When the electromagnetic moment at the generator armature (36) increases above the second threshold value, the carbon dioxide cooling device is turned off.
Кроме этого, при условии увеличенного электромагнитного момента на якоре генератора (36) выше второго порогового значения снижают потребление электрической энергии блоком (37) сжижения. При этом, производят закрытие перепускного клапана (40) и снижают производительность блока сжижение (37) с учетом необходимого расхода углеродсодержащего топлива и кислорода в камере сгорания (1) и накопленных этих компонентов в теплоизолированных емкостях (38, 39). Здесь кислород, углеродсодержащее топливо и диоксид углерода подаются в камеру сгорания (1) из теплоизолированной емкости (39), емкости (38) и накопителя (27), в которых они накапливаются и хранятся.In addition, provided that the electromagnetic moment at the generator armature (36) is increased above the second threshold value, the electric energy consumption is reduced by the liquefaction unit (37). At the same time, the bypass valve (40) is closed and the productivity of the liquefaction unit (37) is reduced, taking into account the required consumption of carbon-containing fuel and oxygen in the combustion chamber (1) and the accumulated these components in insulated containers (38, 39). Here, oxygen, carbon-containing fuel and carbon dioxide are supplied to the combustion chamber (1) from a thermally insulated tank (39), tank (38) and storage (27), in which they are accumulated and stored.
Жидкий кислород, полученный в описанном выше устройстве получения сжиженного кислорода или от любого известного источника (31) кислорода, насосом-регулятором (32) кислорода, обеспечивающим подачу кислорода под давлением более 7,5 МПа, направляется в теплообменник (33) нагрева кислорода, в котором происходит нагрев жидкого кислорода за счет теплообмена с газообразным углеродсодержащим топливом, например, метаном. Далее кислород поступает в теплообменник (10) регенеративного нагревателя кислорода, расположенный во втором охладителе (7) отработанных газов, после чего поступает в смеситель (24), где кислород смешивается с диоксидом углерода, поступающим из накопителя (27) жидкого диоксида углерода и направляется в камеру сгорания (1) через теплообменник (23) регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода.Liquid oxygen obtained in the above-described device for producing liquefied oxygen or from any known source (31) of oxygen, an oxygen control pump (32) providing oxygen supply under a pressure of more than 7.5 MPa, is sent to the oxygen heating heat exchanger (33), in which is the heating of liquid oxygen due to heat exchange with a gaseous carbon-containing fuel, for example, methane. Then, oxygen enters the heat exchanger (10) of the regenerative oxygen heater located in the second cooler (7) of exhaust gases, and then enters the mixer (24), where oxygen is mixed with carbon dioxide coming from the liquid carbon dioxide storage unit (27) and sent to a combustion chamber (1) through a heat exchanger (23) of a regenerative heater of a mixture of carbon dioxide and oxygen.
Углеродсодержащее газообразное топливо из блока (37) сжижения, в частности за счет теплообмена с жидким кислородом сжижается в блоке сжижения за счет использования промежуточного теплоносителя, циркулирующего через теплообменник (33) нагрева кислорода и теплообменник (34) охлаждения топлива, и насосом-регулятором (35), обеспечивающим подачу топлива под давлением более 7,5 МПа, подается в теплообменник (11) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенного во втором охладителе (7) отработанных газов. Далее углеродсодержащее топливо поступает в теплообменник (22) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, где нагревается за счет тепла, отведенного из второго контактного охладителя (6), и направляется в камеру сгорания (1).Carbon-containing gaseous fuel from the liquefaction unit (37), in particular due to heat exchange with liquid oxygen, is liquefied in the liquefaction unit due to the use of an intermediate heat carrier circulating through the oxygen heating heat exchanger (33) and the fuel cooling heat exchanger (34), and a controller pump (35 ), providing fuel supply under a pressure of more than 7.5 MPa, is supplied to the heat exchanger (11) of the regenerative carbon-containing fuel heater located in the second exhaust gas cooler (7). Next, the carbon-containing fuel enters the heat exchanger (22) of the regenerative carbon-containing fuel heater, where it is heated by the heat removed from the second contact cooler (6) and sent to the combustion chamber (1).
Таким образом, конденсация воды в первом контактном охладителе (4) достигается за счет предварительного охлаждения отработанных газов в первом охладителе (3) отработанных газов до температуры начала конденсации воды благодаря теплообменникам (8, 9) регенеративного нагрева диоксида углерода и регенеративного нагрева воды и охлаждению отработанных газов в самом первом контактном охладителе (4) за счет охлаждения отработанных газов благодаря распыленной инжекторами, объединенными в по меньшей мере один ярус, воды. Предпочтительным является наличие по меньшей мере двух ярусов (13, 14) инжекторов. По меньшей мере один из по меньшей мере двух ярусов инжекторов (13, 14) выполнен с возможностью подачи воды, например, находящейся в состоянии бинарного льда. А по меньшей мере один другой ярус из по меньшей мере двух ярусов инжекторов (13, 14) выполнен с возможностью подачи обратной воды из тепловой сети. Также конденсация остатков воды из отработанных газов достигается во втором контактном охладителе (6) за счет охлаждения отработанных газов благодаря распыленной инжекторами (19) воды, поступающей из блока (21) охлаждения воды.Thus, water condensation in the first contact cooler (4) is achieved by pre-cooling the exhaust gases in the first exhaust gas cooler (3) to the temperature of the onset of water condensation due to heat exchangers (8, 9) of regenerative heating of carbon dioxide and regenerative heating of water and cooling of waste gases in the very first contact cooler (4) due to cooling of the exhaust gases due to the water sprayed by injectors combined in at least one tier. It is preferable to have at least two tiers (13, 14) of injectors. At least one of the at least two tiers of the injectors (13, 14) is configured to supply water, for example, in a state of binary ice. And at least one other tier of at least two tiers of injectors (13, 14) is configured to supply return water from the heating network. Also, condensation of water residues from the exhaust gases is achieved in the second contact cooler (6) due to the cooling of the exhaust gases due to the water sprayed by the injectors (19) coming from the water cooling unit (21).
Конденсация диоксида углерода во втором охладителе (7) отработанных газов достигается за счет предварительного охлаждения отработанных газов во втором контактом охладителе (6) до температуры близкой к температуре начала конденсации диоксида углерода и охлаждению отработанных газов в самом втором охладителе (7) за счет передачи тепла благодаря испарителю (12) теплового насоса, теплообменнику (11) регенеративного нагревателя кислорода и теплообменнику (10) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива. При этом тепло, отведенное испарителем (12) теплового насоса, с помощью циркуляционного насоса (28) поступает в конденсатор (29) теплового насоса, где рабочее тело теплового насоса конденсируется, и далее тепло от конденсатора (29) теплового насоса отводится в окружающую среду, например, через градирню (30).Condensation of carbon dioxide in the second cooler (7) of exhaust gases is achieved by pre-cooling the exhaust gases in the second contact of the cooler (6) to a temperature close to the temperature at which condensation of carbon dioxide starts and cooling of the exhaust gases in the second cooler (7) due to heat transfer due to the evaporator (12) of the heat pump, the heat exchanger (11) of the regenerative oxygen heater and the heat exchanger (10) of the regenerative heater of carbon-containing fuel. In this case, the heat removed by the evaporator (12) of the heat pump, through a circulation pump (28) enters the condenser (29) of the heat pump, where the working body of the heat pump condenses, and then the heat from the condenser (29) of the heat pump is removed to the environment, for example, through a cooling tower (30).
Изменение баланса выработки механической и тепловой энергий при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного насосов-регуляторов (17 и 25). При этом для получения большего количества тепловой энергии повышается производительность водяного насоса-регулятора (17), что обуславливается большим отводом тепла из камеры сгорания за счет температуры, выделяющейся при конденсации водяного пара в контактном охладителе (4), а для получения большего количества электрической энергии по отношению к тепловой повышается производительность углекислотного насоса-регулятора (25) при одновременном уменьшении подачи воды в камеру сгорания (1). Таким образом, в камере сгорания (1) соблюдается баланс инертных составляющих, которые необходимы для поддержания температуры в камере сгорания (1) в заданных пределах.Changing the balance of the production of mechanical and thermal energies at a constant gas temperature in front of a combined-cycle turbine (2) is achieved by changing the productivity of water and carbon dioxide control pumps (17 and 25). At the same time, in order to obtain more thermal energy, the performance of the water pump-controller (17) is increased, which is caused by a large heat removal from the combustion chamber due to the temperature released during condensation of water vapor in the contact cooler (4), and to obtain a larger amount of electric energy, relative to heat, the performance of the carbon dioxide pump-controller (25) increases while reducing the water supply to the combustion chamber (1). Thus, in the combustion chamber (1), the balance of inert components, which are necessary to maintain the temperature in the combustion chamber (1) within the specified limits, is maintained.
На режиме работы, когда электромагнитный момент на якоре генератора (36) ниже первого порогового значения, т.е. в тех случаях, когда требуемое для потребителя количество механической и тепловой энергии снижается, дополнительно нагрузку генератор (36) получает от блока сжижения(37) и устройства охлаждения диоксида углерода. Таким образом, за счет расхода выработанной установкой энергии на сжижение топлива, кислорода и поддержания диоксида углерода в холодном состоянии для их последующего использования самой установкой удается, в зависимости от времени, в течении которого потребителю нужно меньшее количество энергии, объемов накопителя (27) жидкого диоксида углерода, и емкостей (38) и (39), исключить или значительно снизить продолжительность работы установки на переходных режимах и режимах частичных нагрузок и повысить КПД установки.In the operating mode, when the electromagnetic moment at the generator armature (36) is lower than the first threshold value, i.e. in cases where the amount of mechanical and thermal energy required for the consumer is reduced, the generator (36) additionally receives the load from the liquefaction unit (37) and the carbon dioxide cooling device. Thus, due to the consumption of energy generated by the installation for liquefying fuel, oxygen and maintaining carbon dioxide in a cold state for their subsequent use, the installation itself succeeds, depending on the time during which the consumer needs less energy, the volume of liquid dioxide storage (27) carbon, and tanks (38) and (39), to eliminate or significantly reduce the duration of the installation at transient and partial load conditions and increase the efficiency of the installation.
Применительно к предлагаемому изобретению реализация процесса сжижения СО2 в значительной мере упрощается наличием большого охлаждающего потенциала у жидкого кислорода, поступающего в установку. При этом, недостающая доля холода компенсируется возможностью его накопления при работе устройства охлаждения СО2.In relation to the invention, the implementation of the process of liquefaction of CO 2 is greatly simplified by the presence of a large cooling potential of liquid oxygen entering the installation. Moreover, the lack of cold is compensated by the possibility of its accumulation during operation of the CO 2 cooling device.
Выбор значений указанных интервалов давлений, а именно в камере сгорания (1) по меньшей мере 7,5 МПа, отработанных газов, поступающих в охладители (3 и 4) от 0,2 до 0,9 МПа, отработанных газов, поступающих в охладители (6 и 7) по меньшей мере 3,5 МПа обуславливается получением большей работы за счет расширения газов находящихся под большим давлением в парогазовой турбине (2), что, в свою очередь, повышает выработку энергии энергетической установкой и увеличение КПД установки в целом. Кроме того, давления в охладителях (3, 4, 6, 7) выбраны таким образом, чтобы минимизировать потери энергии установкой для перекачивания отработанных газов из одного блока в другой, а также для обеспечения максимальной степени конденсации и сбора диоксидов углерода, при отсутствии вероятности появления твердой фазы. Давление углеродсодержащего топлива и смеси кислорода с диоксидом углерода составляет более 7,5 МПа, что необходимо для осуществления подачи их в камеру сгорания (1) энергетической установки.The choice of values of the indicated pressure ranges, namely in the combustion chamber (1) of at least 7.5 MPa, exhaust gases entering the coolers (3 and 4) from 0.2 to 0.9 MPa, exhaust gases entering the coolers ( 6 and 7) at least 3.5 MPa is caused by getting more work due to the expansion of gases under high pressure in a combined cycle gas turbine (2), which, in turn, increases the energy production of a power plant and increases the efficiency of the plant as a whole. In addition, the pressures in the coolers (3, 4, 6, 7) are selected in such a way as to minimize energy losses by the installation for pumping exhaust gases from one unit to another, as well as to ensure the maximum degree of condensation and collection of carbon dioxide, in the absence of the likelihood of occurrence solid phase. The pressure of carbon-containing fuel and a mixture of oxygen with carbon dioxide is more than 7.5 MPa, which is necessary to feed them into the combustion chamber (1) of the power plant.
Также ограничение охлаждения отработанных газов до температуры не ниже 273 К в первом контактном охладителе (4) связано с условием максимально возможной конденсации воды из отработанных газов, избегая возможной ее кристаллизации. А ограничение охлаждения до температуры не ниже 273 К во втором охладителе (7) связано с условием оптимальной конденсации диоксида углерода из отработанных газов при заданном давлении.Also, the limitation of the cooling of exhaust gases to a temperature not lower than 273 K in the first contact cooler (4) is associated with the condition of the maximum possible condensation of water from the exhaust gases, avoiding its possible crystallization. And the restriction of cooling to a temperature not lower than 273 K in the second cooler (7) is associated with the condition of optimal condensation of carbon dioxide from the exhaust gases at a given pressure.
Claims (19)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018138015A RU2698865C1 (en) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018138015A RU2698865C1 (en) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2698865C1 true RU2698865C1 (en) | 2019-08-30 |
Family
ID=67851405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018138015A RU2698865C1 (en) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2698865C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2723264C1 (en) * | 2019-11-13 | 2020-06-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Installation for generation of heat and mechanical energy and method of its regulation |
| RU2732530C1 (en) * | 2020-02-27 | 2020-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex for generation of heat and mechanical energy and method of operation of complex |
| RU2739165C1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex of natural gas processing and method of operation of complex |
| RU2759794C1 (en) * | 2021-05-14 | 2021-11-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex |
| RU2774008C1 (en) * | 2021-10-28 | 2022-06-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Installation for generating thermal and mechanical energy and method for its regulation |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU892637A1 (en) * | 1980-02-15 | 1981-12-23 | Донецкий Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Method of starting turbogenerator, remote from turbine into the mode of synchronous compensator |
| RU2245446C2 (en) * | 2000-06-29 | 2005-01-27 | Фостер Уилер Энерджи Корпорейшн | Combined cycle power plant and its operating process |
| US6883327B2 (en) * | 2003-04-30 | 2005-04-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Method and system for recovering carbon dioxide |
| RU2250872C1 (en) * | 2003-10-15 | 2005-04-27 | Институт высоких температур РАН (ИВТ РАН) | Combined method of electric power and a liquid synthetic fuel production by gas turbine and steam-gas installations |
| WO2005045316A2 (en) * | 2003-11-06 | 2005-05-19 | Sargas As | Purification works for thermal power plant |
| RU2433339C2 (en) * | 2007-06-08 | 2011-11-10 | Фостер Уилер Энерджи Корпорейшн | Method to generate power in power plant by burning carbon-containing fuel in substantially pure oxygen, power plant to generate power by burning carbon-containing fuel in substantially pure oxygen, method to modify process of power generation by burning carbon-containing fuel from fuel burning in air to fuel burning in substantially pure oxygen |
-
2018
- 2018-10-29 RU RU2018138015A patent/RU2698865C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU892637A1 (en) * | 1980-02-15 | 1981-12-23 | Донецкий Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Method of starting turbogenerator, remote from turbine into the mode of synchronous compensator |
| RU2245446C2 (en) * | 2000-06-29 | 2005-01-27 | Фостер Уилер Энерджи Корпорейшн | Combined cycle power plant and its operating process |
| US6883327B2 (en) * | 2003-04-30 | 2005-04-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Method and system for recovering carbon dioxide |
| RU2250872C1 (en) * | 2003-10-15 | 2005-04-27 | Институт высоких температур РАН (ИВТ РАН) | Combined method of electric power and a liquid synthetic fuel production by gas turbine and steam-gas installations |
| WO2005045316A2 (en) * | 2003-11-06 | 2005-05-19 | Sargas As | Purification works for thermal power plant |
| RU2433339C2 (en) * | 2007-06-08 | 2011-11-10 | Фостер Уилер Энерджи Корпорейшн | Method to generate power in power plant by burning carbon-containing fuel in substantially pure oxygen, power plant to generate power by burning carbon-containing fuel in substantially pure oxygen, method to modify process of power generation by burning carbon-containing fuel from fuel burning in air to fuel burning in substantially pure oxygen |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2723264C1 (en) * | 2019-11-13 | 2020-06-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Installation for generation of heat and mechanical energy and method of its regulation |
| RU2739165C1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex of natural gas processing and method of operation of complex |
| RU2732530C1 (en) * | 2020-02-27 | 2020-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex for generation of heat and mechanical energy and method of operation of complex |
| RU2759794C1 (en) * | 2021-05-14 | 2021-11-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex |
| RU2774008C1 (en) * | 2021-10-28 | 2022-06-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Installation for generating thermal and mechanical energy and method for its regulation |
| RU2799698C1 (en) * | 2022-09-13 | 2023-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy process system for the production of ammonia, thermal and electric energy and the method of operation of the system |
| RU2799699C1 (en) * | 2022-09-13 | 2023-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy process system for the production of urea, thermal and electric energy and the method of operation of the system |
| RU2806868C1 (en) * | 2023-01-27 | 2023-11-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy complex for generating thermal and electrical energy and its method of operation (variant) |
| RU2805401C1 (en) * | 2023-04-12 | 2023-10-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Installation for generating thermal and mechanical energy and method of its operation |
| RU2808890C1 (en) * | 2023-07-28 | 2023-12-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических исследований Российской академии наук (ИНЭИ РАН) | Energy technological complex for generation of thermal and mechanical energy and method of complex operation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2698865C1 (en) | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy | |
| RU2215165C2 (en) | Method of regeneration of heat of exhaust gases in organic energy converter by means of intermediate liquid cycle (versions) and exhaust gas heat regeneration system | |
| CN100462531C (en) | System and method for improving efficiency of combined cycle electric power plant | |
| WO1996038656A1 (en) | A liquefied natural gas (lng) fueled combined cycle power plant and an lng fueled gas turbine plant | |
| EA009276B1 (en) | Configurations and methods for power generation with integrated lng regasification | |
| CN112963207B (en) | Liquefied air hybrid energy storage and power generation integrated system and method | |
| CN103089356A (en) | Flash evaporation-double work medium combined power generation device | |
| CN111173719A (en) | Liquefied air energy storage system with preheating evaporator | |
| RU2665794C1 (en) | Method and plant for mechanical and thermal energy generation | |
| JP2021179306A (en) | Turbine system and method | |
| CN115898578A (en) | Carbon capture system for gas power station utilizing low-temperature air cold energy and operation method | |
| CN114810252A (en) | Supercritical CO 2 Variable-load working medium charging and discharging system and method for generator set | |
| RU2651918C1 (en) | Method and plant for mechanical and thermal energy generation | |
| RU2723264C1 (en) | Installation for generation of heat and mechanical energy and method of its regulation | |
| CN209875220U (en) | Peak-shaving power generation system integrating carbon dioxide circulation and liquefied air energy storage | |
| CN113883739B (en) | CO of composite absorption refrigeration and organic Rankine cycle2Pressure-increasing storage device | |
| CN115750009A (en) | Energy storage power peak regulation system for carbon capture and liquefied natural gas cold energy utilization and operation method | |
| CN116222151A (en) | Cryogenic carbon capture system with large-scale long-period energy storage function and near 0 carbon emission for coal-fired unit | |
| CN112112694B (en) | Liquid air energy storage system and method capable of self-dissipating compression heat | |
| JP2024500660A (en) | Method for recovering waste heat generated in the production of green ammonia | |
| CN114216110A (en) | Heat pump assisted heating step waste heat recovery steam generation system and working method thereof | |
| RU2806868C1 (en) | Energy complex for generating thermal and electrical energy and its method of operation (variant) | |
| US9608498B2 (en) | Method and device for generating electrical energy | |
| RU2774008C1 (en) | Installation for generating thermal and mechanical energy and method for its regulation | |
| KR101294948B1 (en) | Power system for improved thermal and condensing efficiency |