RU2702206C1

RU2702206C1 - Boiler-turbine dioxide-carbon power plant

Info

Publication number: RU2702206C1
Application number: RU2018121581A
Authority: RU
Inventors: Михаил Аркадьевич Верткин
Original assignee: Михаил Аркадьевич Верткин
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2019-10-04

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and can be used to increase efficiency and reduce metal consumption of a boiler of a boiler turbine dioxide-carbon power plant (CO₂-PP) using carbon dioxide (CO₂) as working medium. Boiler turbine CO₂-PP contains boiler 1 with superheater 2 CO₂ high pressure (CO₂ h.p.), turbine 3 consisting of two high and low pressure (HPT and LPT) turbines 3a and 3b communicated at CO₂h.p. inlet with superheater 2 to CO₂ h.p. output, recuperator 4 consisting of high-temperature recuperator HTR 4a and low-temperature recuperator LTR 4b communicated at outlet via heated CO₂ h.p. with superheater 2 input to CO₂ h.p., at CO₂ low pressure inlet (CO₂ l.p.) – with output of LPT 3b by CO₂ l.p., cooler 5 communicated at CO₂ l.p. inlet with output of LTR 4b by CO₂ l.p., and compressor 6 communicated at CO₂ l.p. inlet with coolant 5 output by CO₂ l.p., at output by CO₂ h.p. – with input of LTR 4b by CO₂ h.p. Boiler comprises bypass heater (BH) 10, installed in gas channel of boiler behind superheater 2, communicated at CO₂ h.p. output with superheater 2 input to CO₂ h.p., at CO₂ h.p. inlet – with output of LTR 4b by CO₂. h.p., control valve (CV) 11 installed on CO₂ h.p. supply line from LTR 4b to BH 10 to allow adjustment of CO₂ h.p. supply in Bh 10 by condition of equality of temperatures CO₂ h.p. at outputs Bh 10 and HYR 4a by CO₂ h.p., furnace 12 operating on gas fuel, and air heater (AH), consisting of high-temperature and low-temperature stages 13 and 16 and installed in boiler gas circuit behind BH 10. Boiler turbine CO₂-PP contains liquid fuel heater 15, gas-liquid heat exchanger 17 installed between stages of AH 3 and 16, and air separation unit 19 communicated at air inlet with environment, at outlet of oxygen-enriched air – with inlet of low-temperature stage 16 of AH by air.

EFFECT: invention allows increasing efficiency of boiler and boiler-turbine CO₂-PP.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для повышения КПД или для снижения металлоемкости котла котлотурбинной диоксид-углеродной энергоустановки без снижения ее КПД.The invention relates to a power system and can be used to increase efficiency or to reduce the metal consumption of a boiler of a carbon turbine dioxide-carbon power plant without reducing its efficiency.

Диоксид-углеродные (углекислотные) энергоустановки (CO₂-ЭУ) - это тепловые энергоустановки, использующие диоксид углерода (CO₂) в качестве рабочего тела. В отличие от обычных паротурбинных энергоустановок, реализующих цикл Ренкина, в CO₂-ЭУ, как правило, реализуют газотурбинный замкнутый регенеративный цикл при сверхкритическом давлении CO₂ перед турбиной. В котлотурбинных CO₂-ЭУ подвод теплоты в цикл производится в котле. Преимуществами котлотурбинных CO₂-ЭУ по сравнению с обычными паротурбинными блоками сверхкритического давления являются более высокий КПД при нагреве рабочего тела до температуры выше 650-700°С, отсутствие затрат на нейтрализацию и отвод сточных вод и на очистку поверхностей теплообмена парогенератора от накипи, компактность турбин и охладителей CO₂ (по сравнению с паровыми турбинами и конденсаторами).Carbon dioxide (carbon dioxide) power plants (CO ₂ -EU) are thermal power plants that use carbon dioxide (CO ₂ ) as a working fluid. Unlike conventional steam-turbine power plants that implement the Rankine cycle, as a rule, a CO2 gas-turbine closed regenerative cycle with supercritical pressure of CO ₂ in front of the turbine is implemented in CO ₂ -ES. In boiler-turbine CO ₂ -EU, heat is supplied to the cycle in the boiler. The advantages of boiler turbine CO ₂ -ES compared to conventional supercritical steam turbine units are higher efficiency when the working fluid is heated to a temperature above 650-700 ° C, there is no cost to neutralize and drain wastewater and to clean the heat transfer surfaces of the steam generator from scale, and the turbines are compact and CO ₂ coolers (compared to steam turbines and condensers).

Ниже приведен перечень сокращений и основных терминов, используемых в настоящем описании, и их определений, согласно ГОСТ Р 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения», ГОСТ Р 54974-2012. «Котлы стационарные паровые, водогрейные и котлы-утилизаторы. Термины и определения» и другим, в т.ч. зарубежным, источникам):The following is a list of abbreviations and basic terms used in this description, and their definitions, according to GOST R 51852-2001 "Gas turbine units. Terms and definitions, GOST R 54974-2012. “Stationary steam boilers, hot water boilers and waste heat boilers. Terms and definitions ”and others, including foreign sources):

Используемые сокращения:Abbreviations Used:

БП - байпасный подогреватель CO₂ в.д. котла;BP - bypass heater CO ₂ east boiler;

ВП - воздухоподогреватель;VP - air heater;

ВРУ - воздухоразделительная установка;ASU - air separation unit;

ВТР - высокотемпературный рекуператор (высокотемпературная ступень рекуператора);VTR - high temperature recuperator (high temperature recuperator stage);

НТР - низкотемпературный рекуператор (низкотемпературная ступень рекуператора);НТР - low-temperature recuperator (low-temperature recuperator stage);

ТВД - турбина высокого давления;TVD - high pressure turbine;

ТНД - турбина низкого давления;ТНД - low pressure turbine;

ЭУ - энергоустановка;EU - power plant;

CO₂ - диоксид углерода (углекислый газ);CO ₂ - carbon dioxide (carbon dioxide);

CO₂ в.д. - углекислый газ высокого давления;CO ₂ East - high pressure carbon dioxide;

CO₂ н.д. - углекислый газ низкого давления;CO ₂ n.a. - low pressure carbon dioxide;

CO₂ с.д. - углекислый газ высокого давления;CO ₂ s.d. - high pressure carbon dioxide;

CO₂-ЭУ - диоксид-углеродная энергоустановка:CO ₂ -EU - carbon dioxide power plant:

sCO₂ - углекислый газ (диоксид углерода) при сверхкритическом давлении.sCO ₂ - carbon dioxide (carbon dioxide) at supercritical pressure.

Газотурбинный двигатель, ГТД - машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии в механическую, состоящая из одного или нескольких компрессоров, одного или нескольких тепловых устройств (в данном случае - перегревателей CO₂, являющихся частью котельной установки), в которых повышается температура рабочего тела, одной или нескольких газовых турбин, вала отбора мощности, системы управления и необходимого вспомогательного оборудования.Gas turbine engine, gas turbine engine - a machine designed to convert thermal energy into mechanical energy, consisting of one or more compressors, one or more thermal devices (in this case, CO ₂ superheaters, which are part of the boiler plant), in which the temperature of the working fluid rises, one or several gas turbines, a power take-off shaft, a control system and the necessary auxiliary equipment.

Регенератор/рекуператор: Теплообменный аппарат, предназначенный для передачи теплоты отработавших (расширившихся) в турбине газов (в данном случае CO₂ низкого давления, далее CO₂ н.д.) рабочему телу (в данном случае CO₂ высокого давления, далее, CO₂ в.д.).Regenerator / recuperator: The heat exchange apparatus for transferring heat of the exhaust (expanded) gas in the turbine (in this case, CO ₂ low pressure, hereinafter CO _2, ND), the working fluid (in this case high pressure CO _2, hereinafter, CO ₂ east).

Газотурбинный двигатель регенеративного цикла: Газотурбинный двигатель, термодинамический цикл которого отличается наличием регенеративного подогрева в регенераторе/рекуператоре сжатого в компрессоре рабочего тела (в данном случае CO₂ в.д.) теплом отработанного (расширившегося в турбине) рабочего тела (CO₂ н.д.) за турбиной перед подачей CO₂ в.д. на нагрев во внешнем источнике тепла (в данном случае - в котле) с целью снижения расхода тепла в цикл и повышения КПД цикла.Regenerative cycle gas turbine engine: A gas turbine engine whose thermodynamic cycle is characterized by the presence of regenerative heating in the regenerator / recuperator of the working fluid compressed in the compressor (in this case, CO ₂ E.D.) by the heat of the spent (expanded in the turbine) working fluid (CO ₂ N.D. .) behind the turbine before supplying CO ₂ east heating in an external heat source (in this case, in the boiler) in order to reduce heat consumption in the cycle and increase the efficiency of the cycle.

Газотурбинный двигатель замкнутого цикла: Газотурбинный двигатель, в котором рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру без связи с атмосферой; отвод теплоты от отработанного рабочего тела производится через охладитель.Closed-loop gas turbine engine: A gas-turbine engine in which the working fluid circulates in a closed circuit without any connection to the atmosphere; heat is removed from the spent working fluid through a cooler.

Основной компрессор, или компрессор (compressor): Компрессор, осуществляющий сжатие рабочего тела низкого давления (н.д.), предварительно охлажденного в рекуператоре и охладителе.Main compressor, or compressor: A compressor that compresses a low-pressure working fluid (n.a.) pre-cooled in a recuperator and cooler.

Рекомпрессинг (recompressing): Применяемое в газотурбинном замкнутом регенеративном цикле параллельное сжатие отработанного рабочего тела за рекуператором, но не охлажденном в охладителе, что повышает КПД цикла, если теплоемкость сжатого рабочего тела существенно превосходит теплоемкость рабочего тела н.д. при той же температуре (что характерно для sCO₂).Recompressing: used in a gas turbine closed regenerative cycle, the parallel compression of the spent working fluid behind the recuperator, but not cooled in the cooler, which increases the efficiency of the cycle if the heat capacity of the compressed working fluid significantly exceeds the heat capacity of the working fluid n.d. at the same temperature (which is typical for sCO ₂ ).

Рекомпрессор (recompressor): Компрессор, осуществляющий рекомпрессинг (параллельно с основным компрессором).Recompressor (recompressor): A compressor that performs recompression (in parallel with the main compressor).

Топка котла: Устройство котла, предназначенное для сжигания органического (в данном случае - газового или жидкого) топлива и частичного охлаждения продуктов сгорания (дымовых газов) с отводом тепла рабочему телу через экранные поверхности теплообмена.Boiler firebox: A boiler device designed to burn organic (in this case, gas or liquid) fuel and partially cool combustion products (flue gases) with heat dissipation to the working fluid through heat transfer screen surfaces.

Воздухоподогреватель котла (ВП котла): Устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания топлива перед подачей в топку котла.Boiler air heater (boiler air heater): A device for heating air with fuel combustion products before being fed into the boiler furnace.

Рекуперативный воздухоподогреватель котла: ВП котла, в котором передача теплоты от продуктов сгорания (дымовых газов) к воздуху осуществляется через разделяющую их теплообменную поверхность.Recuperative air heater of the boiler: the boiler VP, in which heat is transferred from the products of combustion (flue gases) to the air through a heat exchange surface separating them.

Регенеративный воздухоподогреватель котла: ВП котла, в котором передача теплоты от дымовых газов к воздуху осуществляется через одни и те же периодически нагреваемые и охлаждаемые теплообменные поверхности.Regenerative boiler air heater: The boiler VP, in which heat is transferred from flue gases to air through the same periodically heated and cooled heat exchange surfaces.

Регенеративный вращающийся воздухоподогреватель котла: Регенеративный воздухоподогреватель котла с вращающейся теплообменной поверхностью.Regenerative rotary boiler air heater: Regenerative boiler air heater with a rotating heat exchange surface.

Воздухоподогреватель котла с промежуточным теплоносителем: Рекуперативный воздухоподогреватель котла, в котором передача теплоты от продуктов сгорания топлива к воздуху осуществляется за счет нагрева и охлаждения промежуточного теплоносителя.Air heater of a boiler with an intermediate heat carrier: A regenerative air heater of a boiler in which heat is transferred from the products of fuel combustion to air by heating and cooling an intermediate heat carrier.

Опускная конвективная шахта: Вертикальный газоход с размещенными в нем конвективными поверхностями нагрева и движением газа сверху вниз (в хвостовой части котла).Downward convective shaft: A vertical gas duct with convective heating surfaces placed in it and gas moving from top to bottom (in the rear of the boiler).

Размещение газожидкостного теплообменника в рассечку воздухоподогревателя - размещение поверхностей теплообмена газожидкостного теплообменника между поверхностями воздухоподогревателя. Возможный вариант исполнения -воздухоподогреватель выполнен многоступенчатым, а поверхности нагрева жидкости установлены между ступенями (ходами) воздухоподогревателя [патент СССР 950997].Placing a gas-liquid heat exchanger in the cut of an air heater - placement of heat exchange surfaces of a gas-liquid heat exchanger between surfaces of an air heater. A possible embodiment - the air heater is multi-stage, and the heating surfaces of the liquid are installed between the steps (strokes) of the air heater [USSR patent 950997].

Известна котлотурбинная CO₂-ЭУ, предложенная в работе "An investigation of the supercritical CO₂ cycle (Feher cycle) for shipboard application" (автор - O.V. Combs, США, 1977 г.) для применения в судовых силовых установках. Данная CO₂-ЭУ, реализующая простейший регенеративный цикл Брайтона (или цикл Фехера - Feher cycle), схематически изображенная на фиг. 1 на листе 17 указанного источника, содержит первичный источник тепла - перегреватель CO₂ котла, турбину, сообщенную на входе по CO₂ высокого давления (в.д.) с выходом перегревателя CO₂ котла (линия 4) по CO₂ в.д., рекуператор, сообщенный на входе по греющему CO₂ н.д. с выходом турбины по отработанному CO₂ (линия 5), охладитель CO₂, сообщенный на входе по охлаждаемому CO₂ с выходом рекуператора по греющему CO₂ н.д. (линия 6), компрессор, сообщенный на входе по CO₂ н.д. с выходом охладителя CO₂ по охлаждаемому CO₂ (линия 1), на выходе по CO₂ в.д. - с входом рекуператора по нагреваемому CO₂ в.д. (линия 2), рекуператор на выходе по нагреваемому CO₂ в.д. сообщен с входом перегревателя CO₂ котла по нагреваемому CO₂ в.д. (линия 3). Недостатком данного устройства является недостаточно высокий КПД цикла из-за большой величины недогрева CO₂ в.д. в рекуператоре до температуры отработанного CO₂ н.д. за турбиной вследствие того, что теплоемкость нагреваемого CO₂ в.д. в рекуператоре значительно выше теплоемкости греющего CO₂ н.д.A well-known boiler turbine CO ₂ -EU proposed in the work "An investigation of the supercritical CO ₂ cycle (Feher cycle) for shipboard application" (author - OV Combs, USA, 1977) for use in marine power plants. This CO ₂ EC, which implements the simplest Brighton regenerative cycle (or Feher cycle), schematically depicted in FIG. 1 on sheet 17 of the indicated source, contains the primary heat source — a boiler CO ₂ superheater, a turbine communicated at the high pressure CO ₂ inlet with a boiler CO ₂ superheater output (line 4) with CO ₂ a.a. , recuperator communicated at the inlet to the heating CO ₂ n.a. with a turbine outlet for spent CO ₂ (line 5), a CO ₂ cooler communicated at the inlet of the cooled CO ₂ with the recuperator outlet for heating CO ₂ n.d. (line 6), compressor communicated inlet by CO ₂ n.a. with the exit of the cooler CO ₂ on cooled CO ₂ (line 1), at the outlet on CO ₂ east - with recuperator input via heated CO ₂ east (line 2), recuperator outlet heated by CO ₂ east communicated with the input _{of the} boiler CO ₂ superheater via heated CO ₂ east (line 3). The disadvantage of this device is the insufficiently high cycle efficiency due to the large value of underheating of CO ₂ east in the recuperator to the temperature of the exhaust CO ₂ n.d. behind the turbine due to the fact that the heat capacity of the heated CO ₂ east in the recuperator is significantly higher than the heat capacity of the heating CO ₂ n.a.

Указанный недостаток устранен в регенеративном цикле Брайтона с рекомпрессингом, реализованном в ближайшем аналоге заявляемого устройства (прототипе) - котлотурбинной диоксид-углеродной энергоустановке, представленной в статье "Conceptual Designs of 50 MWe and 450 MWe Supercritical CO₂ Turbomachinery Trains for Power Generation from Coal. Part 1: Cycle and Turbine"/VD. Hofer и др. // The 5th International Symposium - Supercritical CO₂ Power Cycles, San Antonio, TX, 2016, fig 1 (b)), содержащей котел с перегревателем CO₂ в.д. котла HEATER, турбину, состоящую из двух турбин высокого и низкого давления (НРТ и LPT), сообщенную на входе по CO₂ в.д. (5) с выходом перегревателя HEATER по CO₂ в.д., рекуператор, состоящий из двух ступеней - высокотемпературного рекуператора (ВТР) HIGT TEMP RECUPER и низкотемпературного рекуператора (НТР) LOW TEMP RECUP, сообщенный на выходе по нагреваемому CO₂ в.д. с входом перегревателя котла по CO₂ в.д. (4), на входе по греющему теплоносителю (8) - с выходом по CO₂ н.д. последней по ходу рабочего тела турбины - турбины н.д. LPT, охладитель CO₂ н.д., состоящий из конденсатора CONDENSER и переохладителя CO₂ н.д. SUB COOL, сообщенный на входе по CO₂ н.д. (10) с выходом последней по ходу греющего теплоносителя ступени рекуператора по CO₂ н.д. LOW TEMP RECUP, и компрессор СОМР, сообщенный на входе по CO₂ н.д. (1) с выходом охладителя по охлажденному CO₂ н.д., на выходе по CO₂ в.д. - с входом последней по ходу CO₂ н.д. ступени рекуператора - LOW TEMP RECUP по CO₂ в.д. (2). Главное отличие данной CO₂-ЭУ от предыдущего аналога состоит в применении дополнительного компрессора (рекомпрессора) RECOMP, сообщенного на входе по CO₂ н.д. с выходом НТР (LOW TEMP RECUP) по CO₂ н.д. (10), на выходе по CO₂ в.д. - с входом ВТР (HIGT TEMP RECUPER) по CO₂ в.д. (3), обеспечивающего снижение расхода CO₂ н.д. через охладитель CO₂ н.д. с соответствующим снижением отвода тепла из цикла в окружающую среду и повышение температуры CO₂ в.д. на входе в перегреватель CO₂ в.д. котла HEATER, что в итоге позволяет значительно повысить КПД цикла по сравнению с предыдущим аналогом.This drawback was eliminated in the Brighton regenerative cycle with recompression implemented in the closest analogue of the claimed device (prototype) - a carbon-turbine carbon dioxide power plant presented in the article "Conceptual Designs of 50 MWe and 450 MWe Supercritical CO ₂ Turbomachinery Trains for Power Generation from Coal. Part Part 1: Cycle and Turbine "/ VD. Hofer et al. // The 5th International Symposium - Supercritical CO ₂ Power Cycles, San Antonio, TX, 2016, fig 1 (b)), containing a boiler with a CO ₂ superheater. HEATER boiler, a turbine consisting of two high and low pressure turbines (HPT and LPT), communicated at the inlet by CO ₂ E (5) with a HEATER CO ₂ EH outlet, a recuperator consisting of two stages - a high-temperature recuperator (VTR) HIGT TEMP RECUPER and a low-temperature recuperator (НТР) LOW TEMP RECUP, communicated at the outlet via a heated CO ₂ east . with boiler superheater input by CO ₂ (4), at the inlet along the heating coolant (8) - with the outlet according to CO ₂ n.a. the last along the working fluid of the turbine - turbine n.d. LPT, CO ₂ n.a. cooler consisting of a CONDENSER condenser and a CO ₂ n.a. SUB COOL reported at the input by CO ₂ n.a. (10) with the release of the last recuperator stage along the heating medium along CO ₂ n.d. LOW TEMP RECUP, and COMR compressor communicated at CO ₂ input n.a. (1) with a cooler outlet for cooled CO ₂ n.a., at a outlet for CO ₂ east. - with the entrance of the last in the course of CO ₂ n.d. recuperator steps - LOW TEMP RECUP on CO ₂ east (2). The main difference of this CO ₂ -EU from the previous analogue is the use of an additional compressor (recompressor) RECOMP, reported at the input of CO ₂ n.d. with output НТР (LOW TEMP RECUP) by CO ₂ n.d. (10), at the outlet on CO ₂ east - with VTR input (HIGT TEMP RECUPER) for CO ₂ east (3) providing a reduction in CO ₂ n.a. through cooler CO ₂ n.a. with a corresponding decrease in heat removal from the cycle to the environment and an increase in the temperature of CO ₂ east at the inlet of the CO ₂ superheater HEATER boiler, which ultimately allows you to significantly increase the efficiency of the cycle compared to the previous counterpart.

Котел данной CO₂-ЭУ содержит также промежуточный перегреватель CO₂ (RE-HEATER), турбина НРТ на выходе по CO₂ (6) сообщена с входом турбины LPT (7) через тракт промежуточного перегревателя CO₂.The boiler of this CO ₂ -EU also contains an intermediate CO ₂ superheater (RE-HEATER), the HPT turbine at the CO ₂ output (6) is in communication with the LPT turbine inlet (7) through the CO ₂ intermediate superheater path.

Как и в обычном сверхкритическом паротурбинном цикле, подвод тепла в прототипе осуществляется двумя источниками тепла - перегревателем CO₂ в.д. и промежуточным перегревателем; котел этой CO₂-ЭУ предполагается выполненным по схеме, аналогичной схеме парового прямоточного котла сверхкритического давления [схема и краткое описание прямоточного парового котла сверхкритического давления приведены, например, в электронном ресурсе "StudFiles", в разделе 1.1 «Паровой котел. Общее устройство и определения», рис. 1.3, "https://studfiles.net/preview/3828875/], содержащим перегреватель CO₂ в.д., состоящий, условно, из низкотемпературного участка с движением теплоносителей по схеме противотока (аналог экономайзера в паровом котле) и высокотемпературной части, поверхности нагрева которой, а также промежуточные перегреватели размещены в газовом тракте котла до низкотемпературного участка перегревателя CO₂ в.д. по ходу дымовых газов.As in the usual supercritical steam turbine cycle, the heat is supplied in the prototype by two heat sources - CO ₂ superheater. and an intermediate superheater; the boiler of this CO ₂ -EU is supposed to be made according to a scheme similar to that of a super-critical steam direct-flow boiler [a scheme and a brief description of a super-critical direct-flow steam boiler are given, for example, in the StudFiles electronic resource, in section 1.1 “Steam boiler. General structure and definitions ”, fig. 1.3, "https://studfiles.net/preview/3828875/], containing a CO ₂ superheater, conditionally consisting of a low-temperature section with the movement of coolants according to the counterflow scheme (analogue of an economizer in a steam boiler) and a high-temperature part, the heating surface of which, as well as the intermediate superheaters are located in the gas path of the boiler to the low-temperature section of the superheater CO ₂ eastward along the flue gas.

КПД котлотурбинного энергоблока равен произведению КПД цикла на КПД котла. Рекомпрессинг и промперегрев позволяют повысить КПД цикла. Но для повышения КПД котла, работающего на природном газе, необходимо снизить температуру уходящих дымовых газов хотя бы до 100-105°С. В котле прототипа, как и в обычных паровых котлах, никаких поверхностей теплообмена в газовом тракте котла за перегревателем CO₂ в.д., кроме воздухоподогревателя (ВП), не предусмотрено. Охлаждение уходящих газов до достаточно низкой (по условию достижения приемлемого уровня КПД котла и энергоблока в целом) в прототипе предполагается обеспечить только за счет нагрева циклового воздуха в ВП. Однако если в сверхкритическом паротурбинном блоке температура питательной воды перед экономайзером не превышает 280°С, то в прототипе - в высокотемпературной CO₂-ЭУ с рекомпрессингом и промперегревом - температура sCO₂ в.д. перед перегревателем составляет 545°С, т.е. на 265°С выше. Соответственно, и температура дымовых газов перед ВП в CO₂-ЭУ-прототипе также будет выше на 265°С, чем в сверхкритическом паровом котле. Расчетами, выполненными заявителем, установлено, что снижение температуры дымовых газов до обычного для паровых котлов уровня (100-110°С) только за счет регенеративного подогрева циклового воздуха в ВП с приемлемым уровнем металлоемкости и габаритов ВП не представляется возможным.The efficiency of the boiler turbine power unit is equal to the product of the cycle efficiency and the efficiency of the boiler. Recompression and industrial reheating can increase the efficiency of the cycle. But to increase the efficiency of a natural gas boiler, it is necessary to reduce the temperature of the exhaust flue gases to at least 100-105 ° C. In the prototype boiler, as in conventional steam boilers, no heat transfer surfaces in the gas path of the boiler behind the CO ₂ superheater, except for the air heater (VP), are provided. The cooling of the flue gases to a sufficiently low level (under the condition of achieving an acceptable level of boiler efficiency and the power unit as a whole) in the prototype is supposed to be ensured only by heating the cyclic air in the VP. However, if in the supercritical steam-turbine unit the feed water temperature before the economizer does not exceed 280 ° C, then in the prototype in the high-temperature CO ₂ EU with recompression and superheating, the temperature is sCO ₂ east before the superheater is 545 ° C, i.e. 265 ° C higher. Accordingly, the temperature of the flue gases before the VP in the CO ₂ -ES-prototype will also be higher by 265 ° C than in a supercritical steam boiler. The calculations made by the applicant found that reducing the temperature of flue gases to the usual level for steam boilers (100-110 ° C) only due to the regenerative heating of cyclic air in the VP with an acceptable level of metal consumption and dimensions of the VP is not possible.

Так, при температурном напоре на холодном конце перегревателя CO₂ 20°С температура дымовых газов в прототипе составит 565°С. При коэффициенте избытка воздуха для газовых котлов 1,05 соотношение тепловых эквивалентов (произведений расхода на среднюю теплоемкость) со стороны дымовых газов и воздуха (при отсутствии присосов воздуха в ВП) составит 1,18-1,19. Следовательно, охлаждение дымовых газов в ВП котла с 565°С до 110°С (в отсутствие тепловых потерь на внешнее охлаждение) потребует нагреть воздух от плюс 15 до 552°С, т.е. даже при реализации чистого противотока температурный напор на горячем конце ВП составит 13°С, что приведет к чрезмерному увеличению поверхности теплообмена в высокотемпературной части ВП.So, when the temperature pressure at the cold end of the superheater CO ₂ 20 ° C. The temperature of the flue gases in the prototype will be 565 ° C. With an excess air coefficient for gas boilers of 1.05, the ratio of thermal equivalents (products of consumption to average heat capacity) from the side of flue gases and air (in the absence of air suction in the VP) will be 1.18-1.19. Therefore, the cooling of the flue gases in the boiler VP from 565 ° C to 110 ° C (in the absence of heat loss for external cooling) will require heating the air from plus 15 to 552 ° C, i.e. even if a pure counterflow is realized, the temperature head at the hot end of the VP will be 13 ° C, which will lead to an excessive increase in the heat exchange surface in the high-temperature part of the VP.

Целью заявляемого изобретения является устранение указанного недостатка и повышение КПД котла и котлотурбинной CO₂-ЭУ в целом или снижение металлоемкости ВП котла без снижения КПД котлотурбинной CO₂-ЭУ.The aim of the invention is to eliminate this drawback and increase the efficiency of the boiler and the boiler turbine CO ₂ -EU as a whole or reduce the metal consumption of the boiler VP without reducing the efficiency of the boiler turbine CO ₂ -EU.

Основным техническим результатом является снижение потребного расхода тепла на подогрев циклового воздуха в обеспечение повышения КПД котла с учетом изменения КПД цикла и без увеличения габаритов и металлоемкости котла, что и гарантирует достижение заявленной цели.The main technical result is the reduction of the required heat consumption for heating cyclic air in order to increase the boiler efficiency taking into account changes in the cycle efficiency and without increasing the dimensions and metal consumption of the boiler, which guarantees the achievement of the stated goal.

Определение из перечня выявленных аналогов указанного прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволило выявить в заявляемом устройстве определенную в нижеприведенной формуле изобретения совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату.The definition from the list of identified analogues of the specified prototype as the closest technical solution for the totality of features made it possible to identify in the claimed device defined in the following claims the totality of significant distinguishing features in relation to the perceived technical result.

Заявляемая котлотурбинная CO₂-ЭУ содержит котел с перегревателем CO₂ в.д., по крайней мере, одну турбину, сообщенную на входе по CO₂ в.д. с выходом перегревателя котла по CO₂ в.д., рекуператор, состоящий из двух или более ступеней, сообщенный на выходе по нагреваемому CO₂ в.д. с входом перегревателя котла по CO₂ в.д., на входе по греющему CO₂ н.д. - с выходом по CO₂ н.д. последней по ходу рабочего тела турбины, охладитель, сообщенный на входе по CO₂ н.д. с выходом по CO₂ н.д. последней по ходу греющего CO₂ н.д. ступени рекуператора, и компрессор, сообщенный на входе по CO₂ н.д. с выходом охладителя по охлажденному CO₂ н.д., на выходе по CO₂ в.д. - с входом последней по ходу CO₂ н.д. ступени рекуператора по CO₂ в.д.The inventive boiler-turbine CO ₂ -EU contains a boiler with a superheater of CO ₂ east, at least one turbine communicated at the entrance of CO ₂ east with the boiler superheater output by CO ₂ east, a recuperator consisting of two or more stages, communicated at the outlet by heated CO ₂ east with the input of the boiler superheater by CO ₂ east, at the entrance by heating CO ₂ n.d. - with a yield of CO ₂ n.a. the last along the working fluid of the turbine, a cooler communicated at the inlet by CO ₂ n.d. with a yield of CO ₂ n.a. last in the course of heating CO ₂ n.a. recuperator stages, and compressor communicated at the inlet by CO ₂ n.d. with a cooler outlet for cooled CO ₂ n.a., at a outlet for CO ₂ east. - with the entrance of the last in the course of CO ₂ n.d. recuperator steps for CO ₂ east

Согласно изобретению, котлотурбинная CO₂-ЭУ содержит байпасный подогреватель CO₂ в.д. (БП), установленный в газовом тракте котла за перегревателем CO₂ в.д. котла, сообщенный на входе по CO₂ в.д. с выходом по CO₂.в.д. второй по ходу греющего CO₂ н.д. ступени рекуператора, на выходе по CO₂ в.д. - с входом перегревателя котла по CO₂ в.д., и выполненный с возможностью регулирования подачи CO₂ в.д. в БП по условию равенства температур CO₂ в.д. на выходах БП и рекуператора по CO₂ в.д., а котел содержит топку, работающую на газовом или жидком топливе, и воздухоподогреватель котла, установленный в газовом тракте котла за байпасным подогревателем CO₂ в.д.According to the invention, the boiler turbine CO ₂ -EU contains a bypass heater CO ₂ east (BP) installed in the gas path of the boiler behind the CO ₂ superheater boiler reported at the inlet by CO ₂ east with an exit on CO ₂ . second in the course of heating CO ₂ n.a. recuperator stages, at the outlet of CO ₂ east - with the input of the boiler superheater by CO ₂ east, and configured to control the supply of CO ₂ east in BP under the condition of equality of temperatures of CO ₂ east at the outputs of a power supply unit and a recuperator of CO ₂ east longitude, and the boiler contains a furnace operating on gas or liquid fuel, and a boiler air heater installed in the gas path of the boiler behind the bypass CO ₂ east heater

Воздухоподогреватель (ВП) котла может быть выполнен в виде рекуперативного или регенеративного газового ВП, установленного в газовом тракте котла за БП.The boiler air heater (VP) can be made in the form of a regenerative or regenerative gas VP installed in the gas path of the boiler behind the power unit.

Котлотурбинная CO₂-ЭУ может также содержать жидкостный подогреватель топлива и газожидкостный теплообменник, сообщенный на входе и выходе по нагреваемой жидкости соответственно с выходом и входом жидкостного подогревателя топлива по греющей жидкости, при этом поверхности нагрева газожидкостного теплообменника размещены в газовом тракте котла в рассечку поверхностей нагрева газового воздухоподогревателя..A boiler-turbine CO ₂ -EU can also contain a liquid fuel heater and a gas-liquid heat exchanger communicated at the inlet and outlet of the heated liquid, respectively, with the outlet and inlet of the liquid fuel heater in the heating liquid, while the heating surfaces of the gas-liquid heat exchanger are placed in the gas path of the boiler in dissection of the heating surfaces gas air heater ..

Котлотурбинная CO₂-ЭУ может быть также снабжена воздухоразделительной установкой (ВРУ), сообщенной на входе по воздуху с окружающей средой, на выходе по обогащенному кислородом воздуху - с входом ВП котла по воздуху.The boiler-turbine CO ₂ -EU can also be equipped with an air separation unit (ASU), connected at the air inlet to the environment, at the outlet for oxygen-enriched air - with the boiler air inlet through the air.

Включение в схему котла БП, осуществляющего предварительный подогрев CO₂ в.д. параллельно с первой (высокотемпературной) ступенью рекуператора с возможностью регулирования подачи CO₂ в.д. в БП по условию равенства температур CO₂ в.д. на выходах байпасного подогревателя и рекуператора по CO₂ в.д. позволяет снизить температуру дымовых газов перед ВП котла и одновременно повысить температуру CO₂ в.д. на входе в перегреватель CO₂ в.д. котла, т.е. снизить потребный расход тепла в ВП котла (в обеспечение снижения температуры уходящих газов и повышения КПД котла) и увеличить температурный средний напор в ВП котла с минимальным снижением КПД цикла и тем самым повысить КПД CO₂-ЭУ по сравнению с прототипом.Inclusion in the circuit of the boiler BP, carrying out preheating CO ₂ east in parallel with the first (high temperature) stage of the recuperator with the possibility of regulating the supply of CO ₂ east in BP under the condition of equality of temperatures of CO ₂ east at the outputs of the bypass heater and recuperator for CO ₂ east allows you to reduce the temperature of the flue gases in front of the boiler VP and at the same time increase the temperature of CO ₂ east at the inlet of the CO ₂ superheater boiler, i.e. reduce the required heat consumption in the boiler VP (in order to reduce the temperature of the exhaust gases and increase the boiler efficiency) and increase the average temperature head in the boiler VP with a minimum decrease in the cycle efficiency and thereby increase the CO ₂ -EU efficiency compared to the prototype.

Включение в схему котла жидкостного подогревателя топлива, осуществляющего подогрев топлива теплом дымовых газов за БП, позволяет дополнительно снизить потребный расход тепла в ВП котла, а размещение поверхностей нагрева газожидкостного теплообменника в газовом тракте котла в рассечку поверхностей нагрева газового воздухоподогревателя позволяет дополнительно увеличить средний температурный напоры в газовом ВП и снизить его металлоемкость.The inclusion in the boiler circuit of a liquid fuel heater, which heats the fuel with the heat of flue gases behind the PS, can further reduce the required heat consumption in the boiler's EP, and the placement of the heating surfaces of the gas-liquid heat exchanger in the gas path of the boiler in the cut of the heating surfaces of the gas air heater can further increase the average temperature head in gas VP and reduce its metal consumption.

Применение ВРУ позволяет повысить компактность ВП котла и котла в целом, снизить потери тепла с уходящими газами и дополнительно снизить потребный расход тепла на нагрев воздуха. Наиболее эффективно применение ВРУ при наличии жидкостного подогревателя топлива, поскольку повышает долю тепла дымовых газов за перегревателем CO₂ в.д., расходуемого на подогрев топлива, и позволяет не только снизить расход тепла в ВП котла, но и снизить расход тепла в БП 10 с соответствующим повышением КПД цикла и CO₂-ЭУ в целом.The use of ASU allows to increase the compactness of the VP of the boiler and the boiler as a whole, reduce heat loss with flue gases and further reduce the required heat consumption for heating the air. The most effective is the use of ASUs in the presence of a liquid fuel heater, since it increases the fraction of flue gas heat behind the CO ₂ superheater consumed for heating the fuel, and allows not only to reduce heat consumption in the boiler VP, but also to reduce heat consumption in the power supply unit 10 s a corresponding increase in the efficiency of the cycle and CO ₂ -EU as a whole.

В ходе проведенного анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-исследовательским источникам информации, а также выявление других источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, технического решения, характеризующегося признаками, тождественными (эквивалентными) признакам заявляемого изобретения, не обнаружено, при этом изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники.In the course of the analysis of the prior art, including a search by patent and research sources of information, as well as the identification of other sources containing information about analogues of the claimed invention, a technical solution characterized by features that are identical (equivalent) to the features of the claimed invention was not found, while the invention does not follow explicitly for a person skilled in the art from the prior art.

Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, представленными на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 схематически изображена котлотурбинная CO₂-ЭУ с ВП котла в виде газового рекуперативного ВП, на фиг. 2 - котлотурбинная CO₂-ЭУ с жидкостным подогревателем топлива, газожидкостным теплообменником, установленным в рассечку ВП котла, и воздухоразделительной установкой.The invention is illustrated by the schematic drawings shown in FIG. 1 and 2. In FIG. 1 schematically shows a boiler turbine CO ₂ -EU with the boiler air inlet in the form of a gas recuperative gas inlet, FIG. 2 - a boiler-turbine CO ₂ -EU with a liquid fuel heater, a gas-liquid heat exchanger installed in the cutoff of the boiler VP, and an air separation unit.

Котлотурбинная CO₂-ЭУ, представленная на фиг. 1 и 2, содержит котел 1 с перегревателем CO₂ в.д. 2, турбину 3, состоящую из двух турбин высокого и низкого давления (ТВД и ТНД) 3а и 3б, сообщенную на входе по CO₂ в.д. выходом перегревателя котла CO₂ в.д. 2 по CO₂ в.д., рекуператор 4, состоящий из двух ступеней - высокотемпературного рекуператора (ВТР) 4а и низкотемпературного рекуператора (НТР) 4б, сообщенный на выходе по нагреваемому CO₂ в.д. с входом перегревателя котла 2 по CO₂ в.д., на входе по греющему теплоносителю - с выходом по CO₂ н.д. последней по ходу рабочего тела турбины - ТНД 3б, охладитель 5, сообщенный на входе по CO₂ н.д. с выходом последней по ходу греющего теплоносителя ступени рекуператора по CO₂ н.д. (НТР 4б), и компрессор 6, сообщенный на входе по CO₂ н.д. с выходом охладителя 5 по CO₂ н.д., на выходе по CO₂ в.д. - с входом последней по ходу CO₂ н.д. ступени рекуператора (НТР 4б) по CO₂ в.д. В данном примере, как и в прототипе, котел 1 содержит также промежуточный перегреватель CO₂ среднего давления (CO₂ с.д.) 7, сообщенный на входе по CO₂ с выходом ТВД 3а по CO₂, на выходе по CO₂ - с входом ТНД 3б по CO₂, а котлотурбинная CO₂-ЭУ содержит также рекомпрессор 8, сообщенный на входе по CO₂ н.д. с выходом НТР 4б по CO₂ н.д., на выходе по CO₂ в.д. - с входом ВТР 4а по CO₂ в.д., и турбогенератор 9.The boiler turbine CO ₂ -EU shown in FIG. 1 and 2, contains a boiler 1 with a superheater CO ₂ east 2, a turbine 3, consisting of two high and low pressure turbines (HPT and HPD) 3a and 3b, communicated at the inlet by CO ₂ east boiler superheater output CO ₂ 2 by CO ₂ east, recuperator 4, consisting of two stages - high-temperature recuperator (VTR) 4a and low-temperature recuperator (NTR) 4b, reported at the outlet for heated CO ₂ east with the input of the superheater of boiler 2 by CO ₂ E.D., at the input by the heating coolant - with the output by CO ₂ N.D. the last along the working fluid of the turbine - ТНД 3б, cooler 5, communicated at the inlet by CO ₂ n.d. with the release of the last recuperator stage along the heating medium along CO ₂ n.d. (НТР 4б), and compressor 6, reported at the input by CO ₂ n.d. with cooler exit 5 for CO ₂ n.a., at outlet for CO ₂ n.a. - with the entrance of the last in the course of CO ₂ n.d. recuperator stages (НТР 4б) according to CO ₂ east In this example, as in the prototype, boiler 1 also contains an intermediate superheater CO ₂ medium pressure (CO ₂ s.d.) 7, communicated at the input of CO ₂ with the output of the theater 3a by CO ₂ , at the output of CO ₂ - s the inlet of the low pressure fuel pump 3b by CO ₂ , and the boiler turbine CO ₂ -EU also contains a recompressor 8 communicated at the input by CO ₂ n.d. with the output of NTR 4b by CO ₂ n.a., with the output of CO ₂ east. - with the input of VTR 4a by CO ₂ E, and a turbogenerator 9.

Согласно изобретению, котел 1 содержит БП 10, установленный в газовом тракте котла за перегревателем CO₂ в.д. 2 котла, сообщенный на выходе по CO₂ в.д. с входом перегревателя 2 котла по CO₂ в.д., на входе по CO₂ в.д. - с выходом второй по ходу греющего CO₂ н.д. ступени рекуператора (в данном примере - с выходом НТР 4б) по CO₂.в.д., выполненный с возможностью регулирования подачи CO₂ в.д. в БП 10 по условию равенства температур CO₂ в.д. на выходах БП 10 и рекуператора 4 (ВТР 4а) по CO₂ в.д.. - с регулирующим клапаном (РК) 11, установленном на линии подачи CO₂ в.д. из НТР 4б в БП 10, топку 12, работающую на газовом или жидком топливе, и ВП котла, установленный в газовом тракте котла за БП 10.According to the invention, the boiler 1 contains a BP 10 installed in the gas path of the boiler behind the CO ₂ superheater. 2 boilers reported at the outlet for CO ₂ east with an input of a superheater 2 of a copper on CO ₂ east, at an entrance on CO ₂ east - with the release of the second in the course of heating CO ₂ n.d. recuperator steps (in this example, with the output of НТР 4б) according to CO ₂ ..e., made with the possibility of regulating the supply of CO ₂ east. in BP 10 under the condition of equality of temperatures of CO ₂ east at the outputs of BP 10 and recuperator 4 (VTR 4a) for CO ₂ E .. - with a control valve (RK) 11 installed on the CO ₂ supply line E from NTR 4b to BP 10, a furnace 12 operating on gas or liquid fuel, and a boiler VP installed in the gas path of the boiler behind BP 10.

На фиг. 1 схематически изображена котлотурбинная CO₂-ЭУ с ВП котла, выполненным, согласно п. 2 формулы, в виде газового рекуперативного ВП 13, установленного в газовом тракте котла за БП 10 и снабженного в данном примере электроприводной воздуходувкой 14 с частотным преобразователем.In FIG. 1 schematically shows a boiler turbine CO ₂ -EU with a boiler VP, made, according to paragraph 2 of the formula, in the form of a gas recuperative VP 13 installed in the gas path of the boiler behind BP 10 and equipped in this example with an electric drive blower 14 with a frequency converter.

На фиг. 2 схематически изображена котлотурбинная CO₂-ЭУ с жидкостным подогревателем топлива 15, газожидкостным теплообменником 17, установленным в рассечку ВП котла, согласно п. 3 формулы.. В приведенном на фиг. 2 примере ВП котла выполнен двухступенчатым, состоящим из высокотемпературной и низкотемпературной ступеней 3 и 16, поверхности теплообмена газожидкостного теплообменника 17 размещены в газовом тракте котла между ступенями ВП котла. Согласно п. 4 формулы, котлотурбинная CO₂-ЭУ снабжена также ВРУ 19, сообщенной на входе по воздуху с окружающей средой, на выходе по обогащенному кислородом воздуху - с входом ВП котла (его низкотемпературной ступени 16) по воздуху.In FIG. 2 schematically depicts a boiler turbine CO ₂ -EU with a liquid fuel heater 15, a gas-liquid heat exchanger 17 installed in the cut-out of the boiler's boiler, according to paragraph 3 of the formula .. In FIG. In the example 2 of the boiler VP, two-stage is made, consisting of high-temperature and low-temperature steps 3 and 16, the heat exchange surfaces of the gas-liquid heat exchanger 17 are placed in the gas path of the boiler between the steps of the boiler VP. According to paragraph 4 of the formula, the boiler-turbine CO ₂ -EU is also equipped with ASU 19, communicated at the air inlet with the environment, at the outlet in oxygen-enriched air - with the boiler inlet VP (its low-temperature stage 16) through the air.

Котлотурбинная CO₂-ЭУ работает следующим образом.The boiler turbine CO ₂ -ES operates as follows.

В обоих приведенных на фиг. 1 и 2 вариантах котлотурбинной CO₂-ЭУ нагретый в перегревателе котла 2 CO₂ в.д. подают в ТВД 3а, где он расширяется до среднего давления с понижением температуры, затем CO₂ с.д. подают в промежуточный перегреватель 7, где вновь нагревают до начальной температуры и подают в ТНД 3б, где CO₂ расширяется до низкого давления. Турбины ТВД 3а и ТНД 3б совершают работу по приводу турбогенератора 9, компрессора 6 и рекомпрессора 8. Из ТНД 3б CO₂ н.д. подают на вход рекуператора 4 (его высокотемпературной ступени ВТР 4а) по греющему теплоносителю, где CO₂ н.д. охлаждается, отдавая свое тепло углекислому газу в.д., сначала в ВТР 4а, затем в низкотемпературной ступени рекуператора НТР 4б. Охлажденный в рекуператоре 4 CO₂ н.д. разделяют на два потока: первый поток подают в рекомпрессор 8, где сжимают до высокого давления и подают на вход ВТР 4а по нагреваемому CO₂ в.д., второй поток подают в охладитель 5, охлаждают до минимально возможной температуры и подают в компрессор 6, сжимают до высокого давления и подают на вход НТР 4б по CO₂ в.д., где нагревают до температуры, примерно равной или чуть превосходящей температуру CO₂ в.д. за рекомпрессором 8. Малый прирост температуры CO₂ в процессе его сжатия в компрессоре и возможность охлаждения CO₂ н.д. с минимальными температурными напорами на концах НТР 4б при расходе CO₂ н.д., превышающем расход CO₂ в.д. на величину отбора CO₂ н.д. в рекомпрессор, обусловлены значительным повышением теплоемкости sCO₂ с повышением его давления при достаточно низких температурах. По мере нагрева CO₂ в.д. в ВТР 4а его теплоемкость снижается, но все же остается более высокой, чем теплоемкость греющего CO₂ н.д., что позволяет произвести отбор части расхода CO₂ в.д. из НТР 4б в обход ВТР 4а на подогрев в БП 10, сохраняя величину среднего температурного напора в ВТР 4а на приемлемом (заданном) уровне.In both of those shown in FIG. 1 and 2 versions of a boiler turbine CO ₂ -EU heated in a boiler superheater 2 CO ₂ east served in the theater 3a, where it expands to medium pressure with decreasing temperature, then CO ₂ SD fed to the intermediate superheater 7, where it is again heated to the initial temperature and fed to the high pressure fuel pump 3b, where CO ₂ expands to low pressure. Turbines TVD 3a and TND 3b perform work on the drive of the turbogenerator 9, compressor 6 and recompressor 8. From the HPD 3b CO ₂ n.d. fed to the input of the recuperator 4 (its high-temperature stage VTR 4a) along the heating medium, where CO ₂ n.d. it cools down, giving its heat to the carbon dioxide of the east, first in the VTR 4a, then in the low-temperature stage of the NTR 4b recuperator. 4 CO ₂ n.a. chilled in a recuperator divided into two streams: the first stream is fed to the recompressor 8, where it is compressed to high pressure and fed to the input of the WTP 4a by heated CO ₂ east, the second stream is fed to the cooler 5, cooled to the lowest possible temperature and fed to the compressor 6, they are compressed to high pressure and fed to the input of НТР 4б by CO ₂ East, where they are heated to a temperature approximately equal to or slightly higher than the temperature of CO ₂ East. after the recompressor 8. A small increase in the temperature of CO ₂ during its compression in the compressor and the possibility of cooling CO ₂ n.d. with minimum temperature head at the ends of the NTR 4b at a flow rate of CO ₂ n.d. exceeding the flow rate of CO ₂ east by the amount of selection of CO ₂ n.d. recompressor, due to a significant increase in heat capacity sCO ₂ with an increase in its pressure at sufficiently low temperatures. As heating CO ₂ east in VTR 4a, its heat capacity decreases, but still remains higher than the heat capacity of the heating CO ₂ n.d., which allows the selection of part of the flow rate of CO ₂ east. from NTR 4b bypassing VTR 4a for heating in BP 10, keeping the average temperature head in VTR 4a at an acceptable (predetermined) level.

В обоих приведенных на фиг. 1 и 2 примерах реализации заявляемой котлотурбинной CO₂-ЭУ в БП 10 подают CO₂ в.д. с регулированием по условию поддержания температур CO₂ в.д. на выходах БП 10 и ВТР 4а на одинаковом уровне. Величина расхода CO₂ в.д. в БП 10, определенная по заданной величине среднего температурного напора в ВТР 4а, оказывается достаточной для снижения температуры газа перед ВП котла и расхода тепла в ВП до приемлемого уровня, в том числе и в простейшем варианте заявляемой котлотурбинной CO₂-ЭУ, схематически изображенном на фиг. 1.In both of those shown in FIG. 1 and 2 examples of the implementation of the inventive boiler-turbine CO ₂ -EU in BP 10 serves CO ₂ E with regulation on condition of maintenance of temperatures of CO ₂ east at the outputs of BP 10 and VTR 4a at the same level. The amount of consumption of CO ₂ East in BP 10, determined by a given value of the average temperature head in VTR 4a, is sufficient to reduce the gas temperature in front of the boiler VP and the heat consumption in the VP to an acceptable level, including in the simplest version of the inventive boiler turbine CO ₂ -ES, schematically depicted in FIG. one.

Дополнительное снижение потребного расхода тепла в ВП котла достигается за счет отвода части тепла дымовых газов за БП на подогрев топлива, а также за счет уменьшения расхода дымовых газов и расхода нагреваемого в ВП котла воздуха при помощи ВРУ 19 при сохранении расхода тепла на подогрев топлива и, возможно, расхода тепла в БП 10 на неизменном уровне.An additional reduction in the required heat consumption in the boiler VP is achieved by removing part of the flue gas heat from the PSU to heat the fuel, as well as by reducing the flue gas consumption and the air flow in the boiler air using the ASU 19 while maintaining the heat consumption for fuel heating and, perhaps the heat consumption in BP 10 at an unchanged level.

В котлотурбинной CO₂-ЭУ, приведенной на фиг. 2, атмосферный воздух подают воздуходувкой 14 в ВРУ 19, в данном примере являющейся ВРУ мембранного типа, осуществляющей разделение воздуха на газ, состоящий, в основном, из азота, и на обогащенный кислородом воздух. Азот отводят в окружающую среду, а обогащенный кислородом остаток воздуха подают в ВП котла - в его вторую (по ходу дымовых газов) ступень 16 и далее, в первую ступень 3, затем - на входы топки 12 по воздуху. Подвод тепла дымовых газов за БП 10 на подогрев топлива осуществляют через промежуточный жидкий теплоноситель (например, диатермическое масло или воду высокого давления), циркуляцию которого через газожидкостный теплообменник 17 и жидкостный подогреватель топлива 15 обеспечивают электронасосом с частотным преобразователем 18, при помощи которого регулируют расход жидкого теплоносителя, например, по условию поддержания температурного напора на горячем конце газожидкостного теплообменника 17 на требуемом (расчетном) уровне..In the boiler turbine CO ₂ -EU shown in FIG. 2, atmospheric air is supplied by the blower 14 to the ASU 19, in this example being the ASU of the membrane type, which separates the air into a gas consisting mainly of nitrogen and oxygen-enriched air. Nitrogen is discharged into the environment, and the oxygen-enriched residue of air is supplied to the boiler airflow - to its second (along the flue gas) stage 16 and further, to the first stage 3, then to the inlet of the furnace 12 by air. The flue gas heat supply for BP 10 for fuel heating is carried out through an intermediate liquid coolant (for example, diathermic oil or high pressure water), the circulation of which through a gas-liquid heat exchanger 17 and a liquid fuel heater 15 is provided by an electric pump with a frequency converter 18, by which the liquid flow rate is regulated heat carrier, for example, under the condition of maintaining the temperature head at the hot end of the gas-liquid heat exchanger 17 at the required (calculated) level ..

Применение ВРУ 19 позволяет повысить компактность ВП котла и котла в целом, снизить потери тепла с уходящими газами и дополнительно снизить потребный расход тепла на нагрев воздуха в обеспечение заданного КПД котла (заданной температуры уходящих из котла газов). Наиболее эффективно применение ВРУ при наличии жидкостного подогревателя топлива 15, поскольку повышает долю тепла дымовых газов за перегревателем CO₂ в.д., расходуемого на подогрев топлива, и позволяет не только снизить расход тепла в ВП котла, но и снизить расход тепла в БП 10 с соответствующим повышением КПД цикла и CO₂-ЭУ в целом.The use of ASU 19 makes it possible to increase the compactness of the VP of the boiler and the boiler as a whole, reduce heat loss with flue gases, and further reduce the heat consumption required for heating the air to ensure a given boiler efficiency (given temperature of the gases leaving the boiler). The most effective is the use of ASU in the presence of a liquid fuel heater 15, since it increases the fraction of heat of flue gases behind the CO ₂ superheater consumed for fuel heating, and allows not only to reduce the heat consumption in the boiler VP, but also to reduce the heat consumption in the PSU 10 with a corresponding increase in the efficiency of the cycle and CO ₂ -EU as a whole.

Приведенные на фиг. 1 и 2 примеры представлены для иллюстрации заявляемого изобретения с применением отличительных признаков по всем пунктам формулы и не исчерпывает всех возможных вариантов его реализации, которые могут отличаться числом турбин, рекуператоров, охладителей CO₂, компрессоров и рекомпрессоров, промежуточных перегревателей. Изобретение применимо как в котлотурбинных CO₂-ЭУ с одной турбиной без использования промперегрева, так и с тремя и более турбинами и с двумя и более промежуточными перегревателями. Рекуператор может состоять не из двух, а, например, из трех ступеней. Компрессор может быть выполнен двухкаскадным, с промежуточным охладителем CO₂. Рекомпрессор также может быть выполнен двухкаскадным, с промежуточным охладителем, сообщенным на входе по охлаждающему теплоносителю с выходом компрессора по CO₂ в.д., либо вообще отсутствовать. Исполнение ВП котла и жидкостного подогревателя топлива, установленного в рассечку ВП котла, также может быть различным. Газовый ВП может быть выполнен не двух, а трехступенчатым, и т.д. В варианте с ВРУ и жидкостным подогревателем топлива ВП котла может быть выполнен в виде ВП с промежуточным жидким теплоносителем, содержащим жидкостный подогреватель воздуха, сообщенный на входе по воздуху с выходом ВРУ по обогащенному кислородом воздуху, на выходе по воздуху - с входами топки 12 по воздуху, и газожидкостный теплообменник, размещенный в газовом тракте за БП 10 и сообщенный на входе и выходе по жидкому промежуточному теплоносителю, соответственно, с выходами и входами жидкостных подогревателем воздуха и топлива.Referring to FIG. 1 and 2 examples are presented to illustrate the claimed invention with the use of distinctive features for all claims and does not exhaust all possible options for its implementation, which may differ in the number of turbines, recuperators, CO ₂ coolers, compressors and recompressors, intermediate superheaters. The invention is applicable both to boiler turbine CO ₂ -ES with one turbine without the use of industrial superheating, and with three or more turbines and with two or more intermediate superheaters. The recuperator may not consist of two, but, for example, of three stages. The compressor can be made two-stage, with an intercooler of CO ₂ . The recompressor can also be made in two stages, with an intercooler communicated at the inlet through the cooling medium with the compressor outlet in CO ₂ east, or not at all. The design of the boiler VP and the liquid fuel heater installed in the cut-off of the boiler VP can also be different. Gas VP can be performed not in two, but in three stages, etc. In the version with an ASU and a liquid fuel heater, the boiler VP can be made in the form of an VP with an intermediate liquid coolant containing a liquid air heater, communicated at the air inlet with the ASU output through oxygen enriched air, at the air outlet with furnace inserts 12 through the air and a gas-liquid heat exchanger located in the gas path behind BP 10 and communicated at the inlet and outlet of the liquid intermediate coolant, respectively, with the exits and inlets of the liquid air and fuel heater.

В любом из перечисленных вариантов применения заявляемого изобретения обеспечивает достижение заявленного технического результата и повышение КПД котла и котлотурбинной CO₂-ЭУ в целом или снижение металлоемкости ВП котла без снижения КПД котлотурбинной CO₂-ЭУ.In any of the listed variants of application of the claimed invention ensures the achievement of the claimed technical result and increase the efficiency of the boiler and the boiler turbine CO ₂ -EU as a whole or reduce the metal consumption of the boiler VP without reducing the efficiency of the boiler turbine CO ₂ -EU.

Claims

1. A boiler-carbon dioxide-carbon power plant, comprising a boiler with a high pressure carbon dioxide superheater (CO ₂ east), at least one turbine communicated at the inlet through the CO ₂ east with the output of the boiler superheater by СО ₂ east, the recuperator, consisting of two or more stages, communicated at the outlet through the heated CO ₂ east boiler with superheater inlet CO ₂ E, at the inlet of heating the low-pressure carbon dioxide (CO ₂ ND) - to yield during the last working turbine body by CO ₂ ND, coolant inlet communicated by СО ₂ n.d. with a yield of СО ₂ n.a. last in the course of CO ₂ n.d. stages of the recuperator, and the compressor communicated at the inlet by CO ₂ n.d. with a cooler outlet for CO ₂ n.d., at an outlet for CO ₂ n.a. - with the entrance of the latter in the course of CO ₂ n.d. recuperator stages in accordance with СО ₂ east, characterized in that the boiler contains a bypass heater СО ₂ east installed in the gas path of the boiler behind the superheater СО ₂ east boiler reported at the outlet for СО ₂ east with the input of the boiler superheater by СО ₂ east, at the entrance by СО ₂ east - with an exit on СО ₂ east the second along the heating CO ₂ n.d. recuperator steps, and configured to control the supply of CO ₂ east in the bypass heater under the condition of equality of temperatures of CO ₂ east at the outputs of the bypass heat exchanger and the preheater by CO ₂ E, furnace operating on gas fuel, the boiler and air heater installed in the gas path for boiler bypass preheater CO ₂ E

2. The boiler-turbine dioxide-carbon power plant according to claim 1, characterized in that the boiler air heater is made in the form of a regenerative or regenerative gas air heater.

3. A boiler-carbon dioxide-carbon power plant according to claim 2, characterized in that it comprises a liquid fuel heater and a gas-liquid heat exchanger communicated at the inlet and outlet of the heated liquid, respectively, with the outlet and inlet of the liquid fuel heater in the heating liquid, while the heating surface of the gas-liquid heat exchanger installed in the gas path in the boiler heating surfaces crosscuts gas air preheater along the flue gases.

4. The carbon-dioxide boiler-turbine power plant according to claim 1, characterized in that it comprises an air separation unit communicated at the air inlet with the environment, at the outlet in oxygen-enriched air - with the air inlet of the boiler air heater.