RU2810854C1 - Способ производства электроэнергии на основе закритического СО2-цикла - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Способ производства электроэнергии на основе закритического СО₂-цикла включает в себя этапы, на которых в камеру сгорания, работающую под давлением по меньшей мере 20 МПа, подается газообразное углеводородное топливо, а также кислород высокой чистоты и циркулирующий в цикле СО₂. Разогретые газы, состоящие преимущественно из СО₂, покидающие камеру сгорания, направляются в турбину, рабочее давление которой составляет по меньшей мере 20 МПа, а давление выхлопа по меньшей мере 7,5 МПа. В процессе расширения газов в турбине совершается механическая работа, вращающая генератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработавшие в турбине газы, давление которых по меньшей мере 7,5 МПа, подают в горячий конец главного регенеративного теплообменника термодинамического цикла, где происходит охлаждение отработавших газов с конденсацией содержащихся в них водяных паров, которые в жидком виде затем выводятся из цикла. Оставшийся после удаления влаги поток СО₂, давление которого выше критического давления диоксида углерода, поступает в доохладитель, где его температура снижается до уровня температуры окружающей среды за счет теплообмена с ней, а плотность повышается за счет свойств сверхкритического СО₂. Охлажденный и уплотненный поток СО₂ поступает в насос, который повышает давление СО₂ до рабочего давления цикла. Часть сжатого в насосе СО₂ поступает на рециркуляцию, охлаждение высоконапряженных частей турбины, остальная часть выводится за рамки цикла. Рециркулирующий поток СО₂ направляется в холодный конец основного регенеративного теплообменника, где он воспринимает тепло отработавших в турбине газов, после чего поступает в камеру сгорания, и цикл повторяется. Изобретение позволяет повысить надежность и эффективность выработки электроэнергии. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в энергетических установках для выработки электрической энергии.

Известна кислородно-топливная энергоустановка (Патент РФ 2743480 F02C 3/34, F01K 23/10), реализующая способ производства электроэнергии на основе энергетического СО₂-цикла, работающая на углекислом газе и содержащая многоступенчатый компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, котлом-утилизатором, содержащим горячий и холодный контуры теплоносителей, и охладителем-сепаратором, выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом многоступенчатого компрессора, топливный компрессор и воздухоразделительную установку, выходы которых соединены с двумя другими входами камеры сгорания, паровую турбину, выход которой соединен с конденсатором, выход конденсатора соединен с входом насоса, выход насоса соединен с входом холодного контура теплоносителя котла-утилизатора, выход которого соединен с входом паровой турбины, идентичные первый и второй электрогенераторы, расположенные на одном валу с газовой и паровой турбинами соответственно, отличающаяся тем, что снабжена многопоточным поверхностным теплообменником, содержащим собственные горячий и холодный контуры теплоносителей, турбодетандером и третьим электрогенератором, при этом вход горячего контура теплоносителя многопоточного поверхностного теплообменника подсоединен к каналам для отбора хладагента из многоступенчатого компрессора, а его выход присоединен к газовой турбине, причем вход холодного контура теплоносителя многопоточного поверхностного теплообменника соединен с другим выходом воздухоразделительной установки, а выход холодного контура теплоносителя многопоточного поверхностного теплообменника соединен с турбодетандером, механически соединенным с третьим электрогенератором.

К недостаткам указанного выше технического решения можно отнести многовальность схемы производства электроэнергии с использованием нескольких рабочих тел и электрогенераторов (не менее трех), что обуславливает сложность и низкую надежность установки; низкие параметры рабочего тела и высокие затраты энергии на сжатие рабочего тела при использовании компрессора, а не насоса, что снижает эффективность.

Известен способ производства электроэнергии с использованием энергетического цикла на углекислом газе, реализованный в техническом решении [R. Allam et.al. Demonstration of the Allam Cycle: An update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture // Energy Procedia. - 2017. - № 114. - С. 5948-5966. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.1731], представляющий собой полуоткрытый кислородно-топливный энергетический цикл с использованием углекислоты в качестве основы рабочего тела, работающего при начальном давлении свыше 20 МПа, реализующий двухстадийную схему повышения давления на основе последовательно расположенного компрессора и насоса, с развитой системой регенерации цикла и использованием одной турбины и соединенного с ней электрогенератора.

Недостатком указанного технического решения является многовальность системы производства электроэнергии (не менее трех валов) и использование компрессора в схеме повышения давления, что снижает надежность и общую эффективность.

Известен способ выработки механической и тепловой энергии (Патент РФ 2665794, F02C 3/00), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, и представляющий собой полуоткрытый кислородно-топливный энергетический цикл с использованием углекислоты в качестве составляющего рабочего тела и имеющий следующие этапы, на которых: (a) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину, при этом давление в камере сгорания составляет по меньшей мере 7,5 МПа; (b)

отработанные в парогазовой турбине газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в первый охладитель отработанных газов; (c) отработанные газы из первого охладителя подают в первый контактный охладитель, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя; (d) отработанные газы из первого контактного охладителя, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор, который сжимает газы до давления по меньшей мере 3,5 МПа; (e) сжатые компрессором отработанные газы подают во второй контактный охладитель, где они охлаждаются; (f) из второго контактного охладителя охлажденные отработанные газы поступают во второй охладитель, где отработанные газы охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя; (g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя воды поступает на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе, поступает на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (i) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания.

К недостаткам указанного выше технического решения можно отнести высокие затраты энергии на большое количество промежуточных перекачивающих систем в технологическом процессе, в том числе на привод промежуточного компрессора для повышения давления потока СО₂, а также необходимость конденсации рабочего тела, что увеличивает потери за счет теплоты фазового перехода. Также к недостаткам может быть отнесена сложность технологической системы, обусловленная многовальностью (компрессор, насос, турбина) и многократной передачей теплоты от одной среды к другой, снижающая общую надежность.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков аналогов. Технический результат заключается в сокращении вероятности выхода оборудования из строя за счет упрощения технологической схемы и повышении эффективности выработки электроэнергии за счет исключения процесса фазового перехода рабочего тела и компрессорного сжатия, уменьшения числа валов и теплообменных операций.

Поставленная задача решается и технический результат достигается способом производства электроэнергии на основе энергетического закритического цикла на углекислом газе, который включает в себя этапы, на которых:

в камеру сгорания, работающую под давлением по меньшей мере 20 МПа, подают газообразное углеводородное топливо, кислород высокой чистоты и циркулирующий в цикле СО₂;

разогретые газы, состоящие преимущественно из СО₂, покидающие камеру сгорания, направляют в турбину, рабочее давление которой составляет по меньшей мере 20 МПа, чтобы обеспечить высокий теплоперепад, а давление выхлопа по меньшей мере 7,5 МПа, чтобы обеспечить превышение над критическим давлением диоксида углерода;

в процессе расширения газов в турбине совершается механическая работа, вращающая генератор, вырабатывающий электроэнергию;

отработавшие в турбине газы, давление которых по меньшей мере 7,5 МПа, подают в горячий конец главного регенеративного теплообменника термодинамического цикла, где происходит охлаждение отработавших газов с конденсацией содержащихся в них водяных паров, которые в жидком виде затем выводят из цикла;

оставшийся после удаления влаги поток СО₂, давление которого выше критического давления, направляют в доохладитель, где его температура снижается до уровня температуры окружающей среды за счет теплообмена с ней, а плотность повышается за счет свойств сверхкритического СО₂ без применения компрессорно-сжимающего оборудования;

охлажденный и уплотненный поток СО₂ подают в насос, который повышает давление СО₂ до рабочего давления цикла, после чего большую часть сжатого в насосе СО₂ направляют на рециркуляцию, охлаждение высоконапряженной проточной части турбины, а остальную часть выводят за рамки цикла;

рециркулирующий поток СО₂ направляют в холодный конец основного регенеративного теплообменника, где он воспринимает тепло отработавших в турбине газов, после чего подают в камеру сгорания, и цикл повторяется;

Рабочим телом цикла является продукты окси-сжигания, преимущественно состоящие из диоксида углерода с долей водяных паров, обусловленных водородом топлива, а сам термодинамический цикл целиком расположен в зоне сверхкритических параметров СО₂.

При этом повышение давления углекислого газа обеспечивают бескомпрессорным способом с помощью насоса за счет предварительного роста плотности сверхкритического СО₂, приближающейся к плотности жидкой фазы, при его охлаждении за счет теплообмена с окружающей средой.

Способ иллюстрируется графическим изображением предлагаемого закритического термодинамического цикла на углекислом газе и принципиальной схемой производства электроэнергии.

На Фиг. 1. приведен термодинамический цикл в Ph-диаграмме, где числами обозначены ключевые точки цикла.

На Фиг. 2. приведена принципиальная схема производства электроэнергии, реализующая заявленный способ.

Технологическая схема, представленная на Фиг. 2., реализующая заявленный способ, содержит систему топливоподачи высокого давления, содержащую блок повышения давления топлива (1), камеру сгорания (2), соединенную со входом в турбину (3), которая расположена на одном валу с электрогенератором (4), выхлоп которой соединен с главным теплообменником (5) системы регенерации, после которого располагается доохладитель (6) перед входом в насос (7). Схема также содержит воздухоразделительную установку (8) для получения кислорода высокой чистоты и блок повышения давления кислорода (9).

Заявленное изобретение работает следующим образом (см. фиг. 1): нагрев рабочего тела (углекислого газа) ведут последовательно за счет двухступенчатой регенерации в главном регенеративном теплообменнике (процесс 4-5) и подвода теплоты (процесс 5-0) за счет внешнего источника, которым является кислородное сжигание газообразного углеводородного топлива в камере сгорания, работающей под давлением по меньшей мере 20 МПа, чтобы обеспечивался высокий теплоперепад на турбине. Далее рабочее тело совершает работу расширения в турбине (процесс 0-1), давление выхлопа которой превышает 7,5 МПа, чтобы СО₂ оставался в сверхкритическом состоянии. Затем в процессе 1-2 обеспечивают регенеративный отвод теплоты, при этом происходит конденсация водяных паров (точка 2’) и вывод конденсата за пределы цикла. Затем ведут процесс отвода теплоты 2-3 за счет теплообмена с окружающей средой, при котором осуществляют охлаждение углекислого газа (в общем случае - до температуры, соответствующей стандартным условиям окружающей среды), что ведет к росту плотности сверхкритического СО₂, близкой к значению таковой для жидкого СО₂. Далее обеспечивают повышение давления до по меньшей мере 20 МПа в насосе (процесс 3-4), после чего обеспечивают вывод избытка углекислоты за пределы цикла, при этом часть СО₂ направляют на охлаждение проточной части турбины, а основную часть направляют в двухступенчатый регенератор, и цикл повторяют.

Работу технологической схемы осуществляют следующим образом (см. фиг. 2). Топливо с высоким давлением направляют в камеру сгорания (2), куда для его сжигания направляют кислород высокой чистоты из воздухоразделительной установки (8) и рабочее тело после нагрева в системе регенерации - углекислый газ. Нагретый углекислый газ вместе с водяным паром, полученным в результате сгорания углеводородного топлива, под высоким давлением направляют в турбину (3), где его потенциальную энергию превращают в механическую энергию вращения вала, которую далее передают электрогенератору, производящему электроэнергию. После турбины (3) углекислоту и водяные пары направляют в главный теплообменник (5), где за счет рециркулирующего углекислого газа обеспечивают охлаждение рабочего тела и конденсацию водяных паров. Конденсат водяных паров выводят за рамки цикла, а охлажденное рабочее тело направляют в доохладитель (6), где еще более снижают его температуру за счет теплообмена с окружающей средой, в ходе которого растет плотность диоксида углерода, после которого насосом подают в ресивер (10). В ресивере (10) обеспечивают разделение рабочего тела на потоки. Часть направляют на рециркуляцию (в главный теплообменник (5)), часть - на охлаждение турбины (3), часть - выводят за рамки цикла.

Таким образом, работа цикла связана с обновлением рабочего тела за счет непрерывной его генерации в процессе кислородного сжигания топлива в камере сгорания, с одновременным выводом избытка углекислоты и образовавшихся от сжигания водорода топлива водяных паров (в виде конденсата) за его пределы. При этом цикл целиком расположен в сверхкритической зоне СО₂, а для повышения давления рабочего тела - СО₂ - используют насос и свойства сверхкритического углекислого газа.

Технический результат заключается в повышении надежности за счет упрощения технологической схемы и повышении эффективности выработки электроэнергии за счет исключения процесса фазового перехода рабочего тела и компрессорного сжатия, уменьшения числа теплообменных операций, сокращения числа валов и повышения термодинамических параметров цикла.

Claims (1)

1. Способ производства электроэнергии на основе энергетического закритического СО₂-цикла, включающий в себя этапы, на которых в камеру сгорания подают газообразное углеводородное топливо, кислород высокой чистоты и циркулирующий в цикле СО₂, после которой полученные продукты сгорания поступают в турбину, вращающую электрогенератор, после которой поступают в регенеративный теплообменник, где происходит охлаждение отработавших газов с конденсацией содержащихся в них водяных паров, которые в жидком виде затем выводят из цикла, а оставшийся после удаления влаги поток СО₂ направляют в систему повышения давления, после которой разделяют на поток для рециркуляции, проходящий нагрев в системе регенерации и поступающий обратно в камеру сгорания, поток для охлаждения проточной части турбины и поток для отвода на захоронение, отличающийся тем, что: энергетический термодинамический цикл целиком расположен в зоне сверхкритических параметров СО₂, при котором давление камеры сгорания не менее 20 МПа, а давление выхлопа турбины составляет по меньшей мере 7,5 МПа, и все технологические процессы в узлах и агрегатах происходят при сверхкритических параметрах СО₂; обеспечивают бескомпрессорное повышение давление углекислого газа без процесса конденсации рабочего тела с помощью насоса за счет использования свойств сверхкритического диоксида углерода, обеспечивающих рост плотности сверхкритического СО₂ до значений, приближающихся к плотности жидкой фазы, при его доохлаждении до параметров окружающей среды за счет теплообмена с ней перед входом в насос на этапе после отвода водяных паров и выхода из регенеративного теплообменника.