RU2814174C1

RU2814174C1 - Oxygen-fuel power plant for co-production of electricity and hydrogen

Info

Publication number: RU2814174C1
Application number: RU2023122584A
Authority: RU
Inventors: Владимир Олегович Киндра; Максим Витальевич Опарин; Дмитрий Сергеевич Ковалев; Михаил Андреевич Островский; Ольга Владимировна Злывко
Filing date: 2023-08-30
Publication date: 2024-02-26

Abstract

FIELD: electric power.

SUBSTANCE: invention can be used in the development of power plants for the joint production of electricity and hydrogen. The oxygen-fuel power plant comprises a gas-water duct of the waste heat boiler, which is made in the form of a gas-water double-flow heat exchanger comprising a cold-water circuit of the coolant, a superheater, an evaporation surface, an economizer, a gas condensate heater, and a gas-air duct of the waste heat boiler comprising a cold carbon dioxide circuit of the coolant. The oxygen-fuel power plant is equipped with an intermediate superheater between the superheater and the evaporating surface, whereas the cold-water circuit of the coolant of the gas-water double-flow intermediate superheater has an attached gas-chemical unit for hydrogen production with oxygen combustion of fuel and carbon dioxide capture.

EFFECT: increased fuel heat utilization factor (HUF) of the oxygen-fuel power plant.

1 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при разработке электрических станций для совместного производства электроэнергии и водорода.The invention relates to the field of electric power and can be used in the development of power plants for the joint production of electricity and hydrogen.

Уровень техникиState of the art

Известна кислородно-топливная энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Bolland O., Saether S. New concepts for natural gas fired power plants which simplify the recovery of carbon dioxide //Energy Conversion and Management. – 1992. – Т. 33. – №. 5-8. – С. 467-475.), содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, насос, первый и второй электрогенераторы.An oxygen-fuel power plant operating in a semi-closed cycle with oxygen combustion of fuel is known (Bolland O., Saether S. New concepts for natural gas fired power plants which simplify the recovery of carbon dioxide //Energy Conversion and Management. - 1992. - T. 33. – No. 5-8. – P. 467-475.), containing a multi-stage compressor, a combustion chamber, a fuel compressor, an air separation unit, a gas turbine, a waste heat boiler, a cooler-separator, a multi-stage compressor with intermediate cooling, a steam turbine, capacitor, pump, first and second electric generators.

Недостатками данного технического решения являются большие потери теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и охладителе-сепараторе, а также отсутствие производства водорода.The disadvantages of this technical solution are large heat losses in the condenser of the steam turbine unit and the cooler-separator, as well as the lack of hydrogen production.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является кислородно-топливная энергоустановка, работающая по полузакрытому циклу с кислородным сжиганием топлива (Рогалев А.Н., Киндра В.О., Зонов А.С., Рогалев Н.Д. Исследование экологически безопасных энергетических комплексов с кислородным сжиганием топлива // Новое в российской энергетике. – 2019. – 8. – С. 6-25.), содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, конденсатор, деаэратор, теплообменник, насос, первый и второй электрогенераторы.The closest in technical essence to the proposed invention is an oxygen-fuel power plant operating in a semi-closed cycle with oxygen combustion of fuel (Rogalev A.N., Kindra V.O., Zonov A.S., Rogalev N.D. Study of environmentally friendly energy complexes with oxygen combustion of fuel // New in Russian energy. - 2019. - 8. - P. 6-25.), containing a multi-stage compressor, combustion chamber, fuel compressor, air separation unit, gas turbine, waste heat boiler, cooler-separator , multi-stage compressor with intercooling, steam turbine, condenser, deaerator, heat exchanger, pump, first and second electric generators.

Недостатками данного технического решения являются большие потери теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и отсутствие производства водорода.The disadvantages of this technical solution are large heat losses in the condenser of the steam turbine unit and the lack of hydrogen production.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении потерь теплоты в конденсаторе паротурбинной установки и появление дополнительного производимого продукта.The technical problem solved by the proposed invention is to reduce heat losses in the condenser of a steam turbine unit and the appearance of an additional product produced.

Технический результат заключается в повышении коэффициента использования тепла топлива (КИТТ) кислородно-топливной энергоустановки.The technical result is to increase the fuel heat utilization factor (FTE) of an oxygen-fuel power plant.

Это достигается тем, что предлагаемая кислородно-топливная энергоустановка, содержащая многоступенчатый углекислотный компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, газоводяным трактом котла-утилизатора, который выполнен в виде газоводяного двухпоточного теплообменника, содержащего холодный водяной контур теплоносителя, пароперегреватель, испарительную поверхность, экономайзер, газовый подогреватель конденсата, и газовоздушным трактом котла-утилизатора, содержащего холодный углекислотный контур теплоносителя, первым охладителем-сепаратором, многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением, при этом холодный водяной контур газоводяного двухпоточного теплообменника содержит паровую турбину, состоящую из первого дросселя, цилиндра высокого давления, второго дросселя, цилиндра низкого давления, соединенную последовательно с конденсатором, конденсационным насосом, рециркулирующим насосом, деаэратором, питательным насосом, при этом холодный углекислотный контур теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора содержит последовательно соединенные углекислотный дроссель, углекислотную турбину, дополнительный конденсатор и дополнительный насос, при этом первый и второй электрогенераторы расположены на одном валу с газовой и паровой турбинами соответственно, а углекислотная турбина механически соединена с третьим электрогенератором, согласно изобретению снабжена промежуточным пароперегревателем между пароперегревателем и испарительной поверхностью, при этом вход холодного водяного контура теплоносителя газоводяного двухпоточного промежуточного пароперегревателя соединен с выходом цилиндра высокого давления паровой турбины, а выход соединен с вторым дросселем цилиндра высокого давления паровой турбины и выполнен с пристроенной газохимической установкой производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода, содержащей паровой риформер, выполненный с возможностью подведения к нему предварительно смешанной парогазовой смеси, состоящей из пара от холодного контура промежуточного пароперегревателя газоводяного тракта котла-утилизатора и метана, подводимого с помощью газодожимного компрессора, при этом печь риформера выполнена с возможностью подведения нагретых многопоточным рекуператором метана, кислорода и углекислого газа от второго охладителя-сепаратора, соединенного с паровым риформером, при этом вход многоступенчатого углекислотного компрессора также выполнен с возможностью приема углекислого газа от второго охладителя-сепаратора, причем паровой риформер последовательно соединен с многопоточным рекуператором, высокотемпературным реактором водяного сдвига, поверхностным теплообменником, третьим охладителем-сепаратором и установкой короткоцикловой адсорбции, первый выход которой выполнен с возможностью отведения водорода, а второй выход соединен с печью риформера, при этом выход холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора соединен также с входами парового риформера и поверхностного теплообменника, выход которого соединен также с одним из входов высокотемпературного реактора водяного сдвига, причем выходы парового риформера и высокотемпературного реактора водяного сдвига соединены с входом холодного углекислотного контура теплоносителя газовоздушного тракта котла-утилизатора.This is achieved by the fact that the proposed oxygen-fuel power plant containing a multi-stage carbon dioxide compressor, the output of which is connected to the input of the combustion chamber, the output of which is connected in series with the gas turbine, the gas-water path of the waste heat boiler, which is made in the form of a gas-water double-flow heat exchanger containing a cold water circuit coolant, steam superheater, evaporating surface, economizer, gas condensate heater, and the gas-air path of the waste heat boiler containing a cold carbon dioxide circuit of the coolant, the first cooler-separator, a multi-stage compressor with intermediate cooling, while the cold water circuit of the gas-water double-flow heat exchanger contains a steam turbine consisting from the first throttle, high-pressure cylinder, second throttle, low-pressure cylinder, connected in series with a condenser, condensation pump, recirculation pump, deaerator, feed pump, while the cold carbon dioxide coolant circuit of the gas-air path of the waste heat boiler contains a series-connected carbon dioxide throttle, carbon dioxide turbine , an additional condenser and an additional pump, wherein the first and second electric generators are located on the same shaft with the gas and steam turbines, respectively, and the carbon dioxide turbine is mechanically connected to the third electric generator, according to the invention, equipped with an intermediate superheater between the superheater and the evaporation surface, while the input of the cold water circuit The coolant of the gas-water double-flow intermediate superheater is connected to the output of the high-pressure cylinder of the steam turbine, and the output is connected to the second throttle of the high-pressure cylinder of the steam turbine and is made with an attached gas-chemical installation for the production of hydrogen with oxygen combustion of fuel and the capture of carbon dioxide, containing a steam reformer made with the possibility of supplying to it a pre-mixed steam-gas mixture consisting of steam from the cold circuit of the intermediate superheater of the gas-water path of the recovery boiler and methane supplied using a gas-boosting compressor, while the reformer furnace is made with the possibility of supplying methane, oxygen and carbon dioxide heated by the multi-flow recuperator from the second cooler - separator connected to a steam reformer, while the inlet of the multi-stage carbon dioxide compressor is also configured to receive carbon dioxide from the second cooler-separator, and the steam reformer is connected in series with a multi-flow recuperator, a high-temperature water shift reactor, a surface heat exchanger, a third cooler-separator and a short-cycle unit adsorption, the first output of which is configured to remove hydrogen, and the second output is connected to the reformer furnace, while the output of the cold carbon dioxide coolant circuit of the gas-air tract of the waste heat boiler is also connected to the inputs of the steam reformer and surface heat exchanger, the output of which is also connected to one of the inputs of the high-temperature water shift reactor, and the outputs of the steam reformer and the high-temperature water shift reactor are connected to the input of the cold carbon dioxide coolant circuit of the gas-air path of the waste heat boiler.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)Brief description of the drawings (if they are included in the application)

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема кислородно-топливной энергоустановки.The essence of the invention is illustrated by a drawing, which shows a schematic thermal diagram of an oxygen-fuel power plant.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Кислородно-топливная энергоустановка содержит многоступенчатый углекислотный компрессор 1, топливный компрессор 2, воздухоразделительную установку 3, кислородный компрессор 4, камеру сгорания 5, газовую турбину 6, первый электрогенератор 7, газоводяной тракт котла-утилизатора 8, который выполнен в виде газоводяного двухпоточного теплообменника, содержащего холодный водяной контур теплоносителя 9, пароперегреватель 10, промежуточный пароперегреватель 11, испарительную поверхность 12, экономайзер 13, газовый подогреватель конденсата 14, и газовоздушный тракт котла-утилизатора 15, содержащего холодный углекислотный контур теплоносителя 16, первый охладитель-сепаратор 17, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 18. Холодный водяной контур теплоносителя 9 состоит из паровой турбины 19, состоящей из первого дросселя 20, цилиндра высокого давления 21, второго дросселя 22, цилиндра низкого давления 23, второго электрического генератора 24, конденсатора 25, конденсационного насоса 26, рециркулирующего насоса 27, деаэратора 28, питательного насоса 29. Газохимическая установка производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода содержит газодожимной компрессор 30, кислородный компрессор 31, углекислотный компрессор 32, многопоточный рекуператор 33, печь риформера 34, паровой риформер 35, второй охладитель-сепаратор 36, высокотемпературный реактор водяного сдвига 37, поверхностный теплообменник 38, третий охладитель-сепаратор 39, установку короткоцикловой адсорбции 40. Холодный углекислотный контур теплоносителя 16 состоит из углекислотного дросселя 41, углекислотной турбины 42, механически соединенной с третьим электрогенератором 43, дополнительного конденсатора 44, дополнительного насоса 45. При этом многоступенчатый углекислотный компрессор 1 расположен на одном валу с газовой турбиной 6, которая имеет механическую связь с первым электрогенератором 7. Паровая турбина 19 имеет механическую связь со вторым электрогенератором 24.The oxygen-fuel power plant contains a multi-stage carbon dioxide compressor 1, a fuel compressor 2, an air separation unit 3, an oxygen compressor 4, a combustion chamber 5, a gas turbine 6, a first electric generator 7, a gas-water path of a waste heat boiler 8, which is made in the form of a gas-water double-flow heat exchanger containing cold water coolant circuit 9, steam superheater 10, intermediate superheater 11, evaporating surface 12, economizer 13, gas condensate heater 14, and gas-air path of the waste heat boiler 15 containing a cold carbon dioxide coolant circuit 16, first cooler-separator 17, multi-stage compressor with intermediate cooling 18. The cold water coolant circuit 9 consists of a steam turbine 19, consisting of a first throttle 20, a high-pressure cylinder 21, a second throttle 22, a low-pressure cylinder 23, a second electric generator 24, a condenser 25, a condensation pump 26, a recirculation pump 27, deaerator 28, feed pump 29. A gas-chemical hydrogen production plant with oxygen combustion of fuel and carbon dioxide capture contains a gas-pressure compressor 30, an oxygen compressor 31, a carbon dioxide compressor 32, a multi-flow recuperator 33, a reformer furnace 34, a steam reformer 35, a second cooler-separator 36, high-temperature water shift reactor 37, surface heat exchanger 38, third cooler-separator 39, short-cycle adsorption unit 40. Cold carbon dioxide coolant circuit 16 consists of a carbon dioxide choke 41, a carbon dioxide turbine 42 mechanically connected to a third electric generator 43, an additional condenser 44, an additional pump 45 In this case, the multi-stage carbon dioxide compressor 1 is located on the same shaft with the gas turbine 6, which has a mechanical connection with the first electric generator 7. The steam turbine 19 has a mechanical connection with the second electric generator 24.

Вход многоступенчатого углекислотного компрессора 1 выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, а выход многоступенчатого углекислотного компрессора 1 соединен с первым входом камеры сгорания 5, со вторым входом камеры сгорания 5 соединен выход топливного компрессора 2, а третий вход камеры сгорания 5 соединен с выходом кислородного компрессора 4, вход которого соединен с воздухоразделительной установкой 3, выполненной с возможностью отвода кислорода в печь риформера 34. Выход камеры сгорания 5 соединен с входом газовой турбины 6, выход которой соединен с газоводяным трактом котла-утилизатора 8. Газоводяной тракт котла-утилизатора 8 включает в себя последовательно соединенные пароперегреватель 10, промежуточный пароперегреватель 11, испарительную поверхность 12, экономайзер 13, газовый подогреватель конденсата 14, выполнен с возможностью охлаждения проходящих газов холодным водяным контуром 9, и соединен с газовоздушным трактом котла-утилизатора 15, который выполнен с возможностью охлаждения проходящих газов холодным углекислотным контуром теплоносителя 16. Выход газовоздушного тракта котла-утилизатора 15 в свою очередь соединен с входом первого охладителя-сепаратора 17. Один из выходов первого охладителя-сепаратора 17 параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 18 и входом многоступенчатого углекислотного компрессора 1. Второй выход охладителя-сепаратора 17 выполнен с возможностью отвода конденсата. Выход холодного водяного контура теплоносителя 9 пароперегревателя 10 котла-утилизатора 8 последовательно соединен с первым дросселем 20 и цилиндром высокого давления 21 паровой турбины 19, соединенным с промежуточным пароперегревателем 11 газоводяного тракта котла-утилизатора 8. Выход холодного контура теплоносителя 9 промежуточного пароперегревателя 11 котла-утилизатора 8 соединен с цилиндром низкого давления 23 паровой турбины 19 через второй дроссель 22, конденсатором 25, конденсационным насосом 26, рециркуляционным насосом 27, деаэратором 28, питательным насосом 29, холодным водяным контуром теплоносителя 9 экономайзера 13 котла-утилизатора 8. Цилиндр низкого давления 23 паровой турбины 19 дополнительно соединен с деаэратором 28. Холодный водяной контур теплоносителя 9 пароперегревателя 10 котла-утилизатора 8 последовательно соединен с холодным водяным контуром теплоносителя 9 испарительной поверхности 12 и экономайзера 13 котла-утилизатора 8. Выход холодного водяного контура теплоносителя 9 газового подогревателя конденсата 14 котла-утилизатора 8 соединен с рециркулирующим насосом 27, выход которого соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя 9 газового подогревателя конденсата 14 котла-утилизатора 8. Другой выход холодного контура теплоносителя 9 промежуточного пароперегревателя 11 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, выполненного с возможностью смешения с частью потока метана от многопоточного рекуператора 33, соединен с входом парового риформера 35, который соединен с входом многопоточного рекуператора 33, с другим входом которого соединен газодожимной компрессор 30. Другие входы многопоточного рекуператора 33 соединены с выходами кислородного компрессора 31 и углекислотного компрессора 32, а выходы потоков многопоточного рекуператора 33 соединены с печью риформера 34, выход которого соединен с другим входом парового риформера 35 и вторым охладителем-сепаратором 36. Многопоточный рекуператор 33 также последовательно соединен с высокотемпературным реактором водяного сдвига 37, поверхностным теплообменником 38, третьим охладителем-сепаратором 39, установкой короткоцикловой адсорбции 40, первый выход которой выполнен с возможностью отвода водорода, а второй выход соединен с входом в печь риформера 34. Выход холодного углекислотного контура теплоносителя 16 газовоздушного тракта котла-утилизатора 15 последовательно соединен с углекислотным дросселем 41, углекислотной турбиной 42, дополнительным конденсатором 44, дополнительным насосом 45, чей выход соединен с входом холодного углекислотного контура теплоносителя 16 газовоздушного тракта котла-утилизатора 15. Паровой риформер 35, высокотемпературный реактор водяного сдвига 37 и поверхностный теплообменник 38 выполнены с возможностью охлаждения дымовых газов за счёт отбора углекислого газа от холодного углекислотного контура теплоносителя 16 из входа в газовоздушный тракт котла-утилизатора 15. Углекислотный компрессор 32 имеет связь с выходом первого охладителя-сепаратора 17.The input of the multi-stage carbon dioxide compressor 1 is configured to supply carbon dioxide, and the output of the multi-stage carbon dioxide compressor 1 is connected to the first input of the combustion chamber 5, the output of the fuel compressor 2 is connected to the second input of the combustion chamber 5, and the third input of the combustion chamber 5 is connected to the output of the oxygen compressor 4 , the input of which is connected to the air separation unit 3, configured to remove oxygen into the reformer furnace 34. The output of the combustion chamber 5 is connected to the input of the gas turbine 6, the output of which is connected to the gas-water path of the waste heat boiler 8. The gas-water path of the waste heat boiler 8 includes series-connected steam superheater 10, intermediate superheater 11, evaporating surface 12, economizer 13, gas condensate heater 14, designed to cool the passing gases with a cold water circuit 9, and connected to the gas-air path of the waste heat boiler 15, which is designed to cool the passing gases with cold carbon dioxide coolant circuit 16. The output of the gas-air path of the recovery boiler 15 is in turn connected to the input of the first cooler-separator 17. One of the outputs of the first cooler-separator 17 is connected in parallel to the input of a multi-stage compressor with intermediate cooling 18 and the input of a multi-stage carbon dioxide compressor 1. The second The outlet of the cooler-separator 17 is designed to drain condensate. The output of the cold water circuit of the coolant 9 of the superheater 10 of the waste heat boiler 8 is connected in series with the first throttle 20 and the high pressure cylinder 21 of the steam turbine 19, connected to the intermediate superheater 11 of the gas-water path of the waste heat boiler 8. The output of the cold coolant circuit 9 of the intermediate superheater 11 of the waste heat boiler 8 is connected to the low pressure cylinder 23 of the steam turbine 19 through the second throttle 22, condenser 25, condensation pump 26, recirculation pump 27, deaerator 28, feed pump 29, cold water circuit 9 of the economizer 13 waste heat boiler 8. Low pressure cylinder 23 steam turbine 19 is additionally connected to the deaerator 28. The cold water circuit of the coolant 9 of the steam superheater 10 of the waste heat boiler 8 is connected in series with the cold water circuit of the coolant 9 of the evaporative surface 12 and the economizer 13 of the waste heat boiler 8. The output of the cold water circuit of the coolant 9 of the gas condensate heater 14 of the boiler is heat exchanger 8 is connected to a recirculating pump 27, the output of which is connected to the input of the cold water circuit of the coolant 9 of the gas condensate heater 14 of the waste heat boiler 8. The other output of the cold water circuit of the coolant 9 of the intermediate superheater 11 of the gas-water path of the waste heat boiler 8, made with the possibility of mixing with part of the flow methane from the multi-flow recuperator 33 is connected to the input of the steam reformer 35, which is connected to the input of the multi-flow recuperator 33, to the other input of which the gas booster compressor 30 is connected. Other inputs of the multi-flow recuperator 33 are connected to the outputs of the oxygen compressor 31 and carbon dioxide compressor 32, and the outputs of the multi-flow The recuperator 33 is connected to the reformer furnace 34, the output of which is connected to another input of the steam reformer 35 and the second cooler-separator 36. The multi-flow recuperator 33 is also connected in series to the high-temperature water shift reactor 37, the surface heat exchanger 38, the third cooler-separator 39, and a swing-cycle adsorption unit 40, the first output of which is configured to remove hydrogen, and the second output is connected to the entrance to the reformer furnace 34. The output of the cold carbon dioxide coolant circuit 16 of the gas-air path of the waste heat boiler 15 is connected in series with a carbon dioxide choke 41, a carbon dioxide turbine 42, an additional condenser 44, an additional pump 45, whose output is connected to the input of the cold carbon dioxide coolant circuit 16 of the gas-air path of the waste heat boiler 15. The steam reformer 35, the high-temperature water shift reactor 37 and the surface heat exchanger 38 are designed to cool the flue gases by removing carbon dioxide from the cold carbon dioxide coolant circuit 16 from the entrance to the gas-air path of the waste heat boiler 15. The carbon dioxide compressor 32 is connected to the output of the first cooler-separator 17.

Кислородно-топливная энергоустановка работает следующим образом.An oxygen-fuel power plant operates as follows.

На вход многоступенчатого углекислотного компрессора 1 подается поток рабочей среды, который после сжатия в многоступенчатом углекислотном компрессоре 1 направляется на первый вход камеры сгорания 5, на второй вход подается природный газ, предварительно сжатый в топливном компрессоре 2, а на третий вход с помощью кислородного компрессора 4 подается кислород, полученный в воздухоразделительной установке 3. После сгорания горячей смеси и выработки полезной работы в газовой турбине 6, которая вращает первый электрогенератор 7, выхлопные газы проходят через пароперегреватель 10, промежуточный пароперегреватель 11, испарительную поверхность 12, экономайзер 13 и газовый подогреватель конденсата 14 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, где они передают свою теплоту рабочей среде холодного водяного контура теплоносителя 9 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, после чего поступают на вход в газовоздушный контур котла-утилизатора 15, в котором происходит процесс передачи теплоты холодному углекислотному контуру теплоносителя 16. Затем выхлопные газы попадают в охладитель-сепаратор 17, в котором происходит конденсация водяных паров и удаление образовавшегося конденсата из цикла через второй выход охладителя-сепаратора 17. Углекислый газ из охладителя-сепаратора 17 удаляется через первый выход. Образовавшийся в результате сжигания природного газа избыток диоксида углерода сжимается в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением 18 и направляется на захоронение, а оставшаяся рабочая среда снова направляется на вход многоступенчатого компрессора 1. Перегретый пар, выработанный в холодном водяном контуре теплоносителя 9 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, пройдя через первый дроссель 20, расширяется и совершает работу в цилиндре высокого давления 21 паровой турбины 19, после чего направляется в промежуточный пароперегреватель 11 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, после нагрева теплоноситель направляется во второй дроссель 22, после которого пар расширяется в цилиндре низкого давления 23, оба цилиндра вращают второй электрогенератор 24, после чего отработавший пар направляется в конденсатор 25. Образовавшийся конденсат конденсационный насос 26 направляет в газовый подогреватель конденсата 14 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, после чего вторая часть конденсата рециркулирует с помощью рецирулирующего насоса 27, первая часть конденсата направляется в деаэратор 28. После процесса деаэрации питательная вода направляется в питательный насос 29, пройдя его, питательная вода направляется в экономайзер 13, испарительную поверхность 12 и пароперегреватель 10 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, после чего холодный водяной контур 9 газоводяного тракта котла-утилизатора 8 замыкается. Пар из второго выхода холодного контура теплоносителя 9 промежуточного пароперегревателя 11 газоводяного тракта котла-утилизатора 8, смешивается с очищенным от примесей метаном, который подводится с помощью газодожимного компрессора 30 в многопоточный рекуператор 33, а затем направляется в паровой риформер 35. Часть потока в газодожимном компрессоре 30 направляется в печь риформера 34, во второй вход печи риформера 34 направляется с помощью кислородного компрессора 31 кислород, выработанный с помощью воздухоразделительной установки 3, который предварительно подогревается в многопоточном рекуператоре 33, в третий вход подается углекислый газ с помощью углекислотного компрессора 32, который предварительно подогревается в многопоточном рекуператоре 33. Нагрев парогазовой смеси осуществляется за счёт процесса горения в печи риформера 34, из-за чего в паровом риформере 35 протекает реакция паровой конверсии метана, в результате которой выделяется синтез-газ. Тепло образовавшихся в печи риформера 34 продуктов сгорания утилизируется в холодном углекислотном контуре теплоносителя 16, после чего выхлопные газы попадают во второй охладитель-сепаратор 36, в котором происходит конденсация водяных паров и удаление образовавшегося конденсата из цикла через второй выход охладителя-сепаратора 36. Углекислый газ из охладителя-сепаратора 36 удаляется через первый выход, после чего попадает в многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 18. Полученный синтез-газ охлаждается в многопоточном рекуператоре 33 и направляется в высокотемпературный реактор водяного сдвига 37, где происходит повышение доли водорода за счет реакции остатков водяного пара и монооксида углерода. Выработанный синтез-газ охлаждается в поверхностном теплообменнике 38, затем синтез-газ попадает в третий охладитель-сепаратор 39, в котором происходит конденсация водяных паров и удаление образовавшегося конденсата из цикла через второй выход третьего охладителя-сепаратора 39. Сухой синтез-газ из третьего охладителя-сепаратора 39 удаляется через первый выход. После чего в установке короткоцикловой адсорбции 40 происходит отделение водорода, который удаляется через первый выход установки короткоцикловой адсорбции 40, и остальных газов, которые после сепарации через второй выход направляются в печь риформера 34. Нагретая рабочая среда холодного углекислотного контура теплоносителя 16 газовоздушного тракта котла-утилизатора 15, пройдя третий дроссель 41, поступает в углекислотную турбину 42, которая вращает третий электрогенератор 43, в которой, расширяясь, совершает полезную работу, после чего направляется в дополнительный конденсатор 44. Образовавшийся конденсат дополнительным насосом 45 подается на вход холодного углекислотного контура теплоносителя 16 газовоздушного тракта котла-утилизатора 15. Для охлаждения газовой турбины 6 используется рабочая среда, отобранная из многоступенчатого углекислотного компрессора 1. Тепло дымовых газов парового риформера 35, высокотемпературного реактора водяного сдвига 37 и поверхностного теплообменника 38 утилизируется, параллельно с низкопотенциальным теплом газовоздушного тракта котла-утилизатора 15, который охлаждается с помощью холодного углекислотного контура теплоносителя 16, за счёт отбора углекислого газа от холодного углекислотного контура теплоносителя из входа в газовоздушный тракт котла утилизатора 15. Нагретая низкопотенциальная среда направляется в углекислотную турбину 42.A flow of working medium is supplied to the input of the multi-stage carbon dioxide compressor 1, which, after compression in the multi-stage carbon dioxide compressor 1, is sent to the first input of the combustion chamber 5, natural gas, pre-compressed in the fuel compressor 2, is supplied to the second input, and to the third input using an oxygen compressor 4 oxygen obtained in the air separation unit 3 is supplied. After the hot mixture is burned and useful work is generated in the gas turbine 6, which rotates the first electric generator 7, the exhaust gases pass through the superheater 10, the intermediate superheater 11, the evaporation surface 12, the economizer 13 and the gas condensate heater 14 gas-water path of the recovery boiler 8, where they transfer their heat to the working environment of the cold water circuit of the coolant 9 of the gas-water circuit of the recovery boiler 8, after which they enter the gas-air circuit of the recovery boiler 15, in which the process of heat transfer to the cold carbon dioxide circuit of the coolant 16 takes place Then the exhaust gases enter the cooler-separator 17, in which condensation of water vapor occurs and the resulting condensate is removed from the cycle through the second outlet of the cooler-separator 17. Carbon dioxide is removed from the cooler-separator 17 through the first outlet. The excess carbon dioxide formed as a result of the combustion of natural gas is compressed in a multi-stage compressor with intermediate cooling 18 and sent for disposal, and the remaining working medium is again sent to the inlet of the multi-stage compressor 1. Superheated steam generated in the cold water circuit of the coolant 9 of the gas-water path of the recovery boiler 8 , having passed through the first throttle 20, expands and does work in the high pressure cylinder 21 of the steam turbine 19, after which it is sent to the intermediate superheater 11 of the gas-water path of the waste heat boiler 8. After heating, the coolant is sent to the second throttle 22, after which the steam expands in the low cylinder pressure 23, both cylinders rotate the second electric generator 24, after which the exhaust steam is sent to the condenser 25. The resulting condensate is sent by the condensation pump 26 to the gas condensate heater 14 of the gas-water path of the waste heat boiler 8, after which the second part of the condensate is recirculated using the recirculating pump 27, the first part of the condensate is sent to the deaerator 28. After the deaeration process, the feed water is sent to the feed pump 29, having passed it, the feed water is sent to the economizer 13, the evaporation surface 12 and the superheater 10 of the gas-water path of the recovery boiler 8, after which the cold water circuit 9 of the gas-water path of the boiler -utilizer 8 closes. Steam from the second outlet of the cold coolant circuit 9 of the intermediate superheater 11 of the gas-water path of the waste heat boiler 8 is mixed with methane purified from impurities, which is supplied using a gas booster compressor 30 to a multi-flow recuperator 33, and then sent to the steam reformer 35. Part of the flow in the gas booster compressor 30 is sent to the reformer furnace 34, oxygen generated by the air separation unit 3 is sent to the second inlet of the reformer furnace 34 using an oxygen compressor 31, which is preheated in a multi-flow recuperator 33, carbon dioxide is supplied to the third inlet using a carbon dioxide compressor 32, which is preheated heated in a multi-flow recuperator 33. The steam-gas mixture is heated due to the combustion process in the reformer furnace 34, due to which the steam reforming reaction of methane occurs in the steam reformer 35, as a result of which synthesis gas is released. The heat of the combustion products generated in the reformer furnace 34 is utilized in the cold carbon dioxide coolant circuit 16, after which the exhaust gases enter the second cooler-separator 36, in which water vapor is condensed and the resulting condensate is removed from the cycle through the second outlet of the cooler-separator 36. Carbon dioxide from the cooler-separator 36 is removed through the first outlet, after which it enters a multi-stage compressor with intermediate cooling 18. The resulting synthesis gas is cooled in a multi-flow recuperator 33 and sent to a high-temperature water shift reactor 37, where the proportion of hydrogen increases due to the reaction of residual water vapor and carbon monoxide. The produced synthesis gas is cooled in a surface heat exchanger 38, then the synthesis gas enters the third cooler-separator 39, in which water vapor is condensed and the resulting condensate is removed from the cycle through the second outlet of the third cooler-separator 39. Dry synthesis gas from the third cooler -separator 39 is removed through the first outlet. After which, in the pressure-cycle adsorption installation 40, hydrogen is separated, which is removed through the first output of the pressure-cycle adsorption installation 40, and the remaining gases, which, after separation through the second outlet, are sent to the reformer furnace 34. The heated working environment of the cold carbon dioxide coolant circuit 16 of the gas-air tract of the waste heat boiler 15, having passed the third throttle 41, enters the carbon dioxide turbine 42, which rotates the third electric generator 43, in which, expanding, it does useful work, after which it is sent to an additional condenser 44. The resulting condensate is supplied by an additional pump 45 to the input of the cold carbon dioxide circuit of the gas-air coolant 16 path of the waste heat boiler 15. To cool the gas turbine 6, a working medium is used, selected from a multi-stage carbon dioxide compressor 1. The heat of the flue gases of the steam reformer 35, high-temperature water shift reactor 37 and surface heat exchanger 38 is utilized in parallel with the low-grade heat of the gas-air path of the waste heat boiler 15 , which is cooled with the help of a cold carbon dioxide coolant circuit 16, due to the selection of carbon dioxide from the cold carbon dioxide coolant circuit from the entrance to the gas-air path of the waste heat recovery boiler 15. The heated low-potential medium is directed to the carbon dioxide turbine 42.

Результаты моделирования кислородно-топливной энергоустановки для совместного производства электроэнергии и водорода мощностью 300 МВт показали, что при максимально допустимом массовом расходе водорода, равном 9,7 кг/с, КИТТ повышается на 19,9 % по сравнению с прототипом при одинаковых термодинамических параметрах цикла: начальная температура цикла 1400°С, начальное давление 60 бар, давление на выхлопе газовой турбины 1 бар, температура пара на входе в паровую турбину 560°С, давление пара на входе в паровую турбину 90 бар, температура на входе в охладитель-сепаратор 80°С.The results of modeling an oxygen-fuel power plant for the joint production of electricity and hydrogen with a capacity of 300 MW showed that with the maximum permissible mass flow rate of hydrogen equal to 9.7 kg/s, the CIPP increases by 19.9% compared to the prototype with the same thermodynamic parameters of the cycle: initial cycle temperature 1400°C, initial pressure 60 bar, gas turbine exhaust pressure 1 bar, steam temperature at the inlet to the steam turbine 560°C, steam pressure at the inlet to the steam turbine 90 bar, temperature at the inlet of the cooler-separator 80° WITH.

Внедрение промежуточного пароперегревателя 11 и газохимической установки производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода, содержащей газодожимной компрессор 30, кислородный компрессор 31, углекислотный компрессор 32, многопоточный рекуператор 33, печь риформера 34, паровой риформер 35, второй охладитель-сепаратор 36, высокотемпературный реактор водяного сдвига 37, поверхностный теплообменник 38, третий охладитель-сепаратор 39, установку короткоцикловой адсорбции 40, позволяет снизить энергетические потери за счёт уменьшения потерь теплоты в конденсаторе 25.The introduction of an intermediate superheater 11 and a gas-chemical installation of hydrogen production with oxygen fuel combustion and carbon dioxide capturing a gas-like compressor 30, oxygen compressor 31, carbon dioxide compressor 32, multi-heating recuperator 33, steam rifle 34, second cooler, the second cooler-sipper 36, high-stability of the Setter-Setter-Setter-Setragrait. water shear reactor 37, surface heat exchanger 38, third cooler-separator 39, short-cycle adsorption unit 40, allows to reduce energy losses by reducing heat losses in condenser 25.

Использование изобретения позволяет осуществить комбинированную выработку электроэнергии и водорода с повышением КИИТ энергоустановки.The use of the invention allows for the combined production of electricity and hydrogen with an increase in the CIIT of the power plant.

Claims

An oxygen-fuel power plant containing a multi-stage carbon dioxide compressor, the output of which is connected to the input of a combustion chamber, the output of which is connected in series to a gas turbine, a gas-water path of a waste heat boiler, which is made in the form of a gas-water double-flow heat exchanger containing a cold water circuit of the coolant, a superheater, and an evaporating surface , an economizer, a gas condensate heater, and a gas-air path of a waste heat boiler containing a cold carbon dioxide circuit of the coolant, a first cooler-separator, a multi-stage compressor with intermediate cooling, while the cold water circuit of a gas-water double-flow heat exchanger contains a steam turbine consisting of a first throttle, a high-pressure cylinder pressure, a second throttle, a low-pressure cylinder, connected in series with a condenser, a condensation pump, a recirculation pump, a deaerator, a feed pump, while the cold carbon dioxide circuit of the coolant of the gas-air duct of the waste heat boiler contains a carbon dioxide throttle, a carbon dioxide turbine, an additional condenser and an additional pump connected in series , while the first and second electric generators are located on the same shaft with the gas and steam turbines, respectively, and the carbon dioxide turbine is mechanically connected to the third electric generator, characterized in that it is equipped with an intermediate superheater between the superheater and the evaporation surface, while the input of the cold water circuit of the coolant is a gas-water double-flow intermediate of the steam superheater is connected to the output of the high-pressure cylinder of the steam turbine, and the output is connected to the second throttle of the high-pressure cylinder of the steam turbine and is made with an attached gas-chemical installation for the production of hydrogen with oxygen combustion of fuel and the capture of carbon dioxide, containing a steam reformer configured to supply pre-mixed water to it steam-gas mixture consisting of steam from the cold circuit of the intermediate superheater of the gas-water path of the recovery boiler and methane supplied using a gas-pressure compressor, while the reformer furnace is configured to supply methane, oxygen and carbon dioxide heated by the multi-flow recuperator from the second cooler-separator connected to steam reformer, while the inlet of the multi-stage carbon dioxide compressor is also configured to receive carbon dioxide from the second cooler-separator, and the steam reformer is connected in series with a multi-flow recuperator, a high-temperature water shift reactor, a surface heat exchanger, a third cooler-separator and a pressure swing adsorption unit, the first output which is configured to remove hydrogen, and the second output is connected to the reformer furnace, while the output of the cold carbon dioxide coolant circuit of the gas-air tract of the waste heat boiler is also connected to the inputs of the steam reformer and surface heat exchanger, the output of which is also connected to one of the inputs of the high-temperature water shift reactor, wherein the outputs of the steam reformer and the high-temperature water shift reactor are connected to the input of the cold carbon dioxide coolant circuit of the gas-air path of the waste heat boiler.