Котлотурбинная диоксид-углеродная энергоустановка

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для повышения КПД и снижения металлоемкости котла котлотурбинной диоксид-углеродной энергоустановки (CO2-ЭУ), использующей диоксид углерода (CO2) в качестве рабочего тела. Котлотурбинная CO2-ЭУ содержит котел 1 с перегревателем 2 CO2 высокого давления (CO2 в.д.), турбину 3, состоящую из двух турбин высокого и низкого давления (ТВД и ТНД) 3а и 3б, сообщенную на входе по CO2 в.д. с выходом перегревателя 2 по CO2 в.д., рекуператор 4, состоящий из высокотемпературного рекуператора (ВТР) 4а и низкотемпературного рекуператора (НТР) 4б, сообщенный на выходе по нагреваемому CO2 в.д. с входом перегревателя 2 по CO2 в.д., на входе по CO2 низкого давления (CO2 н.д.) - с выходом ТНД 3б по CO2 н.д., охладитель 5, сообщенный на входе по CO2 н.д. с выходом НТР 4б по CO2 н.д., 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 НТР 4б по CO2 в.д. Котел содержит байпасный подогреватель (БП) 10, установленный в газовом тракте котла за перегревателем 2, сообщенный на выходе по CO2 в.д. с входом перегревателя 2 по CO2 в.д., на входе по CO2 в.д. - с выходом НТР 4б по CO2. в.д., регулирующий клапан (РК) 11, установленный на линии подачи CO2 в.д. из НТР 4б в БП 10 в обеспечение возможности регулирования подачи CO2 в.д. в БП 10 по условию равенства температур CO2 в.д. на выходах БП 10 и ВТР 4а по CO2 в.д., топку 12, работающую на газовом топливе, и воздухоподогреватель (ВП), состоящий из высокотемпературной и низкотемпературной ступеней 13 и 16 и установленный в газовом тракте котла за БП 10. Котлотурбинная CO2-ЭУ содержит жидкостный подогреватель топлива 15, газожидкостный теплообменник 17, установленный между ступенями ВП 3 и 16, и воздухоразделительную установку 19, сообщенную на входе по воздуху с окружающей средой, на выходе по обогащенному кислородом воздуху - с входом низкотемпературной ступени 16 ВП по воздуху. Изобретение позволяет повысить КПД котла и котлотурбинной CO2-ЭУ. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для повышения КПД или для снижения металлоемкости котла котлотурбинной диоксид-углеродной энергоустановки без снижения ее КПД.

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).

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):

Используемые сокращения:

БП - байпасный подогреватель CO2 в.д. котла;

ВП - воздухоподогреватель;

ВРУ - воздухоразделительная установка;

ВТР - высокотемпературный рекуператор (высокотемпературная ступень рекуператора);

НТР - низкотемпературный рекуператор (низкотемпературная ступень рекуператора);

ТВД - турбина высокого давления;

ТНД - турбина низкого давления;

ЭУ - энергоустановка;

CO2 - диоксид углерода (углекислый газ);

CO2 в.д. - углекислый газ высокого давления;

CO2 н.д. - углекислый газ низкого давления;

CO2 с.д. - углекислый газ высокого давления;

CO2-ЭУ - диоксид-углеродная энергоустановка:

sCO2 - углекислый газ (диоксид углерода) при сверхкритическом давлении.

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.

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.).

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.

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.

Основной компрессор, или компрессор (compressor): Компрессор, осуществляющий сжатие рабочего тела низкого давления (н.д.), предварительно охлажденного в рекуператоре и охладителе.

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).

Рекомпрессор (recompressor): Компрессор, осуществляющий рекомпрессинг (параллельно с основным компрессором).

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.

Воздухоподогреватель котла (ВП котла): Устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания топлива перед подачей в топку котла.

Рекуперативный воздухоподогреватель котла: ВП котла, в котором передача теплоты от продуктов сгорания (дымовых газов) к воздуху осуществляется через разделяющую их теплообменную поверхность.

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.

Регенеративный вращающийся воздухоподогреватель котла: Регенеративный воздухоподогреватель котла с вращающейся теплообменной поверхностью.

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.

Опускная конвективная шахта: Вертикальный газоход с размещенными в нем конвективными поверхностями нагрева и движением газа сверху вниз (в хвостовой части котла).

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].

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Воздухоподогреватель (ВП) котла может быть выполнен в виде рекуперативного или регенеративного газового ВП, установленного в газовом тракте котла за БП.

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..

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Котлотурбинная CO2-ЭУ работает следующим образом.

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.

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.

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.

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..

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.

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.

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.

1. Котлотурбинная диоксид-углеродная энергоустановка, содержащая котел с перегревателем углекислого газа высокого давления (СО2 в.д.), по крайней мере одну турбину, сообщенную на входе по СО2 в.д. с выходом перегревателя котла по СО2 в.д., рекуператор, состоящий из двух или более ступеней, сообщенный на выходе по нагреваемому СО2 в.д. с входом перегревателя котла по СО2 в.д., на входе по греющему углекислому газу низкого давления (СО2 н.д.) - с выходом последней по ходу рабочего тела турбины по СО2 н.д., охладитель, сообщенный на входе по СО2 н.д. с выходом по СО2 н.д. последней по ходу СО2 н.д. ступени рекуператора, и компрессор, сообщенный на входе по СО2 н.д. с выходом охладителя по СО2 н.д., на выходе по СО2 в.д. - с входом последней по ходу СО2 н.д. ступени рекуператора по СО2 в.д., отличающаяся тем, что котел содержит байпасный подогреватель СО2 в.д., установленный в газовом тракте котла за перегревателем СО2 в.д. котла, сообщенный на выходе по СО2 в.д. со входом перегревателя котла по СО2 в.д., на входе по СО2 в.д. - с выходом по СО2 в.д. второй по ходу греющего СО2 н.д. ступени рекуператора, и выполненный с возможностью регулирования подачи СО2 в.д. в байпасный подогреватель по условию равенства температур СО2 в.д. на выходах байпасного подогревателя и рекуператора по СО2 в.д., топку, работающую на газовом топливе, и воздухоподогреватель котла, установленный в газовом тракте котла за байпасным подогревателем СО2 в.д.

2. Котлотурбинная диоксид-углеродная энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что воздухоподогреватель котла выполнен в виде рекуперативного или регенеративного газового воздухоподогревателя.

3. Котлотурбинная диоксид-углеродная энергоустановка по п. 2, отличающаяся тем, что содержит 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 установлены в газовом тракте котла в рассечку поверхностей нагрева газового воздухоподогревателя по ходу дымовых газов.

4. Котлотурбинная диоксид-углеродная энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит воздухоразделительную установку, сообщенную на входе по воздуху с окружающей средой, на выходе по обогащенному кислородом воздуху - с входом по воздуху воздухоподогревателя котла.



 

Похожие патенты:

Определение предельного значения энергии, которое может быть полезным образом использовано в термодинамическом процессе, и оптимальных значений термического и энергетического КПД монотермических установок при одновременной работе теплового насоса и теплового двигателя осуществляют на стадии проектирования и отображают в термодинамических диаграммах с использованием графических расчётов и применением системы автоматизированного проектирования.

Изобретение относится к энергетике. Энергетическая установка содержит магистральный газопровод природного газа, воздухоразделительную установку для производства кислорода, электроприводные компрессоры для сжатия кислорода и природного газа, пароструйные компрессоры, два адиабатических реактора паровой конверсии метана, твердотопливный паровой котел, высокотемпературный пароперегреватель высокого давления, высокотемпературную конденсационную парогазовую турбинную установку с конденсатором, вихревой разделитель пара и углекислого газа, газовую турбину.

Изобретение относится к энергетике. Способ получения электрической энергии осуществляется с помощью по меньшей мере одного низкотемпературного источника тепла, причем проводят циклический VPT-процесс (турбина с изменяемой фазой).

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в механическую.

Изобретение относится к области парогазовых энергоблоков (ПГУ) тепловых электрических станций. ПГУ предусматривает генерацию и подачу дополнительного пара от водородно-кислородных парогенераторов на вход частей высокого и среднего давления паровой турбины.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах теплообмена, предназначенных для восстановления и использования отработанного тепла.

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для утилизации тепловой энергии природных источников, а именно трансформации тепловой энергии солнца, наружного воздуха и воды в механическую и электрическую для перемещения водного транспортного средства.

Изобретение относится к отраслям промышленности, использующим ископаемое топливо, например электроэнергетике, химии, нефтехимии, металлургии, коксохимии. .

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в механическую.

Система для стравливания давления и отвода энергии из трубопроводов природного газа или для применения в криогенной промышленности содержит электролизер, генерирующий водород, тепловой насос, нагревательное устройство, выполненное с возможностью нагревания природного газа в трубопроводе.

Изобретение относится к тепловому двигателю для выполнения органического цикла (ORC) Ренкина, который содержит испаритель, двигатель, конденсатор и контур, содержащий текучую рабочую среду, при этом рабочая среда имеет критическое давление (pc) в диапазоне от 4000 кПа до 6500 кПа, предпочтительно от 4200 кПа до 6300 кПа, рабочая среда имеет критическую температуру (Tc) в диапазоне от 450 К до 650 К, предпочтительно от 460 К до 600 К, рабочая среда имеет молярную массу в диапазоне от 50 г/моль до 80 г/моль, предпочтительно от 60 г/моль до 75 г/моль, и газообразная рабочая среда частично конденсируется во время адиабатического расширения.

Система с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла содержит теплообменник, детандер, рекуператор, конденсаторный узел и насос. Теплообменник выполнен с возможностью передачи тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, использующим разницу температур и преобразующим тепловую энергию в механическую или электрическую.

Изобретение относится к области энергетики. Способ работы газотурбинной установки, включающей дополнительный контур с низкокипящим рабочим телом, включающий входное устройство, сообщенное с источником низкокипящего рабочего тела, теплообменный аппарат, турбину, сообщенную с дополнительным приводом.

Изобретение относится к энергетике. Рекуперационная установка для источника отходящего тепла состоит из органического цикла Ренкина (ОЦР), последовательно предусмотренного после этого источника отходящего тепла, который соединен с нагревательным устройством ОЦР-цикла, а также с расширительной машиной для расширения пара в ОЦР-цикле, связанной с генератором и имеющей систему магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством и электропитанием через промежуточное звено постоянного тока, входящее в состав преобразователя частоты генератора.

Изобретение относится к энергетике. Теплоутилизационная система содержит клапанную систему, выполненную с возможностью переключения между положением рекуперации сбросного тепла, при котором обеспечивается направление входящего выхлопного газа через внутреннее пространство выхлопной секции двигателя, и байпасным положением, при котором обеспечивается направление указанного входящего газа по перепускному контуру для обхода котла-утилизатора, расположенного в указанном внутреннем пространстве.

Изобретение относится к способу эксплуатации парового цикла, осуществляемому в предложенном устройстве, содержащем испаритель или парогенератор для испарения жидкого рабочего тела (А) и смазываемый смазочным средством детандер для совершения механической работы.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) при утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины для дополнительной выработки электрической энергии.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) при утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора для дополнительной выработки электрической энергии.
Наверх