Утилизационная углекислотная энергоустановка

Изобретение относится к энергетике. Утилизационная углекислотная энергоустановка содержит утилизационный теплообменный аппарат 1, состоящий из двух участков теплообмена - основного и байпасного подогревателей (ОП 2 и БП 3) углекислого газа высокого давления (СО₂ в.д.), расположенных в утилизационном теплообменном аппарате 1 в указанной последовательности по ходу греющего теплоносителя, высокотемпературный рекуператор (ВТР) 4, низкотемпературный рекуператор (НТР) 5, высокотемпературную турбину 6, низкотемпературную турбину 7, охладитель СО₂ н.д. 8 и компрессор 9. Компрессор 9 сообщен на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя 8 по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. БП 3 и НТР 5 через регулирующее распределительное устройство - трехходовой клапан 10, размещенный вместе со своим электроприводом внутри герметичного контура в тракте по СО₂ в.д. перед входами НТР 5 и БП 3 по СО₂ в.д. и выполненный с возможностью регулирования распределения расхода СО₂ в.д. между входами НТР 5 и БП 3 по условию поддержания температур СО₂ в.д. на выходах ВТР 4 и БП 3 на одинаковом уровне. ВТР 4 на выходе по СО₂ в.д. сообщен также с входом низкотемпературной турбины 7 по СО₂ в.д., а БП 3 на выходе по СО₂ в.д. сообщен с входом ОП 2 по СО₂ в.д. Изобретение позволяет повысить КПД и мощность утилизационной энергоустановки. 1 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике. Углекислотные (диоксид-углеродные) энергоустановки (СО₂-ЭУ) - это тепловые энергоустановки, использующие диоксид углерода (СО₂) в качестве рабочего тела и реализующие замкнутый регенеративный цикл Брайтона [ГОСТ Ρ 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения»] со сверхкритическим начальным давлением рабочего тела (sCO₂), как правило, выше 20 МПа. Заявляемая утилизационная СО₂-ЭУ может быть применена для выработки энергии на теплоте высокотемпературных отходящих газов различных технологических процессов и установок, в частности, выхлопных газов газотурбинных двигателей (ГТД) в установках комбинированного цикла (УКЦ).

Ниже приведен перечень сокращений, используемых в настоящем описании БП - байпасный подогреватель СО₂ в.д. котла;

ВТР - высокотемпературный рекуператор (высокотемпературная ступень рекуператора);

ГТД - газотурбинный двигатель;

КУ - котел-утилизатор;

НТР - низкотемпературный рекуператор (низкотемпературная ступень рекуператора);

УКЦ - установка комбинированного цикла;

УТА - утилизационный теплообменный ппарат;

ЭУ - энергоустановка;

СО₂ - диоксид углерода (углекислый газ);

СО₂ в.д. - углекислый газ высокого давления;

СО₂ н.д. - углекислый газ низкого давления;

СО₂-ЭУ - диоксид-углеродная энергоустановка:

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

Известен концептуальное предложение по утилизационной СО₂-ЭУ для УКЦ, разработанное специалистами компании Siemens и Университета Duisburg-Essen и представленное ими на 2-й Европейской конференции по СО₂-ЭУ со сверхкритическими параметрами [опубликованный доклад: "Evaluation of СО₂-power cycles for direct and waste heat applications" / Glos, Stefan; Wechsung, Michael; Schlehuber, Dominic (Siemens AG, Power and Gas Division, Mulheim an der Ruhr, Germany); Wagner, Rebecca; Heidenhof, Andre (University Duisburg-Essen. Duisburg, Germany)// In: 2nd European sCO₂ Conference, Duisburg, 2018, c.6, рисунок Fig. 14]. СО₂-ЭУ содержит утилизационный теплообменный аппарат (УТА) - котел-утилизатор (КУ), состоящий из трех участков теплообмена -основного подогревателя (ОП) углекислого газа высокого давления (СО₂ в.д.) 4, высокотемпературного и низкотемпературного байпасных подогревателей СО₂ в.д. (БП) 3 и 2, расположенных в указанной последовательности по ходу дымовых газов в КУ, высокотемпературный рекуператор (ВТР) 6, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ОП 4 по СО₂ в.д., низкотемпературный рекуператор (НТР) 5, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ВТР 6 по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему СО₂ низкого давления (СО₂ н.д.) - с выходом ВТР 6 по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину 7, сообщенную на входе по рабочему телу с выходом ОП 4 по СО₂ в.д., на выходе по рабочему телу (СО₂ н.д.) - с входом ВТР 6 по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину 8, сообщенную на входе по СО₂ в.д. с выходом ВТР 6 по СО₂ в.д.,, на выходе по СО₂ н.д. - с входом НТР 5 по СО₂ н.д., охладитель СО₂ н.д. 9, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом НТР5 по СО₂ н.д., и компрессор 1, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя 9 по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. низкотемпературного участка БП 2 и НТР 5. Высокотемпературный БП 3 на выходе по СО₂ в.д. сообщен с входами ОП 4 и низкотемпературной турбины 8 по СО₂ в.д., а низкотемпературный БП 2 на выходе по СО₂ в.д. сообщен с входами высокотемпературного БПЗ и ВТР 6 по СО₂ в.д.

Исходя из характера изменения теплоемкости СО₂ в.д. в зависимости от температуры, наличие двух точек регулируемого распределения расхода СО₂ в.д. за ВТР 6 и НТР 5 между трактами рекуператоров и участков КУ и связанное с этим исполнение КУ в виде трех участков нагрева СО₂ в.д. позволяет снизить значения средних температурных напоров в рекуператорах и в КУ при фиксированных значениях температурных напоров в низконапорных точках КУ и рекуператоров [там же, с.6, рисунок Fig. 15], повысить средний уровень температуры подвода тепла к СО₂ в.д. в рекуператорах и в КУ с одновременным повышением расхода СО₂ в.д. в высокотемпературную турбину и за счет этого повысить КПД утилизационной СО₂-ЭУ до уровня, близкого к максимально возможному.

Недостатками данного устройства являются сложность изготовления, недостаточно высокая надежность и пониженный межремонтный период. Указанные недостатки связаны с тем, что во избежание утечек рабочего тела из контура СО₂-ЭУ регулирующие распределительные устройства должны быть выполнены инкапсулированными (размещенными внутри герметичного контура) в тракте по СО₂ в.д. вместе с приводными электродвигателями. По крайней мере, одно из двух регулирующих устройств в данной СО₂-ЭУ будет работать в среде СО₂ в.д. при температуре выше 250°С, т.е. окажется низкоресурсным элементом. Снижение межремонтного периода влечет за собой повышенный расход операционных запасов рабочего тела при остановах и пусках СО₂-ЭУ, а также увеличение затрат на плановую замену указанного низкоресурсного элемента. Кроме того, два регулирующих устройства на двух параллельных потоках СО₂ в.д. создают возмущающие воздействия на работу друг друга, вследствие чего расчетное (оптимальное) распределение расходов СО₂ в.д. достигается в динамике, а не как фиксированная величина, не меняющаяся в реальном времени при неизменных условиях эксплуатации, что также отрицательно влияет на фактическую величину эффективного КПД и мощность СО₂-ЭУ.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является утилизационная СО₂-ЭУ для УКЦ [Патент РФ №2740614, опубл. 15.01.2021, бюл. №2], содержащая утилизационный теплообменный аппарат - котел-утилизатор 1, состоящий из двух участков теплообмена - основного и байпасного подогревателей СО₂ в.д. (ОП 2 и БП 3), расположенных в КУ 1 в указанной последовательности по ходу дымовых газов, высокотемпературный рекуператор (ВТР) 4, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ОП 2 по СО₂ в.д., низкотемпературный рекуператор (НТР) 5, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ВТР 4 по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему СО₂ н.д. - с выходом ВТР 4 по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину 6, сообщенную на входе по СО₂ в.д. с выходом ОП 2 по СО₂ в.д., на выходе по СО₂ н.д. - с входом ВТР 4 по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину 7, сообщенную на выходе по рабочему телу с входом НТР 5 по СО₂ н.д., охладитель СО₂ н.д. 8, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом НТР 5 по СО₂ н.д., и нагнетатель (компрессор) 9, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя 8 по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. БП 3 и НТР 5. БП 3 на выходе по СО₂ в.д. сообщен с входом низкотемпературной турбины 7.

Рабочее тело (СО₂ в.д.) подают в высокотемпературную турбину 6 по линии НТР 5-ВТР 4 - ОП 2, в низкотемпературную турбину 7 - через БП 3. Распределение расхода СО₂ в.д. между этими параллельными линиями в отсутствие каких-либо промежуточных поперечных гидравлических связей между ними обусловлено только пропускными способностями турбин 6 и 7, что обеспечивает возможность достижения оптимального распределения расходов между двумя линиями только на основе оптимизации проектных параметров оборудования на стадии проектирования, без применения средств регулирования.

Температурные напоры на концах БП 3, НТР 5, на холодном конце ВТР 4 и на одном из концов ОП 2 могут быть приняты равными минимально-допустимым значениям, но средние температурные напоры в ВТР, ОП и БП оказываются более высокими, чем в схеме предыдущего аналога, близкой к идеальной, что несколько снижает КПД и мощность СО₂-ЭУ по сравнению с максимально возможным значением, которое может быть достигнуто в идеальной схеме. При этом по мере расширения диапазона изменения начальной температуры греющего теплоносителя перед УТА отклонение КПД и мощности СО₂-ЭУ от максимально возможных значений увеличивается.

Целью заявляемого изобретения является устранение указанного недостатка - повышение КПД и мощности СО₂-ЭУ в широком диапазоне изменения начальной температуры первичного греющего теплоносителя перед УТА без ущерба для надежности работы устройства.

Техническим результатом изобретения является увеличение расхода СО₂ в.д. в высокотемпературную турбину при снижении расхода СО₂ в.д. в низкотемпературную турбину и общего расхода СО₂ через компрессор с соответствующим снижением расхода СО₂ н.д. и сброса тепла в окружающую среду и увеличением среднемассовой температуры подвода тепла к рабочему телу в СО₂-ЭУ, что, согласно первому и второму законам термодинамики, обеспечивает достижение указанной 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 утилизационная СО₂-ЭУ содержит утилизационный теплообменный аппарат (УТА), состоящий из двух участков теплообмена - основного и байпасного подогревателей СО₂ в.д. (ОП и БП), расположенных в указанной последовательности по ходу греющего теплоносителя в УТА, высокотемпературный рекуператор (ВТР), сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ОП по СО₂ в.д., низкотемпературный рекуператор (НТР), сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ВТР по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему СО₂ н.д. - с выходом ВТР по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину, сообщенную на входе по СО₂ в.д. с выходом ОП по СО₂ в.д., на выходе СО₂ н.д. - с входом ВТР по греющему СО₂ н.д., низкотемпературную турбину, сообщенную на выходе СО₂ н.д. с входом НТР по СО₂ н.д., охладитель СО₂ н.д., сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом НТР по СО₂ н.д., и компрессор, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя СО₂ н.д. по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. БП и НТР. Согласно изобретению, заявляемая утилизационная СО₂-ЭУ снабжена регулирующим распределительным устройством, размещенным вместе со своим электроприводом внутри герметичного контура в тракте по СО₂ в.д. перед входами НТР и БП по СО₂ в.д. и выполненным с возможностью регулирования распределения расхода СО₂ в.д. между входами НТР и БП по СО₂ в.д. по условию поддержания разности температур СО₂ в.д. на выходах ВТР и БП на заданном уровне, при этом ВТР на выходе по СО₂ в.д. сообщен также с входом низкотемпературной турбины по СО₂ в.д., а БП на выходе по СО₂ в.д. сообщен с входом ОП по СО₂ в.д.

Углекислый газ является диэлектриком, а расчетная температура СО₂ в.д. за компрессором не превышает 70°С, что допускает размещение распределительного трехходового клапана вместе со своим приводным электродвигателем внутри герметичного контура в тракте по СО₂ в.д. перед входами НТР и БП по СО₂ в.д. без ущерба для ресурса и надежности работы распределительного клапана и СО₂-ЭУ в целом. Распределение расхода СО₂ в.д. между НТР и БП по условию поддержания температур СО₂ в.д. на выходах ВТР и БП на одинаковом уровне исключает прирост энтропии при смешении разнотемпературных потоков СО₂ в.д. перед ОП и обеспечивает поддержание температурных напоров на холодном конце ОП и горячем конце БП на одинаковом (минимальном) уровне. Распределение расхода СО₂ в.д. из ВТР между ОП и низкотемпературной турбиной обусловлено только пропускными способностями турбин и не требует применения каких-либо иных дополнительных средств автоматического регулирования. В прототипе расход СО₂ в.д. в низкотемпературную турбину равен расходу СО₂ в.д. в БП, что при заданных температурных напорах в низконапорных точках НТР и БП полностью определяет и расход в высокотемпературную турбину и, соответственно, значения пропускных способностей обеих турбин. В заявляемой же СО₂-ЭУ появляется дополнительная степень свободы, позволяющая распределить расходы СО₂ в.д. между турбинами (подобрать их пропускные способности) таким образом, чтобы средняя температура подвода тепла к рабочему телу (СО₂ в.д.) обеих турбин была бы выше, а расход в низкотемпературную турбину и суммарный расход СО₂ н.д. через охладитель - меньше, чем в прототипе.

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 схематическим чертежом, представленным на фиг.1. Утилизационная СО₂-ЭУ содержит УТА 1, состоящий из двух участков теплообмена - ОП 2 и БП 3, расположенных в УТА 1 в указанной последовательности по ходу греющего теплоносителя, ВТР 4, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ОП 2 по СО₂ в.д., НТР 5, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом ВТР 4 по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему СО₂ н.д. - с выходом ВТР 4 по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину 6, сообщенную на входе по СО₂ в.д. с выходом ОП 2 по СО₂ в.д., на выходе СО₂ н.д. - с входом ВТР 4 по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину 7, сообщенную на выходе СО₂ н.д. с входом НТР 5 по СО₂ н.д., охладитель СО₂ н.д. 8, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом НТР 5 по СО₂ н.д., и компрессор 9, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя СО₂ н.д. 8 по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. БП 3 и НТР 5. Согласно изобретению, заявляемая утилизационная СО₂-ЭУ снабжена регулирующим распределительным устройством - трехходовым клапаном 10, размещенным вместе со своим электроприводом внутри герметичного контура в тракте по СО₂ в.д. перед входами НТР 5 и БП 3 по СО₂ в.д. и выполненным с возможностью регулирования распределения расхода СО₂ в.д. между входами НТР 5 и БП 3 по СО₂ в.д. по условию поддержания температур СО₂ в.д. на выходах ВТР 4 и БП 3 на одинаковом уровне, при этом ВТР 4 на выходе по СО₂ в.д. сообщен также с входом низкотемпературной турбины 7 по СО₂ в.д., а БП 3 на выходе по СО₂ в.д. сообщен с входом ОП 2 по СО₂ в.д. Приведенная на фиг.1 СО₂-ЭУ содержит также турбогенератор 11.

Утилизационная СО₂-ЭУ работает следующим образом.

Охлажденный в охладителе 8 СО₂ н.д. сжимают компрессором 9 до высокого давления и подают на входы по СО₂ в.д. БП 3 и НТР 5 по СО₂ в.д. с регулированием трехходовым регулирующим клапаном 10 по условию поддержания температур СО₂ в.д. за ВТР 4 и БП 3 на одинаковом уровне. Из БП 3 СО₂ в.д. подают в на вход ОП 2 по СО₂ в.д., а из ВТР 4 - на входы ОП 2 и низкотемпературной турбины 7 по СО₂ в.д. Нагретый в ОП 2 СО₂ в.д. подают в высокотемпературную турбину 6.

Поступивший в турбины 6 и 7 СО₂ в.д. совершает работу по приводу турбогенератора 11 и компрессора 9, обеспечивающего перепад давлений в турбинах и возможность расширения СО₂ в турбинах до низкого давления. Отработанный СО₂ н.д. из высокотемпературной турбины 6 подают на вход ВТР 4 по греющему СО₂ н.д., где он охлаждается, примерно, до температуры СО₂ н.д. за низкотемпературной турбиной 7, отдавая тепло на нагрев СО₂ в.д. Отработанный СО₂ н.д. из низкотемпературной турбины 7 подают на смешение с потоком СО₂ н.д. за ВТР 4, поступающим на вход НТР 5 по греющему СО₂ н.д.; далее, охлажденный в НТР 5 поток СО₂ н.д. подают в охладитель 8, где его охлаждают, в данном примере, жидким охлаждающим теплоносителем, и подают на вход компрессора 9.

Распределение расхода СО₂ в.д. между НТР 5 и БП 3 по условию поддержания температур СО₂ в.д. на выходах ВТР 4 и БП 3 на одинаковом уровне исключает прирост энтропии при смешении разнотемпературных потоков СО₂ в.д. перед ОП 2 и обеспечивает поддержание температурных напоров на холодном конце ОП 2 и горячем конце БП 3 на одинаковом (минимальном) уровне. Распределение расхода СО₂ в.д. из ВТР 4 между ОП 2 и низкотемпературной турбиной 7 обусловлено только пропускными способностями турбин и не требует применения каких-либо иных дополнительных средств автоматического регулирования. При этом если в прототипе расход СО₂ в.д. в низкотемпературную турбину 7 равен расходу СО₂ в.д. в БП 3, что при заданных температурных напорах в низконапорных точках НТР 5 и БП 3 полностью определяет также расход СО₂ в.д. в высокотемпературную турбину 6 и, соответственно, величину пропускных способностей обеих турбин, то в заявляемой СО₂-ЭУ появляется дополнительная степень свободы, позволяющая распределить расходы СО₂ в.д. между турбинами 6 и 7 (подобрать их пропускные способности) таким образом, чтобы средняя температура подвода тепла к рабочему телу (СО₂ в.д.) турбин 6 и 7 была бы выше, а расход в турбину 7 и суммарный расход СО₂ н.д. через охладитель 8 - меньше, чем в прототипе.

Приведенный на фиг. 1 пример реализации заявляемого изобретения представлен для иллюстрации отличительных признаков формулы и не исчерпывает всех возможных вариантов его реализации, которые могут отличаться исполнением компрессора 9 (наличие или отсутствие промежуточного охлаждения), охладителя 8 (охладитель или охладитель-конденсатор), наличием подогревателя воды, размещенного в рассечку поверхностей нагрева БП 3 (для подогрева топлива в случае применения заявляемой СО₂-ЭУ в схеме УКЦ, как в прототипе), охлаждающим теплоносителем (вода, раствор антифриза, воздух), первичным греющим теплоносителем, подаваемым в УТА (выхлопные газы ГТД, отходящие газы химических производств и металлургических предприятий) и т.п.Наконец, в случае наличия ограничений по температуре СО₂ в.д. перед УТА снизу (например, вследствие особенностей хим. состава первичного греющего теплоносителя), СО₂-ЭУ может быть снабжена предварительным рекуперативным подогревателем СО₂ в.д. (ПРП), при этом НТР 5 на выходе по СО₂ н.д. будет сообщен с входом охладителя 8 по СО₂ н.д. через тракт ПРП по СО₂ н.д., а компрессор 9 на выходе по СО₂ в.д. будет сообщен со входами по СО₂ в.д. НТР 5 и БП 3 не только через распределительный трехходовой клапан 10, но и через тракт ПРП по СО₂ в.д.

В любом из перечисленных вариантов применения заявляемого изобретения обеспечивается достижение заявленного технического результата по сравнению с прототипом.

Утилизационная углекислотная энергоустановка, содержащая утилизационный теплообменный аппарат, состоящий из двух участков теплообмена - основного и байпасного подогревателей углекислого газа высокого давления (СО₂ в.д.), расположенных в утилизационном теплообменном аппарате в указанной последовательности по ходу греющего теплоносителя, высокотемпературный рекуператор, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом основного подогревателя по СО₂ в.д., низкотемпературный рекуператор, сообщенный на выходе по нагреваемому СО₂ в.д. с входом высокотемпературного рекуператора по нагреваемому СО₂ в.д., на входе по греющему углекислому газу низкого давления (СО₂ н.д.) - с выходом высокотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., высокотемпературную турбину, сообщенную на входе по СО₂ в.д. с выходом основного подогревателя по СО₂ в.д., на выходе по СО₂ н.д. - с входом высокотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., низкотемпературную турбину, сообщенную на выходе СО₂ н.д. с входом низкотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., охладитель углекислого газа низкого давления, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом низкотемпературного рекуператора по СО₂ н.д., и компрессор, сообщенный на входе по СО₂ н.д. с выходом охладителя углекислого газа низкого давления по СО₂ н.д., на выходе по СО₂ в.д. - с входами по СО₂ в.д. байпасного подогревателя и низкотемпературного рекуператора, отличающаяся тем, что утилизационная углекислотная энергоустановка снабжена регулирующим распределительным устройством, размещенным вместе со своим электроприводом внутри герметичного контура в тракте по СО₂ в.д. перед входами низкотемпературного рекуператора и байпасного подогревателя по СО₂ в.д. и выполненным с возможностью регулирования распределения расхода СО₂ в.д. между входами низкотемпературного рекуператора и байпасного подогревателя по условию поддержания температур СО₂ в.д. на выходах высокотемпературного рекуператора и байпасного подогревателя на одинаковом уровне, при этом высокотемпературный рекуператор на выходе по СО₂ в.д. сообщен также с входом низкотемпературной турбины по СО₂ в.д., а байпасный подогреватель на выходе по СО₂ в.д. сообщен с входом основного подогревателя по СО₂ в.д.