Результат интеллектуальной деятельности: РАБОТАЮЩАЯ НА КИСЛОРОДНОМ СЖИГАНИИ УГЛЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ИНТЕГРАЦИЕЙ ТЕПЛА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее раскрытие относится к тепловой схеме работающих на кислородном сжигании угля электростанций, в которой улавливание CО₂ интегрировано с пароводяным циклом тепловой электростанции.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Уголь обеспечивает значительный процент производства электроэнергии в современном мире и, как ожидается, сохранит свою доминирующую долю в обозримом будущем. Тем не менее, значительные нагрузки на окружающую среду привели к разработке систем снижения выбросов для соответствия все возрастающим экологическим требованиям. В результате, проектирование электростанций должно соответствовать противоречащим требованиям высокоэффективной эксплуатации при сниженных уровнях выбросов CО₂, SО₂, NO_x.

Особенно предпочтительной схемой электростанции, реализованной в результате этих разработок, является тепловая электростанция с кислородным горением и парообразованием с улавливанием СО₂. В отличие от системы, работающей при воздушном горении, в данной системе используется кислород, обычно получаемый в блоке разделения воздуха, для сжигания первичного топлива. В процессах кислородного горения образуется топочный газ, обычно содержащий СО₂, воду и О₂ в качестве своих главных составляющих, причем концентрация СО₂ обычно составляет более, чем 70% по объему. Высокая концентрация СО₂ позволяет относительно просто осуществлять улавливание СО₂ в блоке обработки газа.

Типичная схема электростанции с кислородным горением и улавливанием включает в себя несколько ступеней очистки перед извлечением СО₂. Они могут включать в себя электростатический осадитель для удаления твердых частиц, десульфуратор топочного газа для удаления серы и конденсатор топочного газа для удаления воды. По соображениям тепловой эффективности система использования тепла топочного газа дополнительно может быть расположена между электростатическим осадителем и десульфуратором топочного газа.

Пример типичного пароводяного контура высокоэффективных тепловых электростанций с кислородным горением и парообразованием показан на Фиг. 1. Электростанция содержит последовательное соединение паровых турбин с промежуточным перегревом пара для трех давлений (ВД, СД, НД), питаемых паром из котла 42. Отработавший пар из последней паровой турбины низкого давления (НД) конденсируется в конденсаторе 2 перед очисткой 4 и нагнетанием 3, проходя последовательно через серию нагревателей 6, 7, 8, 9, 31 низкого давления, бак 36 для питательной воды и нагреватели 32 высокого давления перед возвращением в котел 42 в замкнутом контуре. Источником тепла для нагревателей низкого и высокого давления, как правило, является пар, извлеченный из паровых турбин низкого/среднего и высокого давления.

Вследствие большой выгоды от обеспечения наиболее высокоэффективного цикла существует постоянная потребность в том, чтобы найти способы лучшей интеграции термостоков систем кислородного горения и улавливания внутри тепловой электростанции. Это требует оптимизации стоков тепла систем улавливания с циклом электростанции, чтобы гарантировать отсутствие потерь энергии. В частности, требуют рассмотрения методы интеграции блока разделения воздуха, системы использования тепла топочного газа, конденсатора топочного газа и блока обработки газа в паровой цикл.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложены работающий на кислородном сжигании угля котел с системой подачи кислорода и система улавливания СО₂ из топочного газа, а также схема электростанции с паровым циклом, которая интегрирует основные источники выработки теплоты систем в целях обеспечения гибкой работы электростанции и улучшенной общей тепловой эффективности электростанции.

Раскрытие основано на общей идее обеспечения решения для интеграции источников тепла блока разделения воздуха, системы использования тепла топочного газа, конденсатора топочного газа и блока обработки газа в системе конденсата тепловой электростанции.

В одном аспекте электростанция с работающим на кислородном сжигании угля котлом включает в себя пароводяной цикл тепловой электростанции, систему конденсата, систему сжигания топлива и систему улавливания CО₂.

Система конденсата содержит насос для нагнетания конденсата, множество последовательных нагревателей низкого давления, расположенных последовательно и пронумерованных, начиная от одного и увеличиваясь до двух, трех, четырех и т.д. вниз по потоку от насоса, и по меньшей мере один параллельный нагреватель низкого давления, расположенный параллельно по текучей среде с по меньшей мере одним из последовательных нагревателей низкого давления. Система сжигания топлива имеет блок разделения воздуха для образования обогащенного кислородом потока, причем блок разделения воздуха имеет теплообменник блока разделения воздуха с конденсатопроводом теплообменника блока разделения воздуха, соединенным с системой конденсата так, что теплообменник блока разделения воздуха расположен по текучей среде параллельно с по меньшей мере двумя из последовательных нагревателей низкого давления.

Система сжигания топлива содержит котел для сжигания угля с помощью обогащенного кислородом потока с образованием потока топочного газа.

Система улавливания CО₂ выполнена и расположена с возможностью удаления CО₂ из потока топочного газа и имеет систему использования тепла топочного газа, конденсатор топочного газа и блок обработки газа. Каждая из этих систем и блоков может быть самостоятельно и отдельно термически интегрирована в систему конденсата с помощью конденсатопроводов, соединенных или с теплообменниками системы конденсата, или непосредственно с системой конденсата.

В одном аспекте система использования тепла топочного газа имеет теплообменник системы использования тепла топочного газа и трубопровод для теплоносителя системы использования тепла топочного газа, соединенный с теплообменником системы использования тепла топочного газа и по меньшей мере одним параллельным нагревателем низкого давления так, чтобы образовать отдельный контур системы теплоносителя, который термически соединяет систему использования тепла топочного газа с системой конденсата через по меньшей мере один параллельный нагреватель низкого давления.

В другом аспекте блок обработки газа имеет теплообменник с трубопроводами для теплоносителя, образующими часть отдельного контура системы теплоносителя.

В другом аспекте нулевой нагреватель низкого давления размещен в системе конденсата выше по потоку от последовательных нагревателей низкого давления и по меньшей мере одного параллельного нагревателя. В одном аспекте конденсатор топочного газа соединен непосредственно с системой конденсата по обе стороны от нулевого нагревателя низкого давления.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является преодоление или по меньшей мере частичное устранение недостатков и слабых сторон известного уровня техники или обеспечение полезной альтернативы.

Другие аспекты и преимущества настоящего раскрытия будут ясны из нижеследующего описания, рассматриваемого вместе с сопровождающими чертежами, которые иллюстрируют в качестве примера иллюстративные примерные варианты осуществления настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В качестве примера вариант осуществления настоящего изобретения описан далее более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

на Фиг. 1 представлено схематическое изображение электростанции с работающим на кислородном сжигании угля котлом известного уровня техники;

на Фиг. 2 представлена схема иллюстративного варианта осуществления электростанции с работающим на кислородном сжигании угля котлом;

на Фиг. 3 представлена схема другого иллюстративного варианта осуществления электростанции с работающим на кислородном сжигании угля котлом;

на Фиг. 4 представлена схема другого иллюстративного варианта осуществления электростанции с работающим на кислородном сжигании угля котлом, в которой только система использования тепла топочного газа и система обработки газа термически интегрированы в систему конденсата; и

на Фиг. 5 представлена схема другого иллюстративного варианта осуществления электростанции с работающим на кислородном сжигании угля котлом, демонстрирующая интеграцию блока разделения воздуха и конденсатора топочного газа с нулевым нагревателем низкого давления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже со ссылками на чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения аналогичных элементов. В нижеследующем описании, в целях пояснения многие конкретные детали изложены для обеспечения полного понимания раскрытия. Однако настоящее раскрытие может быть реализовано на практике без этих конкретных деталей и не ограничивается описанным здесь иллюстративным вариантом осуществления.

Как показано на Фиг. 2 и Фиг. 3, иллюстративный вариант осуществления электростанции с работающим на кислородном сжигании угля котлом включает в себя пароводяной цикл тепловой электростанции с системой конденсата, систему сжигания топлива и систему улавливания CО₂ для удаления CО₂ из потока топочного газа, образованного в системе сжигания топлива.

Система конденсата включает в себя конденсатор 2 для конденсации пара. После конденсации конденсат сжимается насосом 3 перед подачей через несколько нагревателей 7, 8, 9, 22, 31 низкого давления перед поступлением в бак 36 для питательной воды. Множество нагревателей 7, 8, 9, 31 низкого давления расположено последовательно, образуя последовательные нагреватели 7, 8, 9, 31 низкого давления. Параллельно с по меньшей мере одним из последовательных нагревателей 7, 8, 9, 31 низкого давления находится параллельный нагреватель 22 низкого давления. Параллельный нагреватель 22 низкого давления может содержать более чем один параллельный нагреватель 22 низкого давления и также может быть расположен так, что он находится параллельно с более чем одним из последовательных нагревателей 7, 8, 9, 31 низкого давления. В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, параллельный нагреватель 22 низкого давления расположен параллельно с первыми двумя последовательными вверх по потоку нагревателями низкого давления 7, 8.

В иллюстративном варианте осуществления система сжигания топлива включает в себя блок разделения воздуха для образования обогащенного кислородом потока. Блок разделения воздуха включает в себя теплообменник 11 блока разделения воздуха, термически интегрированный в систему конденсата с помощью конденсатопровода 5 теплообменника блока разделения воздуха. Обогащенный кислородом поток далее подается в работающий на кислородном сжигании угля котел, где при горении угля образуется поток топочного газа.

Система улавливания CО₂ выполнена с возможностью удаления CО₂ из топочного газа в нескольких ступенях обработки, которые могут включать в себя систему использования тепла топочного газа, конденсатор топочного газа и блок обработки газа. Как показано на Фиг. 2, в иллюстративном варианте осуществления эти системы включают в себя теплообменники.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, теплообменник 40 системы использования тепла топочного газа и теплообменник 33 блока обработки газа имеют общий контур теплоносителя, который включает в себя трубопровод 30 для теплоносителя блока обработки газа и трубопровод 39 для теплоносителя системы использования тепла топочного газа. Контур теплоносителя термически интегрирован в систему конденсата с помощью соединения с по меньшей мере одним параллельным нагревателем 22 низкого давления. Необязательно, как показано на Фиг. 2, контур теплоносителя может включать в себя вторичный охладитель 41, предпочтительно в трубопроводе 39 для теплоносителя системы использования тепла топочного газа ниже по потоку от по меньшей мере одного параллельного нагревателя 22 низкого давления. Этот вторичный охладитель 41 имеет преимущество повышения гибкости системы и предоставляет дополнительную мощность охлаждения для контура теплоносителя, тем самым обеспечивая тепловую защиту трубопровода 39 для теплоносителя системы использования тепла топочного газа и теплообменника 40 системы использования тепла топочного газа.

В дополнительном иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, конденсатопровод 14 теплообменника конденсатора топочного газа имеет первый конец, соединенный с системой конденсата между насосом 3 для конденсата и первым последовательным нагревателем 7 низкого давления, и второй конец, соединенный с системой конденсата между местом присоединения первого конца к системе конденсата и первым последовательным нагревателем 7 низкого давления. В иллюстративном варианте осуществления система конденсата включает в себя перепускной клапан 15 для обхода конденсатопровода 14 теплообменника конденсатора топочного газа. Перепускной клапан 15 размещен между первым концом конденсатопровода 14 теплообменника конденсатора топочного газа и вторым концом конденсатопровода 14 теплообменника конденсатора топочного газа. В данной схеме, когда перепускной клапан 15 открыт, конденсат предпочтительно течет через конденсатопровод между первым и вторым концами конденсатопровода 14 теплообменника конденсатора топочного газа, а не через теплообменник конденсатора топочного газа. Чтобы способствовать обходному потоку, в конденсатопроводе 14 теплообменника конденсатора топочного газа может быть размещен дополнительный клапан (не показан), причем дополнительный клапан закрыт, когда открыт перепускной клапан 15, чтобы инициировать перепускание, и открыт, когда закрыт перепускной клапан, чтобы направить весь поток конденсата в теплообменник конденсатора топочного газа, так чтобы позволить электростанции работать, когда конденсатор топочного газа отсоединен, например, для технического обслуживания или работы без улавливания. В альтернативном варианте осуществления перепускной клапан частично открыт, чтобы регулировать соотношение конденсата, протекающего через теплообменник 16 конденсатора топочного газа и, одновременно, в обход теплообменника 16 конденсатора топочного газа.

В дополнительном иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, трубопровод 30 для теплоносителя блока обработки газа имеет первый конец, соединенный с трубопроводом 39 для теплоносителя системы использования тепла топочного газа выше по потоку от теплообменника 40 системы использования тепла топочного газа, и второй конец, соединенный с трубопроводом 39 для теплоносителя системы использования тепла топочного газа ниже по потоку от теплообменника 40 системы использования тепла топочного газа.

В иллюстративном варианте осуществления трубопровод 30 для теплоносителя блока обработки газа включает в себя регулировочный клапан 32, выполненный с возможностью регулировать поток конденсата через теплообменник 33 блока обработки газа.

В иллюстративном варианте осуществления трубопровод 39 для теплоносителя системы использования тепла топочного газа включает в себя регулировочный клапан 44, находящийся ниже по потоку от первого конца трубопровода 30 теплоносителя блока обработки газа и выше по потоку от второго конца трубопровода 30 для теплоносителя блока обработки газа, причем регулировочный клапан 44 выполнен с возможностью регулировать поток теплоносителя через теплообменник 40 системы использования тепла топочного газа.

Иллюстративный вариант осуществления, показанный на Фиг. 2 и Фиг. 3, дополнительно включает в себя общий регулировочный клапан 38 для использования тепла потоков конденсата из блока разделения воздуха, блока обработки газа и системы использования тепла топочного газа. Этот регулировочный клапан 38 размещен в конденсатопроводе. В иллюстративном варианте осуществления общий регулировочный клапан 38 находится параллельно с по меньшей мере одним параллельным нагревателем 22. В другом иллюстративном варианте осуществления регулировочный клапан находится параллельно с по меньшей мере одним параллельным нагревателем 22 низкого давления и ниже по потоку от второго последовательного нагревателя 8 низкого давления, перед третьим последовательным нагревателем 9 низкого давления. Это местоположение может изменяться в различных иллюстративных вариантах осуществления в зависимости от местоположения, в котором конденсат из по меньшей мере одного параллельного нагревателя 22 соединяется с конденсатом, проходящим через последовательные нагреватели 7, 8, 9, 31 низкого давления.

В иллюстративном варианте осуществления конденсатопровод 5 теплообменника блока разделения воздуха имеет первый конец выше по потоку от теплообменника 11 блока разделения воздуха, соединенный с системой конденсата между первым концом конденсатопровода 14 теплообменника конденсатора топочного газа и насосом 3. В альтернативном варианте осуществления первый конец конденсатопровода 5 теплообменника блока разделения воздуха соединен с системой конденсата между вторым концом конденсатопровода 14 теплообменника конденсатора топочного газа и первым последовательным нагревателем 7 низкого давления.

В иллюстративном варианте осуществления конденсатопровод 5 теплообменника блока разделения воздуха имеет второй конец, находящийся ниже по потоку от теплообменника 11 блока разделения воздуха, соединенный с системой конденсата, находящейся ниже по потоку от по меньшей мере одного параллельного нагревателя 22 низкого давления, и в одном иллюстративном варианте осуществления между вторым из последовательных нагревателей 8 низкого давления и третьим из последовательных нагревателей 9 низкого давления, и в другом иллюстративном варианте осуществления между третьим из последовательных нагревателей 9 низкого давления и четвертым из последовательных нагревателей 31 низкого давления.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 4, система блока обработки газа и система использования тепла топочного газа, входящая в систему улавливания CО₂, термически интегрированы в систему конденсата. Данный иллюстративный вариант осуществления включает в себя нулевой последовательный нагреватель 6 низкого давления, который находится выше по потоку от последовательных нагревателей 7, 8, 9, 31 низкого давления. В данной схеме по меньшей мере параллельный нагреватель 22 низкого давления находится параллельно первому последовательному нагревателю 7 низкого давления, размещенному в системе конденсата ниже по потоку от нулевого последовательного нагревателя 6 низкого давления.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 5, конденсатор топочного газа соединен посредством конденсатопровода 14 теплообменника конденсатора топочного газа, соединенного на противоположных концах с системой конденсата с каждой стороны от нулевого последовательного нагревателя 6 низкого давления.

В другом иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 5, теплообменник 11 блока разделения воздуха с конденсатопроводом 5 теплообменника блока разделения воздуха соединен с системой конденсата между насосом 3 и нулевым последовательным нагревателем 6 низкого давления.

Хотя раскрытие здесь было показано и описано, как представляется в наиболее практичном иллюстративном варианте осуществления, специалистам в области техники будет ясно, что настоящее раскрытие может быть осуществлено в других конкретных формах. Например, в описании приводится ссылка на различные системы, содержащие теплообменники в единственном числе. Иллюстративный вариант осуществления также может быть применен к системе, содержащей несколько теплообменников, расположенных либо параллельно, либо последовательно с подающими и возвратными трубопроводами для конденсата. Раскрытые в данном документе варианты осуществления, таким образом, рассматриваются во всех отношениях как иллюстративные, а не ограничивающие. Объем раскрытия обозначен скорее прилагаемой формулой изобретения, а не предшествующим описанием, и предполагается, что все изменения, находящиеся в пределах сущности и объема и их эквиваленты, ею охватываются.

ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ

1 - Конденсатный отсасывающий насос первой ступени

2 - Конденсатор

3 - Насос

5 - Конденсатопровод теплообменника блока разделения воздуха

4 - Установка конденсатоочистки

6 - Последовательный нагреватель низкого давления № 0

7 - Последовательный нагреватель низкого давления № 1

8 - Последовательный нагреватель низкого давления № 2

9 - Последовательный нагреватель низкого давления № 3

10 - Нагреватели высокого давления

11 - Теплообменник блока разделения воздуха

14 - Конденсатопровод конденсатора топочного газа

15 - Перепускной клапан

16 - Конденсатор топочного газа

22 - Параллельный нагреватель низкого давления

30 - Трубопровод для теплоносителя блока обработки газа

31 - Последовательный нагреватель низкого давления №4

32 - Регулировочный клапан

33 - Теплообменник блока обработки газа

36 - Бак для питательной воды

38 - Регулировочный клапан

39 - Трубопровод для теплоносителя системы использования тепла топочного газа

40 - Теплообменник системы использования тепла топочного газа

41 - Вторичный охладитель

42 - Котел

44 - Регулировочный клапан

ВД - Паровая турбина высокого давления

СД - Паровая турбина среднего давления

НД - Паровая турбина низкого давления