Энергетическая установка с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к энергетическим установкам, работающим на твердом топливе и природном газе (метане СН₄).

Известно электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной, (патент РФ №2335642, опубликован 10.10.2008), содержащее: паровой котел, установку для получения кислорода (O₂) из воздуха, установку для паровой конверсии природного газа (СН₄) в водород, кислородный и водородный электроприводные компрессоры, высокотемпературную парогазовую конденсационную турбину с электрогенератором и конденсатором пара, систему утилизации углекислого газа. Его недостатками являются: невысокое количество водорода, получаемого в установке паровой конверсии природного газа, и высокая стоимость этой установки.

В патенте RU №2467187, F02C 3/28, опубликованном 20.11.2012, в установке паровой конверсии природного газа его смешивают с водяным паром высокого давления, нагревают до 350-530°С и подают в первый адиабатический реактор конверсии с получением метаносодержащего газа с концентрацией водорода около 3%, нагревают его до 620-680°С, подают во второй адиабатический каталитический реактор с повышением концентрации водорода в этом газе на 20%, полученную метано-водородную парогазовую смесь и сжатый воздух подают в камеру сгорания газотурбинной установки. Недостатки этой установки связаны с подачей в камеру сгорания сжатого воздуха, что вызывает ухудшение экологичности этой установки из-за азота, содержащегося в воздухе.

Наиболее близким по технической сущности является электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой конденсационной турбиной (Патент РФ №2616148. Опубликован 12.04.2017 г.), содержащее магистральный газопровод природного газа высокого давления, воздухоразделительную установку для производства кислорода (О₂), электроприводные компрессоры для сжатия природного газа (метана СН₄) и О₂, твердотопливный паровой котел с естественной циркуляцией, высокотемпературную конденсационную паровую турбину, состоящую из цилиндров высокого ЦВД, среднего ЦСД и низкого ЦНД давления; высокотемпературный пароперегреватель с камерой сгорания высокого давления, высокотемпературный пароперегреватель с камерой сгорания среднего давления, электрогенератор, конденсатор пара, эжекторы отсоса неконденсирующихся газов, пароструйные компрессоры высокого давления для сжатия СН₄ и О₂, вихревой разделитель перегретого пара и CO₂, газовую турбину CO₂, теплообменник охлаждения пара, регенеративные подогреватели высокого ПВД и низкого ПНД давления; причем выход воздухоразделительной установки по O_2э связан через электроприводной компрессор сжатия O₂ через охладитель O₂ с входом пароструйного компрессора высокого давления сжатия O₂, магистральный газопровод связан через электроприводной компрессор сжатия CH₄ с входом пароструйного компрессора высокого давления сжатия СН₄; сопла обоих пароструйных компрессоров связаны с паропроводом насыщенного пара высокого давления, а их выходные патрубки связаны трубопроводами высокого давления СН₄ и O₂ с входом камеры сгорания высокотемпературного пароперегревателя высокого давления, к которому также подключен «экологическими» и «энергетическими» паропроводами перегретого пара высокого давления пароперегреватель парового котла; высокотемпературный пароперегреватель среднего давления размещен между ЦВД и ЦСД высокотемпературной паровой турбины, его камера сгорания связана газопроводом с магистральным газопроводом и

трубопроводом О₂ с выходом воздухоразделительной установки, вход вихревого разделителя, установленного между ЦСД и ЦНД высокотемпературной паровой турбины, соединен трубопроводом парогазовой смеси с выходом ее ЦСД, первый выход вихревого разделителя связан паропроводом перегретого пара с входом ЦНД паровой турбины, а его второй выход связан газопроводом СО₂ через газовую турбину CO₂ с атмосферой, при этом ротор газовой турбины СО₂ связан с роторами ЦВД, ЦСД, ЦНД паровой турбины и с ротором электрогенератора; вход теплообменника для охлаждения пара связан по пару с выходом ЦНД, а его выход с входом конденсатора, по конденсату вход этого теплообменника связан с конденсатором, его выход - с входом ПНД, выход ПНД через деаэратор, используемый для дегазации конденсата, питательный насос и ПВД связан с паровым котлом с естественной циркуляцией, вырабатывающим насыщенный и перегретый пар высокого давления. Недостатком патента РФ №2616148 выбранного в качестве прототипа предполагаемого изобретения является юотсутствие в прототипе устройств для получения метано-водородной смеси путем паровой конверсии природного газа.

Целью изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа, повышение экономичности и улучшение экологичности энергетической установки с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной.

Техническим результатом данного изобретения является повышение содержания водорода в метано-водородной смеси, подаваемой в камеру сгорания, на 20%.

Поставленная цель достигается тем, что энергетическая установка с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной, содержащая магистральный газопровод природного газа высокого давления, воздухоразделительную установку для производства кислорода (O₂),

электроприводные компрессоры для сжатия природного газа (метана CH₄) и O₂, твердотопливный паровой котел с естественной циркуляцией, высокотемпературную конденсационную паровую турбину, состоящую из цилиндров высокого ЦВД, среднего ЦСД и низкого ЦНД давления, высокотемпературный пароперегреватель с камерой сгорания высокого давления, высокотемпературный пароперегреватель с камерой сгорания среднего давления, электрогенератор, конденсатор пара, эжекторы отсоса неконденсирующихся газов, пароструйные компрессоры высокого давления для сжатия СН₄ и O₂, вихревой разделитель перегретого пара и CO₂, газовая турбина CO₂, теплообменник охлаждения пара, регенеративные подогреватели высокого ПВД и низкого ПНД давления; высокотемпературная конденсационная паровая турбина состоит из цилиндров высокого ЦВД, среднего ЦСД и низкого ЦНД давления; причем выход воздухоразделительной установки по O₂ связан через электроприводной компрессор сжатия O₂ с входом пароструйного компрессора высокого давления сжатия O₂, выход которого связан с камерой сгорания высокотемпературного пароперегревателя высокого давления, к которому также подключены трубопроводы «экологического» и «энергетического» впрыска, связанные с паропроводом перегретого пара высокого давления, выход электроприводного компрессора сжатия O₂ соединен также трубопроводом O₂ с камерой сгорания высокотемпературного пароперегревателя среднего давления; магистральный газопровод связан через электроприводной компрессор сжатия СН₄ с входом пароструйного компрессора высокого давления сжатия СН₄; сопла обоих пароструйных компрессоров связаны паропроводами с паропроводом насыщенного пара высокого давления котла, высокотемпературный пароперегреватель среднего давления размещен между ЦВД и ЦСД высокотемпературной паровой турбины, выход цилиндра высокого давления ЦВД соединен трубопроводом парогазовой смеси через камеру сгорания высокотемпературного пароперегревателя среднего давления с входом

цилиндра среднего давления ЦСД, вход вихревого разделителя, установленного между ЦСД и ЦНД высокотемпературной паровой турбины соединен трубопроводом парогазовой смеси с выходом ЦСД, первый выход вихревого разделителя связан паропроводом перегретого пара с входом ЦНД паровой турбины, а его второй выход связан газопроводом CO₂ через газовую турбину CO₂ с атмосферой, ротор газовой турбины CO₂ связан с роторами ЦВД, ЦСД, ЦНД паровой турбины и с ротором электрогенератора; вход теплообменника для охлаждения пара связан по пару с выходом ЦНД, а его выход с входом конденсатора, по конденсату вход этого теплообменника связан с конденсатором, его выход - с входом ПНД, выход ПНД через деаэратор, используемый для дегазации конденсата, питательный насос и ПВД связан с паровым котлом с естественной циркуляцией, вырабатывающим насыщенный и перегретый пар высокого давления, причем установка дополнительно снабжена двумя адиабатическими реакторами конверсии, камера сгорания высокотемпературного пароперегревателя высокого давления имеет наружную охлаждаемую обечайку; вход первого адиабатического реактора конверсии подключен к выходному патрубку пароструйного компрессора сжатия СН₄ и к паропроводу насыщенного пара высокого давления, а выход связан одним газопроводом метаносодержащей парогазовой смеси с входом охлаждаемой обечайки высокотемпературного пароперегревателя высокого давления, выход которой связан газопроводом метано-водородной парогазовой смеси через второй адиабатический реактор конверсии с входом камеры сгорания высокотемпературного пароперегревателя высокого давления, а второй выход первого адиабатического реактора конверсии связан вторым газопроводом метаносодержащей парогазовой смеси с высокотемпературным пароперегревателем среднего давления.

Тепловая схема энергетической установки с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной представлена на чертеже. Энергетическая установка с высокотемпературной парогазовой

конденсационной турбиной содержит: 1 - атмосферный воздух, 2 - воздухоразделительную установку, 3 - электроприводной компрессор О₂, 4 - трубопровод O₂, 5 - пароструйный компрессор O₂, 6 - второй адиабатический реактор конверсии, 7 - газопровод метановодородной парогазовой смеси, 8 - трубопровод высокого давления O₂, 9 - трубопровод «экологического» впрыска пара, 10 - трубопровод «энергетического» впрыска пара, 11 - высокотемпературный пароперегреватель высокого давления с наружной охлаждаемой обечайкой, 12 - ЦВД паровой турбины, 13 - газопровод метаносодержащей парогазовой смеси, 14 высокотемпературный пароперегреватель среднего давления, 15 - ЦСД паровой турбины, 16 - ЦНД паровой турбины, 17 - вихревой разделитель, 18 - газовая турбина CO₂, 19 - трубопровод CO₂, 20 - электрогенератор; 21 - первый адиабатический реактор конверсии, 22 - паропровод высокого давления, 23 - электроприводной компрессор СН₄, 24 - пароструйный компрессор СН₄, 25 - паропровод насыщенного пара высокого давления, 26 - паропровод перегретого пара высокого давления, 27 - подогреватели высокого давления (ПВД), 28 - подогреватели низкого давления (ПНД), 29 - теплообменник охлаждения пара, 30 - паровой котел с естественной циркуляцией, 31 - деаэратор, 32 - эжекторы отсоса неконденсирующихся газов, 33 - конденсатор.

Энергетическая установка работает следующим образом. Атмосферный воздух 1 подается в воздухоразделительную установку 2 и разделяется на кислород O₂ и азот N₂. Кислород сжимается до высокого давления в электроприводном компрессоре O₂ 3, подается в сопло 5 пароструйного компрессора O₂, сжимается в нем и направляется по трубопроводу высокого давления O₂ 8 в камеру сгорания высокотемпературного пароперегревателя высокого давления 11, а также по трубопроводу O₂ 4 подается с выхода электроприводного компрессора O₂ 3 в камеру сгорания

высокотемпературного пароперегревателя среднего давления 14. Вход пароструйного компрессора O₂ 5 связан с паропроводом 25 насыщенного

пара высокого давления. Выход ЦВД паровой турбины 12 соединен через высокотемпературный пароперегреватель среднего давления 14 с ЦСД 15 паровой турбины. Природный газ из магистрального газопровода (метан СН₄) сжимается в электроприводном компрессоре 23 и подается в камеру смешения пароструйного компрессора 24. В качестве инжектирующего агента в нем используется пар, подводимый из трубопровода насыщенного пара высокого давления 25, вырабатываемый в паровом котле 30 с естественной циркуляцией В метано-паровую смесь, сжатую пароструйным компрессором 24, по паропроводу высокого давления 22 подается перегретый пар из паропровода перегретого пара высокого давления 26 выработанный в паровом котле 30. Смесь этих потоков с температурой около 500°С поступает на вход первого адиабатического реактора конверсии 21. Метаносодержащая смесь из его выхода, содержащая до 5% водорода, по газопроводу метаносодержащей парогазовой смеси 13 подается в камеру сгорания высокотемпературного пароперегревателя среднего давления 14 и в наружную охлаждаемую обечайку высокотемпературного пароперегревателя высокого давления 11, где нагревается до 620°С. Нагретая в обечайке охлаждения высокотемпературного пароперегревателя высокого давления И метаносодержащая смесь подается во второй адиабатический реактор конверсии 6. Из адиабатического катализатора конверсии 6 она подается в камеру сгорания высокотемпературного пароперегревателя высокого давления 11. В нее по трубопроводу «экологического» впрыска - 9 подается перегретый пар высокого давления из паропровода перегретого пара высокого давления 26. В выходную часть камеры сгорания высокотемпературного пароперегревателя высокого давления 11 по трубопроводу «энергетического» впрыска 10 также подается перегретый пар высокого давления. Смесь продуктов сгорания, вышедшая из высокотемпературного пароперегревателя высокого давления 11, расширяется с совершением работы в цилиндре высокого давления (ЦВД) 12 паровой турбины, смешивается с метаносодержащей парогазовой смесью,

подводимой по газопроводу метаносодержащей парогазовой смеси 13, и с кислородом, подаваемым по трубопроводу 4. Эта смесь поступает в камеру сгорания высокотемпературного пароперегревателя среднего давления 14 и сжигается в ней. Вышедшая из пароперегревателя среднего давления 14 высокотемпературная смесь продуктов сгорания и пара расширятся с совершением работы в цилиндре среднего давления 15 (ЦСД) паровой турбины и поступает в вихревой разделитель 17, где она вращается с разделением этой парогазовой смеси на два потока, - первого основного потока, состоящего из перегретого пара, и второго, меньшего потока, содержащего углекислый газ (CO₂). Первый поток перегретого пара, вышедший из вихревого разделителя 17 поступает в цилиндр низкого давления (ЦНД) 16, где он расширяется с совершением полезной работы. Перегретый пар расширившийся в ЦНД 16, проходит через теплообменник охлаждения пара 29, охлаждается в нем, нагревая при этом конденсат пара, и поступает в конденсатор 33, где пар конденсируется с отводом теплоты конденсации к охлаждающей воде. Поток углекислого газа отводится из вихревого разделителя 17 по трубопроводу CO₂ 19 и поступает в газовую турбину CO₂ 18 и расширяется в ней с совершением полезной работы. Полезная работа расширения получаемая в ЦВД 12, ЦСД 15, ЦНД 16 высокотемпературной паровой турбины и в газовой турбине CO₂ 18 используется в электрогенераторе 20 для выработки электрической энергии. Неконденсирующиеся газы отсасываются из конденсатора 33 с помощью эжекторов отсоса неконденсирующихся газов 32 и сбрасываются в атмосферу. Конденсат пара из конденсатора 33 подается конденсатным насосом через теплообменник охлаждения пара 29, где производится его подогрев за счет теплоты пара, поступающего из конденсатора, далее он подается в подогреватели низкого давления (ПНД) 18. Конденсат подогревается в ПНД 18 за счет теплоты отборного пара из ЦНД 16 и ЦСД 15 высокотемпературной паровой турбины. В деаэраторе 31 производится деаэрация подогретого конденсата. Давление конденсата повышается в

питательном насосе и питательная вода через ПВД 23, нагреваясь паром, отбираемым из регенеративных отборов ЦВД, подается в паровой котел с естественной циркуляцией 30 для выработки в нем насыщенного и перегретого пара высокого давления.

Смешение метана с паром высокого давления, выработанного в паровом котле и проведение каталитических процессов паровой конверсии метана в двух адиабатических реакторах конверсии при температуре смеси перед первым из них 500°С и перед вторым адиабатическим реактором конверсии 620°С позволяет подать в камеру сгорания высокотемпературного пароперегревателя высокого давления метано-водородную парогазовую смесь с содержанием водорода выше 20%, что обеспечит повышение экономичности установки. Использование охлаждаемой обечайки камеры сгорания высокого давления для нагрева метаносодержащей смеси до 620°С позволяет отказаться от применения в установке дополнительного огневого подогревателя и уменьшить ее стоимость.

Применение в установке двух адиабатических реакторов конверсии позволяет подавать в камеру сгорания высокого давления метано-водородную смесь с содержанием в ней водорода выше 20%.