RU2759794C1 - Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex - Google Patents
Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759794C1 RU2759794C1 RU2021113668A RU2021113668A RU2759794C1 RU 2759794 C1 RU2759794 C1 RU 2759794C1 RU 2021113668 A RU2021113668 A RU 2021113668A RU 2021113668 A RU2021113668 A RU 2021113668A RU 2759794 C1 RU2759794 C1 RU 2759794C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- energy
- power plant
- electrolyzer
- oxygen
- ccgt
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 58
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 58
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 57
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 47
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 47
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 39
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 34
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 16
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 12
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 50
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 35
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 25
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 52
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 description 12
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 11
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 10
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 5
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D5/00—Condensation of vapours; Recovering volatile solvents by condensation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам выработки тепловой и электрической энергий.The invention relates to energy, namely to environmentally friendly and economically viable methods and installations for the generation of thermal and electrical energy.
Известен способ и установка для выработки механической и тепловой энергии (патент РФ №2651918, опубл. 24.04.2018), включающий в себя этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину, при этом давление в камере сгорания составляет по меньшей мере 7,5 МПа; (b) отработанные в парогазовой турбине газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в блок утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов (ОГ) путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из блока утилизации тепла и воды; (с) ОГ из блока утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор, который сжимает газ до давления по меньшей мере 3,5 МПа; (d) сжатый ОГ подают в блок утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока утилизации тепла и диоксида углерода; (е) некоторую часть слитой воды из блока утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (f) некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (g) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно под давлением, необходимым для осуществления подачи нужного количества в камеру сгорания.There is a known method and installation for the generation of mechanical and thermal energy (RF patent No. 2651918, publ. 04.24.2018), which includes the stages at which: (a) hot gases from the combustion chamber are directed to the input the combustion chamber is at least 7.5 MPa; (b) the exhaust gases in the steam-gas turbine at a pressure of 0.2-0.9 MPa enter the heat and water recovery unit, where they are cooled to the temperature required to separate water from the exhaust gases (exhaust gas) by condensation, then the condensed water is removed from the heat and water recovery unit; (c) exhaust gas from the heat and water recovery unit, containing carbon dioxide as the main constituent, is directed to the inlet of the carbon dioxide compressor, which compresses the gas to a pressure of at least 3.5 MPa; (d) the compressed exhaust gas is fed to the heat and carbon dioxide recovery unit, where it is cooled to a temperature required for the condensation of carbon dioxide, then the condensed carbon dioxide is removed from the heat and carbon dioxide recovery unit; (f) some of the drained water from the heat and water recovery unit is fed to the inlet of the water pump-regulator, which pumps it into the combustion chamber; (f) some of the carbon dioxide condensed in the heat recovery unit and carbon dioxide is supplied to the inlet of the carbon dioxide regulator pump, which pumps it into the combustion chamber; (g) carbonaceous fuel and oxygen are supplied to the combustion chamber by the fuel pump-regulator and oxygen pump-regulator, respectively, at the pressure necessary to effect the supply of the required amount to the combustion chamber.
Известен способ регулирования и установка для выработки механической и тепловой энергии, (патент РФ №2698865, опубл. 30.08.2019), выполненный с возможностью сжижения природного газа и включающий определение электромагнитного момента на якоре генератора, соединенного с парогазовой турбиной; оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора, при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения, в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода, а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения, и включающий этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину; (b) ОГ из турбины поступают в первый охладитель ОГ; (с) ОГ из первого охладителя подают в первый контактный охладитель, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из ОГ путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя; (d) ОГ из первого контактного охладителя, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор; (е) сжатые компрессором ОГ подают во второй контактный охладитель, где они охлаждаются; (f) из второго контактного охладителя охлажденные ОГ поступают во второй охладитель, где ОГ охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя; (g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя воды поступает на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе, поступает на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (i) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания, при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости для накопления углеродсодержащего топлива.There is a known control method and installation for the generation of mechanical and thermal energy (RF patent No. 2698865, publ. 08/30/2019), configured to liquefy natural gas and including the determination of the electromagnetic moment at the anchor of the generator connected to a steam-gas turbine; assessment of the current operating mode of the installation for the generation of mechanical and thermal energy based on the electromagnetic moment at the generator armature, while when the electromagnetic moment decreases below the first threshold value, the productivity of the liquefaction unit is increased, in which the liquefied carbonaceous fuel enters a thermally insulated tank for storing the liquefied carbonaceous fuel, and additional liquid oxygen enters a thermally insulated container for storing liquefied oxygen, and with an increase in the electromagnetic moment at the generator armature above the second threshold value, the performance of the liquefaction unit is reduced, and including the stages at which: (a) hot gases from the combustion chamber are directed to the inlet to a steam-gas turbine; (b) the exhaust gas from the turbine enters the first exhaust gas cooler; (c) the exhaust gas from the first cooler is fed to the first contact cooler, where they are cooled to a temperature required to separate water from the exhaust gas by condensation, then the condensed water is removed from the first contact cooler; (d) The exhaust gas from the first contact cooler, containing carbon dioxide as the main constituent, is directed to the compressor inlet; (e) the exhaust gases compressed by the compressor are fed to a second contact cooler where they are cooled; (f) from the second contact cooler, cooled exhaust gas flows into the second cooler, where exhaust gas is cooled to a temperature required for condensation of carbon dioxide, then the condensed carbon dioxide is removed from the second cooler; (g) some of the water discharged from the first contact cooler enters the inlet of the water pump regulator, which pumps it into the combustion chamber; (h) some of the carbon dioxide condensed in the second cooler enters the inlet of the carbon dioxide regulator pump, which pumps it into the combustion chamber; (i) carbonaceous fuel and oxygen are supplied to the combustion chamber by the fuel regulator pump and oxygen pump-regulator, respectively, at the pressure necessary to effect the supply to the combustion chamber, while the carbonaceous fuel is supplied from a thermally insulated carbonaceous fuel storage tank.
К недостаткам представленных аналогов можно отнести потери мощности и низкую эффективность парогазовой установки при сжижении природного газа и получении жидкого кислорода.The disadvantages of the presented analogs include power losses and low efficiency of a combined cycle plant for liquefying natural gas and producing liquid oxygen.
Известен энерготехнологический комплекс переработки природного газа и способ работы комплекса, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (патент РФ №2739165 от 21.12.2020). Энерготехнологический комплекс переработки природного газа содержит источник природного газа, установку криогенного разделения воздуха, завод по производству сжиженного природного газа (СПГ-завод), блок переработки газа и энергетическую установку, причем установка криогенного разделения воздуха соединена с СПГ-заводом линией подачи жидкого азота и с энергетической установкой линией подачи жидкого кислорода, источник природного газа соединен с блоком переработки газа и с СПГ-заводом, который в свою очередь соединен с блоком переработки газа линией подачи отпарного газа и с камерой сгорания энергетической установки линией подачи сжиженного природного газа, энергетическая установка включает в себя линию подачи воды в камеру сгорания и выполнена с возможностью обеспечения подачи пара из линии подачи воды, а также сконденсированного в энергетической установке диоксида углерода в блок переработки газа, который выполнен с возможностью получения жидких углеводородов и метано-водородной смеси, а энергетическая установка выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии к блоку переработки газа, СПГ-заводу и к установке криогенного разделения воздуха. Способ работы энерготехнологического комплекса переработки природного газа заключается в том, что пар из линии подачи воды в камеру сгорания и сконденсированный в энергетической установке диоксид углерода подают в блок переработки газа, кроме того, в блок переработки газа подают природный газ от источника природного газа и подают отпарной газ от завода по производству сжиженного природного газа (СПГ-завод), на выходе из блока переработки газа в ходе химических реакций, протекающих в блоке, получают жидкие углеводороды и метано-водородную смесь, при этом в СПГ-завод также подают природный газ от источника природного газа и жидкий азот от установки криогенного разделения воздуха, по меньшей мере часть жидкого кислорода из установки криогенного разделения воздуха и по меньшей мере часть сжиженного природного газа из СПГ-завода подают в камеру сгорания энергетической установки, от которой выработанную энергию подают к блоку переработки газа, СПГ-заводу и установке криогенного разделения воздуха.Known energy technological complex for processing natural gas and the method of operation of the complex, selected as the closest analogue (RF patent No. 2739165 from 21.12.2020). The energy technological complex for natural gas processing contains a natural gas source, a cryogenic air separation unit, a liquefied natural gas plant (LNG plant), a gas processing unit and a power plant, and the cryogenic air separation unit is connected to the LNG plant by a liquid nitrogen supply line and the power plant by a liquid oxygen supply line, the natural gas source is connected to the gas processing unit and to the LNG plant, which in turn is connected to the gas processing unit by the boil-off gas supply line and to the combustion chamber of the power plant by the liquefied natural gas supply line, the power plant includes itself a water supply line to the combustion chamber and is configured to provide steam from the water supply line, as well as carbon dioxide condensed in the power plant to the gas processing unit, which is configured to produce liquid hydrocarbons and a methane-hydrogen mixture, and the power plant is configured to transfer the generated energy to the gas processing unit, the LNG plant and to the cryogenic air separation unit. The method of operation of the energy technological complex for natural gas processing consists in the fact that steam from the water supply line to the combustion chamber and carbon dioxide condensed in the power plant are supplied to the gas processing unit; in addition, natural gas is supplied to the gas processing unit from a natural gas source and stripped gas from a liquefied natural gas plant (LNG plant), at the outlet of the gas processing unit, liquid hydrocarbons and a methane-hydrogen mixture are obtained during chemical reactions in the unit, while natural gas is also supplied to the LNG plant from the source natural gas and liquid nitrogen from the cryogenic air separation unit, at least part of the liquid oxygen from the cryogenic air separation unit and at least part of the liquefied natural gas from the LNG plant are fed into the combustion chamber of the power plant, from which the generated energy is supplied to the gas processing unit , LNG plant and cryogenic separation unit in air.
К недостаткам приведенного наиболее близкого аналога можно отнести относительно низкую энергоэффективность комплекса и низкое использование тепловой энергии сред, что обуславливает низкий КПД и ухудшение экологических показателей установки.The disadvantages of the given closest analogue can be attributed to the relatively low energy efficiency of the complex and the low use of thermal energy of the environments, which causes low efficiency and deterioration of the environmental performance of the installation.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.The problem to be solved by the invention is to eliminate these disadvantages.
Технический результат заключается в повышении энергоэффективности комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива.The technical result consists in increasing the energy efficiency of the complex, by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, as well as in improving the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for water electrolysis, and further production of combustible gas - hydrogen, for energy and oxygen generation, for combustion of carbonaceous fuels.
Технический результат достигается энерготехнологическим комплексом выработки тепловой и электрической энергии, содержащим энергетическую установку (1), установку (2) криогенного разделения воздуха, соединенную с энергетической установкой (1) линией подачи жидкого кислорода и линией подачи жидкого азота, источник (3) топлива, при этом дополнительно содержит парогазовую установку (4) (ПГУ), выполненную с возможностью выработки тепловой и электрической энергий, электролизер (5) и соединенная с ним установка (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), электролизер (5) линией (8) подачи кислорода соединен с энергетической установкой (1) и линией (9) подачи водорода - с ПГУ (4), которая также выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии установке (2) криогенного разделения воздуха и электролизеру (5).The technical result is achieved by an energy technological complex for the generation of thermal and electrical energy, containing a power plant (1), a cryogenic air separation unit (2) connected to a power plant (1) with a liquid oxygen supply line and a liquid nitrogen supply line, a fuel source (3), at this additionally contains a steam-gas installation (4) (CCGT), made with the possibility of generating thermal and electrical energy, an electrolyzer (5) and a unit (6) connected to it for generating electricity from renewable energy sources (RES), while the electrolyzer (5) , is configured to generate oxygen and hydrogen from water supplied from the power plant (1), the electrolyzer (5) is connected with the oxygen supply line (8) to the power plant (1) and the hydrogen supply line (9) is connected to the CCGT unit (4), which is also configured to transfer the generated energy to the cryogenic air separation unit (2) and the electrolyzer (5).
Энергией, передаваемой от ПГУ (4) к электролизеру (5), является тепловая энергия, а к установке (2) криогенного разделения воздуха - электрическая и/или механическая энергия.The energy transferred from the CCGT unit (4) to the electrolyzer (5) is thermal energy, and to the cryogenic air separation unit (2) - electrical and / or mechanical energy.
ПГУ (4) дополнительно выполнена с возможность передачи по меньшей мере части тепловой энергии энергетической установке (1).The CCGT unit (4) is additionally made with the possibility of transferring at least part of the thermal energy to the power plant (1).
Установка (2) криогенного разделения воздуха дополнительно соединена с энергетической установкой (1) линией передачи вырабатываемой энергетической установкой (1) энергии, кроме того, ПГУ (4) дополнительно выполнена с возможность передачи вырабатываемой электрической и/или механической энергии энергетической установке (1).The cryogenic air separation unit (2) is additionally connected to the power plant (1) by a transmission line for the energy generated by the power plant (1); in addition, the CCGT unit (4) is additionally configured to transmit the generated electrical and / or mechanical energy to the power plant (1).
Электролизер (5), выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) и водорода в ПГУ (4) под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода от установки (2) криогенного разделения воздуха, а также воды и сжиженного диоксида углерода от энергетической установки (1) и выработанной в ней (1) энергий, к внешнему потребителю (7).The electrolyzer (5) is configured to supply oxygen to the power plant (1) and hydrogen to the CCGT unit (4) under a pressure greater than or equal to the pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1), and the complex is also made with the possibility of ensuring the transfer of liquefied oxygen from the unit (2) for cryogenic separation of air, as well as water and liquefied carbon dioxide from the power plant (1) and the energy generated in it (1), to an external consumer (7).
Также технический результат достигается способом работы энерготехнологического комплекса, заключающимся в том, что выработанную установкой (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) электрическую энергию подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), на водород и кислород, полученный таким образом кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1), где его направляют в камеру сгорания энергетической установки (1), а полученный водород по линии (9) подачи водорода подают в парогазовую установку (4) (ПГУ), где за счет сжигания этого водорода вырабатывают тепловую и электрическую энергии, при этом по меньшей мере один из видов вырабатываемой ПГУ (4) энергии подают к электролизеру (5), а к установке (2) криогенного разделения воздуха от ПГУ (4) подают электрическую и/или механическую энергию, в установке (2) криогенного разделения воздуха получают по меньшей мере жидкие азот и кислород, которые по линиям подачи жидкого кислорода и подачи жидкого азота подают в энергетическую установку (1).Also, the technical result is achieved by the method of operation of the energy technological complex, which consists in the fact that the electric energy generated by the installation (6) for generating electricity from renewable energy sources (RES) is supplied to the electrolyzer (5), where the water supplied from the power plant (1) is decomposed. , for hydrogen and oxygen, the oxygen obtained in this way is fed through the oxygen supply line (8) to the power plant (1), where it is sent to the combustion chamber of the power plant (1), and the hydrogen obtained through the hydrogen supply line (9) is fed to the steam-gas installation (4) (CCGT), where, due to the combustion of this hydrogen, thermal and electrical energy is generated, while at least one of the types of energy generated by CCGT (4) is supplied to the electrolyzer (5), and to the cryogenic air separation unit (2) electrical and / or mechanical energy is supplied from the CCGT unit (4), at least liquid nitrogen and oxygen are obtained in the cryogenic air separation unit (2) od, which are fed to the power plant (1) through the lines for supplying liquid oxygen and supplying liquid nitrogen.
ПГУ (4) передают электролизеру (5) тепловую энергию, а к установке (2) криогенного разделения воздуха - электрическая и/или механическая энергия.The CCGT unit (4) transfers thermal energy to the electrolyzer (5), and electrical and / or mechanical energy to the cryogenic air separation unit (2).
Дополнительно от ПГУ (4) передают по меньшей мере часть тепловой энергии энергетической установке (1).Additionally, from the CCGT (4) at least part of the thermal energy is transferred to the power plant (1).
Дополнительно к установке (2) криогенного разделения воздуха подают энергию, выработанную энергетической установкой (1), а от ПГУ (4) подают выработанную ей электрическую и/или механическую энергию к энергетической установке (1).In addition to the cryogenic air separation unit (2), the energy generated by the power plant (1) is supplied, and from the CCGT unit (4) the electrical and / or mechanical energy generated by it is supplied to the power plant (1).
Кислород в энергетическую установку (1) и водород в ПГУ (4) от электролизера (5), подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также полученный в установке (2) криогенного разделения воздуха сжиженный кислород подают к внешнему потребителю (7), а также от энергетической установки (1) воду, выработанной в ней (1) энергий и сжиженный диоксид углерода подают к внешнему потребителю (7).Oxygen into the power plant (1) and hydrogen in the CCGT unit (4) from the electrolyzer (5) are supplied under a pressure greater than or equal to the pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1), and also obtained in the unit (2 ) cryogenic separation of air, liquefied oxygen is supplied to an external consumer (7), as well as from the power plant (1) water, generated in it (1) energies and liquefied carbon dioxide are supplied to an external consumer (7).
На представленной фигуре показана схема энерготехнологического комплекса выработки тепловой и электрической энергии.The presented figure shows a diagram of an energy-technological complex for the generation of heat and electric energy.
На представленной фигуре обозначены следующие элементы.In the figure shown, the following elements are indicated.
1 - энергетическая установка без выхлопа;1 - power plant without exhaust;
2 - установка криогенного разделения воздуха;2 - cryogenic air separation unit;
3 - источник топлива;3 - fuel source;
4 - парогазовая установка, работающая на водороде;4 - a steam-gas plant operating on hydrogen;
5 - электролизер;5 - electrolyzer;
6 - установка для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ);6 - installation for generating electricity from renewable energy sources (RES);
7 - внешний потребитель;7 - external consumer;
8 - линия подачи кислорода от электролизера (5) к энергетической установке (1);8 - oxygen supply line from the electrolyzer (5) to the power plant (1);
9 - линия подачи водорода от электролизера (5) к парогазовой установке (4).9 - hydrogen supply line from the electrolyzer (5) to the combined cycle plant (4).
Стрелками показаны направления движения сред в комплексе и энергий для обеспечения работоспособности комплекса.The arrows show the directions of movement of the media in the complex and the energies to ensure the operability of the complex.
Энерготехнологический комплекс выработки тепловой и электрической энергии содержит источник (3) топлива, которым может быть источник углеродсодержащего топлива, например метана, энергетическую установку (1), установку (2) криогенного разделения воздуха, соединенную с энергетической установкой (1) линией подачи жидкого кислорода и линией подачи жидкого азота, что повышает энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии жидкого кислорода и жидкого азота, циркулирующих в комплексе, а именно холода жидкого азота и кислорода в энергетической установке (1), в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода.The energy technological complex for the generation of thermal and electrical energy contains a source (3) of fuel, which can be a source of carbon-containing fuel, for example, methane, a power plant (1), a cryogenic air separation unit (2) connected to the power plant (1) by a liquid oxygen supply line and line of supply of liquid nitrogen, which increases the energy efficiency of the complex, by increasing the use of thermal energy of liquid oxygen and liquid nitrogen circulating in the complex, namely the cold of liquid nitrogen and oxygen in the power plant (1), in particular for cooling the exhaust gases of the power plant (1 ) in order to condense water and carbon dioxide.
Комплекс дополнительно содержит парогазовую установку (4) (ПГУ), выполненную с возможностью выработки тепловой и электрической/механической энергий за счет сжигания водорода и воздуха, что позволяет снизить выбросы вредных веществ при работе комплекса в атмосферу.The complex additionally contains a steam-gas unit (4) (CCGT), made with the possibility of generating thermal and electrical / mechanical energy due to the combustion of hydrogen and air, which makes it possible to reduce emissions of harmful substances into the atmosphere during the operation of the complex.
Электролизер (5) соединен с установкой (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса и улучшить экологические показатели комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды.The electrolyzer (5) is connected to the installation (6) for generating electricity from renewable energy sources (RES), while the electrolyzer (5) is configured to generate oxygen and hydrogen from water supplied from the power plant (1), which improves energy efficiency complex and improve the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for water electrolysis.
Электролизер (5) линией (8) подачи кислорода соединен с энергетической установкой (1) и линией (9) подачи водорода - с ПГУ (4), которая также выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии установке (2) криогенного разделения воздуха и электролизеру (5), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет использования относительно более дешевых кислорода и водорода в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии.The electrolyzer (5) is connected by the oxygen supply line (8) to the power plant (1) and the hydrogen supply line (9) to the CCGT unit (4), which is also configured to transfer the generated energy to the cryogenic air separation unit (2) and the electrolyzer (5 ), which makes it possible to increase the energy efficiency of the complex through the use of relatively cheaper oxygen and hydrogen in the complex, as well as to improve the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for water electrolysis, and further production of combustible gas - hydrogen, for power generation.
Энергетическая установка (1) дополнительно включает замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, выполненный с возможностью получения тепла низкокипящей рабочей жидкостью от отработанных газов и выработки дополнительной механической энергии от расширения низкокипящей рабочей жидкости на турбине ОЦР и далее выработки дополнительной электрической энергии генератором ОЦР, соединенным с турбиной ОЦР, что повышает КПД комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, что соответствует установке, описанной в патенте RU 2739165 от 21.12.2020. Кроме того, холодная вода, сконденсированная из отработанных газов энергетической установки (1) за счет ступенчатого охлаждения, направляется в электролизер (5).The power plant (1) additionally includes a closed loop of heat recovery, operating according to the ORC, made with the possibility of obtaining heat with a low-boiling working fluid from the exhaust gases and generating additional mechanical energy from the expansion of the low-boiling working fluid on the ORC turbine and then generating additional electrical energy by the ORC generator connected with an ORC turbine, which increases the efficiency of the complex by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, which corresponds to the installation described in patent RU 2739165 dated 12.21. In addition, cold water, condensed from the exhaust gases of the power plant (1) due to stage cooling, is directed to the electrolyzer (5).
Энергией, передаваемой от ПГУ (4) электролизеру (5), является тепловая энергия в том числе и от водяного пара, содержащегося в выхлопных газах ПГУ (4), за счет этого тепла подогревается вода, поступающая в электролизер (5) от энергетической установки (1), до рабочей температуры электролизера (5), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат.The energy transferred from the CCGT unit (4) to the electrolyzer (5) is heat energy, including from the water vapor contained in the exhaust gases of the CCGT unit (4), due to this heat, the water entering the electrolyzer (5) from the power plant ( 1), to the operating temperature of the electrolyzer (5), which reduces the consumption of electricity from renewable energy sources and additionally makes it possible to increase the energy efficiency of the complex by reducing energy costs.
ПГУ (4) дополнительно выполнена с возможность передачи по меньшей мере части тепловой энергии отработавших газов, содержащих пары воды, энергетической установке (1), где смешавшись с отработанными газами энергетической установки (1) также передадут тепло в замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет увеличения использования тепла, а также улучшение экологических показателей за счет конденсации диоксида углерода.The CCGT unit (4) is additionally made with the possibility of transferring at least part of the thermal energy of the exhaust gases containing water vapor to the power plant (1), where, mixed with the exhaust gases of the power plant (1), they will also transfer heat to a closed heat recovery loop operating according to the ORC , which additionally allows increasing the energy efficiency of the complex by increasing the use of heat, as well as improving environmental performance due to the condensation of carbon dioxide.
Установка (2) криогенного разделения воздуха дополнительно соединена с энергетической установкой (1) линией передачи вырабатываемой энергетической установкой (1) энергии, которая может быть электрической и/или механической, например, для приводов по меньшей мере части компрессоров может использоваться механическая энергия, а для другой части - электрическая, или один вид энергии для всего оборудования установки (2) криогенного разделения воздуха. Кроме того, ПГУ (4) дополнительно выполнена с возможность передачи вырабатываемой энергии энергетической установке (1), которая также может быть электрической и/или механической, например, для привода по меньшей мере одного насоса питательной воды, может использоваться механическая энергия, а для привода по меньшей мере одного другого насоса - электрическая, или только один из указанных энергий, что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет увеличения использования энергий в комплексе.The cryogenic air separation unit (2) is additionally connected to the power plant (1) by a transmission line for the energy generated by the power plant (1), which can be electrical and / or mechanical, for example, mechanical energy can be used to drive at least some of the compressors, and for the other part - electrical, or one type of energy for all equipment of the cryogenic air separation plant (2). In addition, the CCGT unit (4) is additionally configured to transfer the generated energy to the power plant (1), which can also be electrical and / or mechanical, for example, to drive at least one feed water pump, mechanical energy can be used, and to drive of at least one other pump - electric, or only one of the indicated energies, which additionally makes it possible to increase the energy efficiency of the complex by increasing the use of energies in the complex.
Электролизер (5), выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) и водорода в ПГУ (4) под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), например, за счет работы самого электролизера (5) под высоким давлением может достигаться необходимое давление кислорода для подачи в камеру сгорания энергетической установки (1), что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет отсутствия необходимости повышения давления кислорода и водорода, либо включать один дополнительный компрессор, обеспечивающий повышение давления кислорода для подачи его в камеру сгорания энергетической установки (1) под необходимым давлением, а также другой дополнительный компрессор, обеспечивающий подачу водорода в камеру сгорания ПГУ (4) (А.И. Счастливцев, Назарова О.В. / Водородно-воздушная газотурбинная система аккумулирования энергии. // ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА, 2016, №2, с. 31-37). Конструкция самого электролизера высокого давления может быть любой из известных, например, раскрытая в статье «С.П. Королев, В.Н. Кулешов и др. / Электролизер высокого давления с фитильной подачей воды для работы в невесомости // Известия РАН. Энергетика, 2019, №2, стр. 68-77 [URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=izen&y=2019&v=0&n=2&a=IzEn1902009Korolev]» или в соответствии с патентом РФ 2496918, опубликованным 27.10.2013, электролизер высокого давления выполнен с возможностью получения водорода и кислорода под высоким давлением (7 МПа и более).The electrolyzer (5) is configured to supply oxygen to the power plant (1) and hydrogen to the CCGT unit (4) under a pressure greater than or equal to the pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1), for example, due to the work of the electrolyzer itself (5) under high pressure, the required oxygen pressure can be achieved to supply the combustion chamber of the power plant (1), which additionally makes it possible to increase the energy efficiency of the complex, due to the absence of the need to increase the pressure of oxygen and hydrogen, or turn on one additional compressor to increase the pressure oxygen for supplying it to the combustion chamber of the power plant (1) under the required pressure, as well as another additional compressor that supplies hydrogen to the combustion chamber of the CCGT unit (4) (A.I. Schastlivtsev, Nazarova O.V. / Hydrogen-air gas turbine system energy storage. // HEAT POWER, 2016, No. 2, pp. 31-37). The design of the high-pressure electrolyzer itself can be any of the known ones, for example, disclosed in the article “S.P. Korolev, V.N. Kuleshov et al. / High pressure electrolyzer with wick water supply for work in zero gravity // Izvestiya RAN. Energy, 2019, No. 2, pp. 68-77 [URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=izen&y=2019&v=0&n=2&a=IzEn1902009Korolev] "or in accordance with RF patent 2496918, published 10/27/2013, a high-pressure electrolyzer is designed to produce hydrogen and oxygen under high pressure (7 MPa or more).
Также комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода от установки (2) криогенного разделения воздуха, а также воды и сжиженного диоксида углерода, полученных посредством ступенчатого охлаждения отработанных газов, от энергетической установки (1) и выработанной в ней (1) энергий, к внешнему потребителю (7), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования избытков сред, выработанных при эксплуатации комплекса.The complex is also designed to ensure the transfer of liquefied oxygen from the unit (2) for cryogenic separation of air, as well as water and liquefied carbon dioxide obtained by staged cooling of exhaust gases, from the power plant (1) and the energies generated in it (1) to the external to the consumer (7), which additionally makes it possible to increase the efficiency of the complex due to the economically feasible increase in the use of surplus media generated during the operation of the complex.
Комплекс работает следующим образом.The complex works as follows.
От установки (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), возобновляемым источником энергии для которой может быть солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная или их комбинации, получают электрическую энергию и далее подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), на водород и кислород, что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, а также улучшить экологические показатели комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии в ПГУ (4) и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива в энергетической установке (1).Electric energy is obtained from the installation (6) for generating electricity from renewable energy sources (RES), a renewable energy source for which can be solar energy, wind energy, geothermal energy or their combinations, and then fed to the electrolyzer (5), where water is decomposed, which is supplied from the power plant (1), to hydrogen and oxygen, which makes it possible to increase the energy efficiency of the complex, as well as to improve the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for electrolysis of water, and further production of combustible gas - hydrogen, to generate energy in a CCGT unit (4) and oxygen for burning carbon-containing fuel in a power plant (1).
Полученный таким образом кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1), где его направляют в камеру сгорания энергетической установки (1), а полученный водород по линии (9) подачи водорода подают в парогазовую установку (4) (ПГУ), где за счет сжигания этого водорода с воздухом из атмосферы вырабатывают тепловую и электрическую энергии, при этом по меньшей мере один из видов вырабатываемой ПГУ (4) энергии подают к электролизеру (5), а к установке (2) криогенного разделения воздуха от ПГУ (4) подают электрическую/механическую энергию, что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет использования относительно более дешевых кислорода и водорода в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии в ПГУ (4) и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива в энергетической установке (1).The oxygen obtained in this way is fed through the oxygen supply line (8) to the power plant (1), where it is sent to the combustion chamber of the power plant (1), and the resulting hydrogen is fed through the hydrogen supply line (9) to the combined cycle plant (4) (CCGT ), where, due to the combustion of this hydrogen with air from the atmosphere, thermal and electrical energy is generated, while at least one of the types of energy generated by the CCGT unit (4) is supplied to the electrolyzer (5), and to the unit (2) for cryogenic air separation from the CCGT unit (4) supply electrical / mechanical energy, which makes it possible to increase the energy efficiency of the complex through the use of relatively cheaper oxygen and hydrogen in the complex, as well as to improve the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for water electrolysis, and further production of combustible gas - hydrogen, for generating energy in a CCGT unit (4) and oxygen, for burning carbon-containing fuel in a power generating unit installation (1).
В установке (2) криогенного разделения воздуха получают по меньшей мере жидкие азот и кислород, которые по линиям подачи жидкого кислорода и подачи жидкого азота подают в энергетическую установку (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, а именно холода жидкого азота и кислорода в энергетической установке (1), в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода.In the unit (2) for cryogenic air separation, at least liquid nitrogen and oxygen are obtained, which are fed to the power plant (1) through the lines for supplying liquid oxygen and supplying liquid nitrogen, which makes it possible to increase the energy efficiency of the complex by increasing the use of thermal energy of the media, and namely the cold of liquid nitrogen and oxygen in the power plant (1), in particular for cooling the exhaust gases of the power plant (1) in order to condense water and carbon dioxide.
От ПГУ (4) передают электролизеру (5) тепловую энергию, например, с отработанными газа, содержащими водяной пар, для подогрева воды, поступающей из энергетической установки (1), до рабочей температуры электролизера (5), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат.Thermal energy is transferred from the CCGT unit (4) to the electrolyzer (5), for example, with waste gas containing water vapor, to heat the water coming from the power plant (1) to the operating temperature of the electrolyzer (5), which reduces the consumption of electricity from RES and additionally allows to increase the energy efficiency of the complex by reducing energy consumption.
Дополнительно от ПГУ (4) передают по меньшей мере часть тепловой энергии выхлопных газов в энергетическую установку (1), при этом по меньшей мере часть тепла передается замкнутому контуру утилизации тепла, работающему по ОЦР, и дальнейшей тепловой обработки, что позволяет дополнительно повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет тепла, полученного от сжигания в воздухе водорода, сгенерированного энергией ВИЭ, и кислорода для энергетической установки (1), полученного без затрат углеродсодержащего топлива.Additionally, at least part of the thermal energy of exhaust gases is transferred from the CCGT unit (4) to the power plant (1), while at least part of the heat is transferred to a closed loop of heat recovery, operating according to the ORC, and further heat treatment, which makes it possible to further increase the energy efficiency of the complex , by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, as well as in improving the environmental indicators of the complex, due to the heat obtained from the combustion of hydrogen generated by the energy of renewable energy sources in the air, and oxygen for the power plant (1), obtained without the cost of carbon-containing fuel ...
Дополнительно к установке (2) криогенного разделения воздуха подают энергию, выработанную энергетической установкой (1), а именно механическую и/или электрическую, при этом часть компрессоров установки (2) приводится за счет использования электрической энергии и другая часть - механической энергии, или только одним из этих видов энергий, при этом от ПГУ (4) дополнительно подают выработанную ей механическую и/или электрическую энергию к энергетической установке (1), также, например, для привода по меньшей мере части циркуляционных насосов установки (1) электрической энергией, а другой части циркуляционных насосов - механической энергий, либо только одним из видов энергий, что позволяет дополнительно повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования энергий, вырабатываемых комплексом.In addition to the cryogenic air separation unit (2), the energy generated by the power plant (1), namely mechanical and / or electrical energy, is supplied, while some of the compressors of the unit (2) are driven by the use of electrical energy and the other part - mechanical energy, or only one of these types of energy, while the CCGT unit (4) additionally supplies the mechanical and / or electrical energy generated by it to the power plant (1), also, for example, to drive at least part of the circulation pumps of the unit (1) with electrical energy, and the other part of the circulation pumps - mechanical energy, or only one of the types of energy, which makes it possible to further increase the energy efficiency of the complex by increasing the use of the energies generated by the complex.
Также водород к ПГУ (4) и кислород к энергетической установке (1) от электролизера (5), подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также полученный в установке (2) криогенного разделения воздуха сжиженный кислород подают к внешнему потребителю (7), при этом, как указывалось ранее известны электролизеры (5) высокого давления, способные обеспечить давление вырабатываемых газов, необходимое для их подачи в камеры сгорания энергетической установки (1) и ПГУ (4) без использования дополнительных компрессоров, что позволяет повысить эффективность комплекса в целом за счет такой экономии энергии на подаче водорода и кислорода от электролизера (5). Однако это не ограничивает использование электролизеров (5) только с таким давление, при более низком давлении возможно использовать по меньшей мере один компрессор для повышения давления кислорода, при этом компрессор также будет получать электрическую энергию от ВИЭ (6), что позволяет повысить эффективность комплекса, за счет уменьшения использования энергии на повышение давления кислорода. Также от энергетической установки (1) воду и сжиженный диоксид углерода, полученные ступенчатым охлаждением отработанных газов в энергетической установке (1), подают к внешнему потребителю (7), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования излишков сред, выработанных при эксплуатации комплекса.Also, hydrogen to the CCGT unit (4) and oxygen to the power plant (1) from the electrolyzer (5) are supplied under a pressure greater than or equal to the pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1), and also obtained in the unit ( 2) cryogenic separation of air, liquefied oxygen is supplied to an external consumer (7), while, as mentioned earlier, high-pressure electrolyzers (5) are known, capable of providing the pressure of the generated gases necessary for their supply to the combustion chambers of the power plant (1) and CCGT ( 4) without the use of additional compressors, which makes it possible to increase the efficiency of the complex as a whole due to such energy savings on the supply of hydrogen and oxygen from the electrolyzer (5). However, this does not limit the use of electrolysers (5) only with such a pressure, at a lower pressure it is possible to use at least one compressor to increase the oxygen pressure, while the compressor will also receive electrical energy from RES (6), which makes it possible to increase the efficiency of the complex, by reducing the use of energy to increase the oxygen pressure. Also, from the power plant (1), water and liquefied carbon dioxide, obtained by staged cooling of exhaust gases in the power plant (1), are supplied to an external consumer (7), which additionally makes it possible to increase the efficiency of the complex due to an economically expedient increase in the use of surplus media generated during the operation of the complex.
На получение жидкого кислорода, путем криогенного разделения воздуха необходимо затратить 0,8 кВт⋅ч/кг [https://cryogenmash.ra/catalog/kriogennye-vru/].It is necessary to spend 0.8 kWh / kg to obtain liquid oxygen by cryogenic separation of air [https: //cryogenmash.ra/catalog/kriogennye-vru/].
А на получение 1 кг водорода с помощью электролизера требуется 50 кВт⋅ч [https://ru.qaz.wiki/wiki/Electrolysis_of_water].And to obtain 1 kg of hydrogen using an electrolyzer, 50 kWh is required [https://ru.qaz.wiki/wiki/Electrolysis_of_water].
При этом, масса водорода в молекуле воды составляет 2⋅100/18=11,11%, а масса кислорода 16⋅100/18=88,89% [https://www.drive2.ru/b/2451114/], откуда 50 кВт⋅ч/88.89⋅11.11=6.25 кВт⋅ч/кг O2. И так, для получения 1 кг кислорода в электролизере требуется 6.25 кВт⋅ч энергии.In this case, the mass of hydrogen in a water molecule is 2⋅100 / 18 = 11.11%, and the mass of oxygen is 16⋅100 / 18 = 88.89% [https://www.drive2.ru/b/2451114/], whence 50 kWh / 88.89⋅11.11 = 6.25 kWh / kg O 2 . And so, to obtain 1 kg of oxygen in an electrolyzer, 6.25 kWh of energy is required.
При этом получается еще 0,1111/0,8889=125 грамм водорода, которые при сжигании дадут 0,125⋅33,3 кВт⋅ч (по низшей)=4,2 кВт⋅ч или 0,125⋅39,2 кВт⋅ч (по высшей)=4,9 кВт⋅ч. Если считать, что эта энергия в ПГУ с КПД 50% превратится в электричество и 40% в виде пара поступит в электролизер, что уменьшит потребность в электричестве, то считаем, что 0,9 4,9 кВт⋅ч=4,1 кВт⋅ч мы вернем электролизеру.In this case, another 0.1111 / 0.8889 = 125 grams of hydrogen is obtained, which, when burned, will give 0.125 - 33.3 kWh (according to the lowest) = 4.2 kWh or 0.125 - 39.2 kWh (according to highest) = 4.9 kWh. If we assume that this energy in a CCGT unit with an efficiency of 50% will turn into electricity and 40% in the form of steam will enter the electrolyzer, which will reduce the need for electricity, then we will assume that 0.9 4.9 kWh = 4.1 kW⋅ we will refund the electrolyzer.
Т.е. для выработки 1 кг кислорода на электролизере требуется 6.25 кВт⋅ч-4,1 кВт⋅ч=1,84 кВт⋅ч от ВЭИ.Those. to generate 1 kg of oxygen in the electrolyzer, 6.25 kWh-4.1 kWh = 1.84 kWh from VEI is required.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении энергоэффективности комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку горючего газа - водорода, для выработки энергии и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива.Thus, the technical result is achieved, which consists in increasing the energy efficiency of the complex, by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, as well as in improving the environmental indicators of the complex, due to the use of renewable energy sources (RES) for water electrolysis, and further production of fuel gas - hydrogen, for the generation of energy and oxygen, for the combustion of carbonaceous fuels.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021113668A RU2759794C1 (en) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021113668A RU2759794C1 (en) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2759794C1 true RU2759794C1 (en) | 2021-11-17 |
Family
ID=78607516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021113668A RU2759794C1 (en) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2759794C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2799699C1 (en) * | 2022-09-13 | 2023-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy process system for the production of urea, thermal and electric energy and the method of operation of the system |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2645185C1 (en) * | 2017-03-16 | 2018-02-16 | Публичное акционерное общество "НОВАТЭК" | Method of natural gas liquefaction by the cycle of high pressure with the precooling of ethane and nitrogen "arctic cascade" and the installation for its implementation |
| RU2698865C1 (en) * | 2018-10-29 | 2019-08-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy |
| RU2739165C1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex of natural gas processing and method of operation of complex |
-
2021
- 2021-05-14 RU RU2021113668A patent/RU2759794C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2645185C1 (en) * | 2017-03-16 | 2018-02-16 | Публичное акционерное общество "НОВАТЭК" | Method of natural gas liquefaction by the cycle of high pressure with the precooling of ethane and nitrogen "arctic cascade" and the installation for its implementation |
| RU2698865C1 (en) * | 2018-10-29 | 2019-08-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy |
| RU2739165C1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex of natural gas processing and method of operation of complex |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2799699C1 (en) * | 2022-09-13 | 2023-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy process system for the production of urea, thermal and electric energy and the method of operation of the system |
| RU2799698C1 (en) * | 2022-09-13 | 2023-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy process system for the production of ammonia, thermal and electric energy and the method of operation of the system |
| RU2806868C1 (en) * | 2023-01-27 | 2023-11-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy complex for generating thermal and electrical energy and its method of operation (variant) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115667465B (en) | Ultra low emission ethylene plant | |
| US8250847B2 (en) | Combined Brayton-Rankine cycle | |
| CN109386316B (en) | LNG cold energy and BOG combustion energy combined utilization system and method | |
| Reis et al. | Study of waste heat recovery potential and optimization of the power production by an organic Rankine cycle in an FPSO unit | |
| US5669216A (en) | Process and device for generating mechanical energy | |
| Jabari et al. | Design and performance investigation of a biogas fueled combined cooling and power generation system | |
| US12092021B2 (en) | Hydrogen hybrid cycle system | |
| Ates et al. | Turkey's industrial waste heat recovery potential with power and hydrogen conversion technologies: a techno-economic analysis | |
| Łaciak et al. | Possibilities of Liquefied Natural Gas (LNG) use for power generation | |
| US20120193925A1 (en) | Clean-Burning Electrical Power Generating System | |
| RU2698865C1 (en) | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy | |
| RU2723264C1 (en) | Installation for generation of heat and mechanical energy and method of its regulation | |
| RU2759794C1 (en) | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex | |
| JPH1172028A (en) | Electric power leveling power generation method | |
| RU2739165C1 (en) | Power technological complex of natural gas processing and method of operation of complex | |
| KR20240042681A (en) | Methods and systems for producing hydrogen | |
| RU2799698C1 (en) | Energy process system for the production of ammonia, thermal and electric energy and the method of operation of the system | |
| US20200318538A1 (en) | Hydrogen Hybrid Cycle System | |
| CN119998605A (en) | Federated system and method for operating a federated system | |
| RU2799699C1 (en) | Energy process system for the production of urea, thermal and electric energy and the method of operation of the system | |
| RU2647013C1 (en) | Method of operation of the compressed-air power station | |
| RU2732530C1 (en) | Power technological complex for generation of heat and mechanical energy and method of operation of complex | |
| US20080274039A1 (en) | Integrated electrochemical and thermochemical renewable energy production, storage, distribution and recycling system | |
| RU2806868C1 (en) | Energy complex for generating thermal and electrical energy and its method of operation (variant) | |
| Elistratov et al. | Absorption thermal transformers for heat recycling at thermal power plants |