RU2836972C1 - Installation for generation of thermal and mechanical energy and method of its operation - Google Patents
Installation for generation of thermal and mechanical energy and method of its operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2836972C1 RU2836972C1 RU2024133173A RU2024133173A RU2836972C1 RU 2836972 C1 RU2836972 C1 RU 2836972C1 RU 2024133173 A RU2024133173 A RU 2024133173A RU 2024133173 A RU2024133173 A RU 2024133173A RU 2836972 C1 RU2836972 C1 RU 2836972C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon dioxide
- heat exchanger
- combustion chamber
- water
- lng
- Prior art date
Links
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 230
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 125
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 117
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 117
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 89
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 claims abstract description 75
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 59
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 59
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 38
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 101
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 15
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 9
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 9
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 abstract description 15
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 abstract description 7
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.The invention relates to the field of thermal power engineering, namely to methods and installations for the environmentally friendly generation of mechanical and thermal energy.
Известна установка для выработки тепловой и механической энергии и способ ее регулирования (патент РФ № 2723264, опубл. 09.06.2020), состоящая из камеры сгорания, соединенной с парогазовой турбиной, охладителей отработанных газов, конденсатора диоксида углерода, соединенного с тепловым насосом, компрессора, источника кислорода и источника углеродсодержащего топлива, соединенных с камерой сгорания, при этом установка дополнительно содержит контур утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, который включает в себя турбодетандер, соединенный с генератором, конденсатор низкокипящего рабочего тела, насос низкокипящего рабочего тела и по меньшей мере три теплообменника-утилизатора, выполненных с возможностью передачи тепла от отработанных газов к низкокипящему рабочему телу, причем температура низкокипящего рабочего тела возрастает в направлении от конденсатора низкокипящего рабочего тела к турбодетандеру, по меньшей мере один теплообменник-утилизатор соединен со вторым охладителем и контактным теплообменником, выполненным с возможностью подачи насосом сконденсированной из отработанных газов воды через по меньшей мере один другой теплообменник-утилизатор в первый охладитель отработанных газов и к потребителю, по меньшей мере один третий теплообменник-утилизатор также выполнен с возможностью передачи тепла низкокипящему рабочему телу контура утилизации от воды, отводящейся насосом из второго контактного теплообменника и поступающей к потребителю и к блоку охлаждения воды, а также установка дополнительно содержит датчик температуры атмосферного воздуха.A known installation for generating thermal and mechanical energy and a method for regulating it (RU Patent No. 2723264, published on 06/09/2020) consists of a combustion chamber connected to a combined-cycle turbine, exhaust gas coolers, a carbon dioxide condenser connected to a heat pump, a compressor, an oxygen source and a carbon-containing fuel source connected to the combustion chamber, wherein the installation additionally comprises a low-potential thermal energy recovery circuit that includes a turboexpander connected to a generator, a low-boiling working fluid condenser, a low-boiling working fluid pump and at least three waste heat exchangers configured to transfer heat from the exhaust gases to the low-boiling working fluid, wherein the temperature of the low-boiling working fluid increases in the direction from the low-boiling working fluid condenser to the turboexpander, at least one waste heat exchanger is connected to the second cooler and a contact a heat exchanger designed with the possibility of feeding water condensed from exhaust gases by a pump through at least one other heat exchanger-utilizer into the first exhaust gas cooler and to the consumer, at least one third heat exchanger-utilizer is also designed with the possibility of transferring heat to the low-boiling working fluid of the utilization circuit from water discharged by a pump from the second contact heat exchanger and supplied to the consumer and to the water cooling unit, and the installation additionally contains an atmospheric air temperature sensor.
Известна установка для выработки тепловой и механической энергии и способ ее работы, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (патент РФ № 2759793, опубл. 17.11.2021), включающая камеру сгорания, соединенную с парогазовой турбиной, устройство ожижения диоксида углерода, соединенное с холодильной установкой, источник кислорода, источник сжиженного природного газа (СПГ), контактные теплообменники низкого и высокого давления, соединенные с компрессором. Линия подачи СПГ соединена с первичной зоной камеры сгорания и включает насос СПГ, теплообменник-утилизатор холода СПГ, расположенный в устройстве, и теплообменник для подогрева СПГ. Линия подачи кислорода соединена с первичной зоной камеры сгорания и включает кислородный насос, теплообменник-утилизатор холода кислорода, расположенный в устройстве, и теплообменник для подогрева кислорода. Теплообменники выполнены с возможностью охлаждения воды, поступающей в контактный теплообменник низкого давления. Линия подачи диоксида углерода соединена с первичной и вторичной зонами камеры сгорания и включает насос, подогреватель, выполненный с возможностью охлаждения воды, поступающей в по меньшей мере один контактный теплообменник, и рекуперативный охладитель отработанных газов. Линия подачи воды в камеру сгорания соединена с первичной и вторичной зонами камеры сгорания и включает насос, соединенный с контактным теплообменником низкого давления, и рекуперативный охладитель отработанных газов. Способ работы установки для выработки тепловой и механической энергии по любому из предыдущих пунктов, в котором: в первичную зону камеры сгорания насосами подают сжиженный природный газ (СПГ) и кислород, которые, проходя через устройство ожижения диоксида углерода, охлаждают отработанные газы до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода при заданном давлении, а проходя через теплообменники для подогрева СПГ и кислорода, охлаждают воду, которая подается в контактный теплообменник низкого давления для охлаждения отработанных газов; в первичную и вторичную зоны камеры сгорания насосами диоксида углерода и воды по линиям подачи диоксида углерода и воды подают соответственно диоксид углерода и воду, при этом воду по линии подачи воды в камеру сгорания забирают из контактного теплообменника низкого давления и, направляя через рекуперативный охладитель отработанных газов, нагревают перед подачей в камеру сгорания, а диоксид углерода забирают из устройства ожижения диоксида углерода и подают через теплообменник для подогрева диоксида углерода, где он охлаждает воду, которую подают в по меньшей мере один контактный теплообменник, направляя диоксид углерода далее по линии подачи диоксида углерода через рекуперативный охладитель отработанных газов, его нагревают перед подачей в камеру сгорания, отработанные газы из камеры сгорания подают на парогазовую турбину, после которой, пройдя рекуперативные охладители отработанных газов, они поступают в контактный теплообменник низкого давления, где за счет охлаждения конденсируют часть воды из отработанных газов, далее компрессором повышают давление отработанных газов и подают в контактный теплообменник высокого давления, где конденсируют оставшуюся часть воды из отработанных газов, после этого отработанные газы подают в устройство ожижения диоксида углерода, где отработанные газы охлаждают в том числе и холодильной установкой.A known installation for generating thermal and mechanical energy and a method for its operation, selected as the closest analogue (RU Patent No. 2759793, published on November 17, 2021), includes a combustion chamber connected to a combined cycle turbine, a carbon dioxide liquefaction device connected to a refrigeration unit, an oxygen source, a liquefied natural gas (LNG) source, low and high pressure contact heat exchangers connected to a compressor. The LNG supply line is connected to the primary zone of the combustion chamber and includes an LNG pump, an LNG cold recovery heat exchanger located in the device, and a heat exchanger for heating the LNG. The oxygen supply line is connected to the primary zone of the combustion chamber and includes an oxygen pump, an oxygen cold recovery heat exchanger located in the device, and a heat exchanger for heating the oxygen. The heat exchangers are designed to cool the water entering the low pressure contact heat exchanger. The carbon dioxide supply line is connected to the primary and secondary zones of the combustion chamber and includes a pump, a heater configured to cool water entering at least one contact heat exchanger, and a recuperative exhaust gas cooler. The water supply line to the combustion chamber is connected to the primary and secondary zones of the combustion chamber and includes a pump connected to a low-pressure contact heat exchanger, and a recuperative exhaust gas cooler. The method of operating the installation for generating thermal and mechanical energy according to any of the preceding paragraphs, wherein: liquefied natural gas (LNG) and oxygen are supplied to the primary zone of the combustion chamber by pumps, which, passing through the carbon dioxide liquefaction device, cool the exhaust gases to a temperature required for condensing carbon dioxide at a given pressure, and passing through heat exchangers for heating LNG and oxygen, cool water, which is supplied to the low-pressure contact heat exchanger for cooling the exhaust gases; into the primary and secondary zones of the combustion chamber, carbon dioxide and water are fed respectively by carbon dioxide and water pumps through carbon dioxide and water supply lines, wherein water is taken from the low-pressure contact heat exchanger through the water supply line into the combustion chamber and, directed through a recuperative exhaust gas cooler, is heated before being fed into the combustion chamber, and carbon dioxide is taken from the carbon dioxide liquefaction device and fed through a heat exchanger for heating carbon dioxide, where it cools water, which is fed into at least one contact heat exchanger, directing carbon dioxide further along the carbon dioxide supply line through a recuperative exhaust gas cooler, it is heated before being fed into the combustion chamber, the exhaust gases from the combustion chamber are fed to a combined-cycle turbine, after which, having passed through recuperative exhaust gas coolers, they enter a low-pressure contact heat exchanger, where, due to cooling, part of the water is condensed from the exhaust gases, then a compressor increases exhaust gas pressure and are fed into a high-pressure contact heat exchanger, where the remaining water from the exhaust gases is condensed, after which the exhaust gases are fed into a carbon dioxide liquefaction device, where the exhaust gases are cooled, including by a refrigeration unit.
К недостаткам представленных аналогов можно отнести относительно низкий КПД цикла установки, а также повышенный расход кислорода в установке за счет необходимости продувки конденсатора диоксида углерод с выбросом излишков кислорода, не участвовавших в горении, в атмосферу. То есть для обеспечения работоспособности конденсатора диоксида углерода осуществляется его постоянная продувка с выбросом несконденсированных газов в атмосферу, что экономически не выгодно и происходит загрязнение окружающей среды.The disadvantages of the presented analogs include a relatively low efficiency of the installation cycle, as well as increased oxygen consumption in the installation due to the need to purge the carbon dioxide condenser with the release of excess oxygen that did not participate in combustion into the atmosphere. That is, to ensure the operability of the carbon dioxide condenser, it is constantly purged with the release of non-condensed gases into the atmosphere, which is economically unprofitable and pollutes the environment.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.The problem that the invention is aimed at solving is to eliminate the above-mentioned disadvantages.
Технический результат заключается в повышении КПД установки, снижении расхода кислорода, а также в повышении экологических показателей.The technical result consists in increasing the efficiency of the installation, reducing oxygen consumption, and improving environmental performance.
Технический результат достигается установкой для выработки тепловой и механической энергии, состоящей из камеры сгорания, соединенной с парогазовой турбиной, линии подачи диоксида углерода в камеру сгорания, рекуперативных охладителей отработанных газов, конденсатора диоксида углерода, соединенного с холодильной установкой, источника кислорода и источника сжиженного природного газа (СПГ), соединенных линиями подачи кислорода и СПГ с камерой сгорания через теплообменники-утилизаторы холода, расположенные в конденсаторе диоксида углерода, и теплообменники подогрева кислорода и СПГ, контактных теплообменников низкого и высокого давления, соединенных с компрессором, подогревателя диоксида углерода, при этом включает вторую камеру сгорания, соединенную с источником СПГ линией подачи СПГ через теплообменник-утилизатор конденсатора диоксида углерода и теплообменник подогрева СПГ, при этом вторая камера сгорания соединена линией отвода несконденсированных газов с конденсатором диоксида углерода, также выход парогазовой турбины соединен со входом второй камеры сгорания, выход которой соединен с конденсатором диоксида углерода последовательно через рекуперативные охладители отработанных газов, контактный теплообменник низкого давления, компрессор и контактный теплообменник высокого давления.The technical result is achieved by an installation for generating thermal and mechanical energy, consisting of a combustion chamber connected to a combined-cycle turbine, a line for feeding carbon dioxide to the combustion chamber, recuperative exhaust gas coolers, a carbon dioxide condenser connected to a refrigeration unit, an oxygen source and a source of liquefied natural gas (LNG) connected by oxygen and LNG supply lines to the combustion chamber through cold-utilizing heat exchangers located in the carbon dioxide condenser and oxygen and LNG heating heat exchangers, low- and high-pressure contact heat exchangers connected to a compressor, a carbon dioxide heater, and includes a second combustion chamber connected to the LNG source by an LNG supply line through a carbon dioxide condenser heat exchanger and an LNG heating heat exchanger, wherein the second combustion chamber is connected by a line for removing uncondensed gases to the carbon dioxide condenser, and the outlet of the combined-cycle turbine is connected to the inlet of the second chamber combustion, the outlet of which is connected to the carbon dioxide condenser in series through recuperative exhaust gas coolers, a low-pressure contact heat exchanger, a compressor and a high-pressure contact heat exchanger.
Линия отвода несконденсированных газов из конденсатора диоксида углерода включает теплообменник подогрева несконденсированных газов.The line for removing uncondensed gases from the carbon dioxide condenser includes a heat exchanger for heating uncondensed gases.
Контактный теплообменник низкого давления включает по меньшей мере две секции подачи воды, контактирующей с отработанными газами, по меньшей мере одна из этих секций соединена с подогревателем сетевой воды, один из входов которого соединен с одним из выходов для воды контактного теплообменника низкого давления, а по меньшей мере одна другая секция соединена с теплообменниками для подогрева кислорода и СПГ, теплообменником подогрева несконденсированных газов и подогревателем диоксида углерода, соединенными с одним из выходов для воды контактного теплообменника низкого давления, при этом контактный теплообменник высокого давления включает по меньшей мере одну секцию подачи воды, контактирующую с отработанными газами, и соединенную с подогревателем диоксида углерода, один из входов которого соединен с одним из выходов для воды контактного теплообменника высокого давления.The low-pressure contact heat exchanger includes at least two sections for supplying water in contact with the exhaust gases, at least one of these sections is connected to a network water heater, one of the inputs of which is connected to one of the water outputs of the low-pressure contact heat exchanger, and at least one other section is connected to heat exchangers for heating oxygen and LNG, a heat exchanger for heating non-condensed gases and a carbon dioxide heater, connected to one of the water outputs of the low-pressure contact heat exchanger, wherein the high-pressure contact heat exchanger includes at least one section for supplying water in contact with the exhaust gases and connected to a carbon dioxide heater, one of the inputs of which is connected to one of the water outputs of the high-pressure contact heat exchanger.
Линия подачи диоксида углерода в камеру сгорания выполнена с возможностью подачи диоксида углерода в эту камеру сгорания насосом-регулятором через подогреватель диоксида углерода и рекуперативный охладитель отработанных газов, линия подачи воды в камеру сгорания выполнена с возможностью подачи воды из контактного теплообменника низкого давления в эту камеру сгорания насосом-регулятором через другой рекуперативный охладитель отработанных газов, кроме того подача воды через по меньшей мере две секции подачи воды контактного теплообменник низкого давления обеспечивается циркуляционным насосом, вход которого соединен с одним из выходов для воды контактного теплообменника низкого давления, а подача воды через по меньшей мере одну секцию подачи воды контактного теплообменника высокого давления обеспечивается циркуляционным насосом, вход которого соединен с одним из выходов для воды контактного теплообменника высокого давления, при этом линии подачи кислорода и СПГ также включают насосы-регуляторы, а парогазовая турбина соединена с электрогенератором.The carbon dioxide supply line to the combustion chamber is configured to supply carbon dioxide to this combustion chamber by a regulator pump through a carbon dioxide heater and a recuperative exhaust gas cooler, the water supply line to the combustion chamber is configured to supply water from the low-pressure contact heat exchanger to this combustion chamber by a regulator pump through another recuperative exhaust gas cooler, in addition, the water supply through at least two water supply sections of the low-pressure contact heat exchanger is provided by a circulation pump, the inlet of which is connected to one of the water outlets of the low-pressure contact heat exchanger, and the water supply through at least one water supply section of the high-pressure contact heat exchanger is provided by a circulation pump, the inlet of which is connected to one of the water outlets of the high-pressure contact heat exchanger, wherein the oxygen and LNG supply lines also include regulator pumps, and the steam-gas turbine is connected to an electric generator.
Технический результат также достигается способом работы установки для выработки тепловой и механической энергии, включающим:The technical result is also achieved by the method of operation of the installation for generating thermal and mechanical energy, including:
в камере сгорания сжигают сжиженный природный газ (СПГ) при избытке кислорода, которые, проходя по линиям подачи СПГ и кислорода от источников СПГ и кислорода через конденсатор диоксида углерода, охлаждают отработанные газы до температуры конденсации диоксида углерода, а проходя через теплообменники подогрева СПГ и кислорода, охлаждают воду, которую подают в контактный теплообменник низкого давления для охлаждения отработанных газов,in the combustion chamber, liquefied natural gas (LNG) is burned with excess oxygen, which, passing through the LNG and oxygen supply lines from LNG and oxygen sources through the carbon dioxide condenser, cools the exhaust gases to the condensation temperature of carbon dioxide, and passing through the LNG and oxygen heating heat exchangers, cools the water, which is fed to the low-pressure contact heat exchanger for cooling the exhaust gases,
в камеру сгорания по линии подачи диоксида углерода из конденсатора диоксида углерода подают диоксид углерода через подогреватель диоксида углерода, где он охлаждает воду, которую подают в контактные теплообменники низкого и высокого давления, направляя диоксид углерода далее по линии подачи диоксида углерода через рекуперативный охладитель отработанных газов, его нагревают перед подачей в камеру сгорания, также в камеру сгорания подают воду по линии подачи воды из контактного теплообменника низкого давления через другой рекуперативный охладитель отработанных газов,carbon dioxide is fed into the combustion chamber via the carbon dioxide supply line from the carbon dioxide condenser through the carbon dioxide heater, where it cools the water that is fed into the low- and high-pressure contact heat exchangers, directing the carbon dioxide further along the carbon dioxide supply line through the recuperative exhaust gas cooler, it is heated before being fed into the combustion chamber, water is also fed into the combustion chamber via the water supply line from the low-pressure contact heat exchanger through another recuperative exhaust gas cooler,
газы, полученные в результате сгорания, из камеры сгорания подают на парогазовую турбину, после которой их подают во вторую камеру сгорания, в которую по линии подачи СПГ подают СПГ, прошедший теплообменник подогрева СПГ, и подают содержащие кислород газы из конденсатора диоксида углерода по линии отвода несконденсированных газов, далее во второй камере сгорания полученную смесь сжигают, после чего отработанные газы направляют через рекуперативные охладители отработанных газов в контактный теплообменник низкого давления, где за счет охлаждения конденсируют часть воды из отработанных газов, далее компрессором с приводом от электродвигателя повышают давление отработанных газов и подают в контактный теплообменник высокого давления, где конденсируют оставшуюся часть воды из отработанных газов,the gases obtained as a result of combustion are fed from the combustion chamber to a combined-cycle turbine, after which they are fed to a second combustion chamber, into which LNG that has passed through the LNG heating heat exchanger is fed through the LNG feed line, and oxygen-containing gases are fed from the carbon dioxide condenser through the non-condensed gas discharge line, then the resulting mixture is burned in the second combustion chamber, after which the exhaust gases are directed through recuperative exhaust gas coolers to a low-pressure contact heat exchanger, where some of the water from the exhaust gases is condensed due to cooling, then the pressure of the exhaust gases is increased by a compressor driven by an electric motor and they are fed to a high-pressure contact heat exchanger, where the remaining water from the exhaust gases is condensed,
после этого отработанные газы подают в конденсатор диоксида углерода, где их охлаждают в том числе и холодильной установкой до температуры конденсации диоксида углерода.After this, the exhaust gases are fed into a carbon dioxide condenser, where they are cooled, including by a refrigeration unit, to the carbon dioxide condensation temperature.
Содержащие кислород газы из конденсатора диоксида углерода по линии отвода несконденсированных газов подают во вторую камеру сгорания через теплообменник подогрева несконденсированных газов.Oxygen-containing gases from the carbon dioxide condenser are fed through the non-condensed gas discharge line into the second combustion chamber via the non-condensed gas preheating heat exchanger.
Из контактного теплообменника низкого давления воду для охлаждения отработанных газов подают к по меньшей мере одной из по меньшей мере двух секций контактного теплообменника низкого давления через подогреватель сетевой воды, а к по меньшей мере одной другой секции - через теплообменники подогрева кислорода и СПГ, теплообменник подогрева несконденсированных газов и подогреватель диоксида углерода, при этом из контактного теплообменника высокого давления воду для охлаждения отработанных газов подают к по меньшей мере одной секции контактного теплообменника высокого давления через подогреватель диоксида углерода, а излишки сжиженной воды и диоксида углерода выводят из установки.From the low-pressure contact heat exchanger, water for cooling the exhaust gases is fed to at least one of at least two sections of the low-pressure contact heat exchanger through a network water heater, and to at least one other section - through oxygen and LNG heating heat exchangers, a non-condensed gas heating heat exchanger and a carbon dioxide heater, while from the high-pressure contact heat exchanger, water for cooling the exhaust gases is fed to at least one section of the high-pressure contact heat exchanger through a carbon dioxide heater, and excess liquefied water and carbon dioxide are removed from the plant.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема установки для выработки тепловой и механической энергии.The invention is illustrated by a drawing showing a diagram of an installation for generating thermal and mechanical energy.
На чертеже представлены следующие обозначения:The following symbols are shown on the drawing:
1 – вторая камера сгорания;1 – second combustion chamber;
2 – насос-регулятор подачи кислорода;2 – oxygen supply pump-regulator;
3 – конденсатор диоксида углерода;3 – carbon dioxide condenser;
4 – насос-регулятор подачи СПГ;4 – LNG supply pump-regulator;
5 – насос-регулятор подачи диоксида углерода;5 – carbon dioxide supply regulator pump;
6 – насос-регулятор подачи воды;6 – water supply regulator pump;
7 –камера сгорания;7 – combustion chamber;
8 – линия подачи кислорода;8 – oxygen supply line;
9 – теплообменник подогрева кислорода и СПГ;9 – heat exchanger for heating oxygen and LNG;
10 – линия подачи СПГ;10 – LNG supply line;
11 – рекуперативный охладитель отработанных газов;11 – recuperative exhaust gas cooler;
12 – парогазовая турбина;12 – steam-gas turbine;
13 – линия подачи воды в КС (7);13 – water supply line to the compressor station (7);
14 – электрогенератор;14 – electric generator;
15 – контактный теплообменник низкого давления;15 – low pressure contact heat exchanger;
16 – теплообменник-утилизатор холода кислорода;16 – heat exchanger-oxygen cold utilizer;
17 – теплообменник-утилизатор холода СПГ;17 – heat exchanger-cold recovery unit for LNG;
18 – компрессор;18 – compressor;
19 – контактный теплообменник высокого давления;19 – high pressure contact heat exchanger;
20 – линия подачи диоксида углерода;20 – carbon dioxide supply line;
21 – подогреватель диоксида углерода;21 – carbon dioxide heater;
22 – рекуперативный охладитель отработанных газов;22 – recuperative exhaust gas cooler;
23 – циркуляционный насос охлаждающей воды контактного теплообменника (15) низкого давления;23 – circulation pump for cooling water of the contact heat exchanger (15) low pressure;
24 – циркуляционный насос охлаждающей воды контактного теплообменника (19) высокого давления;24 – circulation pump for cooling water of the high-pressure contact heat exchanger (19);
25 – теплообменник подогрева газов из конденсатора (3) диоксида углерода;25 – heat exchanger for heating gases from the condenser (3) of carbon dioxide;
26 – подогреватель сетевой воды;26 – network water heater;
27 – циркуляционный насос сетевой воды;27 – network water circulation pump;
28 – холодильная установка;28 – refrigeration unit;
29 – вторая секция подачи воды контактного теплообменника (15);29 – second section of water supply of contact heat exchanger (15);
30 – первая секция подачи воды контактного теплообменника (15);30 – first section of water supply of contact heat exchanger (15);
31 – электродвигатель.31 – electric motor.
Стрелками показаны направления движения сред в установке.The arrows show the directions of movement of the media in the installation.
Установка для выработки тепловой и механической энергии состоит из камеры сгорания (7), соединенной с парогазовой турбиной (12), линии (20) подачи диоксида углерода в камеру сгорания (7), рекуперативных охладителей (22, 11) отработанных газов, конденсатора (3) диоксида углерода, соединенного с холодильной установкой (28). Источник кислорода и источник сжиженного природного газа (СПГ) соединены линиями (8, 10) подачи кислорода и СПГ с камерой сгорания (7) через теплообменники-утилизаторы (16, 17) холода, расположенные в конденсаторе (3) диоксида углерода, и теплообменники (9) подогрева кислорода и СПГ. Контактные теплообменники (15, 19) низкого и высокого давления соединены с компрессором (18). Также установка содержит подогреватель (21) диоксида углерода.The installation for generating thermal and mechanical energy consists of a combustion chamber (7) connected to a steam-gas turbine (12), a line (20) for feeding carbon dioxide to the combustion chamber (7), recuperative coolers (22, 11) of exhaust gases, a condenser (3) of carbon dioxide connected to a refrigeration unit (28). The oxygen source and the liquefied natural gas (LNG) source are connected by lines (8, 10) for feeding oxygen and LNG to the combustion chamber (7) through heat exchangers-utilizers (16, 17) of cold located in the condenser (3) of carbon dioxide, and heat exchangers (9) for heating oxygen and LNG. Low and high pressure contact heat exchangers (15, 19) are connected to a compressor (18). The installation also contains a heater (21) of carbon dioxide.
Дополнительно установка включает вторую камеру сгорания (1), соединенную с источником СПГ линией подачи (10) СПГ через теплообменник-утилизатор (17) конденсатора (3) диоксида углерода и теплообменник (9) подогрева СПГ, что обеспечивает повышение эффективности установки за счет рециркуляции тепловой энергии. При этом вторая камера сгорания (1) соединена линией отвода несконденсированных газов с конденсатором (3) диоксида углерода, что обеспечивает возврат несгоревшего кислорода в цикл энергетической установки, уменьшая таким образом расход кислорода в установке, а кроме того устраняется необходимость постоянной продувки конденсатора (5) диоксида углерода. Выход парогазовой турбины (12) соединен со входом второй камеры сгорания (1), что также уменьшает расход кислорода в установке за счет использования несгоревшего в камере сгорания (7) кислорода, содержащегося в отработанных газах.Additionally, the plant includes a second combustion chamber (1) connected to the LNG source by a LNG feed line (10) through a heat exchanger-utilizer (17) of the carbon dioxide condenser (3) and a heat exchanger (9) for heating the LNG, which ensures an increase in the efficiency of the plant due to the recirculation of thermal energy. In this case, the second combustion chamber (1) is connected by a line for removing uncondensed gases to the carbon dioxide condenser (3), which ensures the return of unburned oxygen to the cycle of the power plant, thus reducing the oxygen consumption in the plant, and in addition, the need for constant purging of the carbon dioxide condenser (5) is eliminated. The outlet of the combined cycle turbine (12) is connected to the inlet of the second combustion chamber (1), which also reduces the oxygen consumption in the plant due to the use of unburned oxygen in the combustion chamber (7), contained in the exhaust gases.
Выход второй камеры сгорания (1) соединен с конденсатором (3) диоксида углерода последовательно через рекуперативные охладители (22, 11) отработанных газов, контактный теплообменник (15) низкого давления, компрессор (18) и контактный теплообменник (19) высокого давления, что повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки, а также обеспечивает конденсацию воды и диоксида углерода из отработанных газов, что повышает экологичность установки.The outlet of the second combustion chamber (1) is connected to the carbon dioxide condenser (3) in series through recuperative coolers (22, 11) of the exhaust gases, a low-pressure contact heat exchanger (15), a compressor (18) and a high-pressure contact heat exchanger (19), which increases the recovery of thermal energy in the unit and, as a consequence, increases the efficiency of the unit, and also ensures the condensation of water and carbon dioxide from the exhaust gases, which increases the environmental friendliness of the unit.
Линия отвода несконденсированных газов из конденсатора (5) диоксида углерода включает теплообменник (25) подогрева несконденсированных газов, что дополнительно повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки.The line for removing non-condensed gases from the carbon dioxide condenser (5) includes a heat exchanger (25) for heating non-condensed gases, which additionally increases the recovery of thermal energy in the unit and, as a result, increases the efficiency of the unit.
Контактный теплообменник (15) низкого давления включает по меньшей мере две секции (29, 30) подачи воды, контактирующей с отработанными газами, по меньшей мере одна из этих секций (30) соединена с подогревателем (26) сетевой воды, один из входов которого соединен с одним из выходов для воды контактного теплообменника (15) низкого давления, а по меньшей мере одна другая секция соединена с теплообменниками (9) для подогрева кислорода и СПГ, теплообменником (25) подогрева несконденсированных газов и подогревателем (21) диоксида углерода, соединенными с одним из выходов для воды контактного теплообменника (15) низкого давления, при этом контактный теплообменник (19) высокого давления включает по меньшей мере одну секцию подачи воды, контактирующую с отработанными газами, и соединенную с подогревателем (21) диоксида углерода, один из входов которого соединен с одним из выходов для воды контактного теплообменника (19) высокого давления, что дополнительно повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки. Количество секций (29, 30) подачи воды должно составлять не меньше двух, а также должна быть как минимум одна секция подачи воды в конденсаторе (19) высокого давления в противном случае невозможно обеспечить заданный отвод тепла от отработанных газов для конденсации воды при заданном давлении, а верхний предел количества может быть обусловлен только ограниченными размерами самих конденсаторов (15, 19) низкого и высокого давлений.The low-pressure contact heat exchanger (15) includes at least two sections (29, 30) for supplying water in contact with the exhaust gases, at least one of these sections (30) is connected to a network water heater (26), one of the inputs of which is connected to one of the water outlets of the low-pressure contact heat exchanger (15), and at least one other section is connected to heat exchangers (9) for heating oxygen and LNG, a heat exchanger (25) for heating non-condensed gases and a carbon dioxide heater (21), connected to one of the water outlets of the low-pressure contact heat exchanger (15), wherein the high-pressure contact heat exchanger (19) includes at least one section for supplying water in contact with the exhaust gases and connected to a carbon dioxide heater (21), one of the inputs of which is connected to one of the water outlets of the contact heat exchanger (19) high pressure, which additionally increases the recovery of thermal energy in the unit and, as a result, increases the efficiency of the unit. The number of water supply sections (29, 30) must be at least two, and there must also be at least one water supply section in the high-pressure condenser (19), otherwise it is impossible to ensure the specified heat removal from the exhaust gases for condensing water at a specified pressure, and the upper limit of the quantity can only be determined by the limited dimensions of the low- and high-pressure condensers (15, 19) themselves.
Линия (20) подачи диоксида углерода в камеру сгорания (7) выполнена с возможностью подачи диоксида углерода в эту камеру сгорания (7) насосом-регулятором (5) через подогреватель (21) диоксида углерода и рекуперативный охладитель (11) отработанных газов, линия (13) подачи воды в камеру сгорания (7) выполнена с возможностью подачи воды из контактного теплообменника (15) низкого давления в эту камеру сгорания (7) насосом-регулятором (6) через другой рекуперативный охладитель (22) отработанных газов, кроме того подача воды через по меньшей мере две секции (29, 30) подачи воды контактного теплообменник (15) низкого давления обеспечивается циркуляционным насосом (23), вход которого соединен с одним из выходов для воды контактного теплообменника (15) низкого давления, а подача воды через по меньшей мере одну секцию подачи воды контактного теплообменника (19) высокого давления обеспечивается циркуляционным насосом (24), вход которого соединен с одним из выходов для воды контактного теплообменника (19) высокого давления, при этом линии (8, 10) подачи кислорода и СПГ также включают насосы-регуляторы (2, 4), что повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки, а парогазовая турбина (12) соединена с электрогенератором (14). Отвод тепла от воды контактного теплообменника (15) низкого давления через теплообменник (26) в сетевую воду обеспечивается циркуляционным насосом сетевой воды (27).The line (20) for feeding carbon dioxide into the combustion chamber (7) is configured to feed carbon dioxide into this combustion chamber (7) by a pump-regulator (5) through a carbon dioxide heater (21) and a recuperative cooler (11) of exhaust gases, the line (13) for feeding water into the combustion chamber (7) is configured to feed water from a low-pressure contact heat exchanger (15) into this combustion chamber (7) by a pump-regulator (6) through another recuperative cooler (22) of exhaust gases, in addition, the water supply through at least two sections (29, 30) of the water supply of the low-pressure contact heat exchanger (15) is provided by a circulation pump (23), the inlet of which is connected to one of the water outlets of the low-pressure contact heat exchanger (15), and the water supply through at least one section of the water supply of the high-pressure contact heat exchanger (19) is provided by a circulation pump (24), the input of which is connected to one of the water outputs of the high-pressure contact heat exchanger (19), while the oxygen and LNG supply lines (8, 10) also include regulator pumps (2, 4), which increases the recovery of thermal energy in the installation and, as a result, increases the efficiency of the installation, and the steam-gas turbine (12) is connected to the electric generator (14). Heat removal from the water of the low-pressure contact heat exchanger (15) through the heat exchanger (26) into the network water is provided by the network water circulation pump (27).
Установка работает следующим образом.The installation works as follows.
В камере сгорания (7) сжигают сжиженный природный газ (СПГ) при избытке кислорода, что обеспечивает устойчивое горение в камере сгорания (7). СПГ и кислород проходят по линиям (10, 8) подачи СПГ и кислорода от источников СПГ и кислорода через конденсатор (3) диоксида углерода, охлаждают отработанные газы до температуры конденсации диоксида углерода, а проходя через теплообменники (9) подогрева СПГ и кислорода, охлаждают воду, которую подают в контактный теплообменник (15) низкого давления для охлаждения отработанных газов, что повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки.In the combustion chamber (7) liquefied natural gas (LNG) is burned with excess oxygen, which ensures stable combustion in the combustion chamber (7). LNG and oxygen pass through the LNG and oxygen supply lines (10, 8) from LNG and oxygen sources through the carbon dioxide condenser (3), cool the exhaust gases to the carbon dioxide condensation temperature, and passing through the LNG and oxygen heating heat exchangers (9), cool the water, which is fed to the low-pressure contact heat exchanger (15) for cooling the exhaust gases, which increases the recovery of thermal energy in the unit and, as a result, increases the efficiency of the unit.
В камеру сгорания (7) по линии (20) подачи диоксида углерода из конденсатора (3) диоксида углерода подают диоксид углерода через подогреватель (21) диоксида углерода, где он охлаждает воду, которую подают в контактные теплообменники (15, 19) низкого и высокого давления, направляя диоксид углерода далее по линии (20) подачи диоксида углерода через рекуперативный охладитель (11) отработанных газов, его нагревают перед подачей в камеру сгорания (7), что повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки. Также в камеру сгорания (7) подают воду по линии (13) подачи воды из контактного теплообменника (15) низкого давления через другой рекуперативный охладитель (22) отработанных газов, что повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки.Carbon dioxide is fed into the combustion chamber (7) via the carbon dioxide supply line (20) from the carbon dioxide condenser (3) through the carbon dioxide heater (21), where it cools the water that is fed into the low- and high-pressure contact heat exchangers (15, 19), directing the carbon dioxide further along the carbon dioxide supply line (20) through the recuperative cooler (11) of the exhaust gases, it is heated before being fed into the combustion chamber (7), which increases the recovery of thermal energy in the installation and, as a result, increases the efficiency of the installation. Water is also fed into the combustion chamber (7) via the water supply line (13) from the low-pressure contact heat exchanger (15) through another recuperative cooler (22) of the exhaust gases, which increases the recovery of thermal energy in the installation and, as a result, increases the efficiency of the installation.
Газы, полученные в результате сгорания, из камеры сгорания (7) подают на парогазовую турбину (12), на которой получают механическую энергию, например, для привода электрогенератора (14). После парогазовой турбины (12) газы подают во вторую камеру сгорания (1), в которую по линии (10) подачи СПГ подают СПГ, прошедший теплообменник (9) подогрева СПГ, и подают содержащие кислород газы из конденсатора (3) диоксида углерода по линии отвода несконденсированных газов, что обеспечивает возврат несгоревшего кислорода в цикл энергетической установки, уменьшая таким образом расход кислорода в установке, а кроме того, устраняется необходимость постоянной продувки конденсатора (3) диоксида углерода.The gases obtained as a result of combustion are fed from the combustion chamber (7) to the combined-cycle turbine (12), where mechanical energy is obtained, for example, to drive the electric generator (14). After the combined-cycle turbine (12), the gases are fed to the second combustion chamber (1), where LNG, which has passed through the LNG heating heat exchanger (9), is fed via the LNG supply line (10), and oxygen-containing gases are fed from the carbon dioxide condenser (3) via the uncondensed gas discharge line, which ensures the return of unburned oxygen to the power plant cycle, thereby reducing the oxygen consumption in the plant, and in addition, the need for constant purging of the carbon dioxide condenser (3) is eliminated.
Далее во второй камере сгорания (1) полученную смесь сжигают, после чего отработанные газы направляют через рекуперативные охладители (22, 11) отработанных газов в контактный теплообменник (15) низкого давления, что обеспечивает повышение выработки тепловой энергии, отдаваемой в теплосеть.Next, in the second combustion chamber (1), the resulting mixture is burned, after which the exhaust gases are directed through recuperative coolers (22, 11) of the exhaust gases into a low-pressure contact heat exchanger (15), which ensures an increase in the production of thermal energy transferred to the heating network.
В контактном теплообменнике (15) низкого давления за счет охлаждения конденсируют часть воды из отработанных газов, далее компрессором (18) с приводом от электродвигателя (31) повышают давление отработанных газов и подают в контактный теплообменник (19) высокого давления, где конденсируют оставшуюся часть воды из отработанных газов. После этого отработанные газы подают в конденсатор (3) диоксида углерода, где их охлаждают в том числе и холодильной установкой (28) до температуры конденсации диоксида углерода.In the low-pressure contact heat exchanger (15), part of the water from the exhaust gases is condensed by cooling, then the compressor (18) driven by the electric motor (31) increases the pressure of the exhaust gases and feeds them into the high-pressure contact heat exchanger (19), where the remaining water from the exhaust gases is condensed. After this, the exhaust gases are fed into the carbon dioxide condenser (3), where they are cooled, including by the refrigeration unit (28), to the carbon dioxide condensation temperature.
Содержащие кислород газы из конденсатора (3) диоксида углерода по линии отвода несконденсированных газов подают во вторую камеру сгорания (1) через теплообменник (25) подогрева несконденсированных газов, что дополнительно повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки.Oxygen-containing gases from the carbon dioxide condenser (3) are fed through the non-condensed gas discharge line into the second combustion chamber (1) via the non-condensed gas heating heat exchanger (25), which additionally increases the recovery of thermal energy in the unit and, as a result, increases the efficiency of the unit.
Из контактного теплообменника (15) низкого давления воду для охлаждения отработанных газов подают к по меньшей мере одной (30) из по меньшей мере двух секций контактного теплообменника (15) низкого давления через подогреватель (26) сетевой воды, а к по меньшей мере одной другой (29) секции - через теплообменники (9) подогрева кислорода и СПГ, теплообменник (25) подогрева несконденсированных газов и подогреватель (21) диоксида углерода, при этом из контактного теплообменника (19) высокого давления воду для охлаждения отработанных газов подают к по меньшей мере одной секции контактного теплообменника (19) высокого давления через подогреватель (21) диоксида углерода, что повышает рекуперацию тепловой энергии в установке и как следствие повышает КПД установки, а также обеспечивает конденсацию воды и диоксида углерода из отработанных газов, что повышает экологичность установки. Излишки сжиженной воды и диоксида углерода выводят из установки.From the low-pressure contact heat exchanger (15), water for cooling the exhaust gases is fed to at least one (30) of at least two sections of the low-pressure contact heat exchanger (15) through the network water heater (26), and to at least one other (29) section - through the oxygen and LNG heating heat exchangers (9), the non-condensed gas heating heat exchanger (25) and the carbon dioxide heater (21), while from the high-pressure contact heat exchanger (19), water for cooling the exhaust gases is fed to at least one section of the high-pressure contact heat exchanger (19) through the carbon dioxide heater (21), which increases the recovery of thermal energy in the plant and, as a consequence, increases the efficiency of the plant, and also ensures condensation of water and carbon dioxide from the exhaust gases, which improves the environmental friendliness of the plant. Excess liquefied water and carbon dioxide are removed from the plant.
Таким образом, процесс сгорания в камере сгорания (7) при избытке кислорода повышает КПД цикла установки за счет обеспечения устойчивого горения в камере сгорания (7), а возврат кислорода, содержащегося в несконденсированных отработанных газах, из конденсатора (3) диоксида углерода во вторую камеру сгорания (1) снижает расход кислорода установкой, что повышает ее эффективность за счет снижения затрат на производство кислорода и при повышении выработки установкой тепловой энергии. Кроме того, обеспечение рекуперации тепловой энергии в установке повышает ее КПД, одновременно позволяя обеспечивать конденсацию воды и диоксида углерода без загрязнения ими атмосферы, повышая экологичность установки.Thus, the combustion process in the combustion chamber (7) with excess oxygen increases the efficiency of the plant cycle by ensuring stable combustion in the combustion chamber (7), and the return of oxygen contained in the uncondensed exhaust gases from the carbon dioxide condenser (3) to the second combustion chamber (1) reduces the oxygen consumption by the plant, which increases its efficiency by reducing the cost of oxygen production and increasing the thermal energy production by the plant. In addition, ensuring the recovery of thermal energy in the plant increases its efficiency, while simultaneously allowing for the condensation of water and carbon dioxide without polluting the atmosphere, increasing the environmental friendliness of the plant.
Claims (11)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2836972C1 true RU2836972C1 (en) | 2025-03-24 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2759793C1 (en) * | 2021-02-26 | 2021-11-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Installation for producing thermal and mechanical energy and method for its operation |
| RU2772306C1 (en) * | 2018-07-23 | 2022-05-18 | Хавьер Карлос ВЕЛЬОСО МОЭДАНО | Installation for generating mechanical energy using a combined energy cycle |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2772306C1 (en) * | 2018-07-23 | 2022-05-18 | Хавьер Карлос ВЕЛЬОСО МОЭДАНО | Installation for generating mechanical energy using a combined energy cycle |
| RU2759793C1 (en) * | 2021-02-26 | 2021-11-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Installation for producing thermal and mechanical energy and method for its operation |
| 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) |
| RU2805401C1 (en) * | 2023-04-12 | 2023-10-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Installation for generating thermal and mechanical energy and method of its operation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2085754C1 (en) | Method of and gas turbine plant for continuous conversion of energy | |
| CN1630769A (en) | Combined air separation and oxygen co-generation system | |
| CN101622425A (en) | Systems and methods for separating oxygen in an integrated gasification combined cycle system | |
| CN1191931A (en) | Combined cycle power generation device and cooling steam supply method thereof | |
| GB2338991A (en) | Compound power-generating plant with superheated high pressure steam | |
| US8020388B2 (en) | Method for increasing the efficiency of a combined gas/steam power station with integrated gasification combined cycle | |
| SU1521284A3 (en) | Power plant | |
| US7421835B2 (en) | Air-staged reheat power generation system | |
| US20110016870A1 (en) | Method and apparatus for improved gas turbine efficiency and augmented power output | |
| RU2698865C1 (en) | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy | |
| KR102883628B1 (en) | Method for driving machinery within an ethylene plant steam generation circuit and an integrated ethylene and power plant system | |
| RU2723264C1 (en) | Installation for generation of heat and mechanical energy and method of its regulation | |
| RU2836972C1 (en) | Installation for generation of thermal and mechanical energy and method of its operation | |
| RU2665794C1 (en) | Method and plant for mechanical and thermal energy generation | |
| RU2651918C1 (en) | Method and plant for mechanical and thermal energy generation | |
| RU2693567C1 (en) | Method of operation of steam-gas plant of power plant | |
| RU2740670C1 (en) | Method of operation of steam-gas plant of power plant | |
| RU2561770C2 (en) | Operating method of combined-cycle plant | |
| RU2759793C1 (en) | Installation for producing thermal and mechanical energy and method for its operation | |
| RU2805401C1 (en) | Installation for generating thermal and mechanical energy and method of its operation | |
| RU2377428C1 (en) | Combined gas turbine plant (versions) | |
| RU2848584C1 (en) | Compressorless steam-gas plant for generating thermal and mechanical energy and its operating method | |
| RU2439446C1 (en) | Fluid medium heater | |
| RU2807560C1 (en) | Installation for production of thermal and mechanical energy and method of its operation | |
| CN112400053A (en) | Power plant facility with natural gas regasification |