Способ выработки электроэнергии

Способ выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, сжигающих органическое топливо и оборудованных газотурбоэлектрогенераторами, осуществляют путем ввода в экзотермореакторную камеру под давлением потоков кислорода, топлива и газового балласта. Затем получают также под давлением горячие продукты сгорания и подают их в рабочую полость турбины для передачи вращательного усилия приводу электрогенератора. В качестве газового балласта используют собственные продукты сгорания и осуществляют дополнительную выработку электроэнергии азотом. На выработку электроэнергии подают вначале ожиженные, а затем сжатые потоки кислорода и азота, нагреваемые перед вводом в экзотермореакторную камеру в системе ее охлаждения, а также теплом выводимых в атмосферу потоков продуктов сгорания и азота. Нагретый поток азота направляют на дополнительный газотурбоэлектрогенератор. Возвращаемые продукты сгорания ожижают и в ожиженном состоянии сжимают и нагревают перед вводом в экзотермореакторную камеру. Изобретение направлено на снижение выбросов оксидов азота и энергозатрат при выработке электроэнергии. 3 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, сжигающих органическое топливо и оборудованных газотурбоэлектрогенераторами.

Известен способ выработки электроэнергии путем ввода в экзотермореакторную камеру под давлением потоков воздуха, топлива и инертного газа (пара, другого балласта), получения также под давлением продуктов сгорания, подачи их в рабочую полость турбины, передачи вращательного усилия приводу электрогенератора, вывода в атмосферу, использования в качестве газового балласта собственных продуктов сгорания и охлаждения экзотермореакторной камеры (см. книгу Я.И.Шнеэ. Газовые турбины. М.: Машгиз. 1960. - 560 с.). Недостаток способа - высокие удельные энергозатраты на сжатие воздуха перед экзотермическим реактором.

Известен способ выработки электроэнергии путем использования ввода в экзотермореакторную камеру под давлением потоков кислорода, топлива и воды (патент РФ №2028541; F23C 11/00 от 10.10.89 г.; БИ №4, 1995 г.). При реализации способа снижается выход оксидов азота в атмосферу. Его недостаток - значительная удаленность от электростанции специализированного предприятия получения кислорода, а также невозможность использования воды в районах, где нет ее источника.

Известен способ выработки электроэнергии путем сжатия воздуха в компрессоре, его нагрева и подачи на турбину; при этом нагрев осуществляют в камере сгорания, горячие газообразные продукты отводят в теплообменник системы отопления и далее в атмосферу (см. патент Австрии №399372; F02C 1/04 от 27.12.83 г.). Недостаток способа - ограниченная область применения: только при наличии системы отопления.

Известен способ выработки электроэнергии путем использования инертных газов в качестве газообразного балласта для ввода в камеру экзотермического реагирования и получения продуктов сгорания (см. патент РФ№2039911; F23D 17/00 от 26.06.91 г.; БИ №20, 1995 г.). Способ позволяет снизить выход оксидов азота с продуктами сгорания в атмосферу; его недостаток - высокие энергозатраты на сжатие газообразного балласта перед вводом в реакторную камеру.

Известен способ выработки электроэнергии азототурбоэлектрогенератором путем получения азота в установке по производству азотной кислоты, его нагрева промежуточными продуктами экзотермического процесса и подачи на азотную турбину (см. книгу Я.И.Шнеэ. Газовые турбины. - Машгиз. - М. - 1960 г.; с.533-534, фиг.451). Недостатком способа является ограничение выработки электроэнергии только в цикле основного производства азотной кислоты и только в небольшом объеме для собственных нужд (не для отпуска внешнему потребителю).

Известен способ получения азота и кислорода в воздухоразделительной установке (см. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П.Малкова. М., 1973 г., с.309-320). Производство не привязано к источнику выработки электроэнергии, что является его недостатком.

Задачей настоящего изобретения является снижение выбросов оксидов азота и энергозатрат в технологии выработки электроэнергии.

Для решения этой задачи при выработке электроэнергии путем ввода в экзотермореакторную камеру под давлением потоков кислорода, топлива и газового балласта, получения также под давлением горячих продуктов сгорания, подачи их в рабочую полость турбины, передачи вращательного усилия приводу электрогенератора, вывода в атмосферу, использования в качестве газового балласта собственных продуктов сгорания, охлаждения экзотермореакторной камеры и дополнительной выработки электроэнергии азотом, согласно изобретению на выработку электроэнергии подают вначале ожиженные, а затем сжатые потоки кислорода и азота, нагреваемые перед вводом в экзотермореакторную камеру в системе ее охлаждения, а также теплом выводимых в атмосферу потоков продуктов сгорания и азота, нагретый поток азота направляют на дополнительный газотурбоэлектрогенератор, а возвращаемые продукты сгорания ожижают и уже в ожиженном состоянии сжимают и нагревают перед вводом в экзотермореакторную камеру.

Сжатием уже сжиженных азота, кислорода и продуктов сгорания (в основном углекислого газа) минимизируются энергозатраты на собственные нужды рабочего процесса выработки электроэнергии. Собственно разделением воздуха на кислород и азот достигается минимизация выхода вредных оксидов азота в атмосферу. Наличие двух горячих газовых потоков азота и продуктов сгорания, находящихся под давлением, обеспечивает возможность срабатывания их энтальпии в газотурбоэлектрогенераторе при выработке электроэнергии. При этом разделение потоков по турбомашинам позволяет производить отбор незагрязненных продуктов сгорания для их охлаждения и сжижения низкотемпературными потоками кислорода и азота из разделительной установки с последующим сжатием и нагнетанием в экзотермореакторную камеру для регулирования температуры.

На фиг.1 представлена схема установки, реализующей разработанный способ выработки электроэнергии; на фиг.2 - схема дубль-блочной компоновки камер сгорания и газотурбоэлектрогенераторов; на фиг.3 - схема компоновки в плане камер сгорания и азотурбоэлектрогенераторов с поперечными связями.

Установка для реализации способа выработки электроэнергии на фиг.1 содержит обычное промышленное воздухоразделительное устройство 1 (например, разделительную установку низкого давления, описанную в "Справочнике по физико-техническим основам криогеники, под ред. М.П.Малкова. М., Энергия, 1973, с.309-320) с системами нагнетания низкотемпературных продуктов разделения кислорода 2 и азота 3, камеру сгорания 4 с системами охлаждения продуктов сгорания 5, 6, соединительными магистралями кислорода 7, азота 8, отводимых горячих продуктов сгорания 9, отводимого горячего азота 10, газотурбоэлектрогенераторы 11, 12, срабатывающий энтальпийный перепад продуктов сгорания и азота соответственно. При этом патрубки 9 подключены к агрегату 11, а 10 - к агрегату 12. Выхлопные патрубки 13, 14 газотурбоэлектрогенераторов 11, 12 подключены к теплообменникам 15, 16 систем теплоснабжения (ТС) и горячего водоснабжения (ГВС). Участки тракта отработанных газов 17, 18 подключены к системе сброса в атмосферу. К магистрали сброса продуктов сгорания 13, 15, 17 подключен контур 19 возврата газов в камеру сгорания 4 с установкой охлаждения 6 и нагнетателем 20. К камере сгорания 4 подключена система впрыска природного газа 21. Кроме того, предусмотрена установка 22 вымораживания СО₂ для производственных нужд, подключенная к магистрали 8 холодного азота трубопроводом 23. Камеры сгорания 4 и газотурбогенераторы 11, 12 могут иметь схему компоновки в виде дубль-блока (фиг.2) с перераспределительными клапанами расхода газа 24, 25, 26, либо схему с поперечными связями (фиг.3), управляемую клапанами 24, 26. Обозначения позиций 1-23 на фиг.2, 3 те же, что и на фиг.1. Системы розжига и подогрева потоков кислорода и продуктов сгорания перед камерой 4 для организации нормальных процессов воспламенения и горения на фиг.1, 2, 3 условно обозначены позициями 27, 28.

Способ реализуется путем подачи в газотурбоэлектрогенератор 11 продуктов сгорания, полученных в охлаждаемой камере сгорания 4 в результате экзотермического окисления топлива потоками кислорода, последующего их сброса в атмосферу и частичного возврата в камеру сгорания 4, причем охлаждение камеры 4 и экзотермическую реакцию окисления осуществляют потоками азота и кислорода, поступающими из воздухоразделительного устройства 1, нагретый продуктами сгорания поток азота направляют на дополнительный газотурбоэлектрогенератор 12, а продукты сгорания возвращают в камеру 4 после охлаждения и сжижения низкотемператруными продуктами разделения воздуха в установке 6. Забираемый из атмосферы воздух после прохождения очистки от промышленной пыли, углеводородов, масла, влаги поступает на блоки разделения обычного промышленного устройства 1, где азот отделяют от кислорода при температуре 70-90 К и системами нагнетания 2 и 3 направляют в камеру сгорания 4 с системой охлаждения 5. Кислород и азот в камеру сгорания 4 подают по соединительным магистралям 7, 8; отвод продуктов сгорания и нагретого азота осуществляют по патрубкам 9, 10, подключенным к газотурбоэлектрогенераторам 11, 12. В камере сгорания 4 в результате окисления топлива, вводимого из магистрали 21, образуются газообразные продукты, в основном углекислый газ (СО₂) с примесью водяных паров (Н₂О), которые подают в газотурбоэлектогенератор 11 под давлением и температуре, определяемым конструктивными и технологическими особенностями агрегата (обычно, в диапазонах 0,6-7,0 МПа; 1100-1400 К). На газотурбоэлектрогенератор 12 подают азот с близкими параметрами (0,6-7,0 МПа; 1100-1400 К). При вращении роторов газотурбоэлектромашин 11, 12 вырабатывают электричество, снимаемое и передаваемое во внутреннюю и внешние электросети. По патрубкам выхлопа 13 и 14 отработанные газы раздельными потоками вводят в теплообменники 15, 16, для нагрева воды систем теплоснабжения и горячего водоснабжения. Продукты сгорания после охлаждения в теплообменнике 15 и азот после охлаждения в теплообменнике 16 сбрасывают по магистралям 17, 18 в атмосферу. Часть продуктов сгорания забирают из магистрали сброса 17 на возврат в камеру 4 для регулирования температуры, предварительно охладив вплоть до температуры сжижения в теплообменнике 6 и сжав в нагнетателе 20. Для организации нормального воспламенения и горения на магистралях 7 и 19 перед камерой 4 установлены подогреватели потоков 27, 28.

Практическое использование способа выработки электроэнергии в первую очередь связано с миниТЭЦ и привязкой к источникам топливоснабжения, размещаемым, как правило, в стороне от густонаселенных территорий. Кроме того, способ может быть реализован на тепловых электростанциях, сжигающих органическое топливо, в качестве дополнительного мероприятия по выработке электроэнергии (комбинированная выработка электроэнергии по парогазовому циклу). Розжиг и организация горения при сверхнизких температурах, конечно, невозможны. Поэтому соединительные системы 7, 8, 19, 21 перед камерой 4 должны быть оснащены специализированными подогревателями, арматурой и автоматикой, которые, чтобы не загромождать предложение, на фиг.1, 2, 3 условно обозначены позициями 27, 28. Наряду с природным газом может быть использовано жидкое топливо, продукты газификации угля. Предложенный способ выработки позволяет существенно минимизировать как энергозатраты на сжатие рабочих агентов, так и выход вредных оксидов азота в атмосферу, реализовав экологически чистую технологию выработки электроэнергии. При этом применение воздухоразделительного устройства 1 непосредственно в цикле выработки электроэнергии вблизи газотурбоэлектрогенераторов минимизирует энергозатраты на транспорт сжиженных газов, устраняет необходимость в содержании разветвленных служб и средств их хранения и доставки.

Способ выработки электроэнергии путем ввода в экзотермореакторную камеру под давлением потоков кислорода, топлива и газового балласта, получения также под давлением горячих продуктов сгорания, подачи их в рабочую полость турбины, передачи вращательного усилия приводу электрогенератора, вывода в атмосферу, использования в качестве газового балласта собственных продуктов сгорания, охлаждения экзотермореакторной камеры и дополнительной выработки электроэнергии азотом, отличающийся тем, что на выработку электроэнергии подают вначале ожиженные, а затем сжатые потоки кислорода и азота, нагреваемые перед вводом в экзотермореакторную камеру в системе ее охлаждения, а также теплом выводимых в атмосферу потоков продуктов сгорания и азота, нагретый поток азота направляют на дополнительный газотурбоэлектрогенератор, а возвращаемые продукты сгорания ожижают, уже в ожиженном состоянии сжимают и нагревают перед вводом в экзотермореакторную камеру.