Способ аккумулирования энергии

Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим как различные виды топлива, так и возобновляемые источники энергии, например энергию солнца, и предназначено для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией различных объектов, имеющих неравномерную энергетическую нагрузку. В способе аккумулирования энергии, в котором в энергоустановку подают из газохранилища сжатый воздух, а также газообразное топливо, продукты сжигания которого используют в периоды увеличения нагрузки электросети для газотурбинного привода мотор-генератора, который в периоды провала нагрузки электросети используют для сжатия воздуха и нагнетания его в газохранилище, по меньшей мере часть сжатого воздуха, отбираемого из газохранилища, используют для проведения паровоздушной конверсии природного газа в адиабатическом реакторе конверсии, продукты которой подают в периоды увеличения нагрузки электросети на сжигание в потоке сжатого воздуха с получением продуктов сгорания, подаваемых на расширение в газотурбинный привод мотор-генератора, а затем на охлаждение в водяном парогенераторе, из которого вырабатываемый водяной пар подают на смешение со сжатым воздухом перед паровоздушной конверсией природного газа. В периоды провала нагрузки электросети перед подачей в газохранилище сжатого воздуха его охлаждают за счет нагрева теплофикационной воды. Изобретение позволяет повысить надежность аккумулирования энергии. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим как различные виды топлива, так и возобновляемые источники энергии, например энергию ветра или солнца, и предназначено для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией различных объектов, имеющих неравномерную энергетическую нагрузку.

Известны энергоустановки, ветроустановки с электрогенераторами или приливные электростанции, преобразующие первичную энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости подводится к различным потребителям электроэнергии. Применяются также различные энергоустановки, преобразующие тепловую (солнечную или геотермальную) энергию в электрическую энергию. Значительный потенциал имеют атомные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как в энергосистеме существуют дневные пики и ночные провалы мощности. Как видно из приведенного перечисления особенностей работы различных энергогенерирующих систем, существует значительная разница во временных графиках выработки и потребления энергии. Таким образом, возникает задача создания энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать потребителя различными видами энергии, вторичными энергоносителями и опресненной водой в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика расхода первичной энергии.

Энергетический потенциал атомных и возобновляемых источников энергии более чем на два порядка превышает потребность в энергии. Использование этого потенциала решит геополитические проблемы, связанные с неравномерностью размещения природных месторождений органического топлива, а также приведет к заметному восстановлению природного экологического потенциала и улучшению состояния окружающей среды.

Выравнивание графика нагрузок энергоисточников за счет применения традиционных накопителей электроэнергии или теплоаккумуляторов увеличивает стоимость производства энергии и усложняет регламент работы.

Предложен цикл воздушно-аккумулирующих газотурбинных установок (ВАГТУ) [см. в книге: Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). Г.Г. Ольховский, В.А. Казарян, А.Я. Столяревский. Из-во: Институт компьютерных исследований, 2011, с.113], представляющий собой вариацию стандартного цикла выработки энергии газовой турбиной. В стандартном цикле выработки электроэнергии газотурбинной электростанцией газовая турбина физически соединена с воздушным компрессором. Таким образом, при работе газовой турбины примерно две трети энергии турбины идет на сжатие воздуха. При использовании установки ВАГТУ цикл сжатия протекает отдельно от циклов сжигания и выработки. Энергия, получаемая в непиковые периоды, или избыточная электроэнергия используется для предварительного сжатия воздуха, который хранится в подземной полости, как правило, в соляной полости. Когда установка ВАГТУ преобразует энергию, сжатый воздух из подземной полости отбирается и нагревается регенератором, а затем смешивается с топливом (природным газом) и расширяется в турбине для выработки энергии. Поскольку мощности турбины для приведения в действие воздушного компрессора более не требуется, турбина того же размера может вырабатывать в три раза больше энергии, используя меньше топлива на каждый генерируемый МВт. Накапливаемый сжатый воздух занимает место газа, который нужно было бы в противном случае сжечь в процессе выработки энергии и использовать для сжатия воздуха компрессором ГТУ.

Концепция ВАГТУ зарекомендовала себя на действующих установках накопления энергии сжатого воздуха. На установках есть блок сжатия, соединенный с блоком генерации общим мотор-генератором и рядом сцеплений. ВАГТУ часто имеет регенератор (воздухо-воздушный теплообменник) для утилизации отработавшего тепла газовой турбины для предварительного нагрева воздуха, поступающего из подземного хранилища. Такие изменения в конструкции повышают тепловую мощность.

При стоимости пиковой электроэнергии на оптовом рынке в 7-10 раз выше ночной суммарная выручка от работы накопителей с учетом оплаты системных услуг обеспечивает инвестиционную привлекательность долгосрочных финансовых вложений в их строительство.

В частности, предложен способ работы ветроэлектростанции с водородным аккумулированием энергии, заключающийся в том, что воду разлагают на кислород и водород, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности создают замкнутый цикл, где воду нагнетают насосом в пароохладитель и электролизер, из которого водород и кислород как компоненты разложения воды собирают в резервуары для раздельного хранения, сжигают в камере сгорания, а продукты сгорания в виде перегретого водяного пара направляют в пароохладитель, где впрыскивают воду и охлаждают перегретый водяной пар, энергию которого посредством паровой турбины, генератора, конденсатора и электрокотла преобразуют в электрическую и тепловую энергию, а конденсат сливают в конденсатную емкость (заявка РФ на изобретение №99102865, дата публикации 2000.12.20). Недостатком данного решения является высокая стоимость и низкая эффективность аккумулирования энергии, что связано с большими затратами на создание и эксплуатацию электролизеров (до 3000 дол. США/кВт) и систем хранения водорода и кислорода, а также относительно низким кпд паротурбинного цикла.

Более экономичное решение предложено в патенте ЕС на изобретение №2378100 (дата публикации 19.10.2011), в котором система производства электроэнергии на основе ВАГТУ включает в себя первый компрессор, второй компрессор, камеру сгорания, сконфигурированную для приема сжатого воздуха из второго компрессора для получения потока выхлопных газов, первую турбину и силовую турбину. Первая турбина, выполненная с возможностью приема потока выхлопных газов, генерирует энергию за счет расширения потока выхлопных газов и служит также приводом для второго компрессора, сжимающего поток газа из подземного хранилища сжатого воздуха. Система включает в себя соединительное устройство, выполненное с возможностью соединения и отделения первого компрессора от второй турбины, соединенной по выхлопу газа с силовой турбиной, питающей электрогенератор, выполненного с возможностью вывода электрической мощности, - аналог. Недостатками данного решения являются относительно низкий кпд производства электроэнергии и необходимость большого объема газохранилища.

Техническим решением по устранению данного недостатка стало предложение ВАГТУ по патенту РФ на изобретение №2273742 - прототип, в котором в энергоаккумулирующей установке, содержащей генератор электрического тока, компрессор, газовую турбину и соединенный с последней резервуар сжатого воздуха, последний выполнен в виде эластичной герметичной оболочки и установлен в гидросреде на глубине, определяемой соотношением рада параметров, в том числе: суммарная площадь поперечного сечения входного отверстия турбины и суммарная площадь поперечного сечения выпускных отверстий резервуара. В часы пониженной нагрузки на энергосистему воздух из атмосферы закачивается компрессором по воздуховодам в резервуар. С начала подачи воздуха давление внутри резервуара устанавливается равным гидростатическому в соответствии с глубиной его погружения. При этом воздух сжимается и его объем уменьшается во столько раз, во сколько гидростатическое давление воды на заданной глубине превышает атмосферное давление воздуха. При пиках нагрузки в энергосистеме сжатый воздух из резервуаров поступает по воздуховодам в газовую турбину с электрогенератором для выработки электроэнергии. В данном предложении недостатком является невысокий КПД и необходимость создания аккумуляторов воздуха высокой стоимости, обусловленной высоким давлением, эластичной оболочкой и большим объемом.

Задача изобретения - это создание способа энергоаккумулирования, в котором за счет утилизации тепловой энергии продуктов сгорания в парогенераторе и применения сжатого воздуха, запасаемого в газохранилище за счет провальной электроэнергии, получают водородосодержащую парогазовую смесь с повышенным содержанием водорода, сжигание которой повышает мощность газовой турбины в пиковом режиме и снижает выбросы вредных веществ, создают условия снижения затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличивают надежность энергоаккумулирующей установки, упрощают ее конструкцию, повышают надежность и улучшают условия эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в способе аккумулирования энергии, в котором в энергоустановку подают из газохранилища сжатый воздух, а также газообразное топливо, продукты сжигания которого используют в периоды увеличения нагрузки электросети для газотурбинного привода мотор-генератора, который в периоды провала нагрузки электросети используют для сжатия воздуха и нагнетания его в газохранилище сжатого воздуха, по меньшей мере часть сжатого воздуха, отбираемого из газохранилища сжатого воздуха, используют для проведения паровоздушной конверсии природного газа в адиабатическом реакторе конверсии, продукты которой подают в периоды увеличения нагрузки электросети на сжигание в потоке сжатого воздуха с получением продуктов сгорания, подаваемых на расширение в газотурбинный привод мотор-генератора, а затем на охлаждение в водяном парогенераторе, из которого вырабатываемый водяной пар подают на смешение со сжатым воздухом перед паровоздушной конверсией природного газа.

Кроме того:

- в периоды провала нагрузки электросети перед подачей в газохранилище сжатого воздуха его охлаждают за счет нагрева теплофикационной воды;

- паровоздушную конверсию природного газа проводят с использованием катализатора;

- газообразное топливо выбирают из ряда, содержащего природный газ, углеводороды, диметиловый эфир, метанол, этиловый спирт или их смеси;

- питательную воду в парогенератор подают из резервуара, пополняемого конденсатом, выделяемым из продуктов сгорания;

- перед подачей в камеру сгорания продукты конверсии охлаждают за счет нагрева входного паровоздушного потока, поступающего на реакцию конверсии, и накапливают в емкости хранения;

- температурный режим конверсии поддерживают изменением расхода и состава входного паровоздушного потока;

- подачу сжатого воздуха, отбираемого из газохранилища, распределяют между камерой сгорания и реактором конверсии путем применения запирающего и/или регулирующего элемента.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.

Наиболее высокой термодинамической эффективности утилизации сбросного тепла газовой турбины можно достичь при получении с помощью этого тепла химических продуктов, при сгорании которых образуется высокотемпературное рабочее тело, срабатываемое в газотурбинном цикле. К числу таких продуктов относится водород, который не только не образует при сгорании вредных продуктов, но и обеспечивает повышение эффективности турбины и позволяет работать на крайне бедной смеси с очень большим коэффициентом избытка воздуха (до λ=9.8 в случае водородо-воздушной смеси). Благодаря наличию в камере сгорания большого количества воздуха, не принимающего участия в сгорании топлива, достигается значительное снижение температуры выхлопных газов и невероятно низкий уровень выбросов NO_x - менее 5 мг/нм³ или 2 ppm, что практически приближается к пределу выявления. При этом увеличение массового расхода рабочего тела приводит к росту мощности турбины. Применение продуктов конверсии, представляющих из себя водородсодержащие смеси с высоким содержанием водорода (до 30-40%), в качестве топливного газа на газотурбинных установках, в том числе - типа ВАГТУ, позволит не только существенно улучшить эксплуатационные характеристики и снизить расход топливного газа, но и значительно снизить эмиссионные показатели. Получение продуктов конверсии водородсодержащего газа согласно изобретению производят путем каталитического процесса паровоздушной конверсии природного газа (метана), в котором используют сжатый воздух, запасенный в газохранилище сжатого воздуха в периоды провала нагрузки электросети, и водяной пар, получаемый в парогенераторе, в котором утилизируют сбросное тепло продуктов сгорания водородсодержащего газа. Отбор тепла от продуктов сгорания, выводимых из газовой турбины, производят как для получения водяного пара, часть которого используют в реакции конверсии метана, а оставшийся поток может быть направлен вместе с потоком продуктов конверсии в камеру сгорания, или на силовую турбину. Тем самым удается с максимально возможной эффективностью использовать энергию продуктов сгорания, отводимых из газовой турбины.

Примером реализации изобретения служит способ аккумулирования энергии, описанный ниже.

На фигуре дана схема реализации способа, где 1 - природный газ, 2 - камера смешения, 3 - паровоздушный поток, 4 - реактор парциального окисления, 5 - продукты конверсии, 6 - камера сгорания, 7 - сжатый воздух-окислитель, 8 - продукты сгорания, 9 - газовая турбина, 10 - мотор-генератор, 11 - электроэнергия, 12 - дымовые газы, 13 - парогенератор, 14 - питательная вода, 15 - резервуар питательной воды, 16 - водяной пар, 17 - ресивер, 18 - сжатый воздух-реагент, 19 - узел распределения, 20 -сжатый воздух, 21 - газохранилище сжатого воздуха, 22 - трубы подачи воздуха, 23 - воздух из компрессора, 24 - теплофикационный теплообменник, 25 - компрессор, 26 - воздух из атмосферы.

Способ осуществляется следующим образом.

В периоды увеличения нагрузки электросети природный газ 1 подают в камеру смешения 2, в которую направляют также паровоздушный поток 3 высокого давления. За счет окисления природного газа температура смеси при давлении свыше 2.0 МПа повышается до 1100-1200°С и образуется нагретая реакционная смесь, поступающая в каталитический реактор парциального окисления 4, в котором смесь конвертируется в продукты конверсии 5, направляемые с температурой около 700°С в камеру сгорания 6, в которую также направляют сжатый воздух 7. Для коррекции состава газов в камеру сгорания 6 могут подавать дополнительный поток природного газа 1. Образующиеся в камере сгорания 6 продукты сгорания 8 с температурой 1100-1400°С подают на вход газовой турбины 9, в которой продукты сгорания 8 расширяются и превращаются в дымовые газы низкого давления с температурой 450°С, которые направляют в парогенератор 13, а затем в атмосферу. Перед камерой сгорания 6 продукты конверсии 5 могут накапливать в емкости хранения (на фигуре не показана). В парогенераторе 13 из питательной воды 14, отбираемой из резервуара 15, производят водяной пар высокого давления 16, который подают на смешение со сжатым воздухом 18 в ресивере 17. Целесообразно из охлажденных в парогенераторе 13 дымовых газов 12, направляемых в атмосферу в контактном конденсаторе (на чертеже не показан) выводить воду, конденсируя водяной пар низкого давления, содержащийся в продуктах сгорания 12, сбрасываемых после этого в атмосферу 11. Конденсацию ведут охлажденной водой. Часть конденсата после насоса (на чертеже не показан) направляют в резервуар питательной воды 15.

В периоды провала нагрузки электросети в компрессоре 25 сжимают воздух 26, забираемый из окружающей среды, подают его в газохранилище сжатого воздуха 21, предварительно охлаждая его в теплофикационном теплообменнике 24, в котором нагревают теплоноситель - теплофикационную воду, подаваемую в сеть отопления и горячего водоснабжения.

В качестве механической нагрузки турбины 9 помимо мотор-генератора 10 (в периоды увеличения нагрузки электросети) может выступать компрессор воздуха 25 (в периоды провала нагрузки электросети).

Реакцию в каталитическом реакторе 4 ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, для повышения работоспособности которого перед смешением природного газа 1 с паровоздушным потоком 3 проводят очистку природного газа от соединений серы.

Давление водяного пара 16 высокого давления выбирают в диапазоне ориентировочно от 2.0 до 9.0 МПа, максимально приближая его к давлению на входе в газовую турбину 9. Предложенный способ энергоаккумулирования по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

- повышается мощность газовой турбины 9 и общая вырабатываемая пиковая энергия, поскольку требуемый расход энергии, подводимой в пиковом режиме от стороннего энергоисточника, составляет только 20-30% от энергии, подводимой к рабочему телу от стороннего источника в прототипном техническом решении;

- повышается надежность работы установки и снижается стоимость производства энергии за счет резкого (на 40-50%) снижения подачи природного газа в установку, подаваемого со стороны, что исключает также и зависимость от подвозки рабочего тела на площадку размещения установки;

- обеспечивается полная экологическая безопасность предложенного способа аккумулирования энергии, поскольку резко снижается эмиссия вредных соединений в окружающую среду;

- с помощью теплофикационных аккумуляторов в предложенном способе аккумулирования энергии запасается любое требуемое количество энергии, достаточное для обеспечения отопительных нагрузок и горячего водоснабжения даже в периоды перерыва в подводе тепловой энергии от стороннего источника;

- обеспечивается возможность применения данной установки для выработки пиковой электроэнергии и снабжения различных объектов тепловой энергией и холодом в режиме разуплотненного графика их потребления;

- технически просто и надежно обеспечивается возможность аккумулирования провальной ночной энергии, отпускаемой по сниженному тарифу;

- обеспечивается возможность эффективной утилизации сбросного тепла различных тепловых двигателей, а также расширяется возможность применения возобновляемых природных источников энергии, обладающих значительным ресурсным потенциалом и в то же время высокой неравномерностью поступления их энергии, а также дополнительного повышения эффективности установки в холодные климатические периоды;

- повышается надежность работы и снижается стоимость предложенного способа аккумулирования энергии за счет умеренных по температуре и давлению параметров рабочего тела.

Так, например, при расходе в период выдачи пиковой энергии 100 тыс. м³ воздуха/ч и подводе природного газа 1 с расходом 20 т/ч (около 35 тыс.м³/ч) в реактор 4 с подачей образующихся продуктов конверсии 5 в камеру сгорания 6 в газовой турбине 9 при расширении рабочего тела до давления 0.1 МПа вырабатывается 200 МВт электрической энергии. Высокое значение противодавления в газовой турбине 9 резко сокращает габариты и стоимость турбины. Для выдачи пиковой мощности в течение 8 ч/сутки емкость подземной полости газохранилища сжатого воздуха 21 составит около 0.4 млн м³, что освоено в отечественной практике, имеющей опыт создания подземных газохранилищ с давлением 10-12 МПа и емкостью около 1 млрд куб. м активного газа.

Дополнительным положительным свойством данной энергоаккумулирующей установки является возможность использования уже существующих материалов, технических решений и оборудования, необходимых для ее создания.

Таким образом, указанный способ позволит за счет утилизации тепловой энергии продуктов сгорания в парогенераторе и применения сжатого воздуха, запасаемого в газохранилище за счет провальной электроэнергии, получить водородосодержащую парогазовую смесь с повышенным содержанием водорода, сжигание которой повышает мощность газовой турбины в пиковом режиме и снижает выбросы вредных веществ, создать условия снижения затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличения надежности энергоаккумулирующей установки, упрощения ее конструкции, повышения надежности и улучшения условий эксплуатации.

1. Способ аккумулирования энергии, в котором в энергоустановку подают из газохранилища сжатый воздух, а также газообразное топливо, продукты сжигания которого используют в периоды увеличения нагрузки электросети для газотурбинного привода мотор-генератора, который в периоды провала нагрузки электросети используют для сжатия воздуха и нагнетания его в газохранилище сжатого воздуха, отличающийся тем, что по меньшей мере часть сжатого воздуха, отбираемого из газохранилища сжатого воздуха, используют для проведения в каталитическом реакторе парциального окисления паровоздушной конверсии природного газа, продукты которой подают в периоды увеличения нагрузки электросети на сжигание в потоке сжатого воздуха с получением продуктов сгорания, подаваемых на расширение в газовую турбину, а затем на охлаждение в водяном парогенераторе, из которого вырабатываемый водяной пар подают на смешение со сжатым воздухом перед паровоздушной конверсией природного газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в периоды провала нагрузки электросети перед подачей в газохранилище сжатого воздуха его охлаждают за счет нагрева теплофикационной воды.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что паровоздушную конверсию природного газа проводят с использованием катализатора.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газообразное топливо выбирают из ряда, содержащего природный газ, углеводороды, диметиловый эфир, метанол, этиловый спирт или их смеси.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что питательную воду в парогенератор подают из резервуара питательной воды, пополняемого конденсатом, выделяемым из продуктов сгорания.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перед подачей в камеру сгорания продукты конверсии охлаждают за счет нагрева входного паровоздушного потока, поступающего на реакцию конверсии, и накапливают в емкости хранения.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что температурный режим конверсии поддерживают изменением расхода и состава входного паровоздушного потока.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что подачу сжатого воздуха, отбираемого из газохранилища сжатого воздуха, распределяют между камерой сгорания и реактором конверсии путем применения запирающего и/или регулирующего элемента.