Способ преобразования энергии

Изобретение относится преимущественно к способам преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую. Способ преобразования энергии предусматривает подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и парометановодородной смеси, расширение продуктов ее сгорания в газотурбинной установке; последующее их охлаждение в утилизаторе путем испарения с образованием водяного пара высокого давления, который смешивают с природным газом с получением метансодержащей парогазовой смеси, которую пропускают через каталитический реактор конверсии метана с образованием на выходе парометановодородной смеси, охлаждаемой затем до температуры, не превышающей температурный диапазон 200÷240°C, с одновременной частичной конденсацией водяного пара, содержащегося в парометановодородной смеси, подаваемой в охлажденном виде в камеру сгорания газотурбинной установки; получение из конденсата водяного пара низкого давления, направляемого в свободную силовую газовую турбину. В каталитический реактор реформирования метана подают поток сжатого воздуха, отбираемого из компрессора газотурбинной установки. Водяной пар из утилизатора делят на два потока: высокого и низкого давления, в поток водяного пара низкого давления добавляют пар, который получают из конденсата путем его испарения и перегрева за счет охлаждения парометановодородной смеси, выходящей из реактора. Изобретение позволяет повысить эффективность генерации энергии, снизить расход топлива, уменьшить потери, связанные с недостаточным расширением продуктов сгорания в турбине, повысить надежность работы газотурбинной установки. 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к способам преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), преимущественно к энергетическим и транспортным установкам и системам энергообеспечения на их основе и предназначено для стационарных и транспортных средств, снабженных газотурбинным приводом.

Известны способы преобразования тепловой преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), в том числе в газотурбинных энергоустановках, преобразующих первичную энергию в электрическую. Предложен, в частности, способ и устройство генерации энергии, в котором с целью повышения эффективности окислитель (воздух) сжимают компрессором, нагревают, а затем направляют в камеру сгорания, в которую подают также часть топлива и нагретый регенеративно поток окислителя и из которой продукты сгорания направляют в газовую турбину, охлаждают входящим потоком окислителя и направляют в топливный элемент на электрохимическое окисление другой части топлива, продукты реакции которого охлаждают потоком окислителя, направляемого в камеру сгорания (патент US №7709118). Недостатком данного решения является низкая надежность и эффективность генерации энергии, что связано с увеличенными затратами топлива, а также относительно низким КПД газотурбинного преобразования.

Известен также способ производства электрической энергии из природного газа, с использованием топливного элемента на твердом оксиде, содержащий стадии электрохимического окисления природного газа, прошедшего предварительное расширение и нагрев природного газа выходящим из топливного элемента потоком (Патент РФ №2199172). Недостатком данного способа и устройства также является низкая температура на входе в турбину, что снижает КПД.

В частности, увеличением рабочего тела, производимого при утилизации сбросных газов ГТУ, определенное повышение КПД достигается в способе и устройстве парогазовой установки контактного типа (КПГУ), содержащей газотурбинную установку (ГТУ), паровой котел-утилизатор (КУ), сообщенный на выходе по пару с входом (входами) ГТУ по пару, на входе греющего теплоносителя (газа) - с выходом ГТУ по газу, и газоохладитель-конденсатор, сообщенный на выходе по конденсату со входом КУ по конденсату, отличающейся тем, что КПГУ содержит дожимной компрессор, сообщенный на входе по сжимаемому газу с выходом газоохладителя-конденсатора по газу, на выходе по газу - с внешней средой, и газовую турбину перерасширения, сообщенную на входе по газу с выходом КУ по газу, на выходе по газу - с входом газоохладителя-конденсатора по газу, при этом ротор газовой турбины перерасширения связан с роторами ГТУ и (или) дожимного компрессора (патент РФ на изобретение №2252325, опубл. 20.05.2005 Бюл. №14). Недостатком данного решения является невысокая степень расширения в ГТУ, связанная с понижением параметров на входе в турбину ГТУ.

Частично этот недостаток устранен в способе подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки (ГТУ), включающем подачу в камеру сгорания углеводородного топлива и воздуха из-за компрессора, при этом часть топлива до подачи его в камеру сгорания пропускают через катализатор, отличающемся тем, что топливо перед подачей на катализатор смешивают с воздухом, нагревают катализатор и с его помощью осуществляют автотермическую воздушную конверсию с получением газовой смеси, содержащей водород и окись углерода (патент РФ на изобретение №2212590, опубл. 20.09.2003 - аналог). Недостатком данного способа служит низкая степень утилизации сбросного тепла ГТУ и, как следствие, - относительно низкий КПД.

Дальнейшим развитием предложенной в аналоге концепции явился способ работы газотурбинной установки, предусматривающий подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и парометановодородной смеси, расширение продуктов ее сгорания в газовой турбине, охлаждение путем испарения или перегрева водяного пара высокого давления, конденсацию водяного пара низкого давления, содержащегося в продуктах сгорания, испарение и перегрев конденсата с образованием водяного пара высокого давления, направляемого в газотурбинную установку, где поступающий природный газ смешивают с водяным паром высокого давления с получением метансодержащей парогазовой смеси, которую нагревают потоком указанных продуктов сгорания в теплообменнике, пропускают через каталитический реактор реформирования метана с образованием на выходе парометановодородной смеси, подаваемой в камеру сгорания газотурбинной установки, отличающийся тем, что повышают температуру теплообменных процессов газотурбинной установки путем дополнительного сжигания топлива в потоке продуктов сгорания парометановодородной смеси, отбираемом на выходе из дополнительной свободной силовой газовой турбины, а перед подачей в камеру сгорания парометановодородной смеси ее предварительно охлаждают до температуры, не превышающей температурный диапазон 200÷240°C, с одновременной частичной конденсацией водяного пара, конденсат отделяют, испаряют и расходуют при подготовке метансодержащей парогазовой смеси и водяного пара низкого давления, который пропускают через дополнительную свободную силовую газовую турбину (патент РФ на изобретение №2561755, опубл.: 10.09.2015. Бюл. №25 - прототип). Недостаток данного способа преобразования энергии в газотурбинной установке - недостаточно высокая эффективность генерации энергии, связанная с необходимостью дожигания топлива в потоке продуктов сгорания, а также потери, связанные с недостаточным расширением продуктов сгорания в турбине.

Таким образом, возникает задача создания способа преобразования энергии в газотурбинной установке, способного обеспечивать высокую эффективность генерации энергии.

Задача изобретения - создать способ преобразования энергии в газотурбинной установке, позволяющий повысить эффективность генерации энергии, снизить расход топлива, уменьшить потери, связанные с недостаточным расширением продуктов сгорания в турбине, повысить надежность работы газотурбинной установки за счет дополнительных возможностей регулирования ее температурных и мощностных режимов вне зависимости от режима газовой турбины, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения.

Технический результат, достигаемый в способе преобразования энергии относительно его прототипа, выражается в улучшении эксплуатационных характеристик путем наиболее полного использования энергии отводимых продуктов сгорания, повышении мощности установки, сокращении расхода природного газа на 16%, а также в повышении эффективного КПД на 8% отн.

Поставленная задача в способе преобразования энергии предусматривает подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и парометановодородной смеси, расширение продуктов ее сгорания в газотурбинной установке, последующее их охлаждение в утилизаторе путем испарения с образованием водяного пара высокого давления, который смешивают с природным газом с получением метансодержащей парогазовой смеси, которую пропускают через каталитический реактор конверсии метана с образованием на выходе парометановодородной смеси, охлаждаемой затем до температуры, не превышающей температурный диапазон 200÷240°C, с одновременной частичной конденсацией водяного пара, содержащегося в парометановодородной смеси, подаваемой в охлажденном виде в камеру сгорания газотурбинной установки, и получение из конденсата водяного пара низкого давления, направляемого в свободную силовую газовую турбину,

решается тем, что в каталитический реактор реформирования метана подают поток сжатого воздуха, отбираемого из компрессора газотурбинной установки.

Кроме того:

- водяной пар из утилизатора делят на два потока: высокого и низкого давления, в поток водяного пара низкого давления добавляют пар, который получают из конденсата путем его испарения и перегрева за счет охлаждения парометановодородной смеси, выходящей из реактора;

- парометановодородную смесь перед камерой сгорания смешивают с природным газом;

- температуру парометановодородной смеси на выходе из реактора поддерживают в диапазоне 500÷600°C;

- соотношение воздух/пар на входе в реактор поддерживают в диапазоне 0.5÷1.5;

- перед реактором осуществляют подогрев воздуха, водяного пара и природного газа за счет охлаждения парометановодородной смеси, выходящей из реактора;

- в качестве катализатора в реакторе используют металл, выбранный из ряда никель, рутений, родий, палладий, иридий, нанесенных на огнеупорные оксиды, такие как кордиерит, муллит, оксид хрома, титанат алюминия, шпинели, диоксид циркония и оксид алюминия;

- давление на входе в свободную силовую газовую турбину поддерживают в диапазоне 0.2÷0.4 МПа.

Примером реализации изобретения служит способ преобразования энергии в газотурбинной установке со свободной силовой газовой турбиной, описанный ниже.

В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве топлива применяется природный газ, в качестве окислителя - воздух, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам окисления природного газа и расширения продуктов сгорания природного газа в газовой турбине, в частности на транспортных или стационарных энергоустановках.

На фигуре дана схема реализации способа, где 1 - воздух, 2 - компрессор, 3 - сжатый воздух, 4 - камера сгорания, 5 - технологический воздух, 6 - парометановодородная смесь, 7 - продукты сгорания, 8 - турбина высокого давления, 9 - поток рабочего тела, 10 - силовая турбина, 11 - дымовые газы, 12 - утилизатор, 13 - питательная вода, 14 - сбросные газы, 15 - водяной пар, 16 - теплообменник, 17 - природный газ, 18 - реактор конверсии, 19 - конвертированный газ, 20 - охладитель, 21 - охлажденная парометановодородная смесь, 22 - природный газ, 23 - вывод конденсата, 24 - водяной пар низкого давления, 25 - пароперегреватель, 26 - подвод природного газа.

Способ осуществляется следующим образом.

Воздух низкого давления 1 сжимают в компрессоре 2. Затем сжатый воздух 3 подают в камеру сгорания 4, в которую подают также парометановодородную смесь 6 в качестве топлива. Продукты сгорания 7 подают из камеры сгорания 4 в турбину высокого давления 8, в которой проводят расширение продуктов сгорания 7, смешиваемых затем с водяным паром низкого давления 24 с образованием рабочего тела 9, приводящего в действие свободную силовую газовую турбину 10 газотурбинной установки. В камеру сгорания 4 газогенератора подают одновременно парометановодородную смесь 6, поступающую из каталитического реактора конверсии 18, природный газ 26 и сжатый компрессором 2 воздух 3.

Работа реактора конверсии 18 для получения парометановодородной смеси 6, подаваемой в камеру сгорания 4 газотурбинной установки, осуществляется при подаче в реактор конверсии 18 сжатого компрессором 2 воздуха 5, который служит окислителем парометановой смеси, подаваемой также в реактор конверсии 18.

Поток дымовых газов 11, отбираемых на выходе из свободной силовой газовой турбины 10, направляют на последующее их охлаждение в утилизаторе 12 путем испарения питательной воды 13 с образованием водяного пара 15, часть которого в виде пара высокого давления смешивают с природным газом 17 с получением парометановой смеси, которую пропускают через каталитический реактор конверсии 18 с образованием нагретой парометановодородной смеси 19. Температуру парометановодородной смеси на выходе из реактора конверсии 18 поддерживают в диапазоне 500÷600°C. Затем парометановодородную смесь 19 охлаждают в теплообменнике 16 и охладителе 20 до температуры, не превышающей температурный диапазон 200÷240°C. В охладителе 20 происходит охлаждение и частичная конденсация водяного пара, содержащегося в парометановодородной смеси 19, Полученный конденсат 23 испаряют и после нагрева в пароперегревателе 25 в виде перегретого водяного пара низкого давления 24 смешивают с потоком рабочего тела 9 и направляют в свободную силовую газовую турбину 10.

Охлажденные в утилизаторе 12 низкотемпературные сбросные газы 14 с пониженным содержанием оксидов азота сбрасывают в атмосферу.

В каталитическом реакторе конверсии 18 в результате процесса реформирования метана образуется парометановодородная смесь 19 с заданными техническими характеристиками, ниже представленными в таблице.

В таблице приведены составы и теплофизические характеристики извлекаемой из каталитического реактора конверсии 18 парометановодородной смеси (ПМВС) 19. Данные на 10000 м3/ч парометановодородной смеси 19.

В пересчете по сухому газу концентрация водорода, содержащегося в метановодородной смеси 19 на выходе из каталитического реактора 18, в процентном отношении составляет около 40%.

Величину давления в потоках парометановодородной смеси 19 и водяного пара высокого давления 15 поддерживают в диапазоне 2,0-8,0 МПа, максимально приближая ее к величине давления на входе в газовую турбину 8.

Каталитический реактор конверсии 18 может быть разделен на два реактора, при этом реформирование метана метансодержащей парогазовой смеси в первом и втором каталитических реакторах ведут поочередно, без подвода тепловой энергии и на однотипном катализаторе, в качестве которого в реакторе конверсии 18 используют металл, выбранный из ряда никель, рутений, родий, палладий, иридий, нанесенный на огнеупорные оксиды, такие как кордиерит, муллит, оксид хрома, титанат алюминия, шпинели, диоксид циркония и оксид алюминия.

Соотношение воздух/пар на входе в реактор конверсии 18 поддерживают в диапазоне 0.5÷1.5.

Перед реактором конверсии 18 осуществляют подогрев воздуха 5, водяного пара 15 и природного газа 17 за счет охлаждения парометановодородной смеси 19, выходящей из реактора конверсии 18.

Давление на входе в свободную силовую газовую турбину 10 поддерживают в диапазоне 0.2÷0.4 МПа.

Для повышения производительности и ресурса работы каталитического реактора конверсии 18 исходный природный газ 17 предварительно очищают от соединений серы.

В процессе реализации излагаемого способа генерации энергии могут использоваться возможности нагрева водяного пара низкого давления 24 с помощью внешнего подвода тепла, например высокотемпературного ядерного реактора (на фигуре не показан).

Таким образом, указанный способ позволит повысить возможности генерации энергии, снизить расход топлива, уменьшить потери, связанные с недостаточным расширением продуктов сгорания в турбине, повысить надежность работы газотурбинной установки за счет дополнительных возможностей утилизации тепловой энергии на различных температурных и мощностных режимах газовой турбины, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения - задача изобретения.

1. Способ преобразования энергии в газотурбинной установке со свободной силовой газовой турбиной, предусматривающий подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и парометановодородной смеси, расширение продуктов ее сгорания в газотурбинной установке, последующее их охлаждение в утилизаторе путем испарения с образованием водяного пара высокого давления, который смешивают с природным газом с получением метансодержащей парогазовой смеси, которую пропускают через каталитический реактор реформирования метана с образованием на выходе парометановодородной смеси, охлаждаемой затем до температуры, не превышающей температурный диапазон 200÷240°С, с одновременной частичной конденсацией водяного пара, содержащегося в парометановодородной смеси, подаваемой в охлажденном виде в камеру сгорания газотурбинной установки, и получение из конденсата водяного пара низкого давления, направляемого в свободную силовую газовую турбину, отличающийся тем, что в каталитический реактор реформирования метана подают поток сжатого воздуха, отбираемого из компрессора газотурбинной установки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что водяной пар из утилизатора делят на два потока: высокого и низкого давления, в поток водяного пара низкого давления добавляют пар, который получают из конденсата путем его испарения и перегрева за счет охлаждения парометановодородной смеси, выходящей из реактора.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что парометановодородную смесь перед камерой сгорания смешивают с природным газом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру парометановодородной смеси на выходе из реактора поддерживают в диапазоне 500÷600°С.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение воздух/пар на входе в реактор поддерживают в диапазоне 0.5÷1.5.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед реактором осуществляют подогрев воздуха, водяного пара и природного газа за счет охлаждения парометановодородной смеси, выходящей из реактора.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катализатора в реакторе используют металл, выбранный из ряда никель, рутений, родий, палладий, иридий, нанесенных на огнеупорные оксиды, такие как кордиерит, муллит, оксид хрома, титанат алюминия, шпинели, диоксид циркония и оксид алюминия.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление на входе в свободную силовую газовую турбину поддерживают в диапазоне 0.2÷0.4 МПа.



 

Похожие патенты:

Двухкамерная газотурбинная установка содержит последовательно расположенные компрессор (1), первую камеру сгорания (2), турбину высокого давления (3), вторую камеру сгорания (4), турбину низкого давления (5) и газовоздушный теплообменник (7).

Изобретение относится к способу дооборудования уже существующей газотурбинной электростанции. Способ, в котором осуществляют аэродинамическое соединение эксплуатируемой на объекте газовой турбины простого цикла с трубопроводом дымового газа, пригодным для проведения выработанного газовой турбиной дымового газа, соединение трубопровода дымового газа с устройством выработки пара, которое аэрогидродинамически объединено с водно-паровым контуром устройства выработки электрического тока, аэродинамическое соединение устройства отделения СО2 с трубопроводом дымового газа для отделения СО2 из дымового газа в трубопроводе дымового газа и электрическое соединение устройства выработки электрического тока с устройством отделения СО2, причем электрический ток, вырабатываемый водно-паровым контуром устройства выработки электрического тока, обеспечивает независимое электропитание устройства отделения СО2.

Изобретение относится к энергетике. Газоперекачивающий агрегат, содержащий воздушный тракт, содержащий, в свою очередь, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, вал, соединяющий компрессор и газовую турбину, свободную турбину, соединенную с газовым компрессором, и систему подачи топливного газа в камеру сгорания с топливопроводом, причём система подачи топливного газа содержит электролизер воды и смеситель водорода и кислорода с топливным газом, установленным перед камерой сгорания, при этом к смесителю присоединена система подачи воды.

Изобретение относится к энергетике. Способ нагружения паровой турбины, включающий: прием коэффициента нагружения турбины; прием текущей температуры отработанного пара паровой турбины; определение параметра скорости линейного изменения потока пара и параметра скорости линейного изменения температуры пара частично на основании коэффициента нагружения турбины и текущей температуры отработанного пара паровой турбины, при этом параметр скорости линейного изменения потока пара и параметр скорости линейного изменения температуры пара определяют частично на основании обратного соотношения между параметром скорости линейного изменения потока пара и параметром скорости линейного изменения температуры пара.

Изобретение относится к энергетике. Система для генерирования энергии содержит компрессор, теплообменник и ионопроницаемую мембрану.

Топливная система (8) и способ её промывки для газопаротурбинной установки с интегрированной газификацией угля, включающей газовую турбину (1). Топливная система (8) подключена к камере (3) сгорания газовой турбины (1) и содержит устройство (10) для газификации природного топлива и газопровод (9), ответвляющийся от устройства (10) для газификации и соединенный с камерой (3) сгорания газовой турбины (1).

Изобретение относится к способу и устройству реформинга углеводородов. Способ включает сжигание расширенного выпуска из турбины и первого топлива внутри первой реформинг-установки, чтобы произвести отработавший газ.

Способ эксплуатации газотурбинной комбинированной теплоэлектростанции, содержащей компрессорную установку и турбинную установку, заключается в том, что полезную работу отбирает по меньшей мере одно устройство, имеющееся в станции, при котором производят топочные газы камерой сгорания, установленной перед турбинной установкой.

Изобретение относится к области энергетики и двигателестроения и предназначено в качестве энергоустановки для генерации тепловой и электрической энергии. Установка содержит детонационную камеру бескислородного разложения ацетилена на газообразный водород и углерод в виде наночастиц, которая соединена с сепаратором для отделения углерода.

Изобретение относится к энергетике. Парогазовая установка с пароприводным дозатором-компрессором газового топлива содержит газотурбинный двигатель с камерой сгорания и регулирующим клапаном по топливу, турбогенератор, энергетическую паровую турбину, установленную на валу турбогенератора, котел-утилизатор с паровыми контурами одного или более давлений, систему трубопроводов газа, пара и воды с регулирующей и запорной арматурой, причём установка также содержит компенсационную турбину, установленную на одном валу с приводной паровой турбиной и дозатором-компрессором в общем герметичном корпусе со стороны дозатора-компрессора.

Газотурбодетандерная энергетическая установка газораспределительной станции содержит турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, газотурбинную установку с компрессором низкого давления, камерой сгорания и газовой турбиной, электрогенератор, газопровод топливного газа, выходную газовую магистраль, обводную магистраль с редукционной установкой, систему управления, теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления, теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения тепловой энергии:- автономно для подачи перегретого пара на промышленные и бытовые теплообменники, турбоустановки, турбогенераторы и другие потребители перегретого водяного пара;- в ядерных энергетических установках с реакторами типа ВВЭР как для непосредственного перегрева насыщенного пара, так и для смешения насыщенного пара с перегретым паром с целью повышения коэффициента полезного действия, увеличения мощности, сокращения расхода охлаждающей воды, понижение влажности пара перед последними ступенями турбин, что позволит заменить турбины влажного пара на турбины перегретого пара для атомных электрических станций и транспортных установок, например, судовых и корабельных с повышением коэффициента полезного действия, мощности, надежности и безопасности эксплуатации;- по мощности и своим весогабаритным характеристикам энергетическая установка может быть использована в транспортных энергоустановках железнодорожного типа;- при заводском блочном исполнении агрегатов установки она может доставляться на стройплощадку посредством: автомобильного транспорта, например трейлер с тягачом типа «Faun», воздушным транспортом транспортным самолетом типа «Руслан», экранопланом, водным транспортом речным и морским.

Изобретение относится к способу комбинированного производства электроэнергии и получения обогащенного водородом газа паровым риформингом углеводородной фракции.

Изобретение относится к отраслям промышленности, где имеются взрывоопасные объекты, и вследствие этого в ходе выполнения технологических операций и аварийных ситуациях требуется приготовление и нагнетание (в том числе под большим давлением) инертных (нейтральных в углеводородной среде, не содержащих кислород) газов или газожидкостных смесей.

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, где осуществляется приготовление и нагнетание под большим давлением нейтральных газожидкостных смесей для предотвращения воспламенения углеводородных смесей.

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, где осуществляется приготовление и нагнетание под большим давлением нейтральных (инертных) газожидкостных смесей для предотвращения воспламенения углеводородных газовых и газожидкостных смесей.

Изобретение относится к области газотурбостроения и может быть использовано для создания установок тушения пожаров, включая лесные, газонефтяные, пожаров в зданиях, книгохранилищах и др.

Изобретение относится к автономным комплексным устройствам каталитического риформинга углеводородного сырья на базе газотурбинного привода при одновременной выработке и промышленной электроэнергии и получении ароматических углеводородов, неэтилированных высокооктановых бензинов и т.п.
Наверх