Способ и установка для выработки механической и тепловой энергии
Владельцы патента RU 2651918:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) (RU)
Изобретение относится к области теплоэнергетики. Cпособ выработки механической и тепловой энергии осуществляется в установке путем направления горячих газов из камеры сгорания на вход в парогазовую турбину, после которой отработанные в парогазовой турбине газы поступают в блок утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации. Далее сконденсированная вода выводится из блока утилизации тепла и воды, а отработанные газы из блока утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор. Сжатый отработанный газ подают в блок утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода. Далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока утилизации тепла и диоксида углерода. Некоторую часть слитой воды из блока утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания. Некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания. В камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород. Изобретение позволяет увеличить КПД установки за счет повышения средней температуры подвода тепла в термодинамический цикл, повышения регенерации тепла и получения большей работы расширения, за счет использования сконденсированного CO2 в энергетической установке. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для экологически чистой выработки механической и тепловой энергии.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, энергетическая установка для выработки энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива в, по существу, чистом кислороде, раскрытые в патенте на изобретение РФ №2433339, опубликованном 10.11.2011. Способ выработки энергии в энергетической установке посредством сжигания углеродсодержащего топлива в по существу чистом кислороде, при этом способ включает в себя следующие этапы, на которых: (а) подают углеродсодержащее топливо в топку; (b) подают по существу чистый кислород из источника кислорода в топку для сжигания топлива в кислороде для получения отходящего газа, содержащего главным образом диоксид углерода и воду; (с) выпускают отходящий газ из топки посредством канала для отходящего газа; (d) извлекают все количество низкопотенциального тепла из отходящего газа посредством использования множества охладителей для отходящего газа, расположенных в находящейся дальше по потоку части канала для отходящего газа, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла используется для предварительного нагрева питательной воды; (е) превращают предварительно нагретую питательную воду в пар посредством извлечения высокопотенциального тепла на теплопередающих поверхностях, расположенных в топке и в находящейся ближе по потоку части канала для отходящего газа; (f) повышают давление первой части отходящего газа во множестве компрессоров для отходящего газа для получения жидкого диоксида углерода; (g) рециркулируют вторую часть отходящего газа в топку посредством канала для рециркуляции отходящего газа; (h) расширяют пар в паротурбинной системе для приведения в действие генератора мощности; (i) отбирают все количество пара из паротурбинной системы и используют первую часть отобранного пара для предварительного нагрева питательной воды, при этом первая часть извлеченного низкопотенциального тепла составляет более 50% от всего количества извлеченного низкопотенциального тепла, что обеспечивает возможность минимизации первой части отобранного пара, и способ включает в себя дополнительную операцию: (j) расширяют вторую часть отобранного пара в по меньшей мере одной вспомогательной паровой турбине для приведения в действие по меньшей мере одного компрессора или по меньшей мере одного насоса энергетической установки. К недостаткам указанного выше технического решения можно отнести большие эксергетические потери при передаче высокопотенциального тепла в топке на процесс превращения воды в пар. Вследствие этих потерь средняя температура подвода тепла в термодинамический цикл очень низкая и коэффициент полезного действия такого цикла тоже низкий. Также к недостаткам могут быть отнесены и большие затраты энергии на перераспределение сред, используемых в установке, что ведет к уменьшению КПД установки в целом. Кроме того, усложняется регулирование количества CO2, циркулирующего в установке.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.
Технический результат заключается в увеличении КПД установки за счет повышения средней температуры подвода тепла в термодинамический цикл, повышения регенерации тепла и получения большей работы расширения за счет использования высокого давления в установке, а также в увеличении сбора и увеличении контроля циркуляции сконденсированного CO2 в энергетической установке.
Технический результат достигается за счет способа выработки механической и тепловой энергии, который включает в себя этапы, на которых:
(a) горячие газы из камеры сгорания (1) направляют на вход в парогазовую турбину (2), при этом давление в камере сгорания (1) составляет по меньшей мере 7,5 МПа;
(b) отработанные в парогазовой турбине (2) газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в блок (4) утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из блока (4) утилизации тепла и воды;
(c) отработанные газы из блока (4) утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор (3), который сжимает газ до давления, по меньшей мере, 3,5 МПа;
(d) сжатый отработанный газ подают в блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока (5) утилизации тепла и диоксида углерода;
(e) некоторую часть слитой воды из блока (4) утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора (7), который закачивает ее в камеру сгорания (1);
(f) некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора (9), который закачивает его в камеру сгорания (1);
(g) в камеру сгорания (1) топливным насосом-регулятором (22) и кислородным насосом-регулятором (25) подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи нужного количества в камеру сгорания (1);
Этап (b) дополнительно может включать в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов в блоке (4) утилизации тепла и воды:
(i) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с водой, поступающей в камеру сгорания (1);
(j) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с диоксидом углерода и кислородом, поступающим в камеру сгорания (1);
(k) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем потребителя тепла (28);
(k') охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с углеродсодержащим топливом;
(l) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем передачи тепла внешней среде;
(m) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с холодильной машиной.
Этап (d) дополнительно может включать в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода:
(n) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем потребителя тепла (26);
(o) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем передачи тепла внешней среде;
(p) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с холодильной машиной;
(q) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с углеродсодержащим топливом;
(r) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с кислородом.
Способ дополнительно может включать в себя этап (s) ожижения газообразного углеродсодержащего топлива перед топливным насосом-регулятором (22).
Источником (10) кислорода может являться блок получения кислорода из воздуха, при этом способ дополнительно может содержать этап (t) направления жидкого кислорода после кислородного насоса-регулятора (25) в блок ожижения газообразного углеродсодержащего топлива.
Способ дополнительно может включать в себя этап (u), на котором оставшуюся часть сконденсированного диоксида углерода в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода подготавливают для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.
Способ дополнительно может включать в себя этап (v), на котором оставшуюся часть сконденсированной воды в блоке (4) утилизации тепла и воды подготавливают для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.
Температура охлаждения отработанного газа в блоке (4) утилизации тепла и воды и блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода может быть поддержана не ниже 273 К.
Способ дополнительно может включать в себя этап (h), на котором при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) изменение баланса вырабатываемых тепловой и электрических энергий достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного нососов-регуляторов (7 и 9), при этом для получения большего количества тепловой энергии повышается производительность водяного насоса-регулятора, а для получения большего количества электрической энергии повышается производительность углекислотного насоса-регулятора.
Кроме того, технический результат достигается установкой для выработки механической и тепловой энергии, содержащей камеру сгорания (1) и парогазовую турбину (2), газоотводящую систему, которая состоит из последовательно соединенных через углекислотный компрессор (3) блоков утилизации тепла и воды (4) и тепла и диоксида углерода (5), причем выход парогазовой турбины последовательно соединен с блоком (4) утилизации тепла и воды, углекислотным компрессором (3) и блоком (5) утилизации тепла и диоксида углерода, причем блок (4) утилизации тепла и воды включает теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, теплообменник (13) потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, выполненный с возможностью передачи тепла потребителю тепла (28) и теплообменнику (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенному на линии подачи топлива в камеру сгорания (1), теплообменник (14) теплоносителя передачи тепла внешней среде и теплообменник (15) холодильной машины, а блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода включает теплообменник (16) потребителя тепла (26), теплообменник (17) теплоносителя передачи тепла внешней среде, теплообменник (18) холодильной машины, теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода, а вход парогазовой турбины (2) соединен с выходом камеры сгорания (1), которая соединена через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода и насос-регулятор (25) кислорода с источником кислорода (10), через теплообменник (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода и топливный насос-регулятор (22) - с источником углеродсодержащего топлива, через теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды и водяной насос-регулятор (7) - с накопителем воды (6), а через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода и углекислотный насос-регулятор (9) - с накопителем жидкого диоксида углерода (8), причем камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющим по меньшей мере 7,5 МПа, парогазовая турбина (2) выполнена с возможностью выпуска отработавших газов с давлением 0,2-0,9 МПа, углекислотный компрессор (3) выполнен с возможностью сжатия газа до по меньшей мере 3,5 МПа, а водяной и углекислотный насосы-регуляторы (7 и 9) выполнены с возможностью обеспечения закачивания воды и диоксида углерода с давлением по меньшей мере 7,5 МПа.
Вход топливного насоса-регулятора (22) может быть соединен с источником углеродсодержащего топлива через блок ожижения топлива, у которого охлаждающий топливо теплообменник (23) имеет замкнутый контур с теплообменником (24) нагрева кислорода, причем вход кислородного контура теплообменника (24) нагрева кислорода может быть соединен с выходом насоса-регулятора кислорода (25), а его выход - с входом в теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода.
Теплообменники (23 и 24) в блоке ожижения топлива могут быть выполнены с использованием промежуточного теплоносителя.
В качестве промежуточного теплоносителя может быть использован инертный газ с давлением, превышающим давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.
В качестве инертного газа может выступать гелий.
В качестве углеродсодержащего топлива может применяться природный газ, причем давление газа на выходе из источника составляет 0,15-0,25 МПа.
По меньшей мере один теплообменник теплоносителя передачи тепла внешней среде может быть соединен с градирней (21).
Один из входов камеры сгорания (1) может быть соединен со смесителем (29) через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, причем первый вход смесителя (29) может быть соединен с выходом углекислотного насоса-регулятора (9), а другой вход - с насосом-регулятором кислорода через теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода.
На фигуре представлена схема установки для выработки механической и тепловой энергии, включающая следующие элементы:
1 камера сгорания;
2 парогазовая турбина;
3 углекислотный компрессор;
4 блок утилизации тепла и воды;
5 блок утилизации тепла и диоксида углерода;
6 накопитель воды;
7 водяной насос-регулятор;
8 накопитель жидкого диоксида углерода;
9 углекислотный насос-регулятор;
10 источник кислорода;
11 теплообменник регенеративного нагревателя воды;
12 теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода;
13 теплообменник потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;
14 теплообменник теплоносителя передачи тепла внешней среде;
15 теплообменник холодильной машины;
16 теплообменник потребителя тепла;
17 теплообменник теплоносителя передачи тепла внешней среде;
18 теплообменник холодильной машины;
19 теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;
20 теплообменник регенеративного нагревателя кислорода;
21 градирня;
22 топливный насос-регулятор;
23 теплообменник охлаждения топлива;
24 теплообменник нагрева кислорода;
25 насос-регулятор кислорода;
26 потребитель тепла;
27 теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива;
28 потребителя тепла
29 смеситель.
Установка для выработки механической и тепловой энергии содержит камеру сгорания (1), вход которой соединен с источником (10) кислорода и источником углеродсодержащего топлива, а выход соединен с входом парогазовой турбины (2), и газоотводящую систему, которая состоит из последовательно соединенных через углекислотный компрессор (3) блоков утилизации тепла и воды (4) и тепла и диоксида углерода (5). Установка также содержит накопитель воды (6), соединенный с входом камеры сгорания (1) через водяной насос-регулятор (7) и теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, и накопитель (8) жидкого диоксида углерода, соединенный с входом камеры сгорания (1) через углекислотный насос-регулятор (9) и теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода. Камера сгорания (1) также соединена с источником (10) кислорода и источником углеродсодержащего топлива, а один из входов камеры сгорания (1) соединен через теплообменник (12), расположенный в газоотводящей системе, с выходом смесителя (29). Первый вход смесителя (29) соединен с выходом углекислотного насоса-регулятора (9) диоксида углерода, а его второй вход - с выходом насоса-регулятора (25) кислорода через теплообменник (24) нагрева кислорода и теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода в газоотводящей системе.
Выход парогазовой турбины (2) последовательно соединен с блоком (4) утилизации тепла и воды, углекислотным компрессором (3) и блоком (5) утилизации тепла и диоксида углерода, причем блок (4) утилизации тепла и воды включает теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, теплообменник (13) потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, теплообменник (14) теплоносителя передачи тепла внешней среде и теплообменник (15) холодильной машины, а блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода включает теплообменник (16) потребителя тепла (26), теплообменник (17) теплоносителя передачи тепла внешней среде, теплообменник (18) холодильной машины, теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода. Причем по меньшей мере один теплообменник (14, 17) теплоносителя передачи тепла внешней среде заполнен водой и соединен с градирней (21), выполненной, например, сухой, а из линии отбора тепла теплообменником (13) потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, находящегося в блоке утилизации тепла и воды (4), тепло передается потребителю тепла (28) и углерод содержащему топливу через теплообменник (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенный на линии подачи топлива в камеру сгорания (1).
На линиях теплообменников (13-15, 16-18), расположенных в блоках утилизации тепла и воды (4) и тепла и диоксида углерода (5), могут быть расположены насосы. Тепло из теплообменников холодильных машин может быть передано во внешнюю среду с помощью по меньшей мере одной градирни.
На линии подачи топлива в камеру сгорания (1) установлен топливный насос-регулятор (22). В качестве углеродсодержащего топлива может применяется природный газ, причем давление природного газа на выходе из источника углеродсодержащего газообразного топлива составляет 0,15-0,25 МПа. Вход топливного насоса-регулятора (22) соединен с источником углеродсодержащего газообразного топлива через блок ожижения топлива, у которого охлаждающий топливо теплообменник (23) имеет замкнутый контур с теплообменником (24) нагрева кислорода. Вход кислородного контура теплообменника (24) нагрева кислорода соединен с выходом насоса-регулятора кислорода (25), а его выход - с входом в теплообменник (20) блока (5) утилизации тепла и диоксида углерода. Теплообменники (23, 24) в блоке ожижения топлива выполнены с использованием промежуточного теплоносителя. В качестве промежуточного теплоносителя может быть использован инертный газ, например гелий, с давлением, превышающим давление участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.
Заявленное изобретение работает следующим образом.
В камеру сгорания (1) подают углеродсодержащее топливо, например природный газ метан, который сжигается в смеси кислорода, водяного пара и диоксида углерода. При этом кислород производится на любой известной установке разделения воздуха, включенной в состав энергетической установки и получающей от нее необходимую электроэнергию.
Сжатие всех рабочих газов, включая углеродсодержащее топливо, производится в сжиженном состоянии с помощью насосов, что уменьшает затраты энергии на перекачивание и достижение необходимого давления по меньшей мере 7,5 МПа.
Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине (2) с противодавлением значительно выше атмосферного, которое составляет от 0,2 до 0,9 МПа, и последовательно проходят блок (4) утилизации тепла и воды, в котором происходит ее конденсация за счет охлаждения до температуры не ниже 273 К при давлении от 0,2 до 0,9 МПа, углекислотный компрессор (3) и блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода, в котором происходит конденсация CO2 за счет охлаждения до температуры не ниже 273 К при давлении газа по меньшей мере 3,5 МПа. Величина давления в блоке (4) утилизации тепла и воды выбирается из условий обеспечения конденсации водяного пара из продуктов сгорания в температурном диапазоне, позволяющем направлять теплоту конденсации внешнему потребителю тепла (28), например в сети централизованного теплоснабжения при стандартных для региона параметрах. Давление в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода обеспечивается углекислотным компрессором (3) по меньшей мере 3,5 МПа, что позволяет конденсировать диоксид углерода при температуре не ниже 273 К, а также обусловлено необходимостью достижения максимально высокой степени улавливания диоксида углерода из продуктов сгорания при сохранении тепловой экономичности энергетической установкой и, соответственно, обеспечения высокого КПД установки.
Сконденсированная и охлажденная вода сливается из блока (4) утилизации тепла и воды в накопитель (6) воды, при этом некоторая необходимая часть воды с помощью водяного насоса-регулятора (7) направляется в камеру сгорания (1) через теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, расположенного в блоке (4) утилизации тепла и воды. Другая часть воды из накопителя (6) воды направляется в хранилище или водоем.
Сконденсированный диоксид углерода сливается из блока (5) утилизации тепла и CO2 в накопитель (8) жидкого диоксида углерода, при этом некоторая необходимая часть жидкого CO2 с помощью углекислотного насоса-регулятора (9) направляется в камеру сгорания (1) через смеситель (29) и теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, расположенного в блоке (4) утилизации тепла и воды. Другая часть диоксида углерода выводится из накопителя (8) жидкого диоксида углерода для дальнейшего использования вне установки или для хранения.
Жидкий кислород от любого известного источника (10) кислорода насосом-регулятором (25), обеспечивающим подачу кислорода под давлением более 7,5 МПа, направляется в теплообменник (24), в котором происходит нагрев жидкого кислорода за счет теплообмена с газообразным углеродсодержащим топливом, например метаном. Далее кислород поступает в теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода, расположенный в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода, после чего поступает в смеситель (29), где кислород смешивается с диоксидом углерода, поступающим из накопителя (8) жидкого диоксида углерода, и направляется в теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода.
Углеродсодержащее газообразное топливо за счет теплообмена с жидким кислородом сжижается в блоке ожижения газообразного углеродсодержащего топлива и насосом-регулятором (22), обеспечивающим подачу топлива под давлением более 7,5 МПа, подается в теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенного в блоке (5) утилизации тепла и CO2. Далее углеродсодержащее топливо поступает в теплообменник (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, где нагревается за счет тепла, отведенного из блока (4) утилизации тепла и воды, и направляется в камеру сгорания (1).
Таким образом, конденсация воды в блоке (4) утилизации тепла и воды достигается за счет последовательного охлаждения отработанных газов водой, диоксидом углерода и кислородом, углеродсодержащим топливом согласно приведенному выше описанию. Также охлаждение отработанных газов в блоке (4) утилизации тепла и воды достигается за счет теплообмена с теплоносителем потребителя тепла (28), а также за счет теплообмена с теплоносителем передачи тепла внешней среде и теплообмена с холодильной машиной.
Конденсация диоксида углерода в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода достигается за счет последовательного охлаждения отработанных газов теплообменом с теплоносителем потребителя тепла (26), теплообменом с теплоносителем передачи тепла внешней среде, теплообмена с холодильной машиной, теплообмена с углеродсодержащим топливом и теплообмена с кислородом.
Изменение баланса выработки механической и тепловой энергий при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного насосов-регуляторов (7 и 9). При этом для получения большего количества тепловой энергии повышается производительность водяного насоса-регулятора (7), что обуславливается большим отводом тепла из камеры сгорания за счет температуры, выделяющейся при конденсации водяного пара в блоке (4) утилизации тепла и воды, а для получения большего количества электрической энергии по отношению к тепловой повышается производительность углекислотного насоса-регулятора (9) при одновременном уменьшении подачи воды в камеру сгорания (1). Таким образом, в камере сгорания (1) соблюдается баланс инертных составляющих, которые необходимы для поддержания температуры в камере сгорания (1) в заданных пределах.
Применительно к предлагаемому изобретению реализация процесса сжижения CO2 в значительной мере упрощается наличием большого охлаждающего потенциала у жидкого кислорода, поступающего в установку. При этом основная доля CO2 сжижается за счет жидкого кислорода, а оставшаяся небольшая часть - с помощью холодильной машины.
Выбор значений указанных интервалов давлений, а именно в камере сгорания по меньшей мере 7,5 МПа, отработанных газов, поступающих в блок (4) утилизации тепла и воды от 0,2 до 0,9 МПа, отработанных газов, поступающих в блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода по меньшей мере 3,5 МПа обуславливается получением большей работы за счет расширения газов, находящихся под большим давлением в парогазовой турбине (2), что, в свою очередь, повышает выработку энергии энергетической установкой и увеличение КПД установки в целом. Кроме того, давления в блоках (4 и 5) утилизации тепла и воды и тепла и диоксида углерода выбраны таким образом, чтобы минимизировать потери энергии установкой для перекачивания отработанных газов из одного блока в другой, а также для обеспечения максимальной степени конденсации и сбора диоксидов углерода. Давление углеродсодержащего топлива и смеси кислорода с диоксидом углерода составляет более 7,5 МПа, что необходимо для осуществления подачи их в камеру сгорания (1) энергетической установки.
Также ограничение охлаждения до температуры не ниже 273 К в блоке (4) утилизации тепла и воды связано с условием максимально возможной конденсации воды из отработанных газов, избегая возможной ее кристаллизации. А ограничение охлаждения до температуры не ниже 273 К в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода связано с условием оптимальной конденсации диоксида углерода из отработанных газов при заданном давлении.
1. Способ выработки механической и тепловой энергии, включающий в себя этапы, на которых:
(a) горячие газы из камеры сгорания (1) направляют на вход в парогазовую турбину (2), при этом давление в камере сгорания (1) составляет по меньшей мере 7,5 МПа;
(b) отработанные в парогазовой турбине (2) газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в блок (4) утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из блока (4) утилизации тепла и воды;
(c) отработанные газы из блока (4) утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор (3), который сжимает газ до давления по меньшей мере 3,5 МПа;
(d) сжатый отработанный газ подают в блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока (5) утилизации тепла и диоксида углерода;
(e) некоторую часть слитой воды из блока (4) утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора (7), который закачивает ее в камеру сгорания (1);
(f) некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора (9), который закачивает его в камеру сгорания (1);
(g) в камеру сгорания (1) топливным насосом-регулятором (22) и кислородным насосом-регулятором (25) подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно под давлением, необходимым для осуществления подачи нужного количества в камеру сгорания (1).
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (b) дополнительно включает в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов в блоке (4) утилизации тепла и воды:
(i) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с водой, поступающей в камеру сгорания (1);
(j) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с диоксидом углерода и кислородом, поступающим в камеру сгорания (1);
(k) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем потребителя тепла (28);
(k') охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с углеродсодержащим топливом;
(l) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем передачи тепла внешней среде;
(m) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с холодильной машиной.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (d) дополнительно включает в себя последовательные подэтапы охлаждения отработанных газов в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода:
(n) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем потребителя тепла (26);
(о) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с теплоносителем передачи тепла внешней среде;
(р) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с холодильной машиной;
(q) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с углеродсодержащим топливом;
(r) охлаждение отработанных газов за счет теплообмена с кислородом.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап (s) ожижения газообразного углеродсодержащего топлива перед топливным насосом-регулятором (22).
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что источником (10) кислорода является блок получения кислорода из воздуха, при этом дополнительно содержит этап (t) направления жидкого кислорода после кислородного насоса-регулятора (25) в блок ожижения газообразного углеродсодержащего топлива.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап (u), на котором оставшуюся часть сконденсированного диоксида углерода в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода подготавливают для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап (v), на котором оставшуюся часть сконденсированной воды в блоке (4) утилизации тепла и воды подготавливают для транспортировки к местам хранения или дальнейшего использования.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура охлаждения отработанного газа в блоке (4) утилизации тепла и воды и блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода поддерживают не ниже 273 К.
9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап (h), на котором при постоянной температуре газа перед парогазовой турбиной (2) изменение баланса вырабатываемых тепловой и электрических энергий достигается путем изменения производительности водяного и углекислотного нососов-регуляторов (7 и 9), при этом для получения большего количества тепловой энергии повышается производительность водяного насоса-регулятора, а для получения большего количества электрической энергии повышается производительность углекислотного насоса-регулятора.
10. Установка для выработки механической и тепловой энергии, содержащая камеру сгорания (1) и парогазовую турбину (2), газоотводящую систему, которая состоит из последовательно соединенных через углекислотный компрессор (3) блоков утилизации тепла и воды (4) и тепла и диоксида углерода (5), причем выход парогазовой турбины последовательно соединен с блоком (4) утилизации тепла и воды, углекислотным компрессором (3) и блоком (5) утилизации тепла и диоксида углерода, причем блок (4) утилизации тепла и воды включает теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды, теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, теплообменник (13) потребителя тепла и регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, выполненный с возможностью передачи тепла потребителю тепла (28) и теплообменнику (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, расположенному на линии подачи топлива в камеру сгорания (1), теплообменник (14) теплоносителя передачи тепла внешней среде и теплообменник (15) холодильной машины, а блок (5) утилизации тепла и диоксида углерода включает теплообменник (16) потребителя тепла (26), теплообменник (17) теплоносителя передачи тепла внешней среде, теплообменник (18) холодильной машины, теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода, а вход парогазовой турбины (2) соединен с выходом камеры сгорания (1), которая соединена через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода и насос-регулятор (25) кислорода с источником кислорода (10), через теплообменник (27) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива, теплообменник (19) регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке (5) утилизации тепла и диоксида углерода и топливный насос-регулятор (22) - с источником углеродсодержащего топлива, через теплообменник (11) регенеративного нагревателя воды и водяной насос-регулятор (7) - с накопителем воды (6), а через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода и углекислотный насос-регулятор (9) - с накопителем жидкого диоксида углерода (8), причем камера сгорания (1) выполнена с возможностью работы при давлении, составляющим по меньшей мере 7,5 МПа, парогазовая турбина (2) выполнена с возможностью выпуска отработавших газов с давлением 0,2-0,9 МПа, углекислотный компрессор (3) выполнен с возможностью сжатия газа до по меньшей мере 3,5 МПа, а водяной и углекислотный насосы-регуляторы (7 и 9) выполнены с возможностью обеспечения закачивания воды и диоксида углерода с давлением по меньшей мере 7,5 МПа.
11. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что вход топливного насоса-регулятора (22) соединен с источником углеродсодержащего топлива через блок ожижения топлива, у которого охлаждающий топливо теплообменник (23) имеет замкнутый контур с теплообменником (24) нагрева кислорода, причем вход кислородного контура теплообменника (24) нагрева кислорода соединен с выходом насоса-регулятора кислорода (25), а его выход - с входом в теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода.
12. Установка по п. 11, отличающаяся тем, что теплообменники (23 и 24) в блоке ожижения топлива выполнены с использованием промежуточного теплоносителя.
13. Установка по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что в качестве промежуточного теплоносителя используется инертный газ с давлением, превышающим давление, участвующих в теплообмене углеродсодержащего топлива и кислорода.
14. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что в качестве инертного газа выступает гелий.
15. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что в качестве углеродсодержащего топлива применяется природный газ, причем давление газа на выходе из источника составляет 0,15-0,25 МПа.
16. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что по меньшей мере один теплообменник теплоносителя передачи тепла внешней среде соединен с градирней (21).
17. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что один из входов камеры сгорания (1) соединен со смесителем (29) через теплообменник (12) регенеративного нагревателя диоксида углерода и кислорода, причем первый вход смесителя (29) соединен с выходом углекислотного насоса-регулятора (9), а другой вход - с насосом-регулятором кислорода через теплообменник (20) регенеративного нагревателя кислорода.
