Энергетический комплекс

Авторы патента:

Полезная модель относится к области энергетики, более конкретно, к комбинированным энергетическим комплексам, использующим продукты сгорания углеводородного топлива для работы газотурбинных установок в комбинации с другими устройствами и может найти применение в качестве альтернативного источника тепловой и электрической энергии при эксплуатации месторождений низкосортных углей и сланцев методом подземной газификации. Решаемой задачей является создание экологически чистого энергетического комплекса, предназначенного для эффективного производства электрической и тепловой энергии на базе предприятий, использующих технологию подземной газификации угля и сланцев. Дополнительными задачами являются снижение себестоимости производимых тепловой и электрической энергии, обеспечение высокой надежности, окупаемости оборудования и снижения капитальных затрат на создание типового комплекса. Указанная задача решается тем, что в энергетическом комплексе, содержащем устройство для сжигания продуктов газификации угля, газотурбинную установку и систему утилизации низкопотенциального тепла, согласно полезной модели, комплекс дополнительно содержит, по крайней мере, два высокотемпературных регенеративных теплообменника снабженных системой коммутации для циклического нагрева их насадки при сгорании продуктов подземной газификации угля и охлаждения насадки при продувке атмосферным воздухом, на входе регенеративных теплообменников установлены устройства для сжигания продуктов газификации и компрессор для подачи воздуха, при этом выход регенеративных теплообменников в режиме нагрева насадки соединен с входом блока очистки уходящих газов от соединений серы и углекислого газа, а в режиме охлаждения насадки - с входом первой ступени газовой турбины для срабатывания теплосодержания нагретого в регенеративном теплообменнике воздуха, причем газовая турбина нагружена на первый электрогенератор, выход ее последней ступени соединен с входом воздушного тракта парогенератора паротурбинного контура, паровая турбина которого нагружена на второй электрогенератор, а выход воздушного тракта парогенератора соединен с входом системы утилизации низкопотенциального тепла уходящего воздуха.

Кроме того, блок очистки уходящих газов от соединений серы и углекислого газа может содержать поворотный конвертор, заполненный водным раствором известкового молока, для продувки через него уходящих газов и последующего использования выпадающих в осадок карбоната кальция и гипса. Кроме того, система утилизации низкопотенциального тепла уходящего воздуха может содержать барботер для нагрева воды в линии теплофикации и блок утилизации его кинетической энергии. Описание на 5 л., ф-ла из 3 пп, фиг.на 1 л.

Известна газотурбинная установка, работающая на твердом топливе и содержащая газификатор, камеру сгорания, газовую турбину, компрессор и теплообменники (см.патент РФ №2044145, МПК7 F 02 C 3/00, бюл 26, 1995 г)

К недостаткам известной газотурбинной установки можно отнести сравнительно низкий общий к.п.д. установки, связанный с отсутствием систем и агрегатов паротурбинного контура для утилизации низкопотенциального тепла уходящих газов.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является энергетический комплекс, содержащий устройство для сжигания продуктов газификации угля, газотурбинную установку и систему утилизации низкопотенциального тепла (см. патент РФ №30863, МПК 7 F 02 C 1/00, бюл. 10, 2003 г. - прототип).

Недостатками такого энергетического комплекса являются сравнительно малая эффективность из-за недостаточно полной утилизации теплосодержания используемого топлива, а также невозможность работы устройства на продуктах подземной газификации угля и сланцев с низкой теплотворной способностью при значительном содержании в них соединений серы и других токсикантов.

Решаемой задачей является создание экологически чистого энергетического комплекса, предназначенного для эффективного производства электрической и тепловой энергии на базе предприятий, использующих технологию подземной газификации угля и сланцев. Дополнительными задачами являются снижение себестоимости производимых тепловой и электрической энергии, обеспечение высокой надежности, окупаемости оборудования и снижения капитальных затрат на создание типового комплекса.

Указанная задача решается тем, что в энергетическом комплексе, содержащем устройство для сжигания продуктов газификации угля, газотурбинную установку и систему утилизации низкопотенциального тепла, согласно полезной модели, комплекс дополнительно содержит, по крайней мере, два высокотемпературных регенеративных теплообменника снабженных системой коммутации для циклического нагрева их насадки при сгорании продуктов подземной газификации угля и охлаждения насадки при продувке атмосферным воздухом, на входе регенеративных теплообменников установлены устройства для сжигания продуктов газификации и компрессор для подачи воздуха, при этом выход регенеративных теплообменников в режиме нагрева насадки соединен с входом блока очистки уходящих газов от соединений серы и углекислого газа, а в режиме охлаждения насадки - с входом первой ступени газовой турбины для срабатывания теплосодержания нагретого в регенеративном теплообменнике воздуха, причем газовая турбина нагружена на первый электрогенератор, выход ее последней ступени соединен с входом воздушного тракта парогенератора паротурбинного контура, паровая турбина которого нагружена на второй электрогенератор, а выход воздушного тракта парогенератора соединен с входом системы утилизации низкопотенциального тепла уходящего воздуха.

Кроме того, система утилизации низкопотенциального тепла уходящего воздуха может содержать барботер для нагрева воды в линии теплофикации и блок утилизации его кинетической энергии.

Использование в предложенном энергетическом комплексе высокотемпературного регенеративного теплообменника для циклического нагрева его насадки при сгорании продуктов подземной газификации угля и охлаждения насадки при продувке атмосферным воздухом позволяет применить эффективное оборудование для срабатывания энтальпии нагретого воздуха последовательно в газотурбинном и паротурбинном блоках. Наличие в энергетическом комплексе необходимых систем очистки рабочего тела и глубокой утилизации низкопотенциального тепла уходящего из установки воздуха в совокупности позволяет добиться решения поставленных выше задач.

На фиг.1 представлена блок-схема энергетического комплекса.

Комплекс содержит два высокотемпературных регенеративных теплообменника 1, 2, снабженных системой коммутации (не показана) для циклического нагрева их насадки при сгорании продуктов подземной газификации угля и охлаждения насадки при продувке атмосферным воздухом. На входе регенеративных теплообменников 1, 2 установлены устройства 3 для сжигания продуктов газификации и компрессор 4 для подачи воздуха. Выход регенеративных теплообменников 1, 2 в режиме нагрева насадки соединен с входом блока очистки 5 уходящих газов от соединений серы и углекислого газа, а в режиме охлаждения насадки - с входом первой ступени газовой турбины 6 для срабатывания теплосодержания нагретого в регенеративном теплообменнике воздуха.

Газовая турбина 6 нагружена на первый электрогенератор 7, выход ее последней ступени соединен с входом воздушного тракта парогенератора 8 паротурбинного контура 9, паровая турбина 10 которого нагружена на второй электрогенератор 11, а выход воздушного тракта парогенератора 8 соединен с входом системы утилизации низкопотенциального тепла уходящего воздуха, содержащей барботер 12 для нагрева воды в линии теплофикации (не показана) и блок 13 для утилизации его кинетической энергии, который нагружен на третий электрогенератор 14.

Паротурбинный контур 9 содержит также циркуляционный насос 15 и конденсатор 16. Устройства 3 для сжигания продуктов газификации угля снабжены системой (не показана) для обогащения необходимого для горения воздуха кислородом, причем на входе тракта подачи продуктов газификации в устройства 3 установлен пылеугольный фильтр 17.

Блок очистки 5 уходящих газов от соединений серы и углекислого газа может содержать поворотный конвертор (не показан), который заполнен водным раствором известкового молока для продувки через него уходящих газов и последующего использования выпадающих в осадок карбоната кальция и гипса.

Работает энергетический комплекс следующим образом.

На фиг.1 представлена схемная часть энергетического комплекса, когда вход регенеративного теплообменника 2 режиме подачи нагреваемого воздуха соединен с воздушным компрессором 4, а выход соединен с входом газовой турбины 6. При этом второй регенеративный теплообменник 1, находящийся в режиме нагрева его насадки, соединен на входе с устройством 3 для сжигания продуктов газификации, а на выходе - с входом блока очистки 5 уходящих газов от соединений серы и углекислого газа.

В следующей фазе цикла теплообменники 1 и 2 меняются по схеме подключения с газовой турбиной 6 и блоком очистки 5 с помощью известной системы коммутации.

Продукты подземной газификации угля или сланцев поступают периодически через пылеугольный фильтр 17 на вход одного из устройств 3 для их сжигания. При этом в горелочное устройство 3 при теплообменнике 1 в необходимом количестве подают воздух, обогащенный кислородом для нагрева насадки до температур порядка 1600 С. Отдавшие свое тепло насадке теплообменника 1 сгоревшие продукты газификации при низкой температуре до 150 С поступают на вход блока очистки 5 и затем выбрасываются в атмосферу при температуре около 35 С.

Одновременно атмосферный воздух с помощью компрессора 4 поступает в теплообменник 2 для отбора тепла нагретой ранее насадки и при температуре около 1500 С поступает сначала на вход первой ступени газовой турбины 6, а затем через парогенератор 8 паротурбинного контура 9 - на вход системы утилизации низкопотенциального тепла уходящего воздуха, содержащей барботер 12 для нагрева воды в линии теплофикации (не показана) и блок 13 для утилизации его кинетической энергии. Для работы газовой турбины в окислительной среде рабочие лопатки турбины должны иметь защитное покрытие.

Отбор мощности от газовой турбины 6, от паровой турбины 10 и от блока 13 для утилизации кинетической энергии уходящего воздуха осуществляется, соответственно, с помощью первого 7, второго 11 и третьего электрогенераторов 14. Отбор тепловой энергии низкопотенциального тепла уходящего из комплекса воздуха осуществляется с помощью барботера 12 для нагрева воды в линии теплофикации. Дополнительное повышение эффективности энергетического комплекса достигается за счет использования, выпадающих в конверторе блока очистки 5 в осадок ценных продуктов в виде карбоната кальция и гипса, которые могут найти применение, например, при производстве цемента.

Эффективность предложенного энергетического комплекса может быть оценена следующим образом. В настоящее время в РФ остро стоит проблема экономии внутреннего потребления природного газа и других видов углеводородного топлива. В то же время угольная промышленность имеет уникальный опыт освоения забалансовых ресурсов ряда действующих бассейнов, расположенных в энергодефицитных регионах РФ и ближнего зарубежья. Сравнительно низкая теплотворная способность продуктов подземной газификации угля (до 900 ккал/куб м) и сильная загрязненность соединениями серы и другими токсикантами ограничивают масштабное применение этого топлива в современных энергосистемах.

Предложенный энергетический комплекс исключает названные ограничения и обеспечивает возможность рентабельного крупномасштабного производства экологически чистой тепловой и электрической энергии. Параметры рабочего тела обеспечивают работу газовой турбины на горячем воздухе с к.п.д. до 40 проц. и работу паротурбинного контура с к.п.д. до 42 проц., при суммарном к.п.д. около 60 процентов, что в 1,5-1,7 раз превышает к.п.д. типовых угольных ТЭС.

Утилизация теплосодержания и кинетической энергии уходящего из комплекса воздуха позволяет получить дополнительное товарное тепло для теплофикации жилых домов и производственных предприятий и дополнительное количество электроэнергии.

Экологическая безопасность энергетического комплекса достигается за счет барботажа уходящих газов через раствор гидроокиси кальция, приводящем к осаждению смеси гипса с известняком, пригодной для утилизации в производстве алинитового цемента.

Для энергетического комплекса с потреблением 2,5 млрд.куб.м/год газа от предприятия подземной газификации угля, при теплотворной способности 950 ккал/куб.м и указанных параметрах нагрева воздуха в регенеративном теплообменнике, мощность газовоздушной турбины составит около 105 МВт, паровой турбины - около 66 МВт. При этом производство товарного тепла достигает 633000 Гкал/год. Капиталовложения, включая строительство и монтаж комплекса составляют при этом 1320 млн. долларов США, а окупаемость с учетом экономии газа не превышает двух лет. Следует отметить, что основное производство оборудования предложенного энергокомплекса надежно освоено и выпускается в РФ.

1. Энергетический комплекс, содержащий устройство для сжигания продуктов газификации угля, газотурбинную установку и систему утилизации низкопотенциального тепла, отличающийся тем, что комплекс дополнительно содержит, по крайней мере, два высокотемпературных регенеративных теплообменника, снабженных системой коммутации для циклического нагрева их насадки при сгорании продуктов подземной газификации угля и охлаждения насадки при продувке атмосферным воздухом, на входе регенеративных теплообменников установлены устройства для сжигания продуктов газификации и компрессор для подачи воздуха, при этом выход регенеративных теплообменников в режиме нагрева насадки соединен с входом блока очистки уходящих газов от соединений серы и углекислого газа, а в режиме охлаждения насадки - с входом первой ступени газовой турбины для срабатывания теплосодержания нагретого в регенеративном теплообменнике воздуха, причем газовая турбина нагружена на первый электрогенератор, выход ее последней ступени соединен с входом воздушного тракта парогенератора паротурбинного контура, паровая турбина которого нагружена на второй электрогенератор, а выход воздушного тракта парогенератора соединен с входом системы утилизации низкопотенциального тепла уходящего воздуха.

2. Энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что блок очистки уходящих газов от соединений серы и углекислого газа содержит поворотный конвертор, заполненный водным раствором известкового молока, для продувки через него уходящих газов и последующего использования выпадающих в осадок карбоната кальция и гипса.

3. Энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что система утилизации низкопотенциального тепла уходящего воздуха содержит барботер для нагрева воды в линии теплофикации и блок утилизации его кинетической энергии.