энергоустановка с комбинированным циклом, оснащенная реактором с циркулирующим псевдоожиженным слоем

Формула изобретения

1. Энергоустановка с комбинированным циклом, содержащая средство (1) газового компрессора для подачи сжатого газа под давлением более 2 бар (0,2 МПа), средство (5) газовой турбины для привода средства газового компрессора, сосуд (11) высокого давления, круглый в поперечном сечении и способный выдерживать давление более 2 бар (0,2 МПа) и имеющий верхнюю часть и нижнюю часть (11", 11""), реактор (10) с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем, заключенный в сосуде высокого давления, имеющий камеру (12) реактора, включающую в себя, по существу, плоские стенки, средство (16) для транспортировки сжатого газа из средства газового компрессора в сосуд высокого давления, средства (18) для подачи топлива в упомянутую камеру реактора, средства для вывода горячих газообразных продуктов сгорания из упомянутого реактора, по меньшей мере один центробежный сепаратор (13), расположенный внутри упомянутого сосуда высокого давления и имеющий впускной канал, соединенный со средствами для вывода горячих газообразных продуктов сгорания из камеры реактора, канал (23) для выпуска газа, идущий от по меньшей мере одного сепаратора наружу из сосуда высокого давления к средству газовой турбины для обеспечения расширения в нем и обратный канал (24) для рециркуляции отдельных твердых частиц из сепаратора в камеру реактора, при этом по меньшей мере один сепаратор (13) содержит вертикальную вихревую камеру (21), имеющую отчетливо плоские стенки (22), ограничивающие внутреннее пространство (21) для газа, имеющее поперечное сечение, которое является отчетливо некруглым и имеет круглость, превышающую или равную 1,15, отличающаяся тем, что она содержит теплообменник (12") с кипящим псевдоожиженным слоем, расположенный в сосуде высокого давления и сообщенный с камерой реактора, при этом теплообменник (12") разделяет общий участок стенки со стенкой камеры (12) реактора.

2. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что камера (12") теплообменника размещена ниже вихревой камеры (21), имеет профиль поперечного сечения, аналогичный профилю поперечного сечения вихревой камеры (21), и имеет вторую и третью стенку, каждая из которых образована продолжением соответствующей плоской боковой стенки вихревой камеры.

3. Энергоустановка с комбинированным циклом по п.1, отличающаяся тем, что внутреннее пространство (21) для газа имеет прямоугольное поперечное сечение, а сепаратор имеет по существу плоские панели из труб для воды на внешней периферии сепаратора.

4. Энергоустановка с комбинированным циклом по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один центробежный сепаратор содержит по меньшей мере два сепаратора, по существу идентичные и установленные друг за другом бок о бок на одной стороне реактора и соединенные со стенками камеры реактора.

5. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что центробежный сепаратор содержит по меньшей мере два сепаратора, по существу идентичные и установленные на противоположных сторонах камеры реактора и соединенные со стенками камеры реактора.

6. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что центробежный сепаратор содержит первый центробежный сепаратор и дополнительно содержит три других центробежных сепаратора, по существу идентичных первому центробежному сепаратору, установленному внутри сосуда высокого давления, причем упомянутые сепараторы установлены парами друг за другом, бок о бок и пары расположены друг против друга на противоположных сторонах камеры реактора.

7. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что камера (12") теплообменника расположена внутри камеры реактора и разделяет второй общий участок стенки со второй, по существу плоской, стенкой камеры реактора и разделяет третий общий участок стенки с третьей, по существу плоской, стенкой камеры реактора.

8. Энергоустановка по п.7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит керамические фильтры (72), установленные на несущей конструкции (73) внутри сосуда высокого давления, и имеет канал для впуска загрязненного газа, канал для выпуска чистого газа и канал для выпуска золы, причем канал для впуска загрязненного газа соединен с каналом для выпуска газа упомянутого сепаратора.

9. Энергоустановка по п.8, отличающаяся тем, что сепаратор установлен вдоль стороны камеры реактора и соединен с его боковой стенкой, несущая конструкция (73) и фильтры (72) фильтрующего средства установлены вдоль той же боковой стенки камеры реактора, что и сепаратор, причем фильтры проходят в основном горизонтально.

10. Энергоустановка по п.8, отличающаяся тем, что сепаратор установлен вдоль стороны камеры реактора и соединен с его боковой стенкой, канал для выпуска газа направлен вниз, а несущая конструкция и фильтры фильтрующего средства установлены на той же боковой стенке камеры реактора, что и сепаратор, ниже сепаратора, причем фильтры проходят в основном горизонтально.

11. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что газовый компрессор является воздушным компрессором, а средство для транспортировки сжатого газа в сосуд высокого давления содержит средства (16, 78) для подачи воздуха под давлением в верхнюю часть сосуда для нагнетания давления внутри сосуда высокого давления и средство (79) для подачи ожижающего воздуха в камеру реактора на ее дне.

12. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит один или более в основном идентичных сепараторов, камера реактора имеет первую площадь поперечного сечения, каждый из упомянутых одного или более сепараторов имеет вторую площадь поперечного сечения своего пространства для газа, первая площадь поперечного сечения, по существу, равна сумме вторых площадей поперечного сечения.

13. Энергоустановка по п.12, отличающаяся тем, что при следующих обозначениях: D - внутренний диаметр сосуда высокого давления, d - длина каждой стороны камеры для газа каждого сепаратора, а L и W - длина и ширина камеры реактора и х - число сепараторов, оптимальная площадь камеры реактора для конкретного диаметра D сосуда высокого давления определяется решением следующих уравнений:





14. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что камера реактора имеет длину и ширину и дополнительно содержит множество теплопередающих панелей (27), предусмотренных внутри камеры реактора и проходящих вдоль ее длины, а сепаратор содержит по меньшей мере два по существу идентичных сепаратора, установленных на противоположных сторонах ширины камеры реактора вдоль продольных боковых стенок камеры реактора, параллельных теплопередающим панелям.

15. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит теплорекуперационный блок (9), приспособленный к средству газовой турбины для рекуперации тепла из газа, выпускаемого из газовой турбины, и цикл парообразования, имеющий паровую турбину, парообразующие поверхности и пароперегревающие поверхности.

16. Энергоустановка по п.15, отличающаяся тем, что участки стенок камеры (12") теплообменника, камеры (12) реактора и вихревой камеры (21) содержат парообразующие поверхности, теплорекуперационный блок (9) включает в себя экономайзерные поверхности питательной воды для цикла парообразования, а теплообменник и/или камера реактора включает в себя пароперегревающие поверхности.

17. Энергоустановка по п.16, отличающаяся тем, что камера (21") теплообменника включает в себя поверхности для повторного нагрева пара и камера (12) реактора включает в себя поверхности для повторного нагрева пара.

18. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что центробежный сепаратор имеет первую площадь поперечного сечения, а камера теплообменника с кипящим псевдоожиженным слоем имеет вторую площадь поперечного сечения, причем вторая площадь поперечного сечения меньше или равна первой площади поперечного сечения.

19. Энергоустановка по п.15, отличающаяся тем, что цикл парообразования является однократным надкритическим или сверхнадкритическим паровым циклом.

20. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что реактор (10) с циркулирующим псевдоожиженным слоем имеет камеру (12) реактора, прямоугольную в поперечном сечении, включающую в себя по существу плоские парообразующие трубчатые стенки, имеющие нижнюю секцию, центробежный сепаратор (13) содержит вертикальную вихревую камеру (21), имеющую отчетливо плоские парообразующие трубчатые стенки, ограничивающие внутреннее пространство для газа, и камера (12") теплообменника имеет отчетливо плоские парообразующие трубчатые стенки, ограничивающие внутренность камеры, соединенной с нижней секцией камеры реактора, энергоустановка дополнительно содержит теплорекуперационный блок (9), приспособленный к средству газовой турбины для рекуперации тепла из газа, выпускаемого из газовой турбины, и цикл парообразования, имеющий паровую турбину, парообразующие поверхности, включающие в себя парообразующие стенки, и пароперегревающие поверхности.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к энергоустановке с комбинированным циклом, охарактеризованной в ограничительной части независимого п.1 прилагаемой формулы изобретения.

Известны реакторы с находящимся под повышенным давлением псевдоожиженным слоем, например, такие, как указанный в патенте США N 4,869,207. В этих реакторах сосуд высокого давления, содержащий камеру реактора, поддерживают под давлением выше атмосферного, то есть, под давлением 2 бара (0,2 МПа) или более, а предпочтительно - под давлением примерно 8-16 бар (0,8-1,6 МПа) (для камеры сгорания), хотя давление значительно меняется от одной установки к другой или внутри одной установки при эксплуатации. Вместе с тем, весьма значительную стоимость в таких реакторах повышенного давления имеет сам сосуд высокого давления. С увеличением объема сосуда высокого давления затраты растут в геометрической прогрессии, а не по линейному закону. Следовательно, уменьшение размеров составных частей, перекомпоновка составных частей или исключение потребности в составных частях может оказать существенное влияние на стоимость и конкурентоспособность сосуда и процесса. Поэтому желательно придерживаться минимальных размеров сосуда высокого давления. Одной составной частью, которая занимает значительное пространство внутри сосуда, является обычный горячий циклон. При использовании обычного циклонного сепаратора с камерой реактора в сосуде высокого давления теряется значительное пространство, и сосуд высокого давления приходится делать пропорционально больше, чтобы вместить обычный циклон. Если циклон размещен снаружи главного сосуда высокого давления, который содержит камеру реактора, то следует предусматривать отдельный сосуд высокого давления. Кроме того, следует предусматривать трубопроводы и уплотнения, подводящие горячие топочные газы из камеры реактора в расположенный снаружи циклонный сепаратор, а также рециркуляционный трубопровод между расположенным снаружи циклонным сепаратором и сосудом в реакторе. Эти составные части могут привести к дополнительному увеличению затрат, а также усложнить техническое обслуживание и ремонт.

Известен реактор с находящимся под атмосферным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющий циклонный сепаратор, который является отчетливо некруглым, обычно прямоугольным, поперечным сечением вихревой камеры сгорания или пространства для газа в ней. В системе этого типа для обеспечения сгорания топливного вещества при атмосферном давлении предлагаемая геометрия, будучи предназначенной для приложений при атмосферном давлении, определяется затратами на изготовление и/или монтаж и адаптацией охлаждаемого циклона к охлаждаемым стенкам реактора. При аналогичном приложении для повышенного давления можно достичь других явных выгод, которые не следует считать важными и/или применимыми для приложений при атмосферном давлении.

Как можно увидеть, например, из патента США N 4,793,292, в приложениях с находящимся под повышенным давлением псевдоожиженным слоем, обычно считали важным использовать пространство для газа сосуда высокого давления как можно эффективнее. Это требование ранее пытались выполнить путем формирования поперечного сечения реактора как можно более близким к округлой форме сосуда высокого давления. Например, в патенте N 4,793,292 показаны несколько разновидностей поперечного сечения реактора и даже альтернативный вариант реактора (включающий сепаратор), выполненный из многочисленных плоских стенок, чтобы получить сформированное круглое поперечное сечение.

В работающих при атмосферном давлении реакторах нет специальных требований к форме поперечного сечения. Однако обнаружено, что когда в связи с реактором с находящимся под повышенным давлением псевдоожиженным слоем предусматривают отчетливо некруглый циклонный сепаратор или множество сепараторов, в отличие от общепринятой практики с использованием круглых циклонных сепараторов, перекидной канал к круглому циклонному сепаратору можно исключить и разместить рядом с реактором некруглый циклон, что приводит к значительно более компактной компоновке и обеспечивает минимальный размер сосуда высокого давления, а значит, и экономичную конструкцию реактора с находящимся под повышенным давлением псевдоожиженным слоем. Таким образом, исключаются и потенциальные выгоды размещения циклона вне сосуда высокого давления в отдельном вспомогательном сосуде высокого давления, поскольку компактную конструкцию топки и некруглых циклонов можно удобно расположить с обеспечением плотной подгонки друг к другу внутри круглого пространства.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную энергоустановку с комбинированным циклом.

Особая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать еще более компактную конструкцию реактора с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем (ЦПС (СРВ)) и средства теплообменника, соединенного с реактором с ЦПС в энергоустановке с комбинированным циклом.

Задача настоящего изобретения также состоит в том, чтобы разработать компактную конструкцию реактора, теплообменника и фильтра горячего газа в сосуде высокого давления в энергоустановке с комбинированным циклом.

Поэтому в соответствии с настоящим изобретением разработана энергоустановка с комбинированным циклом, охарактеризованная в отличительной части п. 1 прилагаемой формулы изобретения.

Энергоустановка с комбинированным циклом, соответствующая изобретению, как правило, содержит

средство газового компрессора, например воздушный или воздушно-кислородный компрессор, для подачи сжатого газа под давлением более 2 бар (0,2 МПа),

средство газовой турбины для привода средства газового компрессора,

сосуд высокого давления, круглый в поперечном сечении и способный выдерживать давления более 2 бар (0,2 МПа) и имеющий верхнюю часть и нижнюю части,

реактор с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем, заключенный в сосуде высокого давления и имеющий камеру реактора, включающую в себя, по существу, плоские стенки,

средства для транспортировки сжатого газа из средства компрессора в сосуд высокого давления,

средство для подачи топлива в камеру реактора,

средство для вывода горячих газообразных продуктов сгорания из упомянутого реактора и

по меньшей мере один центробежный сепаратор, расположенный внутри сосуда высокого давления и имеющий впускной канал, соединенный со средством для вывода горячих газообразных продуктов сгорания из камеры реактора, канал для выпуска газа, идущий от по меньшей мере одного сепаратора, из сосуда высокого давления к средству газовой турбины для обеспечения расширения в ней, и обратный канал для рециркуляции выделенных твердых частиц из сепаратора в камеру реактора. Сепаратор содержит вертикальную вихревую камеру, имеющую отчетливо плоские стенки, ограничивающие внутреннее пространство для газа. Это пространство для газа имеет поперечное сечение, которое является отчетливо некруглым и имеет круглость, превышающую или равную 1,15.

Энергоустановка с комбинированным циклом, соответствующая предпочтительному конкретному варианту осуществления изобретения, в частности, отличается тем, что содержит камеру теплообменника с кипящим псевдоожиженным слоем, расположенную в сосуде высокого давления, сообщающуюся с камерой реактора и компактно соединенную с ней. Поэтому камера теплообменника имеет общий участок стенки со стенкой камеры реактора. Камера теплообменника может, например, располагаться внутри камеры реактора на ее дне, с выгодой имея за счет этого вторую и третью боковые стенки, общие с участками боковых стенок камеры реактора. Согласно еще одному предпочтительному конкретному варианту изобретения камера теплообменника может располагаться ниже сепаратора, иметь поперечное сечение, аналогичное поперечному сечению сепаратора, и иметь участки второй и третьей боковых стенок, общие с продолжениями боковых стенок сепаратора.

Компактная компоновка циклонного сепаратора в реакторе с находящимся под повышенным давлением псевдоожиженным слоем обеспечивает несколько преимуществ. Во-первых, ввиду его компактного характера и компоновки есть место для других конструкций, что позволяет, например, устанавливать керамические фильтрующие элементы типа керамических фильтров-"свечек" или керамических пористых фильтров в одном и том же сосуде высокого давления с камерой реактора и циклонным сепаратором (например, ниже или выше циклонного сепаратора), чтобы во всех случаях было не обязательно обеспечивать наличие второго сосуда высокого давления для фильтрации газа со значительным снижением за счет этого затрат на всю систему. Компактная компоновка приводит и к другим преимуществам для работающей под повышенным давлением системы с комбинированным циклом. Компактная конструкция не только циклонного сепаратора, но и всего реактора с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем (НПДЦПС (PCFB)) приводит к оптимизированному использованию пространства сосуда высокого давления. В процессе с комбинированным циклом сочетается работа газовой турбины и паровой турбины, и поэтому цикл парообразования не аналогичен циклу парообразования процесса сгорания в находящемся под атмосферным давлением циркулирующем псевдоожиженном слое (НАДЦПС (ACFB)). В процессе с комбинированным циклом газ из реактора с НПДЦПС можно предпочтительно не охлаждать (в отличие от НАДЦПС, где газы следует охлаждать), чтобы поддерживать КПД цикла газовой турбины на приемлемом уровне.

Во-вторых, ввиду его компактного характера и компоновки есть место для размещения компактного теплообменника (КТ (СНЕХ)) с кипящим псевдоожиженным слоем ниже некруглого циклона. Этот теплообменник можно расположить таким образом, что он будет иметь профиль поперечного сечения, аналогичный циклону, который находится над ним, и сможет принимать горячие твердые частицы, либо падающие вниз из некруглого горячего циклона, либо стекающие вниз по внутренним стенкам реактора. Тогда теплопередающие поверхности, встроенные в этот теплообменник, можно использовать для обеспечения наличия нагретых текучих сред, используемых в энергоустановке с комбинированным циклом.

В-третьих, в цикле можно получить выгоду от использования пара, находящегося под высоким давлением, например в надкритическом и сверхнадкритическом состояниях, за счет возможности расположения теплопередающих поверхностей внутри реактора с помощью омега-панелей или внутри КТ с кипящим слоем, что позволяет достичь нужных состояний пара и температур пара и регулировать их, а также воспользоваться преимуществом различающихся характеристик теплопередачи реактора и КТ. В таких надкритических и сверхнадкритических приложениях можно использовать однократный паровой цикл и применять сепаратор пара, а не обычный пароподогреватель, который поддерживает естественную циркуляцию.

Согласно предпочтительному конкретному варианту осуществления настоящего изобретения энергоустановка с комбинированным циклом включает в себя газовый компрессор, подающий сжатый газ (предпочтительно, воздух), для нагнетания давления в сосуде высокого давления. Сжатый воздух используют в качестве воздуха, поступающего в зону горения, в реакторе с НПДЦПС, заключенном в сосуде высокого давления. Реактор с НПДЦПС задействуют в качестве циркулирующего псевдоожиженного слоя, в котором значительное количество твердых частиц увлекается газом в верхнюю секцию камеры реактора с НПДЦПС, а потом выводится из реактора в циклонный сепаратор (циклонные сепараторы). Газ очищают от более крупных твердых частиц (обычно > примерно 25 м) в циклонном сепараторе (циклонных сепараторах), а отдельные частицы рециркулируются обратно в камеру реактора. Очищенный таким образом газ пропускают (предпочтительно - после тонкой фильтрации), по существу, не охлажденным в газовую турбину, предпочтительно предназначенную для привода газового компрессора и генератора для выработки электроэнергии. Расширившийся и по-прежнему довольно горячий газ пропускают в теплорекуперационный парогенератор (ТП (HRSG)), в котором тепло расширившегося газа используется для парообразования перед его выбросом в атмосферу. Цикл парообразования ТП в соответствии с настоящим изобретением соединен с охлаждающими поверхностями реактора с НПДЦПС.

Реактор с НПДЦПС, включающий в себя компактный сепаратор (компактные сепараторы), в соответствии с изобретением снабжен так называемыми мембранными стенками, имеющими множество труб, соединенных друг с другом ребрами. Стенки реактора с НПДЦПС предпочтительно охлаждают за счет парообразования в трубах стенок.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения реактор с НПДЦПС включает в себя теплопередающие поверхности внутри камеры реактора, предпочтительно по меньшей мере в ее верхней секции. Такие теплопередающие поверхности могут быть так называемыми омега-панелями, которые пригодны для преобладающих условий. Также в соответствии с этим предпочтительным конкретным вариантом осуществления реактор с НПДЦПС включает в себя так называемый компактный теплообменник (КТ), предпочтительно в нижней секции камеры реактора. КТ предпочтительно соединен с камерой реактора таким образом, что он способен принимать вещество, состоящее из твердых частиц, непосредственно из камеры реактора, и, естественно, можно пропускать вещество, выделенное из газа в циклонном сепараторе (циклонных сепараторах), в КТ. Предпочтительно, КТ - это теплообменник с кипящим псевдоожиженным слоем, включающий в себя теплопередающие поверхности, погруженные в находящийся в нем псевдоожиженный слой вещества, состоящего из твердых частиц.

В соответствии с настоящим изобретением предусмотрено, что КП, а также некруглый компактный сепаратор (некруглые компактные сепараторы), сообщается с реактором с НПДЦПС путем использования общих парообразующих мембранных стенок реактора с НПДЦПС. Кроме того, общий цикл парообразования предпочтительно включает в себя секции в каждой из вышеупомянутых составных частей. При этом, например, тепловое расширение каждой из этих составных частей, по существу, аналогично, что приводит к получению надежной системы с НПДЦПС. Согласно настоящему изобретению создание наиболее эффективной и гибкой энергоустановки с комбинированным циклом, а также процесса обеспечивают путем объединения системы парообразования с ТП с системой парообразования реактора с НПДЦПС и, в частности, обеспечивают наличие омега-панелей и теплопередающих поверхностей, погруженных в псевдоожиженный слой вещества, состоящего из твердых частиц, КТ. При таком способе парообразования перегрев и/или повторный нагрев пара можно обеспечить путем надлежащего использования всей системы. Неожиданно обнаружено, что, в частности, реактор с НПДЦПС, соответствующий настоящему изобретению, позволяет создать незапараллеленную систему для процесса с комбинированным циклом. Настоящее изобретение позволяет заключить, по существу, все требуемые секции составных частей реактора с НПДЦПС, включая камеру реактора, сепаратор(ы) твердых частиц и теплообменник (КТ) с псевдоожиженным слоем, в один сосуд высокого давления при оптимизированном использовании пространства внутри сосуда высокого давления.

Согласно предпочтительному конкретному варианту осуществления настоящего изобретения паровой цикл процесса с комбинированным циклом предусматривает наличие парообразующих мембранных стенок реактора с НПДЦПС, парообразующих теплопередающих поверхностей в проходе для топочных газов ТП, пароперегревающих и/или повторно нагревающих теплопередающих поверхностей в КТ и в камере реактора с НПДЦПС. Пар, образовавшийся на парообразующих стенках и поверхностях, перегревают перед его подачей в паровую турбину для выработки электроэнергии. В случае использования турбины с несколькими, например двумя, ступенями пар из первой (промежуточной) ступени предпочтительно повторно нагревают перед подачей на вторую (последующую/оконечную) ступень. Настоящее изобретение позволяет предусмотреть связь перегревающих или повторно нагревающих теплопередающих поверхностей с реактором с НПДЦПС в сосуде высокого давления значительно меньшего диаметра путем обеспечения наличия компактного реактора с НПДЦПС.

Перегрев пара в соответствии с настоящим изобретением регулируют преимущественно путем необязательного направления перегретого или повторно нагретого пара к теплопередающей поверхности в камере реактора с НПДЦПС и к теплопередающим поверхностям в КТ или наоборот, в зависимости от конструктивных условий и рабочей нагрузки энергоустановки. В условиях низкой нагрузки количество отводимого тепла в КТ можно уменьшить или свести к нулю, уменьшая приток воздуха в КТ и пропуская обходным путем поток твердых частиц, обычно следующий через него. Поэтому в соответствии с настоящим изобретением твердые частицы можно пропускать в КТ или можно пропускать мимо КТ с целью перегрева и/или повторного нагрева пара. Благодаря компактной конструкции реактора с НПДЦПС все необходимые устройства можно расположить в одном сосуде высокого давления.

Центробежный сепаратор, расположенный внутри сосуда высокого давления, имеет впускной канал, соединенный со средством для вывода горячих газообразных продуктов сгорания из камеры реактора, канал для выпуска газа, ведущий из камеры реактора на следующую технологическую стадию, в котором обычно установлен керамический фильтр или другое устройство для удаления частиц, и обязательно выходящих наружу из сосуда высокого давления для сброса давления в газовой турбине и рекуперации тепла на низком уровне. Предусмотрен также обратный канал твердых частиц для рециркуляции выделенных твердых частиц из сепаратора в КТ или непосредственно в камеру реактора. Центробежный сепаратор содержит вертикальную вихревую камеру, имеющую отчетливо некруглые стенки, ограничивающие внутреннее пространство для газа, имеющее поперечное сечение, являющееся отчетливо некруглым и имеющее круглость, превышающую или равную 1,15. Пространство для газа обычно имеет прямоугольное поперечное сечение, а циклонный сепаратор выполнен из, по существу, плоских панелей.

Центробежный сепаратор может содержать первый центробежный сепаратор, а также второй центробежный сепаратор, имеющий те же основные составные части, описанные выше, что и первый сепаратор. Сепараторы могут быть размещены на противоположных сторонах камеры реактора, соединяясь с боковыми стенками камеры реактора, или могут быть размещены на одной и той же стороне камеры реактора, располагаясь друг за другом или один над другим. Если они расположены один над другим и если канал для выпуска газа одного сепаратора выходит вверх, то другой (предпочтительно - верхний сепаратор) имеет выход вниз, так что имеется общая полость, соединенная с выпускными каналами для газа. Чтобы оптимизировать компоновку реактора, некруглых циклонов, КТ и возможных керамических фильтров в сосуде, можно предусмотреть несколько, по существу, идентичных сепараторов, установленных группами (например, парами) на противоположных сторонах камеры реактора. Камера реактора может иметь первую площадь поперечного сечения, а каждый из сепараторов имеет вторую площадь поперечного сечения своего пространства для газа, и эти площади поперечного сечения могут быть, по существу, одинаковыми.

Средство газового компрессора для нагнетания давления в сосуде высокого давления может содержать средство для подачи кислородсодержащего газа под давлением в сосуд для нагнетания давления внутри него, причем средство нагнетания потока газа также содержит средство для подачи сжижающего газа в камеру реактора на ее дне. Можно предусмотреть омега-панели в камере реактора, простирающиеся вдоль ее длины, и можно установить сепараторы на продольных сторонах камеры реактора параллельно омега-панелям.

Реактор может дополнительно содержать множество керамических фильтрующих средств типа фильтров-"свечек", монолитных или пористых фильтров, установленных на несущей конструкции внутри сосуда высокого давления и имеющих канал для впуска загрязненного газа, канал для выпуска чистого газа и канал для выпуска золы, соединенный с каналом для выпуска газа сепаратора. Термин "керамические фильтрующие средства" в том смысле, каком он употребляется в этом описании, означает обычные фильтры-"свечки", монолитные или пористые фильтры, или усовершенствованные фильтры, которые будут разработаны в будущем, способные фильтровать частицы из высокотемпературных газов, например топочных газов из реакторов с псевдоожиженным слоем. Для размещения керамического фильтрующего средства можно использовать ряд компоновок. При одной компоновке сепаратор устанавливают вдоль стороны камеры реактора, соединенной с его боковой стенкой, и канал для выпуска газа направляют вниз, а несущую конструкцию и керамическое фильтрующее средство устанавливают на той же боковой стенке камеры реактора, что и сепаратор, ниже сепаратора, при этом фильтры фильтрующего средства проходят в основном горизонтально.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения разработана энергоустановка с комбинированным циклом, содержащая воздушный компрессор, обеспечивающий подачу сжатого воздуха под давлением более 2 бар (0,2 МПа), средство газовой турбины для привода средства газового компрессора, сосуд высокого давления, круглый в поперечном сечении, соединенный с воздушным компрессором и способный выдерживать давления, превышающие 2 бара (0,2 МПа), реактор с находящимся под давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем, заключенный в сосуде высокого давления, имеющий камеру реактора, прямоугольную в поперечном сечении, включающую в себя, по существу, плоские парообразующие трубчатые стенки, имеющие нижнюю секцию, средство для вывода горячих газообразных продуктов сгорания из реактора, центробежный сепаратор, расположенный внутри сосуда высокого давления и очищающий горячие газообразные продукты сгорания, имеющий канал для выпуска газа, идущий от сепаратора наружу из сосуда высокого давления, причем центробежный сепаратор содержит вертикальную вихревую камеру, имеющую отчетливо плоские парообразующие трубчатые стенки, ограничивающие внутреннее пространство для газа, и камеру теплообменника с кипящим псевдоожиженным слоем КТ, имеющую отчетливо плоские парообразующие трубчатые стенки, ограничивающие внутренность упомянутой камеры, которая соединена с нижней секцией камеры реактора, теплорекуперационный блок, предназначенный для средства газовой турбины с целью рекуперации тепла от выходящего из нее газа, цикл парообразования, имеющий паровую турбину, парообразующие поверхности, включающие в себя парообразующие стенки, и пароперегревающие поверхности.

Основная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать энергоустановку с замкнутым циклом, оснащенную реактором с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем и циклонным сепаратором (циклонными сепараторами), а также встроенным(и) компактным(и) теплообменником (теплообменниками) с кипящим псевдоожиженным слоем внутри сосуда высокого давления. Эта и другие задачи изобретения станут ясными из рассмотрения подробного описания изобретения и из прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена иллюстрация энергоустановки с комбинированным циклом, оснащенной реактором с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем, соответствующей настоящему изобретению,

на фиг. 2 приведено продольное изображение, частично в разрезе, частично в проекции, возможного реактора с находящимся под давлением псевдоожиженным слоем, соответствующего настоящему изобретению,

на фиг. 3 приведен поперечный разрез реактора, показанного на фиг. 2, сделанный вдоль линии 2-2, изображенной на том чертеже,

на фиг. 4 приведен вид, аналогичный фиг. 3, только изображающий несколько отличающийся конкретный вариант осуществления реактора,

на фиг. 5 приведен перспективный вид сверху реактора, показанного на фиг. 4, причем сам сосуд высокого давления изображен пунктирной линией,

на фиг. 6 приведен иллюстративный вид сбоку еще одного возможного реактора, соответствующего настоящему изобретению, изображающий газофильтрующие элементы, установленные на сосуде высокого давления рядом с каналом для выпуска газа циклонного сепаратора,

на фиг. 7 приведен вид в разрезе еще одного конкретного варианта реактора, соответствующего настоящему изобретению, изображающих различные соотношения размеров.

Подробное описание чертежей

На фиг. 1 приведено иллюстративное изображение процесса энергоустановки с комбинированным циклом с находящимся под давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем. Процесс с комбинированным циклом объединяет циклы газовой турбины и паровой турбины, в целях пояснения изображенные пунктирными линиями и обозначенные как "ЦГТ (GTC)" " (цикл газовой турбины, и "ЦПТ (STC)" (цикл паровой турбины). Цикл газовой турбины включает в себя газовый компрессор 1 для сжатия воздуха до давления выше атмосферного и подачи сжатого воздуха в реактор с НПДЦПС, обозначенный как единое целое позицией 10 на фиг. 1, 2 и 3. Реактор с НПДЦПС заключен в сосуде высокого давления 11, выдерживающем преобладающую разность давлений. Сжатый газ также подается внутрь реактора в пространство для газа между реактором и сосудом для использования в качестве реакционного газа в реакторе. Настоящее изобретение описывается здесь как процесс сжигания, но следует понять, что его можно приспособить и для других процессов, например газификации. Воздух и топливный материал сжигаются в реакторе с НПДЦПС в условиях давления выше атмосферного в циркулирующем псевдоожиженном слое в реакторе 10 с получением горячих топочных газов. Эти газы после выхода из циклона (циклонов) 13 пропускаются в блок тонкой фильтрации, обозначенный как единое целое позицией 3. Блок тонкой фильтрации приспособлен для выдерживания высокой температуры (обычно - 600-1000^oC) и высокого давления (обычно - 2-20 бар (0,2-2 МПа)) процесса. Блок фильтрации изображен как отдельный от сосуда 11, но он может быть встроен в тот же сосуд 11, что и реактор 10, как будет описано ниже. Очищенные газы пропускаются в газовую турбину 5. Расширившиеся, но все еще горячие газы пропускаются через систему 9 теплорекуперационного парогенератора (ТП) для рекуперации тепла из газов перед их выпуском в атмосферу через вытяжную трубу 8. Цикл паровой турбины, соответствующий настоящему изобретению, соединен с ТП 9 и с реактором 10 с НПДЦПС. Питательная вода нагревается топочными газами в ТП 9 с помощью теплообменника 2 повторного нагрева, а потом испаряется с помощью испарителя 4. Из соображений простоты, процесс проиллюстрирован лишь в очень упрощенном виде. Реактор с НПДЦПС выполнен из охлаждаемых стенок, предпочтительно из так называемых мембранных стенок. Это не показано подробно на фиг. 1, но пароподогреватель 14 иллюстрирует тот факт, что в реакторе 10 с НПДЦПС имеет место парообразование. Изображение пароподогревателя не означает в этом контексте, что это касается только (или возможно только для) процессов парообразования, требующих наличия подогревателя; можно, например, использовать и цикл со сквозным надкритическим потоком. Можно также получить выгоду в цикле от использования пара под высоким давлением, например надкритическом и сверхнадкритическом состояниях, ввиду возможности расположить теплопередающие поверхности внутри реактора с использованием омегапанелей, или внутри КТ с кипящим слоем, обеспечивая достижение и регулирование нужных состояний пара и температур пара, а также воспользоваться преимуществом различающихся характеристик теплопередачи реактора и КТ. В таких надкритических и сверхнадкритических приложениях можно использовать однократный паровой цикл и применять сепаратор пара, а не обычный пароподогреватель, который поддерживает естественную циркуляцию.

Подогреватель или сепаратор 14 пара в этой связи включает в себя трубопроводы и другие необходимые средства для объединения парообразующих средств реактора 10 с НПДЦПС и ПТ 9. Полученный пар подвергают перегреву с помощью перегревателя 6 ПТ и/или перегревающих теплообменников реактора с НПДЦПС. Перегревающие теплообменники, соответствующие настоящему изобретению, введены в камеру 12 реактора и/или во встроенный компактный теплообменник (КТ) 12", соответствующий настоящему изобретению. Полученный перегретый пар направляется в паровую турбину 5" во впускном канале 100 (D/В) ее первой ступени для расширения и привода генератора, вырабатывающего электроэнергию. Ссылка (D/В) предназначена для иллюстрации того, что возможны различные регулирующие стратегии или соединения, связанные с выпускными каналами 102, 104 реактора с впускным каналом 100 первой ступени турбины. Их можно применить таким образом, что, по меньшей мере, температура 106 Т1 канала для впуска пара будет регулируемой переменной. Расширившийся пар из выпускного канала 107 (А/С) первой ступени направляется обратно во впускные каналы 108, 110 реактора 10 с НПДЦПС для повторного нагрева пара, и вновь ссылка (А/С) обозначает различные варианты соединения. Повторно нагретый пар направляется из выпускных каналов 102, 104 реактора во впускной канал 112 (В/D) второй ступени для окончательного расширения пара. Пар из турбины 5" направляется в конденсатор 116, а сконденсировавшаяся вода - далее в подогреватель 2 в контуре парового цикла. Выходная мощность 118 механического вращения паровой турбины 5" может быть приложена для вращения генератора G 120 мощности. Основной контур парообразования можно изменять в соответствии с процессом. Выгодная возможность перегрева/ повторного нагрева пара в реакторе 10 с НПДЦПС создается в соответствии с настоящим изобретением и сохраняется даже в сосуде высокого давления со значительно измененными размерами.

Один конкретный вариант осуществления возможного реактора с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем, соответствующего изобретению, показан на фиг. 2 и 3 в общем виде, но подробнее, чем на фиг. 1, и обозначен позицией 10. Реактор 10 содержит сосуд 11 высокого давления, в котором имеется камера 12 реактора, а также один или более (например, 2 на фиг. 2 и 3) центробежных сепараторов (циклонов) 13. Сосуд высокого давления, обычно изготавливаемый из специальной стали, является круглым в поперечном сечении (как видно на фиг. 3) и способен выдерживать давления выше атмосферного, превышающее 2 бара (0,2 МПа) (например, около 8-16 бар (0,8-1,6 МПа)). Сосуд 11 имеет верхнюю часть 11" и нижнюю часть 11"".

Газовый компрессор 1, как показано на фиг. 1, предусмотрен для нагнетания давления в сосуде 11 до давления, превышающего 2 бара (0,2 МПа) (например - около 8-16 бар (0,8-1,6 МПа)). Нагнетание давления можно обеспечить путем нагнетания кислородсодержащего газа под давлением по трубопроводу 16 (см. фиг. 2) в верхней части сосуда 11, поскольку сосуд 11 герметизирован по всему объему сосуда с возможностью достижения, по существу, давления нагнетаемого газа 16. Газ 16 является кислородсодержащим газом и используется для протекания вверх в камеру 12 реактора через ее нижнюю секцию для обеспечения сгорания (газификации) и/или псевдоожижения находящегося в ней газа. Предусмотрены также обычные средства для подачи топлива в камеру реактора (условно обозначенные позицией 18 на фиг. 2)) и для подачи других материалов в камеру, таких как абсорбенты для поглощения загрязняющих веществ (например, известняк), как условно показано позицией 19. Топливом может быть уголь, нефть, биомасса или другие углеродсодержащие или водородсодержащие топлива, как правило, в виде твердых частиц или в виде суспензии, приготовленной из топлива путем смешивания, например, с водой и сорбентами. Кроме того, предусмотрен обычный выпуск золы из камеры 12 реактора, как условно показано позицией 20 на фиг. 2.

Центробежный сепаратор или центробежные сепараторы 13 реактора 10, соответствующие изобретению, являются такими, как в первичной заявке (патент США N 5,281,398). То есть каждый сепаратор 13 имеет вертикальную вихревую камеру 21 (см. фиг. 2), имеющую нецилиндрические стенки 22, ограничивающие вихревую камеру или внутреннее пространство 21 для газа с поперечным сечением, которое является отчетливо некруглым. Обычно пространство 21 имеет круглость больше единицы, предпочтительно больше 1,1, а еще предпочтительнее превышающую или равную 1,15. Предпочтительна конструкция с прямоугольным (например, квадратным) поперечным сечением для камеры 21, как показано на фиг. 2 и 3, и сепараторами 13, которые сконструированы из исходных, по существу, плоских охлаждаемых панелей. Эта компоновка не только обеспечивает компактно заполненное пространство, но и позволяет сконструировать более дешевые сепараторы, чем обычные круглые сепараторы.

Каждый сепаратор 13 также имеет внутри вихревой искатель 23 и обратный канал 24 для рециркуляции выделенных твердых частиц из сепаратора 13, например в камеру 12 реактора. Предусмотрен канал 25 для выпуска газа из камеры 21, концентричный с вихревым искателем 23; в конкретном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2 и 3, выпускной трубопровод 25 для газа проходит через подходящее уплотнение сквозь верхнюю часть сосуда высокого давления 11.

Можно предусмотреть различные водоохлаждаемые панели для составных частей, находящихся внутри реактора 10, чтобы рекуперировать тепло сгорания в камере 12 реактора и сохранить долговечность этих составных частей. Предпочтительно, можно предусмотреть, например, омега-панели 27, параллельные размеру длины 28 камеры 12 реактора (перпендикулярные ее размеру ширины 29), для рекуперации тепла из камеры 12 в виде перегретого пара, используемого в паровой турбине. Предусмотрены также водоохлаждаемые панели, связанные с сепараторами 13, например панели 22, выполненные из труб для воды, таких как описанные в первичных заявках. В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 2 и 3, предусмотрены два циклонных сепаратора 13, установленные на продольной стенке 28 камеры 12 реактора бок о бок. Это всего лишь один возможный конкретный вариант осуществления, возможны и многочисленные другие компоновки.

Реактор 10 включает в себя также компактный теплообменник (КТ) 12" со встроенным псевдоожиженным слоем. КТ 12" предусмотрен предпочтительно в нижней секции реактора 10, ниже циклона (циклонов) 13. При этом КТ, по существу, может и не потребовать наличия избыточного пространства для поперечного сечения в сосуде высокого давления и может быть расположен в пределах вертикальной проекции пространства, занимаемого циклоном (циклонами). В соответствии с настоящим изобретением, преимущественно одни и те же панели 22 используются для формирования и сепаратора (сепараторов) 13, и КТ 12". Для иллюстрации наличия парообразующих трубчатых стенок изображены нижний и верхний коллекторы 15 и 15" соответственно. Боковые стенки являются, по существу, прямыми, а задняя стенка должным образом изогнута с целью формирования задних стенок циклона (циклонов) и КТ.

Настоящее изобретение обеспечивает создание удивительно универсального и выгодного реактора с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем. В соответствии с настоящим изобретением можно получить горячий сжатый газ для привода газовой турбины и одновременно обеспечить наличие средства для парообразования путем использования компактного, находящегося под повышенным давлением циркулирующего псевдоожиженного слоя, соответствующего настоящему изобретению. Топочный газ подают из реактора с температурой как можно выше, чтобы максимизировать КПД газовой турбины, используемой в цикле, поэтому газы обычно не охлаждаются после отвода из реактора. Вместе с тем, если и существует необходимость защиты каких-либо составных частей от перегрева, то для этого из газов выделяется лишь необходимое количество тепла. Обычно газы, отведенные из реактора с НПДЦПС, имеют температуру в диапазоне 650- 950^oC. Перегрев и/или повторный нагрев пара осуществляют путем использования теплообменников в камере 12 реактора и/или кипящем псевдоожиженном слое КТ. Согласно настоящему изобретению, можно предусмотреть средства для образования горячего газа и перегретого пара в одном сосуде высокого давления 11.

На фиг. 4 и 5 изображен еще один реактор 10", по существу идентичный реактору 10, за исключением числа циклонных сепараторов. В этом конкретном варианте имеется по блоку 13 сепараторов на обеих сторонах реактора 10" причем каждый блок состоит из двух устройств формирования разделяющих вихрей. Согласно настоящему изобретению, ниже циклонных блоков 13 предусмотрены компактные теплообменники 12". Блоки КТ содержат кипящий псевдоожиженный слой с погруженными в него теплообменниками. Блоки КТ предпочтительно выполнены из общих стеночных конструкций с находящимися над ними циклонами. Таким образом можно эффективно обеспечить опору реактора 10 в сосуде высокого давления, так что этот признак настоящего изобретения особенно выгоден в связи с процессами с комбинированным циклом.

На фиг. 6 схематически и несколько подробнее изображен один конкретный вариант осуществления реактора с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем, соответствующего настоящему изобретению, который содержит керамические фильтрующие элементы. Внутри сосуда 66 высокого давления находится камера 67 реактора, один или более циклонов 68 прямоугольного поперечного сечения, установленных на одной или на противоположных сторонах камеры 67 реактора, трубопровод 69 рециркуляции частиц из циклона 68 и канал 70 для выпуска газа из циклона 68, ведущий к керамическому фильтрующему средству 71. Отдельные фильтры керамического фильтрующего средства показаны на фиг. 6 позициями 72 и показаны проходящими в основном горизонтально, будучи установленными на несущей конструкции 73, и имеющими канал 74 для впуска загрязненного газа на одной их стороне (сообщающийся с трубопроводом 70) и камеру 75 чистого газа на их противоположной стороне, сообщающуюся с каналом 76 для выпуска чистого газа, пронизывающим сосуд 66 высокого давления и ведущим на последующую технологическую стадию (например, к турбине для обеспечения расширения). В дне камеры 74 для загрязненного газа предусмотрен обозначенный позицией 77 канал для выпуска золы, например летучей золы или других частиц, который предназначен для удаления частиц, отделенных от газа, проходящего через фильтры 72. Эти частицы, как правило, извлекают путем обратной промывки фильтра 72 обычным способом, например приведенным в патенте США N 5,242,472 (на чертежах не показан). Как видно на фиг. 6, воздух под давлением вводится, как показано позицией 78, в верхней части сосуда 66 высокого давления, проходит вокруг камеры 67 реактора с образованием потока, направленного вверх, по мере того как раздельно регулируемые ожижающий воздух, как показано позицией 79, топливо и сорбенты и т.п. вводятся в камеру 67 реактора, как показано позицией 80, а зола, подлежащая удалению, выводится по трубопроводу 81 в дне камеры 67 реактора. Используя положение настоящего изобретения, можно эффективным в смысле затрат способом обеспечить эффективную фильтрацию всего газа, вырабатываемого реактором, по существу, оптимального размера, предусмотренным внутри сосуда 66. Часть ожижающего газа подается в КТ 12" для создания кипящего псевдоожиженного слоя твердых частиц в нем. В этом конкретном варианте осуществления КТ предусмотрен внутри камеры реактора, поскольку пространство ниже циклона (циклонов) 68 зарезервировано для фильтров. Тем не менее, и здесь можно предусмотреть такое расположение и КТ, и камер фильтров, которое не приведет к увеличению площади поперечного сечения сосуда высокого давления.

На фиг. 7 приведено схематическое изображение сосуда 60 высокого давления с обозначениями размеров на нем с целью иллюстрации того, как можно математически рассчитать оптимизированный размер камеры реактора для сосуда 61 высокого давления с конкретным диаметром. Сосуд 61 высокого давления имеет внутренний диаметр D, тогда как камера 62 реактора имеет размер ширины w и размер длины L. На каждой стороне камеры 62 показаны множество циклонных сепараторов 63; предусмотрено x сепараторов, каждый из которых показан имеющим квадратное поперечное сечение с размерами d сторон.

Как явствует из фиг. 7, площадь поперечного сечения камеры 62 реактора равна Lw, тогда как площадь вихревых камер циклона 63 равна xd² (в этом случае x = 8). Поскольку желательно, чтобы площадь мертвой зоны камеры 62 реактора была равна площади вихревой камеры 63, справедливы следующие уравнения;





Таким образом, подставляя требуемые значения для x и D, можно математически рассчитать максимальную площадь камеры 62 реактора. Конечно, максимальная площадь камеры реактора используется не всегда, однако поскольку из-за других факторов, например впускных и выпускных каналов сосуда высокого давления, размещения различного вспомогательного оборудования и т.д., могут существовать решения, более экономичные и эффективные в смысле затрат, расчет максимального размера камеры 62 реактора все же приносит пользу во многих случаях.

Изобретение также выгодно при обеспечении возможности исключения отдельного сосуда высокого давления для фильтрования газов, удаленных из центробежных сепараторов, например, с помощью керамических фильтрующих средств типа тех, которые раскрыты в патентах США N 5,114,581 и 4,793,292. Такие компоновки обеспечивают большее отношение объема фильтров к их площади, что уменьшает пространство, необходимое для блока фильтров, и позволяет установить такие блоки непосредственно внутри сосуда высокого давления, а конкретное сочетание сосуда высокого давления и прямоугольных циклонов, соответствующее настоящему изобретению, обеспечивает наличие достаточного внутреннего пространства, позволяющего устанавливать керамические фильтры в том же сосуде высокого давления, что и камеру реактора и циклон.

Таким образом, можно увидеть, что в соответствии с настоящим изобретением разработаны компактный, эффективный в смысле затрат реактор с находящимся под повышенным давлением циркулирующим псевдоожиженным слоем, а также установка с комбинированным циклом, оснащенная реактором с НПДЦПС. Хотя изобретение было проиллюстрировано и описано применительно к его конкретному варианту осуществления, считающемуся в настоящее время наиболее практичным и предпочтительным, специалистам в данной области техники будет очевидно, что возможны его многочисленные модификации в рамках объема притязаний изобретения, который следует рассматривать как соответствующий интерпретации в самом широком смысле прилагаемой формулы изобретения и охватывающий все эквивалентные конструкции и устройства.