Спосіб вироблення електроенергії за допомогою газової турбіни та парової турбіни (варіанти) і пристрій для нього

1. Спосіб вироблення електроенергії за допомогою газової турбіни та парової турбіни, який включає: (А) роботу в першому режимі шляхом: (a) подачі під тиском метану вугільного пласта, кисневмісного газу та димового газу, одержаного в газовій турбіні, до камери згорання газової турбіни та спалювання метану вугільного пласта і використання гарячих продуктів згорання та димового газу для приведення в дію газової турбіни; (b) подачі струменя гарячого димового газу, одержаного в газовій турбіні, до парогенератора з рекуператором і використання теплоти димового газу для одержання пари за допомогою теплообміну з водою, що подається до парогенератора; (c) подачі пари з парогенератора до парової турбіни і використання пари для приведення в дію парової турбіни; і (d) подачі (і) частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до камери згорання газової турбіни, а (іі) іншої частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до відповідного підземного сховища; і (В) роботу в другому режимі шляхом: (a) подачі під тиском метану вугільного пласта та повітря з повітряного компресора газової турбіни до камери згорання газової турбіни та спалювання 2 (19) 1 3 88280 4 10. Спосіб за будь-яким із попередніх пп.1-9, який відрізняється тим, що стадія (d) режиму роботи (А) включає: (і) досягання величини першого тиску (типово 2030 бар) в струмені димового газу; і (іі) подачу однієї частини струменя стисненого димового газу до камери згорання газової турбіни. 11. Спосіб за п. 10, який відрізняється тим, що стадія (d) режиму роботи (А) додатково включає: (і) досягання другої, більшої величини тиску (типово принаймні 70 бар, більш типово принаймні 73 бар) в іншій частині струменя стисненого димового газу; (іі) охолодження потоку стисненого димового газу зі стадії (і) і одержання рідкої фази; і (ііі) подачу рідкої фази до підземного сховища. 12. Спосіб за будь-яким із попередніх пп., який відрізняється тим, що включає подачу повітря з повітряного компресора газової турбіни та одержання кисню в установці під час режиму роботи А. 13. Пристрій для вироблення електроенергії за допомогою газової турбіни та парової турбіни, який містить: (a) газову турбіну, яка має повітряний компресор, розширник та камеру згорання; (b) установку для сепарації повітря для одержання кисню; (c) засоби для подачі під тиском наступних живильних матеріалів до камери згорання газової турбіни: метан вугільного пласта, кисень з установки для сепарації повітря, повітря з повітряного компресора газової турбіни, кисневмісний газ та димовий газ, одержаний в газовій турбіні, до камери згорання газової турбіни для спалювання метану вугільного пласта і використання гарячих продуктів згорання та димового газу для приведення в дію газової турбіни; (d) парогенератор з рекуператором для одержання пари з води, яка подається до парогенератора за допомогою теплообміну з димовим газом з газової турбіни; (e) парову турбіну, виконану для приведення в дію парою, одержуваною в парогенераторі; і (f) засоби для подачі (і) однієї частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до камери згорання газової турбіни, а (іі) іншої частини стру меня димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до відповідного підземного сховища, коли пристрій виконаний з можливістю функціонування на метані вугільного пласта, на кисні з установки для сепарації повітря та на димовому газі, одержаному в газовій турбіні, який подається до її камери. 14. Пристрій за п. 12, який відрізняється тим, що засоби для подачі однієї частини струменя димового газу до камери згорання газової турбіни, а іншої частини струменя димового газу - до відповідного підземного сховища включають засоби для перетворення димового газу з газоподібної фази в рідку фазу, яка подається до підземного сховища. 15. Пристрій за п. 13 або 14, який відрізняється тим, що містить засоби для подачі повітря з повітряного компресора газової турбіни до установки для сепарації повітря як джерела кисню. 16. Спосіб вироблення електроенергії за допомогою газової турбіни та парової турбіни, який включає: (e) подачу стисненого повітря з повітряного компресора газової турбіни до кисневої установки і одержання газоподібного кисню; (f) подачу під тиском метану вугільного пласта, кисню з кисневої установки та димового газу, який переважно є СО2, одержаного в газовій турбіні, до камери згорання газової турбіни і спалювання метану вугільного пласта та використання гарячих продуктів згорання і димового газу для приведення в дію газової турбіни; (g) подачу струменя гарячого димового газу, одержаного в газовій турбіні, до парогенератора з рекуператором, і використання теплоти димового газу для одержання пари за допомогою теплообміну з водою, що подається до парогенератора; (h) подачу пари з парогенератора до парової турбіни і використання пари для приведення в дію парової турбіни; і (e) подачу (і) частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до камери згорання газової турбіни, а (іі) іншої частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до відповідного підземного сховища. Представлений винахід відноситься до способа та пристрою для вироблення електроенергії, що базується на використанні метану вугільного пласту як джерела енергії для приведення в дію газової турбіни та парової турбіни для вироблення електроенергії. Термін "метан вугільного пласту" розглядається таким, що означає газ, який містить принаймні 75 об'ємних % метану, одержаного з підземного вугільного родовища. Згідно з представленим винаходом надається спосіб вироблення електроенергії за допомогою газової турбіни та парової турбіни, який включає: (А) роботу в першому режимі шляхом: (a) подачі під тиском метану вугільного пласту, кисневмісного газу та димового газу, одержаного в газовій турбіні, до камери згорання газової турбіни та спалювання метану вугільного пласту і використання гарячих продуктів згорання, і димового газу для приведення в дію газової турбіни; (b) подачі струменя гарячого димового газу, одержаного в газовій турбіні, до парогенератора з рекуператором, та використання теплоти димового газу для одержання пари за допомогою теплообміну з водою, яка подається до парогенератора; 5 (c) подачі пари від парогенератора до парової турбіни та використання пари для приведення в дію парової турбіни; і (d) подачі (і) частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до камери згорання газової турбіни та (іі) іншої частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до відповідного підземного сховища; та (В) роботу в другому режимі шляхом: (а) подачі під тиском метану вугільного пласту та повітря з повітряного компресора газової турбіни до камери згорання газової турбіни та спалювання метану вугільного пласту, і використання гарячих продуктів згорання, і димового газу для приведення в дію газової турбіни; (b) подачі струменя гарячого димового газу, одержаного в газовій турбіні, до парогенератора з рекуператором, та використання теплоти димового газу для вироблення пари за допомогою теплообміну з водою, що подається до парогенератора; (с) подачі струменя з парогенератора до парової турбіни та використання пари для приведення в дію парової турбіни. Одна з ознак способу та пристрою представленого винаходу полягає в тому, що він може працювати без виділення СО2 в атмосферу. У вигляді прикладу, подача усього димового газу, який неухильно містить значні кількості СО2, що не подається з камери згорання газової турбіни до відповідного підземного сховища в режимі роботи (А), є ефективним варіантом для перешкоджання викидів СО2 в атмосферу, що не має жодних шкідливих наслідків для навколишнього середовища. Інша ознака представленого винаходу полягає в тому, що використання частини струменя димового газу з газової турбіни в її камері згорання в режимі роботи (А) робить можливим знижувати і переважно повністю замінити використання повітря в камері згорання газової турбіни. Повна заміна повітря киснем та димовим газом, який є переважно СО2 у цьому режимі роботи, усуває суттєві проблеми, пов'язані з використанням повітря. Наприклад, використання повітря означає, що струмінь димового газу з газової турбіни містить значну кількість (типово принаймні 70 об'ємних %) азоту, певну кількість (типово 10 об'ємних %) кисню та певну кількість (типово 5-10 об'ємних %) СО2. Суміш азоту, кисню та СО2 представляє значні проблеми, пов'язані з сепарацією газів, для належної обробки струменя димового газу. Заміна повітря киснем та димовим газом у цьому режимі роботи означає, що струмінь димового газу з парогенератора з рекуператором, є переважно струменем СО2, а вода значно спрощує вимоги до обробки для димового газу з газової турбіни, в результаті чого це є порівняно пряме застосування для одержання струменя димового газу переважно у вигляді струменя СО2 та для подачі його до камери згорання газової турбіни. Переважно кисневмісним газом, що подається до камери згорання газової турбіни в режимі роботи (А), є кисень. 88280 6 Переважно струмінь димового газу, який подається до камери згорання газової турбіни в режимі роботи (А), є СО2. Переважно стадія (d) режиму роботи (А) включає подачу частини струменя димового газу до камери згорання газової турбіни, а решту струменя димового газу - до підземного сховища. Переважно стадія (d) режиму роботи (А) включає подачу струменя димового газу до підземного сховища у вигляді рідкої фази. Переважно підземне сховище є прошарком вугільного пласту. Більш переважно підземне сховище є прошарком вугільного пласту, з якого одержують метан для живлення газової турбіни. У цьому контексті існуючі структури свердловин для добування метану вугільного пласту можуть використовуватися для подачі димового газу у рідкій або газоподібній фазах до підземного сховища. Переважно стадія (d) режиму роботи (А) включає подачу струменя димового газу до підземного сховища по існуючим структурам свердловин для виведення метану вугільного пласту з підземного сховища. Переважно стадія (d) режиму роботи (А) включає виділення води з димового газу. Стадія (d) режиму роботи (А) може додатково включати: (і) досягання тиску величини першого тиску (типово 20-30 бар) в струмені димового газу; і (іі) подачу однієї частини струменя стисненого димового газу до камери згорання газової турбіни. Стадія (d) режиму роботи (А) може додатково включати: (і) досягання другої більшої величини тиску (типово принаймні 70 бар, більш типово принаймні 73 бар) в частині струменя димового газу; (іі) охолодження струменя стисненого димового газу із стадії (і) та формування рідкої фази; і (ііі) подачу рідкої фази до підземного сховища. Спосіб може також включати подачу повітря з повітряного компресора газової турбіни та одержання кисню в установці під час режиму роботи (А). Згідно з представленим винаходом також надається пристрій для одержання електроенергії за допомогою газової турбіни та парової турбіни, який містить: (a) газову турбіну, яка має повітряний компресор, повітряний турборозширник і камеру згорання; (b) установку для сепарації повітря для одержання кисню; (c) засоби для подачі під тиском наступних живильних матеріалів до камери згорання газової турбіни: метан вугільного пласту, кисень з установки для сепарації повітря, повітря з повітряного компресора газової турбіни і димовий газ, одержаний в газовій турбіні для спалювання метану вугільного пласту та використання гарячих продуктів згорання і димового газу для приведення в дію газової турбіни; (d) парогенератор з рекуператором для одержання пари з води, що подається до парогенера 7 тора за допомогою теплообміну з димовим газом з газової турбіни; (e) парову турбіну, пристосовану для приведення в дію паром, одержаним в парогенераторі; і (f) засоби для подачі (і) однієї частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором до камери згорання газової турбіни, а (ii) іншої частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором до відповідного підземного сховища, коли пристрій виконаний з можливістю функціонування на метані вугільного пласту, кисню з установки для сепарації повітря та димового газу, одержаного в газовій турбіні, який подається до її камери згорання. Переважно засоби для подачі однієї частини струменя димового газу до камери згорання газової турбіни, а іншої частини струменя димового газу - до відповідного підземного сховища включають засоби для перетворення димового газу з газоподібної фази в рідку фазу, яка подається до відповідного підземного сховища. Переважно пристрій має засоби для подачі повітря з повітряного компресора газової турбіни до установки для сепарації повітря як джерела кисню. Згідно з представленим винаходом надається також спосіб вироблення електроенергії за допомогою газової турбіни та парової турбіни, який включає: (а) подачу стисненого повітря з повітряного компресора газової турбіни до кисневої установки та одержання газоподібного кисню; (b) подачу під тиском метану вугільного пласту, кисню з кисневої установки та димового газу, який переважно є СО2, одержаний в газовій турбіні, до камери згорання газової турбіни та спалювання метану вугільного пласту і використання гарячих продуктів згорання та димового газу для приведення в дію газової турбіни; (c) подачу струменя гарячого димового газу, одержаного в газовій турбіні, до парогенератора з рекуператором і використання теплоти димового газу для одержання пари за допомогою теплообміну з водою, яка подається до парогенератора; (d) подачу пари з парогенератора до парової турбіни та використання пари для приведення в дію парової турбіни; і (e) подачу (і) частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до камери згорання газової турбіни, а (іі) іншої частини струменя димового газу з газової турбіни, що проходить крізь парогенератор з рекуператором, до відповідного підземного сховища. Представлений винахід надалі описується з посиланням на супровідне креслення, яке є єдиним, хоча не тільки, варіантом втілення способу вироблення електроенергії та пристрою винаходу. Посилаючись на Фіг., спосіб включає подачу наступних газових струменів до камери згорання 5 газової турбіни, головним чином позначеної позицією 7: (a) метану вугільного пласту з підземного родовища 3 за допомогою використовуваної компре 88280 8 сорної станції для метану вугільного пласту (не зображена) і подачу по трубопроводу 51; (b) кисню в кількості, необхідній для стехіометричного згорання, одержаного в кисневій установці у вигляді установки 11 для сепарації повітря, по трубопроводу 53; (c) димового газу, який переважно є СО2, що подається струменем з описаної далі газової турбіни 7 по трубопроводу 55. Струмені кисню та димового газу попередньо змішуються у змішувачі 9 вверх по технологічній лінії від камери згорання 5. Струмені метану вугільного пласту та кисню/димового газу подаються до камери згорання 5 під наперед вибраним тиском, що становить 16-28 бар. Відмічається, що камера згорання може працювати при будь-якому придатному тиску. Метан вугільного пласту спалюється в камері згорання 5 і продукти згорання та димовий газ подаються до розширника 13 газової турбіни 7, і приводять в дію лопатки турбіни (не зображені), розташовані в розширнику 13. Вихід газової турбіни 7 під'єднаний до та приводить в дію генератор 15 електроенергії та багатоступеневий контур 17 компресора димового газу. При втіленні способу вироблення електроенергії в цьому режимі роботи повітря в повітряному компресорі 21 газової турбіни 7 випускається приблизно під тиском 5 бар і подається до установки для сепарації повітря, і використовується для одержання кисню для камери згорання 5 газової турбіни 7. Вихідний газовий струмінь, тобто димовий газ, з газової турбіни 7 має атмосферний тиск і типово температуру порядку 540°С. Димовий газ з газової турбіни 7 подається крізь парогенератор 27 з рекуператором і використовується як джерело тепла для одержання пари високого тиску, типово приблизно 75 бар або 7,5МПа, з демінералізованої води та повернення конденсату, що подається до парогенератора 27 з рекуператором. Пара високого тиску подається по трубопроводу 57 до парового турбогенератора 29 і використовується для запуску турбогенератора 29 і вироблення електроенергії. Димовий газ з парогенератора 27 з рекуператором, який переважно є СО2, та вода залишають парогенератор через випускний канал 19 у вигляді струменя вологого димового газу типово при температурі 125°С. Вологий димовий газ потім подається крізь водовіддільник 33, що відділяє воду від пари та надає струмінь сухого димового газу. Струмінь сухого димового газу потім подають крізь багатоступеневий контур 17 компресора димового газу. В першій ступіні компресії димовий газ стискають до необхідного тиску, зокрема до 22 бар у представленому прикладі, для камери згорання 5 газової турбіни 7. Стиснений димовий газ на виході з першої ступіні подається до камери згорання 5 газової турбіни 7 за допомогою змішувача 9, типово змі 9 шувального клапана, і перемішується з киснем з повітряного компресора 11 перед подачею до камери згорання 5. Залишок димового газу подається до другої ступіні компресії, позначеної "Супінь 2" на Фіг., і стискається до високого тиску - типово понад 73 бар, і струмінь стисненого димового газу потім подається крізь конденсатор 35. Конденсатор 35 знижує температуру струменя димового газу до менше ніж 31°С і, таким чином, перетворює димовий газ на рідку фазу. Тиск струменя зрідженого димового газу, який залишає конденсатор, підвищується (в разі необхідності), а потім він вводиться в існуючі експлуатаційні свердловини. Коли система вироблення електроенергії не працює у вищеописаному режимі і, більш точно, не приймає струмінь попередньо змішаних кисню та димового газу, то газова турбіна 7 працює на традиційній основі з використанням повітря, яке всмоктується крізь вхідний отвір турбіни (не зображений) і стискається в повітряному компресорі 21, а після цього подається до камери згорання 5 і змішується з метаном вугільного пласту, а суміш спалюється в камері згорання 5. Більш точно, варіант роботи на більш традиційній основі доступний за допомогою від'єднання багатоступеневого контура 17 компресора димового газу від газової турбіни 7. Ключові компоненти вищеописаного варіанту втілення способу та пристрою винаходу, зображеного на Фіг., є наступними: (a) установка для сепарації повітря - ця установка потрібна для одержання кисню для спалювання метану вугільного пласту в камері згорання турбіни. Типово, установка є стандартною серійною установкою, яка виконана з розмірами для вміщення О2, необхідного для повного спалювання метану вугільного пласту; (b) газова турбіна/генератор - типово, цей пристрій є стандартною газовою турбіною, оснащеною стандартною камерою згорання. Багатоступеневий компресор димового газу буде встановлюватися на той же вал із затискним блоком, що буде надавати можливість компресору ізолюватися, коли турбіна працює традиційним способом. Кріплення великих багатоступеневих компресорів до газотурбінних установок є цілком загальноприйнятим в сталеварній промисловості, де відхідні гази з низьким значенням бто (британська теплова одиниця) стискаються цими блоками перед подачею до камери згорання для спалювання; 88280 10 (c) парогенератор з рекуператором - типово цей блок є стандартним безтопковим блоком подвоєного тиску; (d) парова турбіна/генератор - типово цей блок, доповнений допоміжними засобами парового циклу, є стандартним блоком парової турбіни; (e) система підземного сховища для рециркуляціх димового газу та зберігання СО2 - типово ця система містить наступне: (і) водовіддільник/виштовхувальний блок - типово цей блок є простою водовіддільною установкою, у якій вода виділяється із струменя димового газу до потрапляння в багатоступеневий компресорний блок. (іі) багатоступеневий компресорний контур для СО2 - для варіанта виконання, зображеного на Фіг., типово цей блок виконаний для керування усім струменем димового газу в першій ступіні компресії та меншим струменем димового газу для підземного сховища. Тиск цього меншого струменя буде встановлюватися вище 73 бар перед подачою до конденсатора. (ііі) конденсатор - цей блок необхідний для одержання зрідженого димового газу, який переважно є СО2, перед введенням його у підземні свердловини. Може бути зроблено багато модифікацій до варіантів виконання представленого винаходу, описаного вище без відходження від суті та правового об'єму винаходу. У вигляді прикладу в іншому, хоча не тільки в іншому можливому варіанті втілення способу та пристрою винаходу, димовий газ з парогенератора 27 з рекуператором подається крізь рекуператор і охолоджується до температури, що типово становить 80°С, перед подачею до водовіддільника 33. Окрім того, сухий димовий газ не розділяється на два струменя після першої ступіні в багатоступеневому контурі 17 компресора димового газу, як це має місце у випадку варіанта виконання, зображеного на Фіг. Переважно увесь сухий димовий газ з водовіддільника 33 стискається в багатоступеневому контурі 17 компресора димового газу, а потім подається крізь конденсатор 35. Рідкий струмінь з конденсатора 35 потім розділяється на два струменя, один з яких подається до підземного сховища, а інший проходить крізь рекуператор 31 і перетворюється на газоподібну фазу за допомогою теплообміну із струменем димового газу з парогенератора 27 з рекуператором. Риформований димовий газ з рекуператора 31 потім подається до камери згорання 5 за допомогою змішувача 9. 11 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 88280 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601