Наша страна, как и большинство ведущих зарубежных стран, все больше внимания уделяет борьбе с антропогенными выбросами в атмосферу парниковых газов, в том числе СО2. Один из основных источников выбросов углекислого газа связан с производством электрической и тепловой энергии. Несмотря на большие усилия, направленные на развитие технологий возобновляемых источников энергии, органическое топливо еще долго будет доминировать в энергетике. Поэтому улавливание СО2, образовавшегося при сгорании органического топлива, приобретает особую значимость.
Эта тематика стала приоритетной в работе Совета по приоритетному направлению научно-технологического развития Российской Федерации «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирования новых источников, способов транспортировки и хранения энергии», который возглавляет академик Сергей Петрович Филиппов, директор Института энергетических исследований РАН. На одном из последних заседаний Советом рассмотрена и поддержана заявка на комплексный научно-технический проект полного инновационного цикла (КНТП) «Создание бескомпрессорной парогазовой установки с внутрицикловым улавливанием СО2 в жидкой фазе (ТЭЦ без выбросов)», нацеленный на разработку и промышленное освоение новой экономически доступной технологии производства электроэнергии, со значительным уменьшением выбросов парниковых газов в атмосферу. КНТП предполагает создание первой в России энергетической установки мощностью 60 МВт на сверхкритическом диоксиде углерода.
Коэффициент полезного действия (КПД) лучших энергетических парогазовых установок (ПГУ) уже превышает 60%. Но, учитывая место, которое занимает энергетика в жизнедеятельности человечества, требования к энергетическим установкам постоянно растут. Имеются еще существенные резервы повышения эффективности использования топлива за счет совместной выработки электроэнергии и тепла с одновременным выполнением жестких экологических требований. Ведется поиск новых циклов и схем, позволяющих сократить выбросы в атмосферу образовавшегося в результате сгорания топлива углекислого газа. Один из таких циклов и схема, реализующая его, предложены сотрудниками ОИВТ РАН.
При разработке этого цикла акценты были расставлены следующим образом: в первую очередь рассматривалась возможность обеспечения вывода СО2 из цикла электростанции в жидком виде – наиболее удобном для хранения, транспортировки и дальнейшего полезного использования. Как показал анализ, такое решение относительно просто и эффективно реализуется технически при организации сжигания органического топлива в кислороде, что одновременно обеспечивает и меньшие затраты на извлечение СО2, чем это требуется при известных способах его извлечения из газообразных продуктов сгорания, выбрасываемых в трубу. Второй акцент был сделан на разработку термодинамического цикла, обеспечивающего высокую эффективность совместного производства электрической и тепловой энергии, что особенно важно для климатических условий большинства регионов России. При этом внимание уделялось и обеспечению приемлемого КПД в случае генерации только электрической энергии.
Технология «кислородного сжигания топлива» активно разрабатывается рядом энергетических компаний в мире. Эта технология предусматривает предварительное разделение воздуха с выделением относительно чистого кислорода, в котором происходит сжигание топлива. Требуемая температура на выходе из камеры сгорания обеспечивается за счет рециркуляции отработавших в цикле продуктов сгорания (СО2 и/или Н2О). Циклы, использующие эту технологию, являются полузамкнутыми. Большая часть рабочего тела, представляющего собой смесь СО2 и Н2О, циркулирует внутри цикла. Частично идет пополнение рабочего тела за счет сжигания топлива в окислителе. Температуры конденсации СО2 и Н2О отличаются друг от друга, поэтому их легко разделить и избытки СО2 и Н2О в разделенном виде вывести из цикла. Технология кислородного сжигания топлива лежит в основе предложенного цикла ОИВТ.
При совместном производстве электрической и тепловой энергии исключительно большое значение имеет возможность гибкого регулирования их отпуска в соответствии с графиками потребления электрической и тепловой энергии, которые, как правило, не совпадают. Если генерирующая установка не имеет возможности независимой генерации, то дополнительно приходится использовать малоэффективные установки раздельной генерации, которые будут согласовывать графики потребления и генерации.
Проведенные исследования показали, что при постоянных параметрах цикла (температуре и давлении на входе в турбину, степени расширения в турбине) соотношение генерируемых электрической и тепловой энергии сильно зависит от соотношения СО2 и Н2О в потоке рециркуляции. Поэтому в схеме ОИВТ СО2 и Н2О подаются в камеру сгорания раздельно и имеют возможность независимого регулирования. Это несколько усложняет систему регулирования установки (предусматривается независимое регулирование подачи четырех компонентов – СН4, О2, СО2 и Н2О), но при этом появляется и четыре степени свободы, что обеспечивает возможность регулировать в широком диапазоне генерацию требуемых в данный момент времени электрической и тепловой мощностей при сохранении номинальной температуры рабочего тела на входе в турбину и минимально необходимого избытка окислителя. Поддержание на всех рабочих режимах номинальной температуры рабочего тела на входе в турбину и минимально необходимого избытка окислителя обеспечивает высокую топливную эффективность во всем эксплуатационном диапазоне генерирующего объекта.
Для упрощения регулирования подачи компонентов рабочего тела в камеру сгорания предложено отказаться от компрессоров для повышения давления этих компонент. Дело в том, что компрессоры потребляют относительно большую мощность привода и имеют большие зоны неустойчивой работы. Эти недостатки значительно меньше присущи насосам. Поэтому в цикле ОИВТ перед повышением давления для подачи в камеру сгорания все четыре исходные части рабочего тела переводятся в жидкую фазу (чтобы подчеркнуть это решение, в начальных публикациях авторы использовали название «бескомпрессорная ПГУ»). Безусловно, на перевод в жидкую фазу требуются затраты энергии, но они, с одной стороны, компенсируются уменьшением работы повышения давления, а с другой стороны, исходное состояние топлива и кислорода может быть изначально жидким. После повышения давления холод низкокипящих компонентов (СН4, О2) может быть использован для ожижения выше кипящих компонентов (СО2, Н2О), тем самым уменьшая затраты энергии. На последующих стадиях проектирования система получения исходных жидких продуктов может быть основательно оптимизирована.
Есть множество причин, по которым может потребоваться генерация только электрической энергии. В этом случае важно, чтобы разрабатываемая энергоустановка при генерации только электрической энергии имела КПД, не уступающий альтернативным генерирующим установкам. Высокий КПД предлагаемого цикла достигается за счет рекуперации тепла отработавшего в турбине рабочего тела. Предлагаемый цикл ОИВТ и реализующая его схема предполагают развитую систему теплообменного оборудования. Эффективность этого теплообменного оборудования будет играть ключевую роль в достижении высокого КПД.
Расчетные исследования показали, что цикл ОИВТ позволяет достичь весьма высоких показателей топливной экономичности. Даже при относительно умеренной температуре рабочего тела перед турбиной (1373 К)
КПД цикла ОИВТ по отпуску электроэнергии близок к КПД современных ПГУ, а коэффициент использования топлива (КИТ) более 92%.
Изменяя соотношение компонентов рабочего тела, подаваемых в камеру сгорания, можно при постоянной электрической мощности изменять тепловую мощность так, что максимальная тепловая мощность будет превышать минимальную более чем в
6 раз. При этом КИТ будет во всем диапазоне достаточно близок к единице. Такой диапазон регулирования тепловых нагрузок обеспечивает возможность круглогодичного снабжения теплом потребителей без дополнительных пиковых котельных. И эффективную работу летом, обеспечивая только горячее водоснабжение, и в зимний период, покрывая все потребности тепла в самые холодные дни. Отказ от дополнительных пиковых котельных уменьшит как капитальные затраты на строительство, так и эксплуатационные расходы.
Анализ эффективности работы в системах централизованного теплоснабжения показал высокий потенциал их возможного использования в таких системах. При принятой эксплуатационной модели системы централизованного теплоснабжения годовой перерасход топлива (превышение минимального теоретически возможного) составляет менее 20%, тогда как для лучших ПГУ эта величина доходит до 25%, а для паровых турбин – более 35%.
Хорошие перспективы предлагаемые энергетические установки имеют при их использовании в составе энерготехнологических комплексов. Предлагаемый цикл ОИВТ обеспечивает возможность производства и поставки, помимо механической (электрической) энергии, тепла и холода, еще как минимум трех востребованных «продуктов» – вода/пар, СО2, кислород и др.), что открывает возможности оптимизации цикла ОИВТ применительно к различным технологическим комплексам химической и строительной индустрии, которые, как правило, помимо электроэнергии и тепла, нуждаются в потреблении значительного количества воды и в ряде случаев углекислого газа (производство удобрений, пластмасс, карбонизированных строительных материалов и т.п.). При этом важной отличительной особенностью предлагаемой энергоустановки является ее способность аккумулировать энергию и другие «продукты» при временном снижении их потребления, а также возможность работы не только на природном газе, но и на СПГ, шахтном метане и других органических топливах.
В настоящее время готовится предложение о КНТП «Создание бескомпрессорной парогазовой установки с внутрицикловым улавливанием СО2 в жидкой фазе», которое будет направлено в Минобрнауки России для представления на рассмотрение в Правительство РФ. Ведущие энергомашиностроительные компании России выразили желание быть индустриальными партнерами проекта. Разработчики и научное сообщество надеются на поддержку Правительством РФ данного проекта и незамедлительное начало строительства первой в России ТЭЦ без выбросов углекислого газа.
К.т.н., старший научный
сотрудник ОИВТ РАН
Михаил Всеволодович Синкевич
Д.т.н., заведующий отделом
проблем теплоэнергетики ОИВТ РАН Александр Семёнович Косой
Д.т.н., главный научный
сотрудник ОИВТ РАН
Олег Сергеевич Попель