Цикл мощности Аллама

Цикл Аллама или цикл Аллама-Фетведта представляет собой процесс преобразования углеродсодержащего топлива ^[1] в тепловую энергию с одновременным улавливанием образующихся углекислого газа и воды.

Изобретателями являются английский инженер Родни Джон Аллам , американский инженер Джереми Эрон Фетведт, американский ученый доктор Майлз Р. Палмер и американский бизнесмен и новатор Г. Уильям Браун-младший. ^{[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]} Цикл Аллама-Фетведта был включен в список 10 прорывных технологий по версии MIT Technology Review за 2018 год. ^[10]

Этот цикл был проверен на испытательном полигоне мощностью 50 МВт, работающем на природном газе, в Ла-Порте , штат Техас, в мае 2018 года.

Цикл Аллама-Фетведта представляет собой рекуперированный цикл Брайтона высокого давления, использующий транскритическое рабочее тело CO _{2 с режимом} сжигания кислородно-топливного топлива . Этот цикл начинается со сжигания газообразного топлива с кислородом и горячим, высоконапорным, рециркулированным сверхкритическим рабочим телом CO ₂ в камере сгорания. Рециркулированный поток CO ₂ выполняет двойную функцию: снижает температуру пламени сгорания до управляемого уровня и разбавляет продукты сгорания таким образом, чтобы рабочим телом цикла был преимущественно CO ₂ . Давление в камере сгорания может достигать приблизительно 30 МПа. Исходное сырье для сгорания состоит приблизительно из 95% рециркулированного CO ₂ по массе.

Камера сгорания обеспечивает выпуск под высоким давлением, который может подаваться в турбодетандер, работающий при степени сжатия от 6 до 12. Выпуск из детандера выходит в виде субкритической смеси CO2 _, преимущественно смешанной с водой, полученной в результате сгорания. Эта жидкость поступает в теплообменник экономайзера, который охлаждает выпуск из детандера до температуры ниже 65 °C против потока CO2 _, который рециркулируется в камеру сгорания. После выхода из теплообменника экономайзера выпуск из детандера дополнительно охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, с помощью центральной системы охлаждения, что позволяет удалять жидкую воду из рабочей жидкости и рециркулировать ее для полезного использования.

Оставшаяся рабочая жидкость почти чистого CO2 _затем поступает на стадию сжатия и нагнетания. Система сжатия состоит из обычного центробежного компрессора с промежуточным охлаждением и входным давлением ниже критического давления CO2 _. Рабочая жидкость CO2 _{сжимается} , а затем охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, в доохладителе компрессора. На этом этапе сочетание сжатия и охлаждения рабочей жидкости позволяет ей достичь плотности свыше 500 кг/м3. В этом состоянии поток CO2 _может быть перекачан до требуемого высокого давления сгорания с помощью многоступенчатого центробежного насоса. Наконец, рабочая жидкость высокого давления отправляется обратно через теплообменник экономайзера для повторного нагрева и возврата в камеру сгорания.

Чистый продукт CO ₂ , полученный в результате добавления топлива и кислорода в камеру сгорания, удаляется из потока высокого давления; на этом этапе продукт CO ₂ находится под высоким давлением и имеет высокую чистоту, готов к секвестрации или использованию без необходимости дальнейшего сжатия. ^{[11] [12] [13] [14]}

Для того, чтобы система достигла высокой тепловой эффективности , необходим близкий температурный подход на высокотемпературной стороне первичного теплообменника. Из-за процесса охлаждения, используемого на этапе сжатия и нагнетания, обычно существует большой энергетический дисбаланс в цикле между потоком выхлопных газов охлаждающего расширителя и потоком рециркуляции CO2 повторного _{нагрева} .

Цикл Аллама-Фетведта исправляет этот дисбаланс посредством включения низкопотенциального тепла на низкотемпературном конце рекуперативного теплообменника. Из-за низких температур на холодном конце цикла это низкопотенциальное тепло должно быть только в диапазоне от 100 °C до 400 °C. Удобным источником этого тепла является блок разделения воздуха (ASU), необходимый для режима сжигания кислородно-топливного топлива.

При сжигании природного газа в качестве топлива эта базовая конфигурация была смоделирована для достижения эффективности до 60% (LHV) в качестве цикла мощности за вычетом всех паразитных нагрузок, включая энергоемкую ASU. Несмотря на новизну, компоненты, необходимые для этого цикла, имеются в продаже, за исключением пакета турбины сгорания. Турбина основана на проверенных технологиях и подходах, используемых в существующих инструментах проектирования газовых и паровых турбин. ^{[15] [16]}

Строительство началось в марте 2016 года в Ла-Порте, штат Техас, на испытательном промышленном объекте мощностью 50 МВт для демонстрации цикла Аллама-Фетведта и было завершено в 2017 году. В 2018 году цикл Аллама-Фетведта и поддерживающие его технологии были проверены ^[17] , что позволило производителям оригинального оборудования сертифицировать компоненты для использования на будущих производственных предприятиях.

15 ноября 2021 года примерно в 19:40 по восточноевропейскому времени испытательная установка успешно синхронизировалась с сетью ERCOT ^[18], доказав, что цикл Аллама Фетведта способен генерировать электроэнергию с частотой 60 Гц.

Этот испытательный полигон принадлежит и управляется компанией NET Power, которая, в свою очередь, принадлежит Constellation Energy Corporation, Occidental Petroleum (Oxy) Low Carbon Ventures, Baker Hughes и 8 Rivers Capital (изобретатель технологии).

Компания NET Power была удостоена награды «Международное совершенство в области энергетического прорыва» за технологический проект года 2018 года на Международной нефтяной выставке и конференции в Абу-Даби (ADIPEC). ^[19]

• Процесс сжигания топлива в кислороде

• Схема процесса для природного газа
• Схема процесса переработки угля
• Диаграмма массового расхода
• Диаграмма давления и удельной энтальпии