使用有機蘭金循環的熱回收的製作方法
2023-09-19 17:21:00 1
使用有機蘭金循環的熱回收的製作方法
【專利摘要】一種熱集成系統(16)包括熱交換器(32)和有機蘭金循環系統(36)。熱交換器構造成在來自功率塊(12)的抽氣(24)和來自空氣分離單元(14)的氮(30)之間交換熱。有機蘭金循環系統聯接於熱交換器。另外，有機蘭金循環系統構造成將來自抽氣的熱轉換成功。
【專利說明】使用有機蘭金循環的熱回收
【技術領域】
[0001]本文公開的主題涉及氣化系統，並且更具體地說，涉及用於氣化系統的熱集成的系統和方法。
【背景技術】
[0002]氣化系統產生合成氣體(合成氣)，其可用於各種目的，諸如功率生產或化學合成。例如，整體氣化聯合循環(IGCC)發電廠可從各種碳質原料，諸如煤或天然氣產生電。然而，利用典型的IGCC工藝產生合成氣可產生大量的廢熱，從而降低了 IGCC發電廠的效率。
【發明內容】
[0003]在下面概括在範圍上與最初要求權利的本發明相稱的某些實施例。這些實施例不意圖限制要求權利的本發明的範圍，而是相反地，這些實施例僅意圖提供本發明的可能形式的簡要概括。實際上，本發明可包含可與在下面提出的實施例相似或不同的各種形式。
[0004]在第一實施例中，一種系統包括熱交換器和有機蘭金循環(ORC)系統。熱交換器構造成在來自功率塊的抽氣和來自空氣分離單元的氮之間交換熱。有機蘭金循環系統聯接於熱交換器。另外，有機蘭金循環系統構造成將來自抽氣的熱轉換成功。
[0005]在第二實施例中，一種系統包括ORC系統。ORC系統包括閉合的冷凍劑環路，其構造成循環地輸送冷凍劑。ORC系統還包括泵、蒸發器、渦輪和冷凝器。泵構造成提高冷凍劑的壓力。蒸發器聯接於閉合的冷凍劑環路和抽氣導管。另外，蒸發器構造成通過與來自氣化系統的功率塊的抽氣交換熱而使來自泵的冷凍劑蒸發。渦輪構造成從來自蒸發器的冷凍劑中抽取功，以向負載提供功率。冷凝器構造成使來自渦輪的冷凍劑冷凝。
[0006]在第三實施例中，一種方法包括使用壓縮機壓縮工作流體。該方法還包括通過使用第一熱交換器與來自氣化系統的功率塊的抽氣交換第一熱而使工作流體蒸發。另外，該方法包括使用渦輪使工作流體膨脹以抽取功，以及通過使用第二熱交換器與冷卻水交換第二熱而使工作流體冷凝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]當參考附圖閱讀下列詳細描述時，將更好地理解本發明的這些和其它的特徵、方面和優點，其中，同樣的標記在所有附圖中表示同樣的部件，其中:
圖1是IGCC發電廠的實施例的示意圖，其具有0RC，以從抽氣中回收廢熱；
圖2是根據本技術的方面的圖1的ORC的實施例的示意圖；並且圖3是方法的實施例的流程圖，其用以從抽氣中回收廢熱以改進IGCC發電廠的效率。
【具體實施方式】
[0008]將在下面描述本申請的一個或更多個特定實施例。為了提供這些實施例的簡明描述，可不在說明書中描述實際實施的所有特徵。應當認識到，在任何此類實際實施的開發中，如在任何工程或設計項目中，必須作出許多特定實施決定以實現開發者的特定目的，諸如符合系統相關且商業相關的約束，這可從一個實施變化到另一個實施。此外，應當認識至IJ，此類開發努力可為複雜且耗時的，但是對於受益於本公開的技術人員中的那些而言，仍將是設計、製作和製造的日常工作。
[0009]當介紹本發明的各種實施例的元件時，冠詞「一」、「一個」、「該」和「所述」意圖表示存在元件中的一個或更多個。用語「包括」、「包含」和「具有」意圖是包含的，並且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。
[0010]本公開的實施例涉及從氣化系統，諸如IGCC發電廠、化學工廠等中回收低級別熱的系統和方法。大體上，在引導至空氣分離單元之前，來自功率塊的抽氣被冷卻。因此，ORC可設置在功率塊和空氣分離單元之間，以從抽氣中抽取熱。ORC包含渦輪，以將抽取的熱轉換成功(例如電功率)。因而，ORC從抽氣中除去熱的新穎用途可改進IGCC發電廠的效率。
[0011]現在轉到附圖，圖1示出了氣化系統(例如IGCC發電廠10)的實施例的一部分。大體上，IGCC發電廠10通過使用氣化器將燃料源轉換成合成氣。氣化器可將燃料源(例如煤泥)與蒸汽和氧組合，以產生合成氣。氧可由空氣分離單元提供。空氣分離單元可使壓縮空氣在低溫下冷凝，以便分離空氣的氮、氧以及其它成分氣體。合成氣產物可提供至燃燒器，以使合成氣與氧一起燃燒，以便驅動一個或更多個燃氣渦輪。來自IGCC發電廠10的熱還可用於驅動一個或更多個蒸汽渦輪。一個或更多個渦輪可驅動發電機以生產電。
[0012]IGCC發電廠10包括用於生產合成氣的多個構件(例如氣化器、燃氣渦輪、碾煤器、爐渣處理機、汽提器、吸收器等)。出於清晰起見從圖1中省略這些構件。如所示，IGCC發電廠10具有功率塊12、空氣分離單元14和設置在中間的熱集成系統16。功率塊12構造成使用例如IGCC發電廠10所生產的合成氣來產生功率。功率塊可包括諸如燃氣渦輪、蒸汽渦輪、熱回收系統等的構件。空氣分離單元14構造成將空氣分離成其主要成分(例如氮和氧)，用於隨後在IGCC發電廠10中使用。在某些實施例中，空氣分離單元14可包括低溫冷卻系統、蒸餾塔以及其它用於將空氣分離成其成分的設備。
[0013]所示的功率塊12包括用於產生功率的燃氣渦輪發動機18。如所示,燃氣渦輪發動機18包括壓縮機20、燃燒器22和渦輪26。空氣進入壓縮機20，其中壓縮空氣。接著空氣供給到燃燒器22中。空氣的一部分(例如抽氣24)從壓縮機20中抽取，用於在空氣分離單元14中使用，如將在下面進一步描述的。在燃燒器22內，燃料(例如合成氣)和空氣混合，以形成可燃混合物。混合物燃燒，形成燃燒產物並釋放熱。燃燒產物接著引導至渦輪26，其從燃燒產物中抽取功，以向負載28提供功率。在某些實施例中，負載28可為發電機或任何能夠利用機械能量的裝置，該機械能量抽取自渦輪26。
[0014]如上面提到的，功率塊12將抽氣24供應至空氣分離單元14。類似地，空氣分離單元14供應稀釋氮30，用於在功率塊12中使用。當稀釋氮30被加熱時，功率塊12可更有效地操作，並且當抽氣24被冷卻時，空氣分離單元14可更有效地操作。熱集成系統16提供了稀釋氮30和抽氣24的相應的加熱和冷卻，以改進IGCC發電廠10的效率。為此，熱集成系統16包括熱交換器32 (即，稀釋氮/抽氣換熱器)，以分別加熱和冷卻稀釋氮30和抽氣24。具體地說，稀釋氮30流過熱交換器32，其中稀釋氮30吸收來自抽氣24的熱，並且作為加熱的氮34進入功率塊12。類似地，抽氣18流過熱交換器22，其中抽氣24將熱釋放至稀釋氮30。抽氣24接著流過0RC36，其中抽氣24釋放更多的熱。最後抽氣24作為冷卻的空氣38進入空氣分離單元14。
[0015]雖然熱交換器32在圖1中顯示為殼管式熱交換器，但是熱交換器32的設計可在實施例之間變化。例如，熱交換器32可為板式交換器、翅片-風扇交換器或另一合適的類型的交換器。另外，抽氣24和稀釋氮30的流動布置可為同流或逆流。通過熱交換器，逆流流動布置可實現熱交換器32的入口處的更大的接近溫度，而同流流動布置可實現熱交換器32的出口處的更均勻的溫度。因此，熱交換器32的設計可為實施特定的，並且可在實施例之間變化。
[0016]熱集成系統16通過利用IGCC發電廠10的內部流作為熱源和/或熱沉而改進了IGCC發電廠10的效率。具體地說，熱交換器32實現稀釋氮30的加熱和抽氣24的冷卻而不使用外部設施(例如冷卻水、蒸汽或電)。在某些實施例中，可合乎需要的是減少外部設施的使用，以改進IGCC發電廠10的效率。例如，空氣分離單元14可大體由於用於冷卻和分離空氣的能量的量而為低效的。0RC36的熱回收和功率產生可減少與空氣分離單元14相關聯的操作成本。
[0017]熱集成系統包括0RC36，其吸收來自抽氣24的熱，並且將熱轉換成功，如將在圖2中進一步描述的。ORC聯接於冷卻水源(CWS)40和冷卻水迴路(CWR)42。如所示，0RC36設置在熱交換器32的下遊。因此，來自抽氣的熱首先被第一熱交換器32，其次被0RC36除去。所示的布置可實現抽氣24的額外冷卻。然而，可在其它實施例中使用其它流動布置，諸如將0RC36設置在熱交換器32的上遊。
[0018]圖2示出了圖1的0RC36的實施例。0RC36包括閉合的管道環路44 (例如閉合的冷凍劑環路)，其構造成在0RC36的構件之間輸送工作流體(例如冷凍劑)。在某些實施例中，冷凍劑可為碳氫化合物成分(例如丙烷或異丁烷)、碳氟化合物(例如R-22)、無機成分(例如氨或二氧化硫)或這些成分的混雜混合物。在0RC36中所使用的冷凍劑類型可基於抽氣24的一個或更多個屬性，諸如溫度、壓力、比熱等而選定。例如，如果離開功率塊12的抽氣24的溫度相對高，則某些冷凍劑可比其它冷凍劑更適合0RC36。
[0019]如所示，0RC36包括設置在閉合管道環路44中的泵46。泵46構造成提高冷凍劑的壓力，並提供驅動力，以在0RC36的構件之間輸送冷凍劑。冷凍劑從泵46向下遊流過控制閥48。如將在下面進一步論述的，控制閥48可抑制或堵塞冷凍劑的流。冷凍劑接著流至蒸發器50，其中冷凍劑與圖1的抽氣24交換熱。具體地說，冷凍劑可吸收來自抽氣24的熱，導致冷凍劑蒸發。蒸發的冷凍劑接著流至膨脹器(例如渦輪52)，其中冷凍劑膨脹成抽取功以向負載54提供功率。在某些實施例中，負載54可為發電機，並且可有助於IGCC發電廠10的電產生。結果，當0RC36運行時，IGCC發電廠10的效率可提高。蒸汽冷凍劑從渦輪52引導至冷凝器56，其中冷凍劑與來自圖1的CWS40的冷卻水交換熱。具體地說，冷凍劑可將熱排出至冷卻水，導致冷凍劑冷凝成液相。液體冷凍劑接著返回至泵46，其中循環可再次開始。
[0020]此外，雖然蒸發器50和冷凝器56在圖2中示出為殼管式熱交換器，但是它們的相應設計可變化。例如，蒸發器50可為降膜式蒸發器或自然循環蒸發器。另外，蒸發器50和冷凝器56的流動構造可變化。如所示，抽氣24流過抽氣導管58，其聯接於蒸發器50。抽氣導管58和閉合的管道環路44可構造成使得抽氣24和冷凍劑在蒸發器50中以逆流或同流布置交換熱。類似地，冷卻水導管60聯接於冷凝器56，並且在冷卻水和冷凍劑之間的熱交換可利用逆流或同流設計。此外，蒸發器50和冷凝器56的流動路徑可變化。如所示，冷凍劑流過蒸發器50的管側62，而抽氣24流過蒸發器50的殼體側64。在某些實施例中，冷凍劑可流過殼體側，而抽氣24流過管側。類似地，冷凝器的管側66和殼體側68可根據設計特定的實施交換。如所示，冷凍劑流過冷凝器56的管側66，而冷卻水流過殼體側68。在某些實施例中，冷凍劑可流過殼體側，而冷卻水流過管側。
[0021]如可認識到的，0RC36或IGCC發電廠10的效率可被冷卻空氣38的溫度(即，離開蒸發器50的抽氣24的溫度)影響。因此，可合乎需要的是監視和控制冷卻空氣38的溫度。為此，0RC36可包括溫度傳感器70,其在蒸發器50下遊聯接於抽氣導管58。溫度傳感器70構造成測量冷卻空氣38 (B卩，離開蒸發器50的抽氣24)的溫度。0RC36還可包括控制器72 (例如可編程邏輯控制器)，其構造成控制冷卻空氣38的溫度。控制器72通信地聯接於溫度傳感器70、控制閥48和/或控制閥74，控制閥48設置在閉合的管道環路44中，控制閥74設置在冷卻水導管60中。因而，溫度傳感器70可將信號71發送至控制器72，信號71指示冷卻空氣的溫度，並且控制器72可基於信號71調整控制閥48和/或74。雖然控制器72示出為控制控制閥48和74兩者，但是在某些實施例中，控制布置可變化。例如，0RC36可包括兩個控制器，其中各個控制器構造成控制控制閥48或74中的一個。
[0022]如上面提到的，控制閥48可抑制或堵塞冷凍劑的流，以調整冷卻空氣38的溫度。減少冷凍劑流可減少抽氣24可得到的冷卻的量，從而提高了冷卻空氣38的溫度。相反地，增加冷凍劑流可提高冷卻空氣38的溫度。另外或備選地，控制閥74可抑制或堵塞冷卻水的流，以調整冷卻空氣38的溫度。減少冷卻水流可增加冷凍劑的溫度，從而減少抽氣24可得到的冷卻的量，並且增加冷卻空氣38的溫度。增加冷卻水流可具有相反的效果。在某些實施例中，控制閥48和74可單獨地或一起組合地使用，以控制冷卻空氣38的溫度，以改進0RC36和IGCC發電廠10的效率。
[0023]控制器72包括各種構件，其可允許操作員與0RC36相互作用。例如，控制器72包括顯示器75。顯示器75構造成顯示圖形、按鈕、圖標、文本和與關於0RC36的信息相關的相似特徵。在某些實施例中，操作員可通過顯示器75將信息輸入至0RC36。例如，操作員可為冷卻空氣38設定溫度設定值。控制器72可調整控制閥48和74中的一個或兩者，以便朝向溫度設定值調整冷卻空氣38的溫度。
[0024]控制器72還包括一個或更多個處理器76和/或其它數據處理線路，諸如存儲器78,以執行指令來控制冷卻空氣38的溫度。這些指令可在軟體程序中編碼，該軟體程序可由一個或更多個處理器76執行。此外，指令可儲存在有形的非瞬時的計算機-可讀介質，諸如存儲器78中。存儲器78可包括例如隨機存取存儲器、只讀存儲器、可重寫存儲器、(多個)硬碟驅動器和/或光碟。在某些實施例中，存儲器78可儲存與0RC36的警報設定值相關的參數。因此，控制器72可在已經發生警報狀態時通過在顯示器74上顯示消息而通知操作員。
[0025]圖3是流程圖，其顯示了方法80的實施例，其通過從抽氣24中回收廢熱並將廢熱轉換成電而改進IGCC發電廠10的效率。泵46壓縮(塊82)工作流體(例如冷凍劑)，以增加工作流體的壓力。蒸發器50通過與來自功率塊12的抽氣24交換熱而加熱(塊84)工作流體。因此，也冷卻了抽氣24。渦輪52使工作流體膨脹(塊86)，以便抽取功，以向負載54提供功率。如上面論述的，負載54可為發電機，並且大體可提高IGCC發電廠10的效率。冷凝器56通過與來自冷卻水導管60的冷卻水交換熱而冷卻(塊88)工作流體。因此，也加熱了冷卻水。在某些實施例中，冷卻水可傳送至冷卻塔或另一外部設施，以除去過多的熱。一旦工作流體已經被冷凝器冷卻(塊88)，則工作流體可繼續至泵46以被壓縮(塊82)，從而繼續ORC。
[0026]本發明的技術效果包括有機蘭金循環(ORC)系統的新穎用途，其用以從IGCC發電廠的抽氣中回收低級別熱。抽氣從燃氣渦輪的壓縮機中抽取，按照與來自空氣分離單元的稀釋氮構成逆流的方式冷卻，並且在ORC系統中進一步冷卻。ORC系統包含渦輪，以將從抽氣抽取的熱轉換成功，從而提高IGCC發電廠的效率。另外，用於ORC系統中的水的量可小於傳統的冷卻水熱交換器所使用的水的量。
[0027]該書面的描述使用實例以公開本發明(包括最佳模式)，並且還使本領域技術人員能夠實踐本發明(包括製造和使用任何裝置或系統並且執行任何併入的方法)。本發明的可專利範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這些其它實例具有不與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的字面語言無顯著差別的等同結構元件，則這些其它實例意圖在權利要求的範圍內。
【權利要求】
1.一種系統，包括: 熱交換器，其構造成在來自功率塊的抽氣和來自空氣分離單元的氮之間交換熱；和聯接於所述熱交換器的有機蘭金循環系統，其中所述有機蘭金循環系統構造成將來自所述抽氣的熱轉換成功。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述功率塊包括燃氣渦輪發動機，其具有: 壓縮機，其構造成壓縮空氣； 燃燒器，其構造成接收燃料和來自所述壓縮機的空氣，並且將所述空氣和所述燃料燃燒成燃燒產物；和 渦輪，其聯接於負載，並且構造成接收所述燃燒產物，並從所述燃燒產物中抽取功。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述壓縮機構造成將所述抽氣從所述功率塊供應至所述空氣分離單元。
4.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述熱交換器構造成冷卻來自所述壓縮機的抽氣，並加熱來自所述空氣分離單元的氮。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述熱交換器構造成在所述抽氣和所述氮之間以逆流流動布置交換熱。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述有機蘭金循環系統包括: 泵，其構造成增加冷凍劑的壓力； 蒸發器，其構造成使來自所述泵的冷凍劑蒸發； 渦輪，其構造成從來自所述蒸發器的冷凍劑中抽取功，以向負載提供功率；和 冷凝器，其構造成使來自所述渦輪的冷凍劑冷凝。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，包括所述功率塊，其具有燃氣渦輪發動機，並且構造成產生功率，以供應所述抽氣，和接收所述氮。
8.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，包括所述空氣分離單元，其構造成接收來自所述功率塊的抽氣，將所述抽氣分離成氧和所述氮，並將所述氮供應至所述功率塊。
9.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，包括整體氣化聯合循環(IGCC)發電廠，其具有所述功率塊、所述空氣分離單元、所述熱交換器和所述有機蘭金循環系統。
10.一種系統,包括: 有機蘭金循環系統，其包括: 閉合的冷凍劑環路，其構造成循環地輸送冷凍劑； 泵，其構造成增加冷凍劑的壓力； 蒸發器，其聯接於所述閉合的冷凍劑環路和抽氣導管，其中所述蒸發器構造成通過與來自氣化系統的功率塊的抽氣交換熱而使來自所述泵的冷凍劑蒸發； 渦輪，其構造成從來自所述蒸發器的冷凍劑中抽取功，以向負載提供功率；和 冷凝器，其構造成使來自所述渦輪的冷凍劑冷凝。
11.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述閉合的冷凍劑環路和所述抽氣導管以逆流流動布置聯接於所述蒸發器。
12.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於，包括: 溫度傳感器，其聯接於所述抽氣導管，並且構造成測量所述抽氣的溫度， 控制閥，其構造成調整所述有機蘭金循環系統的操作參數；和 控制器，其構造成接收來自所述溫度傳感器的信號，並基於所述信號調整所述控制閥。
13.根據權利要求12所述的系統，其特徵在於，所述控制閥在所述泵的下遊設置在閉合的冷凍劑環路中，並且所述控制閥構造成調整所述冷凍劑的流率，以控制所述抽氣的溫度。
14.根據權利要求12所述的系統，其特徵在於，所述冷凝器聯接於冷卻水導管，所述控制閥設置在所述冷卻水導管中，並且所述控制閥構造成調整冷卻水的流率，以控制所述抽氣的溫度。
15.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於，包括所述功率塊，其具有燃氣渦輪發動機，並且構造成產生功率，以供應所述抽氣，和接收所述氮。
16.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於，包括所述空氣分離單元，其構造成接收來自所述功率塊的抽氣，以將所述抽氣分離成氧和所述氮，並將所述氮供應至所述功率塊。
17.一種方法，包括: 使用壓縮機壓縮冷凍劑； 通過使用第一熱交換器與來自氣化系統的功率塊的抽氣交換第一熱而使所述冷凍劑蒸發； 使用渦輪使所述冷凍劑膨脹，以抽取功；和 通過使用第二熱交換器與冷卻水交換第二熱而使所述冷凍劑冷凝。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，包括: 針對離開蒸發器的抽氣，在控制器處接收溫度設定值； 感測離開所述蒸發器的所述抽氣的溫度；和 調整控制閥，以朝向所述溫度設定值調整所述抽氣的溫度。
19.根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，包括從所述功率塊中抽取所述抽氣，其中所述功率塊包括燃氣渦輪發動機。
20.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，包括在使用第三熱交換器以氮冷卻所述抽氣之後，使用所述第一熱交換器以所述工作流體冷卻所述抽氣。
【文檔編號】F01K23/06GK104334838SQ201380029600
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月8日 優先權日:2012年6月5日
【發明者】Q.周, D.彭, A.弗裡曼, T.G.科布 申請人:通用電氣公司