具有co2捕獲和壓縮的發電廠的製作方法

2023-05-07 18:44:46

專利名稱：具有co2捕獲和壓縮的發電廠的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有C02捕獲和壓縮的發電廠及其在頻率響應期間的操作。
背景技術：
近年來，明顯的是溫室氣體的生成導致全球變暖，且溫室氣體產生的進一步增加 將進一步加速全球變暖。由於C02( 二氧化碳)被識別為主要溫室氣體，因此CCS(碳捕獲 和存儲)被認為是減少溫室氣體釋放到大氣中和控制全球變暖的一種可能的主要手段。在 該上下文中，CCS定義為C02捕獲、壓縮、輸送和存儲的過程。捕獲定義為在碳基燃料燃燒 之後從廢氣去除C02的過程或在燃燒之前碳的去除和處理。任何吸收劑、吸附劑或從廢氣 或廢氣流去除碳的C02的其它裝置的再生被認為是捕獲過程的一部分。發電廠中(例如在 火力蒸汽發電廠、燃氣渦輪或聯合循環發電廠中)的C02捕獲有多種可能的方法。所討論 的用於C02捕獲的主要技術是所謂的燃燒前捕獲、全氧燃燒(oxyfiring)、化學鏈和燃燒後 捕獲。燃燒前碳捕獲包括在燃燒燃料之前去除燃料的碳含量的全部或一部分。對於天然 氣，這通常通過用蒸汽重整燃料，隨後通過變換反應以產生C02和氫氣來完成。C02可以從 得到的氣體混合物捕獲和去除。氫氣然後可以用於產生有用能量。該過程也稱為合成氣體 或合成氣方法。同樣的方法可以用於煤或任何化石燃料。首先，燃料被汽化，隨後以與天然 氣相同的方式處理。可以預見該方法與IGCC(整體煤氣化聯合循環)結合的應用。全氧燃燒(也稱為氧燃料燃燒或氧氣燃燒)是在氧氣和再循環C02 (而不是空氣) 的混合物中燃燒煤或其它化石燃料的技術。這產生濃縮C02和蒸汽的廢氣。由此，C02可 以簡單地通過冷凝水蒸氣(其是燃燒反應的副產物)而分離。化學鏈包括使用金屬氧化物作為氧氣載體，通常金屬氧化物從燃燒空氣將氧氣傳 輸給燃料。燃燒的產物是C02、減少的金屬氧化物和蒸汽。在水蒸氣冷凝之後，C02流可以 被壓縮用於輸送和存儲。當前認為最接近大規模工業應用的CCS技術是燃燒後捕獲與壓縮、輸送和存儲結 合。在燃燒後捕獲中，C02從廢氣去除。剩下的廢氣釋放到大氣且C02被壓縮用於輸送和 存儲。已知多種技術來從廢氣去除C02，例如吸收、吸附、膜分離和低溫分離。用於C02捕獲和壓縮的所有已知技術需要相對大量的能量。關於優化不同過程和 通過將這些過程集成到發電廠中而減少功率和效率補償方面存在許多文獻。對於藉助於燃燒後捕獲的CCS，C02捕獲和C02壓縮用於進一步處理(即，輸送和 存儲)是降低發電廠相對於沒有CCS的常規發電廠的淨功率輸出減少的主要原因。EP1688173給出了燃燒後捕獲的一個示例和用於減少分別由於C02吸收、吸收液 體的再生引起的功率輸出補償的方法。在此提出了吸取蒸汽用於再生來自於發電廠的蒸汽 渦輪的不同級的吸收劑，以使得渦輪輸出的減少最小化。在相同的環境中，W02007/073201建議使用壓縮熱，所述壓縮熱來自於壓縮C02蒸 汽以再生吸收劑。
這些方法目的在於減少特定C02捕獲設備的功率需求，然而，使用所提出的C02捕 獲方法將總是導致發電廠容量(即發電廠可以傳輸給電網的最大功率)的顯著減少。通過增加發電廠靈活性來減輕C02捕獲對發電廠性能的影響的第一種嘗試在 EP0537593中描述。EP0537593描述使用吸收劑從廢氣捕獲C02的發電廠，其中，在高功率 需求時間期間關閉再生器且在這些時間期間通過使用存儲在吸收劑罐中的吸收劑繼續C02 捕獲。EP0537593描述了 C02捕獲設備的一個功率消耗裝置的簡單開/關模式。以相對高 的成本增加了僅僅非常小的操作靈活性。頻率響應是發電廠操作的重要問題且對於具有C02捕獲和壓縮的發電廠也必須 被考慮。EP0858153描述了頻率響應的基本原理，其中，電網具有電網頻率，電網頻率繞名義 頻率波動。所述發電廠的功率輸出作為控制頻率的函數而被控制，使得功率輸出在控制頻 率下降低於所述名義頻率時增加，且另一方面功率輸出在控制頻率增加超過所述名義頻率 時減少。電網頻率被連續測量。EP0858153描述了將電網頻率取平均值且使用測量的電網 頻率作為控制頻率的有利方法，然而，其受到燃氣渦輪功率輸出控制的常規控制機制的限 制。為了能夠響應於低頻事件，發電廠通常必須以部分負載操作。

發明內容
本發明的主要目的在於優化具有C02捕獲和壓縮的發電廠的頻率響應操作方法。 本發明的進一步目的在於設計成根據優化操作方法操作的具有C02捕獲和壓縮系統的發 電廠。一個目的在於利用CCS (碳捕獲和存儲)以便增加發電廠的靈活性，以及因此增加 其相對於沒有C02捕獲的常規發電廠的競爭力。根據本發明，在低頻事件期間，C02捕獲系 統的功率消耗用作發電廠的淨功率輸出的控制參數。在該情形中，電功率消耗、機械功率消 耗(例如在直接C02壓縮機驅動器中)以及流體蒸汽的消耗(否則在蒸汽渦輪中可以被轉 換為電能)被認為是捕獲系統的功率消耗。低頻事件(通常也稱為低頻偏移或者低頻率事 件)是電網頻率下降低於名義頻率。具體地，發電廠的頻率響應容量通過使用C02捕獲和 壓縮設備功率消耗的快速變化以修改發電廠在低頻事件期間可以傳輸給電網的電功率來 改進。本發明的實質是發電廠操作方法，其中，作為對電網頻率的下降作出的反應，C02 捕獲系統的功率消耗減少或者系統關閉以增加發電廠的淨輸出。在本發明的情形中，C02 捕獲系統定義為整個C02捕獲單元加上壓縮單元，以及所有輔助設備。除了發電廠的現有 控制之外，該操作方法給出了附加的靈活性。由於藉助於該方法將C02系統集成到發電廠 中，在低頻事件期間，發電廠的淨輸出能以非常高的速率增加，且不需要部分負載操作以確 保頻率響應的淨功率容量。高速率功率變化可以通過C02捕獲系統中的功率消耗的快速梯 度實現。因而，發電廠可以在基本負載處或附近以最佳效率操作。本發明以沒有附加成本 或非常小的附加成本實現。在常規發電廠中，發電廠的淨輸出響應於低頻事件可以通過增加發電廠的總功率 輸出且通過減少發電廠及其任何系統的輔助或寄生功率消耗而增加。總功率輸出的增加受 到發電廠的基本負載的限制。此外，發電廠的總功率可以增加的速率由於在發電廠的瞬態 和慣性期間發生的熱應力而受限制。在常規發電廠中，減少任何系統或輔助設備的寄生功率消耗的可能性也非常有限。通常，蒸汽或聯合循環發電廠的最大消耗裝置是在連續操作 期間不能關閉的供水泵、冷卻水泵和冷卻設備。對於發電廠的安全連續操作不需要的C02捕獲和壓縮的大功率消耗改變了這種 情況且在發電廠不會遇到限制的情況下給予了淨功率的快速瞬變的新的可能性。實際上， C02捕獲系統的功率消耗可以用作發電廠淨功率輸出的控制參數。具體地，用於C02捕獲和 壓縮的功率消耗可以變化且該功率可以用於滿足電網的頻率響應需求。此外，由於淨功率 輸出的變化通過控制C02捕獲系統的功率消耗來滿足，因而可以藉助於該新構思避免或減 少響應於低頻事件消耗發電廠的快速負載瞬變的期限。藉助於C02捕獲和壓縮的頻率響應的一個附加優勢在於避免發電廠降級操作的 可能性，如果沒有更多的用於頻率備用的容量可用則電網可能需要發電廠降級操作。取決 於電網，一些發電廠可能需要以部分負載操作，例如90%負載，以保留用於低頻事件的功率 備用。以90%操作可以導致降低的效率並增加所產生的每MWh的資金和操作成本。在此， 由於C02捕獲系統的功率消耗可以關閉和用於頻率響應，因而特別有利的是，本發明允許 發電廠以最佳效率在基本負載處或附近操作，且仍具有用於低頻事件的內在功率備用。在使用C02捕獲系統作為淨功率輸出的控制參數的第一種方法中，在低頻事件期 間，C02捕獲和C02壓縮設備或其主功率消耗裝置可以簡單地關閉。與所選擇的技術無關， 停止C02分離且發電廠如在廢氣中具有C02排放物的常規發電廠那樣運行。因而，不需要 具有寄生功率需求的C02壓縮。除了簡單地停止或者甚至斷開C02捕獲和壓縮單元之外，提出了卸載至C02捕獲 設備和壓縮的降低容量或部分負載操作，以用於頻率響應操作。降低容量可以通過將C02 捕獲系統部件中的至少一個以低於達到名義C02捕獲速率所需的容量操作來實現。因而， 在頻率響應期間，捕獲速率將降低。由於低頻事件很少且僅在短時間段內發生，因此由於該操作模式而未捕獲的C02 的累計量通常小且可以忽略。取決於電網，將導致這種短期C02排放的低頻事件在若干年 中僅僅發生一次且將僅僅持續若干分鐘或者幾十分鐘。然而，捕獲設備和壓縮單元的靈活操作將增加具有C02捕獲和壓縮的發電廠的競 爭力。因而允許這種發電廠超出僅僅試驗發電廠項目而更早引入競爭激烈的發電廠市場， 因而減少C02排放物。在下文中，使用C02吸收的示例來討論藉助於C02捕獲和壓縮的頻率支持的方法。 該方法及其在下文所述的所有變型可同樣地應用於C02捕獲方法，包括C02吸附、吸附劑的 再生和所捕獲的C02的壓縮。對於所有C02捕獲方法，可設想使用相同原理的頻率響應操作。C02捕獲和壓縮過程(包括C02吸收、吸收劑的再生和所捕獲的C02的壓縮)的 操作給出了三個主要選擇以增加發電廠操作的靈活性。它們可以逐一執行或者一起同時執 行。它們是1.關閉或以降低容量操作C02壓縮單元。2.關閉或以降低容量操作再生單元。3.關閉或以降低容量操作吸收單元。雖然第一選擇已經導致寄生功率消耗的顯著降低，但是它將導致在非常短的時間段內C02釋放到大氣，因為大體積的未壓縮C02不能被經濟地存儲。因而，在低頻事件期間， 所捕獲C02的部分或者全部可以例如經由C02壓縮單元的旁路被釋放。例如，為了安全處 置所捕獲的C02，可以與C02吸收單元下遊的廢氣混合且經由發電廠的煙囪釋放。寄生功率消耗的進一步顯著降低可以通過第二選擇實現。再生通常通過吸收劑的 「再沸騰」完成，這意味著通過蒸汽加熱吸收劑以釋放C02。因而，蒸汽不再可用於發電。一 旦在頻率響應操作期間停止再生，蒸汽就可用於發電。在第三選擇中，吸收過程也停止或者以降低容量操作，第三選擇導致輔助功率消 耗的進一步降低。功率消耗的這種降低顯著小於在前兩種選擇中實現的節省。取決於吸收 單元的設計，在該操作模式期間，一部分或全部廢氣被旁通繞過捕獲設備。吸收過程的操作在沒有進一步措施的情況下本身沒有任何意義，因為常規裝置中 的吸收劑將快速飽和且不再能捕獲C02。然而，取決於吸收劑存儲罐的尺寸，沒有再生的 C02捕獲和C02壓縮在有限時間段內是可能的。因為斷開C02捕獲和壓縮方法通常比系統的卸載更快且更安全，因而，提出了斷 開系統的至少一個部件與發電廠負載控制相結合。如果系統的至少一個部件被斷開，得到 的淨功率輸出增加可以高於頻率響應所需。在這種情況下，使用常規發電廠控制可以減少 發電廠的總功率輸出以確保電網所需的正確淨功率輸出。除了 C02捕獲系統部件關閉之外，它們的部分負載操作也是可能的。例如，可以通 過控制裝置(例如，入口導向葉片)減少C02壓縮單元的質量流量。在壓縮單元包括兩個 或更多並聯壓縮機機組的情況下，至少一個壓縮機的關閉顯然也將導致C02壓縮單元功率 消耗的降低。在以全容量操作的兩個並聯壓縮機機組的情況下，關閉一個壓縮機機組將導 致功率消耗降低50%，但也意味著所捕獲的50%的C02不能被壓縮且通常將旁通到煙囪。 替代地，可以降低再吸收速率。例如，這可以通過減少通過再生單元的吸收劑流並將其餘流 旁通並在它們進入吸收單元之前混合這兩個流來實現。因為僅僅一部分流經過再生單元， 因而減少再生所需的蒸汽且剩餘蒸汽可以用於發電。由於已再生和未再生吸收劑混合，得 到的混合物吸附C02的容量減少且從廢氣捕獲更低百分比的C02，且更少的C02被釋放用於 在再生單元中壓縮。因為先捕獲C02然後使之旁通不是很經濟，因而提出了同時降低所有 捕獲系統部件的容量。在低頻事件期間操作沒有再生或者以降低的吸收劑容量再生的吸收單元的另一 種可能性是在該時間期間使用存儲的C02吸收劑。如果發生臨界電網情況，來自於調度中心的信號可能在頻率下降低於臨界閾值之 前已經啟動上述C02捕獲系統的功率消耗的降低，因而有助於穩定電網。操作C02捕獲系統的不同控制方法是可能的。一個示例是C02捕獲系統的不同部 件的開環控制。這特別適合於僅使用不同部件的開/關控制的情形。開環控制也可設想用於更複雜的操作過程，其中，實現C02捕獲系統的功率消耗 的連續控制，即沒有由於不同部件的開/關切換引起的功率輸出的突變。在該示例中，通 過一次改變一個部件的功率消耗同時其餘部件以恆定負載操作，實現C02捕獲系統的功率 消耗的連續控制。然而，閉環控制對於例如瞬變操作或者在變化邊界條件下的操作可以是 有利的。在可預見不同部件以降低容量操作的情況下，閒環控制將允許更好地優化負載分
7配。如果實施C02捕獲速率控制，這將是特別有利的。在該情況下，C02捕獲系統的功率消 耗不是通過一次控制單個部件同時其餘部件以恆定操作來改變。不同部件的容量的降低必 須協調。為此，每個部件的當前操作條件的反饋是有利的且閉環控制是優選的。本發明的進一步目的在於具有C02捕獲系統的用於燃燒碳基燃料的熱力發電廠， 設計用於根據上述頻率響應方法操作。相應C02捕獲系統能夠允許快速系統卸載。本發明的一個實施例是具有至少一個廢氣流的燃燒碳基燃料的發電廠。除了已知 用於發電的常規部件之外，根據本發明的發電廠通常包括用於從廢氣流去除C02的C02捕 獲單元、和C02壓縮單元。捕獲單元通常包括從廢氣去除C02的捕獲設備、從吸收劑釋放 C02的再生單元、從廢氣結合C02的吸附劑或其它裝置、用於調節C02以便輸送的處理系統。 壓縮單元包括用於C02壓縮的至少一個壓縮機。通常，壓縮單元也包括至少一個冷卻器或 熱交換器，用於在壓縮期間和/或壓縮之後再冷所壓縮的C02。為了允許根據提出的操作構思操作，發電廠的蒸汽渦輪設計成將最大蒸汽流轉換 為能量，這可以在C02捕獲系統關閉的情況下由發電廠產生。在另一個實施例中，發電機和電氣系統設計成將在C02捕獲系統關閉的情況下產 生的最大功率轉換為電功率且將該電功率傳輸給電網。為了利於這種發電廠的上述操作，還可以包括C02壓縮機的旁路，所述旁路可以 安全地排出C02，例如引導至C02捕獲裝置下遊的廢氣煙囪中。在另一個實施例中，C02捕獲單元設計成耐受廢氣，甚至在不操作時也是如此，例 如設計成幹運行的吸收單元。替代地，C02捕獲單元的旁路可以預見，其允許獨立於C02捕獲單元操作發電廠。 該旁路對發電廠的啟動或關閉以及在C02捕獲系統維護期間發電廠操作也是有利的。在另一個實施例中，設置定尺寸為在限定時間段內供應C02吸收劑的存儲罐，其 允許連續C02捕獲，甚至在低頻事件期間C02壓縮和再吸收關閉時也是如此。因為C02捕獲系統是複雜系統，因而需要合適的控制系統，如上文針對不同操作 方法討論的那樣。該控制系統取決於發電廠的功率控制且影響發電廠的功率控制。因為功 率控制是發電廠控制系統的關鍵部分，因而有利的是將C02捕獲系統的控制集成到發電廠 控制系統中或者通過發電廠控制系統協調C02捕獲系統的控制且將所有相關數據線連接 到發電廠控制系統。如果發電廠包括多個單元且發電廠控制系統具有包括發電廠控制器和 單元主令控制器的分層結構，那麼有利的是實現這種C02捕獲系統控制集成到或協調到每 個單元的主令控制器中。替代地，C02捕獲系統具有其自身的控制器，所述控制器經由直接數據鏈路連接到 發電廠控制系統。發電廠控制系統或單元主令控制器必須將至少一個信號發送給C02捕獲 裝置的控制器。該信號例如可以是指令功率消耗信號或者指令捕獲速率。在上述情況下，C02捕獲控制器不必是一個硬體裝置，而可以分散到由一個或多個 控制單元協調的驅動器和群組控制器中。在C02捕獲系統的控制由發電廠控制系統協調的情況下，高級別控制單元可以例 如將總指令質量流量發送給C02壓縮單元的群組控制器且接收總實際質量流量作為來自 於該群組控制器的輸入。在該示例中，壓縮單元包括多個壓縮機機組。每個壓縮機機組具 有其自身的裝置控制器。群組控制器具有算法以決定如何將指令總C02壓縮質量流量最佳地分配到不同壓縮機機組上且將指令質量流量發送給每個個體壓縮機機組的裝置控制器。 作為回報，群組控制器獲得每個壓縮機機組的實際C02壓縮質量流量。每個壓縮機機組裝 置控制器可以再次工作，其中，從屬控制器處於較低級別。相同類型的分層可以應用於C02捕獲系統的所有部件的控制。


本發明、其特性及其優勢將在下文藉助於附圖更詳細描述。參考附圖。圖1是具有C02捕獲和壓縮的發電廠的示意圖。圖2示意性地示出了在低頻響應事件期間藉助於C02捕獲和壓縮的靈活操作方法 的發電廠的功率輸出變化。圖3示意性地示出了在低頻響應事件期間藉助於C02捕獲和壓縮的靈活操作方法 的發電廠的功率輸出變化，結合有發電廠總輸出的修正。圖4示意性地示出了在低頻響應事件期間藉助於C02捕獲和壓縮的靈活操作的發 電廠的功率輸出變化，其中，通過斷開C02捕獲和壓縮系統滿足電網的附加淨功率需求。
具體實施例方式用於執行所提出的方法的發電廠主要包括常規發電廠1加上C02捕獲單元2和 C02壓縮單元9。圖1中示出了具有燃燒後捕獲的典型設置。發電廠1被供應有空氣3和燃料4。 其主輸出是發電機總電功率A和廢氣15。此外，從發電廠1吸取蒸汽且經由蒸汽管線13和 蒸汽控制閥14供應給C02捕獲單元2。蒸汽以降低的溫度或者作為冷凝物經由回流管線6 返回發電廠1，在這裡蒸汽再次引入蒸汽循環中。C02捕獲單元2通常包括由吸收劑從廢氣 去除C02的C02吸收單元、和從吸收劑釋放C02的再生單元。取決於廢氣的溫度和C02吸 收單元的操作溫度範圍，可能也需要廢氣冷卻器。C02耗盡的廢氣16從C02捕獲單元釋放到煙囪。萬一 C02捕獲單元2不操作，廢 氣可以經由廢氣旁路11旁通。在正常操作中，所捕獲的C02將在C02壓縮機9中壓縮，且壓縮的C0210將被運送
用於存儲或進一步處理。需要電功率7來驅動C02捕獲單元2的輔助設備，且使用電功率8來驅動C02壓 縮單元9。因而，至電網的淨功率輸出D是總發電廠輸出A減去用於發電廠輔助設備17的 電功率、減去用於C02壓縮單元的電功率8且減去用於C02捕獲單元的電功率7。在圖1中也示出相應控制單元18，其將C02捕獲和壓縮所需的附加部件的控制與 發電廠的控制集成在一起。控制單元18具有發電廠1所需的至少一個控制信號線22和 C02壓縮單元9的至少一個控制信號線。此外，示出了 C02捕獲單元2的至少一個控制信號 線19，C02捕獲單元2包括廢氣旁路11。萬一捕獲單元2基於吸收或吸附，再生單元就是 系統的一部分，相應地需要至再生單元的至少一個信號線20。如果捕獲單元2也包括用於 吸附劑/吸收劑的至少一個存儲罐，則需要至存儲系統的控制信號線21。對於蒸汽13用於 再生的所示示例，蒸汽控制閥24經由控制信號線24控制。該控制線被連接到再吸收單元， 或者直接連接到控制系統18，再吸收單元是捕獲單元2的一部分。
淨功率D的控制使用兩個示例闡述，其中，對於頻率響應，需要從所有部件以全容 量操作的操作點開始增加淨功率輸出D 在簡單方法中，淨輸出D首先通過C02壓縮機單元9的功率消耗的受控降低而增 加。當壓縮機單元9的功率消耗降低時，從C02再生單元2釋放的C02量保持恆定。因而， C02流的一部分必須通過C02壓縮單元旁路12旁通C02壓縮機單元。一旦C02壓縮機單 元9完全關閉，淨輸出D通過C02再生單元的的功率消耗的受控降低而增加。最後，當C02 再生單元完全關閉時，淨輸出D通過C02吸收單元(且如果應用的話，廢氣冷卻器)的功率 消耗的受控降低而增加。萬一 C02吸收單元2未設計成幹運行，即不能在沒有吸收劑流和 /或附加廢氣冷卻的情況下暴露於廢氣15，C02捕獲單元2的廢氣旁路11必須作為吸收單 元的可用功率的函數開啟。在更複雜的方法中，淨輸出D通過C02捕獲單元2和壓縮單元9的所有部件的功 率消耗的受控和協調降低而增加。目標是以降低功率消耗最大化C02捕獲速率。為此，所 有部件的容量以相同速率同時降低，且通過所有部件的C02流相同。因而，功率消耗作為捕 獲速率的函數而變化。為了確保不同部件的流率匹配，需要來自於這些部件的反饋且閉環 控制是有利的。在非常低的捕獲速率下且如果C02吸收單元2未設計成幹運行，例如不能 在沒有吸收劑流和/或附加廢氣冷卻的情況下暴露於廢氣，C02捕獲單元的廢氣旁路11必 須作為吸收單元2的可用功率的函數開啟。C02捕獲系統的主要功率消耗裝置對發電廠功率輸出的影響在圖2-4中示出。發 電廠本身的輔助功率消耗的影響也在這些圖中示出。在圖2中，隨時間示出了具有C02捕獲和壓縮的發電廠的優化操作方法的低頻事 件的示例。在時間T = Os時，發電廠以基本負載處於正常操作，C02捕獲和壓縮系統處於 操作中。通過指示在發電廠的不同階段的相對輸出Pr示出了發電廠輔助設備和C02捕獲 系統的主要功率消耗裝置對發電廠淨功率輸出D的影響。該圖所示的所有功率輸出通過在 蒸汽被吸取用於再吸收的情況下的基本負載下的發電廠總功率輸出A標準化。A』是在沒有 蒸汽被吸取用於再吸收的情況下的總輸出。B是由發電廠輔助設備減少的總輸出。C是在 輸出B由C02壓縮進一步減少之後的輸出。D是在C由吸收的功率消耗減少之後得到的發 電廠淨功率輸出。標準化電網頻率Fe是用名義電網頻率(通常是50Hz或60Hz)標準化的 頻率。根據所提出的操作方法，在低頻事件期間，從B到C和C到D的功率減少以及從A 到A』的總功率增加用於控制淨輸出D。在該示例中，在從20s至30s的時間段期間，當標準 化電網頻率Fe從100 %下降到99. 8 %時，淨輸出D保持恆定，因為控制器具有0. 2 %的死區， 在該死區內，對從設計頻率的偏離不作出反應。當頻率在時間T = 35s繼續下降至99. 3% 時，頻率響應變得有效且淨功率輸出D通過在時間T = 30s和T = 35s之間C02壓縮的受 控關閉而增加。當標準化電網頻率Fe在時間T = 35s和T = 40s之間繼續下降至98%時， C02再生也關閉且不再有蒸汽被吸取用於再吸收。因而，總功率從A增加至A』且淨功率輸 出D相應地增加。在增加淨功率輸出D的最後步驟中，在時間T = 40s和T = 45s之間關 閉C02吸收且頻率Fe穩定在97. 5%。在圖3中，隨時間示出了具有C02捕獲和壓縮的發電廠的優化操作方法的第二低 頻事件。在時間T = Os時，發電廠以基本負載處於正常操作，C02捕獲和壓縮系統處於操作中。在該示例中，在從T = 20s至T = 30s的時間段期間，標準化電網頻率Fe從100% 下降到99.8%。由於0.2%的死區，沒有發生控制動作，直到T = 30s。當頻率在時間T = 30s和T = 35s之間繼續下降至99. 3%時，作為頻率響應，淨功率輸出D通過C02壓縮的受 控關閉而增加。由於標準化電網頻率Fe在時間T = 35s和T = 40s之間繼續下降至97. 8%, C02再生也關閉且不再有蒸汽被吸取用於再吸收。因而，總功率從A增加至A』且淨功率輸 出D相應地增加。在時間T = 40s和T = 45s之間，標準化電網頻率Fe恢復至98%且淨功 率D通過減少總功率A』減少而減少，以滿足與低頻相對應的電網淨功率需求。同時，標準 化電網頻率Fe穩定在98%。圖4示出了藉助於C02捕獲和壓縮的靈活操作方法的發電廠在低頻響應事件期間 的功率輸出變化的第三示例。在該示例中，通過突然關閉或斷開C02捕獲和壓縮系統的部 件來滿足電網的附加淨功率需求。同樣，在時間T = Os時，發電廠以基本負載處於正常操作，C02捕獲和壓縮系統處 於操作中。通過指示在發電廠的不同階段的相對輸出已示出了發電廠輔助設備和C02捕 獲系統的主要功率消耗裝置對發電廠淨功率輸出D的影響。該圖所示的所有功率輸出通過 在蒸汽被吸取用於再吸收的情況下的基本負載下的發電廠總功率輸出A標準化。A』是在沒 有蒸汽被吸取用於再吸收的情況下的總輸出。B是由發電廠輔助設備減少的總輸出。C是 在輸出B由C02壓縮進一步減少之後的輸出。D是在C由吸收的功率消耗減少之後得到的 發電廠淨功率輸出。如前述示例那樣，假設0. 2%的死區且在從T = 20s至T = 30s的時間段期間，當標 準化電網頻率Fe從100%下降到99. 8%時，淨輸出D保持恆定。一旦頻率偏離超過0. 2%， 頻率響應就變得有效且淨功率輸出D通過在時間T = 30s突然關閉或斷開C02壓縮而增 加。當標準化電網頻率Fe在時間T = 35s繼續下降至99%時，沒有發生進一步的控制動作。 當標準化電網頻率Fe繼續下降低於99%時，C02再生也斷開且不再有蒸汽被吸取用於再吸 收。因而，總功率從A增加至A』且淨功率輸出D相應地增加。在時間T = 35s和T = 40s 之間，在頻率Fe繼續下降至98%時，沒有發生進一步的控制動作。在增加淨功率輸出E的 最後步驟中，一旦淨頻率在T = 40s下降低於98%，就斷開C02吸收。淨頻率Fe進一步下 降至97. 5%且穩定在97.5%。對熟悉本領域實施例的技術人員公開了上文和附圖所述的示例性實施例，本領域 實施例不同於示例性實施例且包含在本發明範圍中。例如，在高功率需求的時間期間，可以省去或減少用於廢氣再壓縮的功率，廢氣再 壓縮的功率用於低溫C02分離的情況或者用於在升高壓力水平吸收的情況。或者，在用冷 凍氨進行C02分離的情況下，在低頻事件期間可以省去或減少冷卻功率。此外，可設想沒有 C02壓縮的方法和相應發電廠。在本文給出的示例中，指示在電網頻率下降和控制動作之間沒有時間延遲。取決 於測量、信號傳輸和控制器的速度，可以有顯著的時間延遲，時間延遲可以處於幾秒的量 級。此外，在基於燃氣渦輪發電廠或聯合發電廠中，如果不採取應對措施，任何低頻事 件將導致燃氣渦輪總功率輸出的減少。通常，對於燃氣渦輪中的頻率響應，發生過燒，即熱氣體溫度增加超過設計溫度。頻率響應的標準措施可以與針對具有C02捕獲和壓縮的發電 廠所描述的特徵相結合。附圖標記列表1發電廠2C02捕獲單元3 空氣4 燃料6回流管線7用於C02捕獲單元的電功率8用於C02壓縮單元的電功率9C02 壓縮10被壓縮的C0211用於C02捕獲單元的廢氣旁路12C02壓縮單元旁路13至C02捕獲單元的蒸汽14蒸汽控制閥15至C02捕獲單元的廢氣16C02耗盡的廢氣17用於除了 C02捕獲和壓縮之外的發電廠輔助設備的電功率18控制系統19與C02捕獲單元和廢氣旁路的控制信號交換20與再生單元(如果應用的話)的控制信號交換21與吸收劑/吸附劑存儲系統(如果應用的話)的控制信號交換22關於沒有C02捕獲的常規發電廠的包括總功率和淨功率的發電廠控制信號交 換23與C02壓縮單元和壓縮機旁路的控制信號交換24直接從控制系統或者經由再生單元(如果應用的話)至蒸汽控制閥的控制信號 交換A在蒸汽被吸取用於C02再吸收的情況下的發電廠總功率輸出A』在沒有蒸汽被吸取用於C02再吸收的情況下的發電廠總功率輸出B在沒有C02捕獲和壓縮的情況下由發電廠輔助設備減少的AC由用於C02壓縮的功率需求減少的B-根據電網功率需求變化D C02捕獲發電廠淨功率輸出(由用於吸收的功率需求減少的C-根據電網功率 需求變化)Fe標準化電網頻率
權利要求
一種操作發電廠(1)的方法，所述發電廠(1)具有控制系統(18)和CO2捕獲系統，其特徵在於，在低頻事件期間，CO2捕獲系統的功率消耗用作淨功率輸出(D)的控制參數。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，C02捕獲系統以降低容量操作或者關閉， 以將附加功率供應給電網，且該附加功率用於滿足在低頻事件期間電網的頻率響應需求。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，當C02捕獲系統操作時，所述發電廠(1)接近基本負載或者以基本負載操作，且C02捕獲系統的功率消耗可用於發電廠的頻率 響應。
4.根據權利要求1至3中的一項所述的方法，其特徵在於，在低頻事件期間，C02捕獲 速率變化以控制C02捕獲系統的功率消耗。
5.根據權利要求1至4中的一項所述的方法，其特徵在於，在低頻事件期間，C02壓縮 單元(9)關閉或者以降低容量操作。
6.根據權利要求1至5中的一項所述的方法，其特徵在於，在低頻事件期間，C02壓縮 單元(9)關閉或者以降低容量操作，且所捕獲C02的部分或全部經由C02壓縮單元的旁路 (12)釋放。
7.根據權利要求1至6中的一項所述的方法，其特徵在於，在低頻事件期間，捕獲系統(2)中包括的再生單元關閉或者以降低容量操作。
8.根據權利要求1至7中的一項所述的方法，其特徵在於，在低頻事件期間，捕獲系統 (2)中包括的吸附或解吸單元關閉或者以降低容量操作。
9.根據權利要求1至8中任何一項所述的方法，其特徵在於，在低頻事件期間，捕獲系 統(2)中包括的吸收或吸附單元關閉或者以降低容量操作，且部分或全部廢氣被旁通繞過 捕獲設備。
10.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，由於關閉或者以降低容量操作，捕獲系 統(2)中包括的再生單元的蒸汽(13)消耗減少，且剩餘蒸汽供應給發電廠(1)的現有蒸汽 渦輪，以用於低頻事件期間的附加發電。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，在低頻事件期間，再生關閉或者吸收 劑或吸附劑的再生以降低容量發生，且在低頻事件期間，所存儲的吸收劑或吸附劑用於C02 捕獲。
12.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其特徵在於，C02捕獲系統通過閉環控制 系統(18)控制，閉環控制系統(18)集成到發電廠控制系統中或者由發電廠控制系統協調 或者具有至發電廠控制系統的直接數據鏈路(22)。
13. 一種具有C02捕獲系統的發電廠(1)，其特徵在於，發電廠(1)設計成根據權利要 求1所述的方法操作。
14.根據權利要求13所述的發電廠(1)，其特徵在於，至少一個蒸汽渦輪設計成將在 C02捕獲系統關閉的情況下能夠由發電廠產生的最大蒸汽流轉換為能量。
15.根據權利要求13或14所述的發電廠，其特徵在於，至少一個發電機和電氣系統被 設計成將在C02捕獲系統關閉的情況下產生的最大功率轉換為電功率且將該電功率傳輸 給電網。
16.根據權利要求13至15中的一項所述的發電廠(1)，其特徵在於，設置C02壓縮單 元(9)和/或吸收單元的旁路(12，11)。
17.根據權利要求13至16中的一項所述的發電廠(1)，其特徵在於，吸收單元設計成 耐受廢氣(15)，甚至在不操作時也是如此。
全文摘要
由於CO2識別為主要溫室氣體，因而其捕獲和存儲對於控制全球變暖是關鍵的。CO2捕獲和壓縮設備的靈活操作將增加設計用於CO2捕獲和壓縮的發電廠(1)的競爭力且將允許更早引入這種類型的發電廠。本發明的主要目的是通過利用附加靈活性來改進發電廠頻率響應特性，可以通過控制CO2捕獲和壓縮系統的功率消耗來實現。一個具體目的是在發電廠(1)不卸載至部分負載的情況下提供用於低頻事件的功率備用。這通過CO2捕獲系統的功率消耗用於控制發電廠(1)的淨輸出(D)的操作方法實現。除了該方法之外，設計成根據該方法操作的發電廠(1)也是本發明的主題。
文檔編號F01K13/02GK101910568SQ200980101948
公開日2010年12月8日 申請日期2009年1月9日 優先權日2008年1月11日
發明者H·納格爾, O·德雷尼克, R·布拉特 申請人:阿爾斯託姆科技有限公司