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組合的空氣分離和氧助發電系統的製作方法

2023-05-29 07:18:11

專利名稱:組合的空氣分離和氧助發電系統的製作方法
技術領域:
本發明涉及與氧助發電系統結合的空氣分離單元。
在工業上,為了生產大量氧氣和氮氣,一般優先採用低溫空氣分離法,這種方法可以用在各種不同的發電系統中。然而,低溫空氣分離系統的缺點是,系統操作的電力成本高到總操作成本的50%,其中大部分的電力由配置在空氣分離裝置上遊的主空氣壓縮機消耗掉。因此,主空氣壓縮機的動力成本極大地影響了空氣分離單元生產產品的總的生產成本。為了降低系統操作的電力成本,很需要優化驅動主空氣壓縮機的氣輪機結構。
在將空氣分離單元與發電作業組合成一種形式和另一種形式的先有技術中已知各種各樣的不同系統。例如Marin等提出的美國專利NO.6282901說明一種組合的空氣分離工藝,該工藝生產富含氧氣的氣流和富含氮氣的氣流。富含氮氣的氣流在連接於第一鍋爐的第一熱交換器中被加熱,然後用於發電。富含氧氣的氣流和燃料一起引入到連接於第一鍋爐的燃燒器,由此產生煙氣,並將從鍋爐排出的至少一部分煙氣用來發電。
Brugerolle的美國專利NO.6202442說明一種組合的發電系統,該系統中將燃氣輪機壓縮機流出的至少一部分空氣輸送到空氣分離單元,而將另一部分輸送到燃氣輪機的燃燒器。從空氣分離單元排出的氮氣流與燃氣輪機燃燒器的排出氣流混合,然後將其輸送到燃氣輪機膨脹器。Brugerolle的系統可以發電,也可以生產富氧氣體。
Plumley等的美國專利NO.4785622公開一種組合的煤氣化裝置和聯合循環系統,該循環系統利用一部分從燃氣輪機空氣壓縮機部分放出的壓縮氣體,供應連接於煤氣化裝置的氧氣裝置所需的壓縮空氣。利用從燃氣輪機的渦輪部分排出的高溫氣體來產生蒸汽,然後將產生的蒸汽輸送到蒸氣輪機,以便除開由燃氣輪機產生的輸出外,還產生機械輸出。為了補償送到氧裝置而失去的壓縮空氣,將燃氣輪機送出的蒸汽加在輸送到燃氣輪機燃燒器部分的壓縮空氣和燃料中。Plumley等的系統不需用單獨的壓縮機向制氧裝置提供壓縮空氣。
Demetri提出的美國專利NO.6148602說明一種可以分離二氧化碳的加固體燃料的發電系統,該系統包括空氣壓縮機和用單個燃氣輪機驅動的氧壓縮機。該空氣壓縮機將壓縮空氣輸送到空氣分離器,從該空氣分離器流出的基本上純的氧氣由氧氣壓縮機進一步壓縮,然後分成兩股氣流。將第一股氣流輸送到煤氣發生器,而將第二股氣流輸送到燃氣輪機的燃燒器。第一氣流與煤氣發生器中的固體燃料混合,轉化成送到燃燒器的可燃性氣體。同時,還在燃燒器中噴射水,使燃燒器流出的二氧化碳和蒸汽的排出氣流進入燃氣輪機,以便驅動燃氣輪機和發電。
由Bolland等說明的系統(Energy Conversion Mgmt,Volume 33,No.5-8,1992,pages 467-475)包括燃燒器,該燃燒器接收從空氣分離裝置來的氧氣,並使該氧氣與燃料氣體反應,隨後將燃燒產物送入到氣輪機。使水流穿過熱交換器,冷卻空氣壓縮機排出的壓縮空氣,然後將壓縮空氣輸送到空氣分離裝置,隨後,將熱交換器排出的水或者蒸汽輸送到燃燒器,以便將燃燒器的產品冷卻到允許的氣輪機入口溫度。
由Yantovskii說明的GOOSTWEG發電裝置(World Clean EnergyConference,Geneva,Switzerland,November 1991,pages 571-595)包括第一燃燒室,該燃燒室接收從空氣分離機來的氧氣、碳氫化合物燃料和水,生產輸送到高壓氣輪機的二氧化碳和水蒸氣驅動氣體。在第二燃燒室中,重新加熱高壓氣輪機的放出氣流,然後將其輸送到中壓氣輪機,隨後在第三燃燒室中再加熱,並輸送到低壓氣輪機。利用除氣裝置使二氧化碳與水分離,並加熱分離出的水,使其再循環回到第一燃燒室。
儘管各個上述系統具有某種有效性和優點,但是仍需要提供一種組合的具有優選結構的空氣分離發電系統,從而降低對動力的要求,由此降低與空氣分離單元操作相關的操作成本。
因此本發明的目的是提供一種組合的空氣分離發電系統,該系統可以在系統操作期間降低動力的需求。
本發明的另一目的是製造一種空氣分離裝置的發電系統,使得與用常規現場發電裝置來操作空氣分離單元的方法相比,可以降低空氣分離單元的動力要求。
本發明的再一目的是提供一種組合的空氣分離發電系統,該系統可以有效地將系統操作期間的熱聚合起來,並優化發電的氣輪機結構,以便向空氣分離單元的主空氣壓縮機提供動力。
本發明的又一目的是提供一種組合的空氣分離發電系統,該系統可以提供零排放作業。
可以一個一個單獨地和/或者聯合地達到上述目的,本發明不應當解釋為需要同時達到兩個或多個目的,除非下面權利要求書明確地要求。
按照本發明,組合的空氣分離氧助發電系統包括空氣分離單元和燃氣輪機,該燃氣輪機包括連接於燃氣輪機膨脹器的空氣壓縮機和向該膨脹器提供驅動氣體的燃燒單元。該空氣壓縮機將壓縮空氣輸送到空氣分離單元。該系統還包括至少一個額外的連接於空氣壓縮機的氣輪機。當驅動氣體通過膨脹器和一個或多個額外氣輪機中的各個氣輪時,該空氣壓縮機由該膨脹器和一個或者多個額外的氣輪機驅動。該空氣分離單元生產至少兩個產品氣流,包括主要的氧氣流。由空氣分離單元生產的一部分氧氣流輸送到燃氣單元。可以配置額外的燃燒單元,以便產生溫度和壓力選定的驅動氣體,使其輸送到膨脹器和一個或多個額外的氣輪機。最好採用再循環水或者系統至少一個燃燒單元驅動氣體中的蒸汽來控制氣輪機的溫度狀態。
下面參考附圖詳細說明具體實施例,由此可以明顯看出本發明的上述以及其它一些目的、特徵和優點,附圖的不同圖中,採用相同的編號表示相同的裝置。


圖1是本發明組合的空氣分離單元和發電系統的作業流程圖。
圖2是本發明組合的空氣分離單元和發電系統另一實施例作業流程圖。
圖3是與本發明的與發電裝置組合的空氣分離單元作業流程圖。
組合的空氣分離單元和發電系統包括空氣分離單元(ASU),該單元接收從燃氣輪機空氣壓縮機來的壓縮空氣,該燃氣輪機還包括(例如通過軸)連接於空氣壓縮機的燃氣輪機膨脹器,以便在系統操作期間將膨脹器的機械能直接輸送到壓縮機,還可以將一個或多個額外的氣輪機以優選的方式組合到系統中,以便另外向空氣壓縮機輸送動力,從而以有效和節省成本的方式向ASU輸送空氣。用於這種系統的例示性ASU是低溫系統。然而該ASU可以包括任何一種或多種適合於將兩種或多種混合氣體成分和/或液體成分分離的系統,這些系統包括膜系統和吸收系統,但不限於這些系統。
發電系統最好包括一個或者多個燃燒單元,以便向燃氣輪機膨脹器和一個或者多個額外的氣輪機輸送氣體。適合用在本發明中的燃燒單元有助於氧和碳氫化合物燃料的燃燒,從而可以提高用來驅動氣輪機的驅動氣體(例如二氧化碳和/或蒸汽)的溫度。可以用在本發明中的燃燒單元的例示類型包括燃燒器、再加熱器和鍋爐,但不限於這些。當採用例如燃燒器和再加熱器時,燃燒產物(蒸汽和二氧化碳)最好構成氣輪機的至少部分驅動氣體。在採用例如鍋爐時,可利用燃燒產物在鍋爐中將驅動氣體(例如蒸汽)加熱到要求的溫度和壓力,然後再輸送到氣輪機。
在圖1的例示性系統中,兩個蒸汽輪機與燃氣輪機膨脹器一起連接於空氣壓縮機。還配置兩個燃燒單元,即高壓燃燒器和再加熱器,以便將處於選定溫度和壓力的驅動氣體輸送到燃氣輪機膨脹器和蒸汽輪機。參照圖1,系統1包括燃氣輪機單元2和低溫ASU12,該ASU接收燃氣輪機單元的壓縮空氣。該燃氣輪機單元2包括空氣壓縮機4和經轉軸7連接於該壓縮機的燃氣輪機膨脹器6。如下所述,該轉軸7通過輸送到燃氣輪機膨脹器的氣體驅動。該空氣壓縮機接收空氣流8,並將該空氣流壓縮到適當壓力,然後輸送到ASU12。從空氣壓縮機排出的被壓縮空氣流其絕對壓力最好在約5~25巴的範圍內。位於空氣壓縮機4下遊的是熱交換器10,該熱交換器接收空氣壓縮機排出的壓縮空氣流9,並用水流24輸送流水將該壓縮空氣流冷卻到要求的溫度,該水流輸送到熱交換器的單獨的入口。該熱交換器最好將壓縮空氣流冷卻到約20~50℃的溫度。熱交換器10的空氣流出口連接於ASU12,將冷卻的壓縮空氣流11輸送到該ASU。
該ASU生產分開的分別主要由氮氣和氧氣構成的產品氣流13和14。還可以選擇生產由其它氣體產品構成的額外氣流(例如氬氣、氦氣等)。氣體產品氣流可以輸送到其它裝置或者儲存裝置,或者以要求的方式利用該氣體產品的裝置。從主要的氧氣產品流14中分出部分氧氣,將其輸送到燃燒單元,以便產生驅動膨脹器和氣輪機的驅動氣體。具體是,從主要氧氣產品氣流分出第一氧氣流16,將其輸送到高壓(HP)燃燒器20,同時還從主要氧氣流中分出第二氧氣流18,將其輸送到再加熱器22,如下所述。
高壓燃燒器20作成為可以接收ASU來的第一氧氣流16以及碳氫化合物燃料流17。本文所說的「高壓」,除非另有說明,一般是指至少約為15巴(絕對)的操作壓力。同樣,本文所用的術語「低壓」,除非另有說明,一般是指不大於1.5巴(絕對)的操作壓力。碳氫化合物燃料氣流包括任何可燃的碳氫化合物燃料源,該源包括天然氣源、合成氣體源和石油加工氣體源,但不限於這些氣體源。第一氧氣流和碳氫化合物燃料氣流在高壓燃燒氣中混合併反應,產生蒸汽和二氧化碳產物。氧氣和碳氫化合物氣流16和17輸送到壓縮機27和28,然後進入燃燒器20。利用電能驅動壓縮機27和28,或者換一種方式,將系統1以適當的方式作成可以通過任何一個或者多個燃氣輪機膨脹器6和/或下述的高壓或低壓蒸汽輪機將機械動力輸送到壓縮機27和28。進入高壓燃燒器的氧氣和碳氫化合物燃料氣流其絕對壓力最好在25~150巴的範圍內。
熱交換器10的水/蒸汽出口連接於高壓燃燒器20,從而可以將水和/或蒸汽流26(即用於冷卻壓縮空氣的氣流)輸送到高壓燃燒器,使其與進入的氧氣和碳氫化合物燃料氣流混合。控制水流26進入燃燒器20的流量,使得從燃燒器排出的輸出氣流30達到要求溫度。燃燒器輸出氣流的溫度最好在400~600℃之間。在輸出氣流30中的燃燒器排出產物主要是蒸汽和二氧化碳。
位於燃燒器下遊的用於接收燃燒器排出氣流30的是高壓(HP)蒸汽輪機32。進入高壓蒸汽輪機的氣流其溫度最好在約400~600℃的範圍內,其壓力最好在50~150巴的範圍內。高溫蒸汽輪機包括轉軸33,該轉軸通過高壓蒸汽輪機中氣流30的膨脹而受到驅動。高壓蒸汽輪機的轉軸33連接於燃氣輪機膨脹器6的轉軸7。因此高壓蒸汽輪機通過與燃氣輪機的連接間接連接於空氣壓縮機。另外,應注意到,高壓蒸汽輪機可以以另外的方式連接於空氣壓縮機,以實現將動力傳送到空氣壓縮機。該高壓蒸汽輪機的出口排出輸送到再加熱器22的蒸汽和二氧化碳氣流34。該高壓排出氣流其壓力最好在約10~30巴之間。
除接收從高壓蒸汽輪機出口來的排出氣流34之外,再加熱器22還接收從主要氧氣產物氣流分出的第二氧氣流18(如上所述)以及碳氫化合物燃料氣流19。該再加熱器的出口將具有預定高溫的主要由二氧化碳和蒸汽構成的氣流36輸送到燃氣輪機膨脹器6的入口。應當注意到,可選擇性控制高壓蒸汽輪機排出氣流34的出口壓力和再加熱器排出氣流36的出口溫度(例如控制輸送到高壓蒸汽輪機和再加熱器之間的氧氣與碳氫化合物燃料氣流的流量和/或壓力,控制輸送到高壓燃燒器的包含水和/或蒸汽的流體26的流量等),從而在該氣流36進入燃氣輪機膨脹器時達到要求的溫度和壓力範圍。進入燃氣輪機膨脹器的入口氣流其入口溫度最好在約800~1400℃之間,而其絕對壓力約在10~30巴之間,從燃氣輪機膨脹器排出的輸出氣流其絕對壓力最好約為1巴。
低壓(LP)蒸汽輪機40配置在燃氣輪機膨脹器6的下遊,用於接收該燃氣輪機膨脹器排出的排出氣流38。該低壓蒸汽輪機包括轉軸41,該轉軸連接於高壓蒸汽輪機32的轉軸33。該轉軸41通過流過低壓燃氣輪機氣流的膨脹而被驅動。因此低壓蒸汽輪機通過與高壓蒸汽輪機的連接間接連接於空氣壓縮機。另外,應當注意到,低壓蒸汽輪機可以用任何適當的方式連接於空氣壓縮機,使得可以將動力輸送到空氣壓縮機。
低壓蒸汽輪機可以選擇性包括另一轉軸42,該轉軸連接於發電機44,從而除開產生用來操作空氣壓縮機4的機械動力以外,還可發電。該低壓蒸汽輪機的輸入氣流其溫度在約300~700℃之間,而其絕對壓力約為1巴,從低壓蒸汽輪機排出的輸出氣流或者排出氣流其絕對壓力最好在約0.05~0.30巴之間。
冷凝器48接收低壓蒸汽輪機40排出的排出氣流46,並利用封閉的冷卻水水流47使氣流46分離成二氧化碳氣體和主要是水的冷凝物。另外還應該注意到,可以採用任何其它合適的分離裝置,將低壓蒸汽輪機排放氣流中的二氧化碳與水基本上分離。從冷凝器排出二氧化碳氣流49,將其作為一個產物輸送到其它裝置,或者輸送到儲存裝置,或者輸送到以要求方式利用的裝置,同時使水流24再循環到熱交換器10,以便冷卻從空氣壓縮機4排出的壓縮空氣流。可以在水流上配置適當的泵裝置50,將水以要求的流量和壓力輸送到熱交換器。另外,可以在冷凝器48和熱交換器10之間的適當位置從水流24中排出過量的水31。
在操作時,空氣吸入空氣壓縮機4,然後被加壓,並在選定的壓力(最好約為5~25巴(絕對))下排放到熱交換器10。該熱交換器將該壓縮的空氣冷卻到選定的溫度(最好約為20~50℃),並將氣流11排到ASU12,至少由主要氮氣和主要氧氣組成的兩個產品氣流13和14從ASU排出,一部分氧氣流14分成第一和第二氣流16和18,該氣流分別輸送到高壓燃燒器20和再加熱器22。用於冷卻熱交換器10中壓縮空氣流9的水流24從熱交換器排出,形成水流26,該水流包括水和/或蒸汽,並以選定的流量輸送到再加熱器。
壓縮第一氧氣流16(最好壓縮到約25~150巴的絕對壓力),並隨壓縮的碳氫化合物燃料氣流17和由水和/或蒸汽組成的水流26一起輸送到燃燒器20。從高壓燃燒器排出的排放氣流30主要包括二氧化碳和蒸汽,將此氣流(例如約400~600℃的溫度和絕對壓力在約50~150巴的壓力)輸送到高壓蒸汽輪機32,以便驅動轉軸33,該轉軸連接於燃氣輪機的轉軸7。將高壓蒸汽輪機排放的氣流(其絕對壓力最好約在10~30巴之間)送到再加熱器22,在該加熱器中,該排出氣流34與第二氧氣流18和碳氫化合物燃料氣流19化合,產生主要由二氧化碳和蒸汽構成的排出氣流36(其溫度最好約為800~1400℃,而其絕對壓力最好約為10~30巴)。該氣流36進入燃氣輪機膨脹器6,並驅動燃氣輪機的轉軸7,該轉軸連接於空氣壓縮機4。從燃氣輪機膨脹器排出的冷卻氣流38(其溫度最好約在300~700℃之間,而其絕對壓力約為1巴)被輸送到低壓蒸汽輪機40。該低壓蒸汽輪機驅動連接於高壓蒸汽輪機轉軸33的轉軸41,並選擇性驅動連接於發電機44的轉軸42。從低壓蒸汽輪機排出的氣流46(其絕對壓力約在0.05~0.30巴之間)輸送到冷凝器48,以便從系統中除去二氧化碳,形成二氧化碳氣流49。冷凝的蒸汽24主要包括水,從冷凝器中排出,並再循環到熱交換器10。
應當注意到,還可以這樣進行發電,方法是從ASU的高壓柱抽出高壓氮氣(在圖1中表示為氣流52),在熱交換器10中加熱該氮氣流(最好加熱到約400~1400℃的溫度),然後將加熱的高壓氮氣氣流(圖1中表示為氣流54)輸送到氮氣氣輪機56,從而驅動發電機60。在本文中所用的術語「高壓氮氣」是指絕對壓力至少為3巴的氮氣。另外或者除驅動發電機而外,該氮氣氣輪機還可以以類似的方式連接於空氣壓縮機,從而直接向發電機提供另外的機械動力。然後將膨脹的氮氣流(在圖1中表示為氣流58)作為產品輸送到其它系統或者儲存裝置,或者輸送到以要求方式應用它的裝置。
燃氣輪機膨脹器、高壓和低壓蒸汽輪機分別經其相應的氣輪機轉軸連接於發電機,以便在操作期間直接驅動燃氣輪機壓縮機,而同時可以消除通常在機械能和電能轉換時產生的動力損失(即將氣輪機轉軸的動力轉換為電力,然後再將電力轉換成驅動空氣壓縮機的機械動力)。因此系統1可以採用優化的用氣體作動力的可進行零排放作業的多氣輪機系統,該系統用ASU(例如氧氣和氮氣)和發電系統(例如二氧化碳)兩種裝置生產多個產品。與常規的ASU系統相比,該氣輪機系統還儘量增大了循環效率,與常規ASU系統比較降低了燃料和氧氣成本。
在另一實施例中,採用鍋爐替代圖1中所示系統的高壓燃燒器,該鍋爐產生輸送到高壓蒸汽輪機的高壓蒸汽。這種系統的例示性實施例示於圖2。具體是,系統100基本上與上述圖1所示系統相似,高壓和低壓蒸汽輪機相對於燃氣輪機膨脹器的配置是相同的。然而,系統100包括串聯在熱交換器10和高壓蒸汽輪機32之間的鍋爐102,其中水流26包括水和/或蒸汽,該水流從熱交換器排出,輸送到鍋爐的入口。碳氫化合物燃料氣流103和空氣流101也輸送到鍋爐,從而將蒸汽流26加熱成高壓蒸汽,該高壓蒸汽作為氣流104從鍋爐排出,從鍋爐排出的煙氣形成氣流105。由鍋爐排出的高壓蒸汽(其溫度最好在約400~600℃,而其絕對壓力約為50~150巴)輸送到高壓蒸汽輪機32,從鍋爐排出的蒸汽流106輸送到再加熱器22。從圖2可以清楚看出,系統100按另一種類似於上述系統1的操作方式操作。
圖2的鍋爐系統比圖1的燃燒器系統消耗的氧氣少,並且生產較少的二氧化碳產品,如下面的表1所示。然而由於其效率降低,所以鍋爐系統比燃燒器系統需要更多碳氫化合物燃料。另外,和燃燒器系統不同,鍋爐系統不是零排放操作作業。然而,假定系統100的鍋爐其效率約為90%,則與圖1所示的系統相比,在系統100中生產單位量氧氣所需的碳氫化合物燃料量較少。
本發明組合的空氣分離和氧助發電系統與常規ASU裝置相比降低了動力成本,在常規ASU裝置中,主要的空氣壓縮機由馬達驅動,該馬達接收電網的電力或者接收現場發電裝置(例如廢熱發電裝置或者聯合的循環發電裝置)的電力。另外,圖1和圖2所示各個系統的燃氣輪機膨脹器和蒸汽輪機其操作溫度和壓力完全在現有商品裝置的設計範圍內。因此,本發明不需要使用特別設計的非常規裝置來使系統進行操作。
下面根據每天氧氣產量為2000公噸的裝置,用表列出本發明與具有現場發電設備的常規ASU相比較的有利之點。具體是,圖1和圖2所示的系統完全與接有發電裝置的常規ASU裝置相當。
組合的ASU系統與常規ASU的操作參數比較
mt/day=噸/天MW=兆瓦Nm3/hr=標準立方米/小時Nm3/mt=標準立方米/噸根據以下其它參數計算上面列舉的操作參數(1)常規的ASU包括燃天然氣的循環,其淨效率(8500Btu/kWh)為40%,壓縮機的排出壓力為16巴(絕對),四級壓縮機相互冷卻;(2)系統1(圖1)包括燃天然氣的循環,高壓蒸汽輪機的入口溫度為550℃,絕對壓力為150巴(絕對),燃氣輪機入口溫度為980℃,絕對壓力為16巴,低壓蒸汽輪機出口壓力為0.07巴(絕對),壓縮機排放壓力為16巴(絕對),沒有壓縮機相互冷卻;(3)系統100(圖2)包括燒天然氣的鍋爐,90%的效率,氣輪機和壓縮機的狀態與系統1第「(2)」條相同。
如上述列舉的操作條件所示,基於每天生產2000噸氧氣的裝置,圖1和圖2兩個系統與常規的具有現場發電機裝置的ASU相比,天然氣消耗總量以及生產每噸氧氣消耗的天然氣均較小。另外,圖1和圖2的所示的系統可以生產出售的二氧化碳產品,從而降低了系統操作期間的燃料費用,因此降低了ASU產品的總價格。
本發明的組合空氣分離氧助發電系統還可以組合在現有的發電裝置中。這種系統的例示性實施例示於圖3,在圖3中,發電裝置包括蘭金蒸汽循環,該循環具有至少一個裝有蒸汽抽出口的高壓蒸汽輪機。可以組合進空氣分離單元的例示性發電裝置包括燒粉化煤的裝置、燒燃氣的聯合循環裝置以及結合煤氣發生器的聯合循環裝置(IGCC裝置),但不限於這些裝置。該系統特別利於需要ASU產品的發電裝置(例如IGCC裝置,該裝置需要大量工作氧氣)。
參考圖3,ASU212接收燃氣輪機單元202的壓縮氣體,其接收方式基本上與上述圖1和圖2所示系統的方式相同。燃氣輪機單元202包括通過轉軸207連接於燃氣輪機膨脹器206的空氣壓縮機204。空氣流208進入該空氣壓縮機,並在要求的壓力下排出氣流209,該壓縮的空氣流209在熱交換器210中冷卻用冷卻水流252或者從下面說明的發電裝置250的鍋爐供水。用於冷卻該壓縮空氣流的水流從熱交換器排出,形成水流254,並輸送到鍋爐或者發電裝置的補熱蒸汽發生器(未示出)。冷卻壓縮空氣的排出氣流211進入ASU212的入口,使得空氣成分被分離成主要氮氣流213和主要氧氣流214,這些氣流從ASU排出。主氧氣流部分214分流出氣流218,輸送到再加熱器222,以便向燃氣輪機膨脹器輸送驅動氣體,如下所述。
在發電裝置(總的用虛線250示出)中,蒸汽從高壓蒸汽輪機251的排出口抽出,該高壓蒸汽輪機構成發電的蘭金蒸汽循環的一部分。為簡便起見,在圖3的發電裝置中,僅示出蒸汽輪機251。高壓蒸汽流260從發電裝置的鍋爐或者補熱蒸汽發生器輸送到高壓蒸汽輪機251的入口。而氣流262從高壓蒸汽輪機的主要出口排到發電裝置的冷凝器,該高壓蒸汽輪機產生裝置用的電力。另外,蒸汽流256從高壓蒸汽輪機251的至少一個排出口排出,並輸送到再加熱器222。可選擇從高壓蒸汽輪機排出蒸汽的位置,使得送到再加熱器的蒸汽壓力與再加熱器的操作壓力相同或者相似。碳氫化合物燃料氣流219還隨氧氣流218一起進入再加熱器,該氧氣流是從ASU排出的主要氧氣流214分流出來的。由於碳氫化合物燃料和氧氣之間發生燃燒反應,該氣流在再加熱器中被加熱,主要包含二氧化碳和蒸汽的氣流236從再加熱器排出,並在要求的壓力和溫度下輸送到燃氣輪機膨脹器206。利用直接來自再加熱的氣流236,該燃氣輪機膨脹器將通過轉軸207驅動空氣壓縮機。從膨脹器206排出的排出氣流238輸送到低壓蒸汽輪機240,該蒸汽輪機驅動連接於膨脹器轉軸207的轉軸242。
低壓蒸汽輪機排出氣流246,該氣流包括輸送到冷凝器248的蒸汽和二氧化碳。該冷凝器利用輸送的冷卻水247使水從二氧化碳中分離出來。該二氧化碳氣流249從冷凝器排出,作為產品輸送到其它系統,或者輸送到儲存裝置,或者輸送到以要求的方式利用的裝置。主要包括水的冷凝物匯成水流258從冷凝器排出,然後回到發電裝置的冷卻系統。
因此系統200利用從發電裝置蒸汽輪機排出的蒸汽來產生一部分操作ASU所需的動力,同時也可利用ASU產生的一部分氧製品來產生ASU所用的電力。另外,可以將用來冷卻熱交換器中壓縮空氣的水流輸送到發電裝置的渦輪或者補熱蒸汽裝置,由此可以回收熱量,用於發電裝置。雖然未示出,但是系統200還可以通過將一個或多個發電機組合在系統中進行發電,其方式基本上類似於圖1和圖2所示的上述系統的方式。和前面系統的情況一樣,和常規的ASU系統例如上述系統相比,系統200還需要較小的能量來生產ASU的產品。
雖然已經說明這種新穎的組合的空氣分離氧助發電系統和相應的方法,但是應當清楚,按照本發明的說明,技術人員可以提出其它的改型和改變。因此應當明白,所有這些改型和改變應當屬於由附屬權利要求書所確定的本發明的範圍。
權利要求
1.一種組合的空氣分離和發電系統,包括燃氣輪機單元,包括空氣壓縮機、連接於該空氣壓縮機的燃氣輪機膨脹器和燃燒單元,該燃燒單元位於該膨脹器的上遊,用於向該膨脹器輸送驅動氣體;空氣分離單元,該單元接收空氣壓縮機的壓縮空氣,並產生至少兩種產品氣流,該產品氣流主要包括氧氣,由該空氣分離單元產生的一部分氧氣流輸送到燃燒單元;第二氣輪機,連接於空氣壓縮機,位於膨脹器的下遊,用於接收從該膨脹器排出的驅動氣體;其中,當驅動氣體流過該膨脹器和第二氣輪機時,該膨脹器和第二氣輪機驅動空氣壓縮機。
2.如權利要求1所述的系統,其特徵在於,還包括第三氣輪機,連接於空氣壓縮機,用於在驅動氣體流過該第三氣輪機時驅動空氣壓縮機;其中,該燃燒單元位於第三氣輪機的下遊,接收從第三氣輪機排出的驅動氣體。
3.如權利要求2所述的系統,其特徵在於,還包括第二燃燒單元,直接配置在第三氣輪機的上遊,向第三氣輪機輸送驅動氣體。
4.如權利要求3所述的系統,其特徵在於,還包括熱交換器,配置在空氣壓縮機的下遊和空氣分離單元的上遊,用於接收和冷卻從空氣壓縮機排出的壓縮空氣,然後再將該壓縮空氣輸送到該空氣分離單元;其中,包含水的冷卻流輸入到熱交換器,以便冷卻壓縮空氣,包含水和蒸汽中至少一種的排出流,從熱交換器輸送到第二燃燒單元。
5.如權利要求4所述的系統,其特徵在於,第二燃燒單元產生燃燒產品,該燃燒產品包括輸送到第三氣輪機的二氧化碳和蒸汽。
6.如權利要求5所述的系統,其特徵在於,由空氣分離單元生產的第二部分氧氣流,輸送到第二燃燒單元。
7.如權利要求5所述的系統,其特徵在於,控制從熱交換器輸送到第二燃燒單元排出氣流的流量,以便在第三氣輪機的入口達到預定的供氣溫度。
8.如權利要求4所述的系統,其特徵在於,上述第二燃燒單元包括鍋爐,該鍋爐接收從熱交換器排出的排放氣流,並加熱該排放氣流,產生包含蒸汽的具有預定溫度和壓力的輸送到第三氣輪機的氣流。
9.如權利要求4所述的系統,其特徵在於,使排出第二氣輪機的排出氣流再循環,由此得到輸入到熱交換器的冷卻氣流。
10.如權利要求9所述的系統,其特徵在於,從第二氣輪機排出的氣流包含蒸汽和二氧化碳,該系統還包括冷凝器,位於第二氣輪機的下遊和熱交換器的上遊,其特徵在於,分離器接收從第二氣輪機排出的氣流,並使該排出的氣流分離成產品氣流,該產品氣流包括二氧化碳和輸送到熱交換器的冷卻氣流。
11.如權利要求2所述的系統,其特徵在於,第二氣輪機的操作壓力不大於約1.5巴(絕對)的壓力,第三氣輪機的壓力至少約為15巴(絕對)的壓力。
12.如權利要求2所述的系統,其特徵在於,可以控制系統的操作狀態,使第三氣輪機的入口溫度約為400~600℃,第三氣輪機的入口壓力約為50~150巴(絕對),而第三氣輪機的出口壓力約為10~30巴(絕對)。
13.如權利要求2所述的系統,其特徵在於,可控制系統的操作狀態,使得膨脹器的入口溫度約為800~1400℃,膨脹器的入口壓力約為10~30巴(絕對),而膨脹器的出口壓力約為1巴(絕對)。
14.如權利要求2所述的系統,其特徵在於,可以控制系統的操作狀態,使得第二氣輪機的入口溫度約為300~700℃,第二氣輪機的入口壓力約為1巴(絕對),而第二氣輪機的出口壓力約為0.05~0.30巴(絕對)。
15.如權利要求2所述的系統,其特徵在於,還包括發電機,連接於第二氣輪機,其特徵在於,當驅動氣體流過第二氣輪機時,該第二氣輪機除驅動空氣壓縮機外,還驅動發電機。
16.如權利要求2所述的系統,其特徵在於,該空氣分離單元還包括主要由氮氣構成的高壓氣流,該系統還包括熱交換器,用於將高壓氮氣流的溫度升高到約400~1400℃之間的溫度;氮氣氣輪機,配置成可以接收至少一部分從熱交換器排出的高溫高壓氮氣流;其中,當高壓氮氣流流過氮氣氣輪機時,該氮氣氣輪機驅動空氣壓縮機和連接於氮氣氣輪機的發電機中的至少一個裝置。
17.如權利要求1所述的系統,其特徵在於,還包括第三氣輪機與發電裝置串聯,接收發電裝置排出的驅動氣體,並產生該裝置所用電力,第三氣輪機包括至少一個取出口,該取出口將至少一部分輸入到第三氣輪機的其壓力基本上類似於燃燒單元操作壓力的驅動氣體輸送到燃燒單元。
18.一種組合的空氣分離和發電系統,包括空氣分離單元,該單元接收壓縮空氣,並生產主要包含氧氣流的至少兩種產品氣流;空氣壓縮機,位於空氣分離單元的上遊,向該空氣分離單元輸送壓縮空氣;多個氣輪機,連接於空氣壓縮機,以便在驅動氣體流過這些氣輪機時驅動該空氣壓縮機;至少一個將驅動氣體輸送到至少一個氣輪機的燃燒單元;其中,由空氣生產的部分氧氣流輸送到該至少一個燃燒單元。
19.如權利要求18所述的系統,其特徵在於,還包括熱交換器,串聯在空氣壓縮機和空氣分離單元之間,用於接收和冷卻從空氣壓縮機排出的壓縮空氣,然後該壓縮空氣輸送到空氣分離單元,熱交換器還利用冷卻水流來冷卻壓縮空氣;其中,將熱交換器排出的冷卻氣流輸送到至少一個燃燒單元,以便控制輸送到該至少一個氣輪機的驅動氣體溫度。
20.一種通過組合發電系統向空氣分離單元提供動力的方法,該組合發電系統包括第一氣輪機、第二氣輪機、空氣壓縮機和燃燒單元,其中,第一和第二氣輪機連接於空氣壓縮機,該方法包括使氧氣與碳氫化合物燃料在燃燒單元中發生反應,產生第一氣輪機的驅動氣體;將該驅動氣體從燃燒單元直接輸送到第一氣輪機,然後輸送到第二氣輪機,使得空氣壓縮機被驅動;由於空氣壓縮機由第一和第二氣輪機驅動,所以可以利用空氣壓縮機產生壓縮空氣流;將該壓縮空氣流從空氣壓縮機輸送到空氣分離單元;在該空氣分離單元中分離該空氣流,生產出至少兩種產品氣流,該產品氣流包括主要的氧氣氣流;以及將一部分由空氣分離單元產生的氧氣流輸送到燃燒單元。
21.如權利要求20所述的方法,其特徵在於,該系統還包括連接於空氣壓縮機的第三氣輪機,以便在驅動氣體流過第三氣輪機時進一步驅動該空氣壓縮機,該方法還包括將第三氣輪機排出的驅動氣流輸送到燃燒單元。
22.如權利要求21所述的方法,其特徵在於,該系統還包括第二燃燒單元,該方法還包括在第二燃燒單元中產生第三氣輪機的驅動氣體;將第二燃燒單元的驅動氣體輸送到第三氣輪機。
23.如權利要求22所述的方法,其特徵在於,該系統還包括位於空氣壓縮機下遊和空氣分離單元上遊的熱交換器,該方法還包括將空氣壓縮機的壓縮空氣輸送到熱交換器;用冷卻水流冷卻輸送到熱交換器的壓縮空氣;將熱交換器排出的壓縮空氣輸送到空氣分離單元;將熱交換器排出的冷卻流輸送到第二燃燒單元,其中,從空氣壓縮單元排出的冷卻流包含水和蒸汽中的至少一種流體。
24.如權利要求23所述的方法,其特徵在於,輸送到第三氣輪機的驅動氣體,包括蒸汽和二氧化碳,該方法還包括將空氣分離單元生產的氧氣流的第二部分輸送到第二燃燒單元。
25.如權利要求24所述的方法,其特徵在於,還包括控制從熱交換器排放到第二燃燒單元的冷卻流流量,以便使預定溫度的驅動氣體輸送到第三氣輪機。
26.如權利要求23所述的方法,其特徵在於,該第二燃燒單元包括鍋爐,該方法還包括在鍋爐中加熱從熱交換器排出的冷卻流,以便產生溫度和壓力預定的作為驅動氣體輸送到第三氣輪機的蒸汽。
27.如權利要求23所述的方法,其特徵在於,該系統還包括在第二氣輪機緊下遊的冷凝器,從第二燃氣輪機排出的氣體包括蒸汽和二氧化碳,該方法還包括將第二氣輪機的排出氣體送到該冷凝器;將排出氣體分離成產物氣流,該產物氣流包括二氧化碳和再循環到熱交換器的冷卻流。
28.如權利要求21所述的方法,其特徵在於,第二氣輪機的操作壓力不超過約1.5巴(絕對),而第三氣輪機的操作壓力至少約為15巴(絕對)。
29.如權利要求21所述的方法,其特徵在於,還包括控制作業系統的狀態,使得第三氣輪機的入口溫度約為400~600℃,第三氣輪機的入口壓力約為50~150巴(絕對),而第三氣輪機的出口壓力約為10~30巴(絕對)。
30.如權利要求21所述的方法,其特徵在於,還包括控制系統的操作狀態,使得第一氣輪機的入口溫度約為800~1400℃,第一氣輪機的入口壓力約為10~30巴(絕對),而第一氣輪機的出口壓力約為1巴(絕對)。
31.如權利要求21所述的方法,其特徵在於,還包括控制系統的操作狀態,使得第二氣輪機的入口溫度約為300~700℃,第二氣輪機的入口壓力約為1巴(絕對),而第二氣輪機的出口壓力約為0.05~0.30巴(絕對)。
32.如權利要求21所述的方法,其特徵在於,該第二氣輪機還連接於發電機,該方法還包括當驅動氣體流過第二氣輪機時,用第二氣輪機驅動發電機,進行發電。
33.如權利要求21所述的方法,其特徵在於,還包括用空氣分離單元生產主要由氮氣構成的高壓氣流;使該高壓氮氣流流過熱交換器,加熱該高壓氮氣流;將加熱的高壓氮氣流輸送到氮氣氣輪機,以便驅動空氣壓縮機和發電機中至少一種裝置,該發電機連接於氮氣氣輪機進行發電。
34.如權利要求20所述的方法,其特徵在於,該系統可以與包含第三氣輪機的發電裝置連用,該方法還包括將發電裝置排出的驅動氣體輸送到第三氣輪機,從而生產該裝置所用電力;在第三氣輪機中,從至少一個抽出口抽出一部分驅動氣體,該驅動氣體的預定壓力基本上與燃燒單元的操作壓力相同;將從第三氣輪機抽出的驅動氣體輸送到燃燒單元,以形成一部分輸送到第一氣輪機的驅動氣體。
全文摘要
組合的空氣分離和氧助發電系統包括空氣分離單元(12)和燃氣輪機(6),該燃氣輪機(6)包括空氣壓縮機(4),以便向空氣分離單元(12)提供壓縮空氣。該系統還包括燃氣輪機膨脹器(6)和至少一個額外的驅動空氣壓縮機(4)的氣輪機(40),而且還包括至少一個用於向膨脹器(6)提供驅動氣體的燃燒單元(22)和額外的氣輪機。由空氣分離單元(12)產生的一部分氧氣輸送到該燃燒器(22),以便產生由膨脹器和額外氣輪機所用的驅動氣體,例如利用燃燒器的循環水或者蒸汽控制氣輪機的入口溫度。
文檔編號F01K21/04GK1630769SQ03803582
公開日2005年6月22日 申請日期2003年2月10日 優先權日2002年2月11日
發明者彼得羅·迪贊諾, 弗雷德裡克·菲耶, 斯科特·麥克亞當, 奧維迪烏·馬林 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監督和管理委員會的有限公司

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