专利名称：具有二氧化碳隔离的发电系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及发电(power generation)和二氧化石灰的有效回 收。更具体地，本发明涉及燃气轮机废气压缩和再循环与二氧化碳 分离和再回收的集成。
背景技术：
由于在燃烧过程中，碳转化为二氧化碳((302)，燃烧诸如化石燃 料的含碳燃料的发电系统产生(:02作为副产物。从利用化石燃料的 发电厂(power plant)排放C02日益受动国家条例和国际条约的制裁， 例如京都议定书和欧盟排放交易机制。随着CC^排放成本的增加， 对于经济发电而言降低<:02的排放很重要。由于废气的低C02含量 和低(环境)压力，从发电系统，例如从燃气轮机的废气中除去或回收 二氧化碳(CO》通常是不经济的。因此，包含co2的废气通常会释放 到大气中，而不是隔离地释放到海洋、矿山、油井、地质盐田贮藏 处等。
燃气轮机装置运转布雷顿循环。它们使用压缩机压缩燃烧室上 游的入口空气。于是引入和点燃了燃料以便产生经由涡轮机部分进 入和膨胀的高温高压气体。涡轮机部分向发电机和压缩机供给动力。 燃气轮机也能够燃烧从原油至天然气的宽范围的液态燃料和气态燃 料。
目前具有三种大体上公认的用来降低从该种发电站排放的co2
的方法。第一种方法是在和空气燃烧后从废气中收集(302，其中，在
燃烧中产生的C02通过吸收处理、薄膜、隔膜、低温处理或其结合
等以便从废气中除去。该方法， 一般称为燃烧后收集，通常致力于
降低从发电站的大气废气中排放的C02。第二种方法包括降低燃料的
碳含量。在该方法中，燃料在燃烧之前首先转化成H2和CCV因此，
在进入燃气轮机之前有可能收集到燃料的碳含量。第三种方法包括
氧燃料(oxy-fbel)处理。在该方法中，纯氧相对于空气用作氧化剂， 从而产生了由二氧化碳和水组成的废气。
燃烧后C02收集处理的主要缺点在于C02分压力由于废气中的 C02浓度低(通常占发电厂所燃烧天然气体积的3-4%)而非常低，因 此需要大的昂贵的装置以便除去C02。尽管通风管处的C02浓度及 其分压力可以通过废气的部分再循环到燃气轮机的压缩机而提高， 但其仍保持相当地低(占大约6-10%的体积)。低的CC^分压力和大 的气体体积以燃烧后收集的方式预示着除开非常大型及昂贵设备外 相对于co2的除去会导致非常高的能量成本。这些因素都较大地提 供了发电成本。因此需要一种技术，其提供了经济地再回收从依赖 于含碳燃料的发电系统(例如，燃气轮机)中排出的C02。
发明内容
在一个方面， 一种发电系统包括第一涡轮机系统。第一涡轮4几 系统包括第一压缩机区段，该第一压缩机区段包括至少两个级。该 两个级包括流体连接到第一高压压缩机的第一低压压缩机，该第一 高压压缩机构造成供给第一部分的氧化剂和第二部分的氧化剂。第 一燃烧室构造成燃烧所述第一部分的压缩氧化剂和含碳基燃料的第 一燃料流并产生第一热烟道气(flue gas)。第一涡轮机系统还包括第一 膨胀器区段，该笫一膨胀器区段具有用于接收所述第一热烟道气的 入口并且产生富含(302的第一膨胀废气。第一高压膨胀器流体连接 到构造成产生第一废气和电能的第一低压膨胀器。co2分离系统流体 连接到高压膨胀器以便从所述第一高压膨胀器接收所述第一膨胀废 气并且提供随后进给到所述第一低压膨胀器的C02贫气(lean gas)。 发电系统还包括第二涡轮机系统，该第二涡轮机系统包括第二压缩
机区段，该第二压缩机区段包含至少两个级。该两个级包括流体连 接到第二高压压缩机的第二低压压缩机，其中，所述高压压缩机构 造成接收所述第二部分的压缩氧化剂。第二燃烧室构造成燃烧含碳 基燃料的第二燃料流并且产生第二热烟道气，而第二膨胀器区段构 造成接收所述第二热烟道气并且产生第二最终废气和电能。第二压 缩机区段构造成接收含二氧化碳的所述第二最终废气并且将再循环 流从所述第二高压压缩机排出到所述第二燃烧室以及将分流从所述 第二低压压缩机排出到所述第 一 高压压缩机。
在另一方面， 一种发电系统包括第一涡轮冲几系统。该第一渴轮 机系统包括第 一压缩机区段，该第 一压缩机区段包括至少两个级。 该两个级包括流体连接到第一高压压缩机的第一低压压缩机，该第 一低压压缩机构造成供给第一部分的压缩氧化剂，而高压压缩机构 造成供给第一压缩混合流。第一燃烧室构造成燃烧含碳基燃料的第 一燃料流和第一压缩混合气体并产生第一热烟道气。该第一涡轮机 系统还包括包含至少两个级的第 一膨胀器区段，该第 一膨胀器区段 具有用于接收第一热烟道气的入口 。该两个级包括第一高压膨胀器， 该第一高压膨胀器流体连接到构造成产生第一最终废气和电能的第 一低压膨胀器。该发电系统还包括具有第二压缩机区段的第二涡轮 机系统，该第二压缩机区段包括至少两个级。该两个级包括流体连 接到第二高压压缩机的第二低压压缩机，其中，低压压缩机构造成 产生分流而高压压缩机构造成产生第二混合流。第二燃烧室构造成 燃烧第二混合流和含碳基燃料的第二燃料流并且产生第二热烟道 气。第二膨胀器区段构造成接收第二热烟道气并且产生第二最终废 气和电能。该发电系统还包括流体连接到该第 一压缩机区^殳和该第
二压缩才几区^:的(302分离系统。该C02分,系统构造成接收分流并 产生CC^贫流。该第二压缩机区段构造成接收含二氧化碳的第二最 终废气以及将第二混合流从高压压缩机排出到第二燃烧室。
在又一方面， 一种用于发电的方法包括在压缩机区段内压缩氧 化剂以便产生第 一 部分的压缩氧化剂和第二部分的压缩氧化剂，以 及燃烧第一燃料和该第一部分的压缩氧化剂以便产生热烟道气。该 方法还包括在膨胀器区段膨胀该热烟道气并产生电能，其中，该膨 胀器区段构造成接收包括至少两个级的热烟道气。该两个级包括高 压膨胀器，该高压膨胀器构造成产生富含C02的第一膨胀废气。该 高压膨胀器流体连接到构造成产生第一最终废气和电能的低压膨胀
器。该方法还包括在C02分离器内从第一膨胀废气中分离(302并且
将co2贫气引入到低压膨胀器，以及在压缩机区段中压缩第二部分
的压缩氧化剂。该压缩才几区段包括至少两个级。该两个级包括流体 连接到第二高压压缩机的第二低压压缩机，其中，该高压压缩机构 造成接收第二部分的压缩氧化剂。该方法还包括燃烧第二燃料流和
含碳基燃料的再循环流并产生第二热烟道气；以及膨胀该第二热烟 道气并产生第二最终废气和电能。该第二压缩机区段构造成接收含 二氧化碳的第二最终废气和从第二高压压缩机中排出再循环流以及 将分流从第二低压压缩机排出到第 一 高压压缩机。
参照附图阅读以下的详细描述，将更好地理解本发明的这些和
其它特征、方面以及优点，在所有附图中，相同的符号代表同样的 部件，其中
图1为根据本发明某些实施例包括两个涡轮机系统的示范性发 电系统的示意图2为根据本发明某些实施例包括两个涡轮机系统的另一示范 性发电系统的示意图3为根据本发明某些实施例包括两个涡轮机系统的又一示范 性发电系统的示意图；和
图4为根据本发明某些实施例包括两个涡轮机系统的另一发电 系统的示意图。
具体实施例方式
本公开内容提供了 一种在利用燃气轮机发电的发电厂内在高压
时分离C02以便降低C02排放的处理。co2在经过燃气轮机的膨胀 通路或压缩通路的中途从富含(:02的烟道气中被除去。随着032的
浓度和分压力的提高，观察到较低的能量损失以便除去co2。
本发明的 一个实施例提供了在发电系统中运行的两种或多种示 范性的燃气轮机系统，该涡轮机系统在经过压缩通路的中途相互连 接并共享共有的压缩氧化剂供给。结果，燃气轮机的连接导致了处
理中C02浓度的提高，这有利于(302的分离处理。在一个示例中，
第 一 涡轮机系统中的压缩机将氧化剂(通过导管)供给到第 一 涡轮机系 统中的燃烧室内以及第二涡轮机系统中的燃烧室内。如下文所论述 的那样，这可以用来从一个或多个燃气轮机的废气中提高第二涡轮
机系统中再循环流的<:02浓度。回收的C02可作为产品进行销售、
可用来增强油回收或者就地例如作为其它处理的原料消费。此外，co2 的该种回收降低了从发电系统排放到环境中的co2f。
现在参照图1，其示出了具有燃气轮机系统11的示范性发电系
统10。燃气轮机系统11通常包括第一压缩机区段12,该第一压缩 机区段12典型地包括至少两个级。在该示范性实施例中，如图l所 示，第一压缩机区段12包括流体连接到第一高压压缩机16的第一 低压压缩机14,该第一高压压缩机16构造成供给第一部分的压缩氧 化剂34和第二部分的压缩氧化剂36。第一涡轮机系统11还包括第 一燃烧室22、第一膨胀器区段18和发电机50,该第一膨胀器区段18 用于供给驱动压缩机14和压缩机16所需的能量。第一燃烧室22构 造成燃烧第一部分的压缩氧化剂34和包括碳基燃料的第一燃料流26 并产生第一热烟道气31。
第一膨胀器区段18具有用于接收第一热烟道气31的入口且构 造成具有至少两个级。该两个级包括第一高压膨胀器20，该第一高 压膨胀器20构造成产生富含(302的第一膨胀废气38。第一高压膨胀
器20流体连接到第一低压膨胀器22,该第一低压膨胀器22构造成 产生第一最终废气52和电能。
第 一涡轮机系统11还包括C02分离系统28 ，该C02分离系统28 流体连接到第一高压膨胀器20以便从第一高压膨胀器20中接收第 一膨胀废气38，并且该C02分离系统28用于向第一低压膨胀器22 提供032贫气48。
发电系统10还包括第二涡轮机系统62，该第二涡轮机系统62 包括构造成具有至少两个级的第二压缩机区段64。该两个级包括流 体连接到第二高压压缩机70的第二低压压缩机68。第二高压压缩才几 70构造成接收第二部分的压缩氧化剂36并产生再循环流71。第二 燃烧室72构造成燃烧第二燃料流82和包含碳基燃料的再循环流71 并产生第二热烟道气73。
第二膨胀器区段66构造成接收第二热烟道气73。第二膨胀器区 段66典型地具有包括第二高压膨胀器74的至少两个级，该第二高 压膨胀器74构造成产生第二膨胀废气75。第二高压膨胀器74流体 连接到第二低压膨胀器76，该第二低压膨胀器76构造成产生第二最 终废气88和经由发电机86产生电能。在一些实施例中，该第二膨 胀器区段66包括单一级。
第二压缩机区段64构造成接收含二氧化碳的第二最终废气88 并从高压压缩机70向第二燃烧室72提供再循环流71以及从低压压 缩机68向第一高压压缩机的入口提供分流84。
如图1的实施例所示，(302分离系统28有利地包括了热交换器 40和032分离器44。 (302分离器44可采用本领域公知的各种技术， 包括但不限于变压吸附、化学吸收和薄膜分离等。为了从第一膨胀 废气流38中分离出C02，将第一膨胀废气38引入到热交换器40中 以便降低温度并产生冷却的第一膨胀废气42。冷却的第一膨胀废气 42被引入到(302分离器中以便产生 <:〇2富流110和CO2贫流46。CO2 贫流46还包括一氧化碳(CO)、氮气(N2)以及未反应的燃料。(:〇2贫
流46被引入到热交换器40中以便回收第一膨胀废气38的热量或从 第一膨胀废气38中回收热量并产生加热的(:02贫流48。 0)2贫流48 被引入到低压膨胀器22中以便进一步膨胀并产生电能。
变压吸附(PSA)可用来从气体混合物中分离出二氧化碳。在PSA 技术中，在高的分压力下，固体分子筛可比吸附其它气体更强地吸 附二氧化碳。结果，在高压下，当该混合物经过吸附床时，从气体 混合物中除去二氧化碳。床的再生通过减压和冲洗完成。通常对于 临界操作，使用多个吸附容器来连续分离二氧化碳，其中，使用一 个吸附床同时再生其它的吸附床。
薄膜分离技术也可用于从气体流中分离出二氧化碳。薄膜处理 通常比吸收处理具有更高的能效并易于操作。用于高温二氧化碳分 离的薄膜包括沸石膜和陶瓷薄膜，它们对C02具有选择性。通常薄 膜分离器在较高压力下更有效地运行，并且通过高压膨胀器出口处 的高压有助于使用薄膜分离器从冷却的第一废气流38中分离出二氧 化碳。分离C02可获得的较高压力也减小了 (302分离器44的尺寸， 由此增强了 CC^分离处理的可行性和经济性。当使用高温薄膜分离 032时进一步增强了发电和分离C02的总效率。
另一种用于从第一膨胀废气38中分离0)2的技术可包括但不限 于使用胺化学吸收C02。第一膨胀废气38可冷却到适当的温度以便 使用胺化学吸收二氧化碳。该技术基于烷醇胺(alkanol amine)或其它 溶剂，该其它溶剂能够在相对低的温度下吸收二氧化碳，且容易通 过升高富溶剂的温度而再生。在富溶剂的再生后获得二氧化碳富流 110。该技术中所用的溶剂例如可包括三乙醇胺、 一乙醇胺、二乙醇 胺、二异丙醇胺、二甘醇胺和曱基二乙醇胺。另一种分离032的技 术可为物理吸附。值得注意的是，上述所有的(302分离技术或它们 的组合都可用来有利地分离C02。
C02分离系统28中的热交换器40通常为处理两种气态流即第一 膨胀废气流38和C02贫流46的气-气热交换器。随着在C02分离
器44中从第一膨胀废气流38中对C02的分离，第一膨胀废气流38 的体积高于排出(302分离器44的032贫流46的体积。因此在热交 换器40内自第一膨胀废气流38中释放的热量可不充分地用于加热 C02贫流46,而该余热可当使用化学吸收处理时用于在(302分离器 中再生溶剂。在一些实施例中，CC^分离系统还包括除水系统以便从 第一膨胀废气38中除去水分，由此进一步减小C02贫流46的体积。 因此通过包括除水单元，提高了溶剂再生可获得的余热。由于有效 利用了来自热交换器40的余热，提高了发电系统10的总效率。
在一些实施例中，在运行期间，氧化剂24在第一低压压缩机14 中被压缩到大约2巴至大约10巴并在第一中间冷却器17中冷却。 压缩时中间冷却的基本原理包括部分地压缩气体然后在执行最终压 缩到所需压力之前对其冷却，例如在高压压缩机16中。这样，降低 了压缩功从而提高了循环处理的功率输出。由于现有的航改式 (aeroderivative style)燃气轮机包括设置在压缩级中间的中间冷却器， 所以在涡轮机设计中将中间冷却器结合到该系统中不需要进一步的 改变。同样地，第二中间冷却器104设置在第二低压压缩机68和第 二高压压缩冲几70之间以<更冷却已压缩的第二最终废气102。
第一涡轮机系统11还包括第一热回收蒸汽发生器(以下称为 HRSG)54。第一 HRSG 54构造成使用来自第 一膨胀器区段18的第一 最终废气52的热量以便产生第一部分的蒸汽56和冷却的第一最终 废气60。由于(302分离系统28构造成分离在第一燃烧室22中产生 的热烟道气31的C02含量，在C02分离器中的高C02分离率下，释 放到大气中的已冷却的最终废气60基本上不含C02。在第一 HRSG 54 中产生的该第一部分的蒸汽56基本上如图1所示在蒸汽循环中使 用。同样地，第二涡轮机系统62通常包括第二热回收蒸汽发生器(以 下称为HRSG)90。在第二涡轮机系统62中产生的第二最终废气流88 可被引入到第二HRSG90中。在该实施例中，第二HRSG90大体上 为闭环HRSG，其中，通常没有流排;改到大气中。第二最终废气流88
的热量可通过水流94进行回收以便生成第二部分的蒸汽92。在第一 HRSG 54中产生的第一部分的蒸汽56和在第二 HRSG 90中产生的 第二部分的蒸汽92可在流涡轮机(未示出)中使用以便生成电能。代 之以所示的HRSG,备选地可采用其它的底置(bottoming)热回收方 法。
在本文所述发电系统的各种实施例中，氧化剂为环境空气。应 当理解，来自第一压缩机区段12的已压缩氧化剂可包括任何其它适 当的含氧气体，例如富氧空气、少氧空气和/或纯氧。
第一燃料流26和第二燃料流82可包括任何适当的烃气体或液 体，例如天然气、曱烷、石脑油、丁烷、丙烷、合成气、柴油、煤 油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化的烃原料及其混合物 等。在一个实施例中，燃料主要为天然气(NG)，因此，来自第一燃 烧室22的第一热烟道气31和来自第二燃烧室72的第二热烟道气73 可包括水、C02、 N2、未燃烧燃料以及其它化合物。
来自第二 HRSG 90的已冷却的第二最终废气流96通常被引入到 废气冷却器或水分分离器98中，以便分离在第二燃烧室72中的燃 烧处理中所形成的水。废气冷却器98可用来控制压缩机68的入口 状况，尤其是温度。来自水分分离器98的排出流100通常至少包括 C02和N2。排出流100通常在第二压缩机区段64中压缩以便产生压 缩流102。运行中，在启动后运行的初始阶段中，压缩流102中的C02 浓度不是大量的，因此全部的流102可作为再循环流71和第二部分 的压缩氧化剂36—起再循环返回到第二燃烧室72。该种再循环操作 通常会增加压缩流102中的C02浓度。当压缩流102中的C02浓度 达到所需水平时，分流84可被引入到第一高压压缩机16中。可使 用控制阀结构(未示出)以^f更有助于将分流84转移和引入到第一燃烧 室22中。例如，可将控制阀设置在承载分流的导管上，并且控制阀 的运行依赖于测量压缩流102中(:〇2浓度的在线仪器或传感器。通 过控制再循环流71和分流84提高了第二涡轮机系统中的C02浓度，
从而提高了离开第一燃烧室22的第一热烟道气31中的(302浓度。
在如图1所描述的该示范性实施例中，大量二氧化碳的隔离得
以完成。在大的C02分离器44中，自第一燃烧室22中产生的第一 最终废气52基本上不会含有二氧化碳，而排放到大气中的冷却的第 一最终废气流60通常不会释放与不具有032收集的类似技术相比而 大幅减少的二氧化碳量。在第二燃烧室72中产生的二氧化碳可浓缩 成再循环流71。分流84中的C02含量和在第一燃烧室22中产生的 C02 —起在C02分离系统28中被分离，而C02流110可根据二氧化 碳的需求而被封装或在商业市场上销售。(:02分离系统中产生的co2 富流UO在分配于其它使用之前可在压缩机112中压缩。
图2示出了另一示范性发电系统140，其中，两个涡轮机系统经 由处于压缩机区段中间的共有的中间冷却器而连接。示范性发电系 统140包括共有的中间冷却器146,该中间冷却器146流体连接到第 一压缩机区段12和第二压缩机区段64。来自第一低压压缩机14中 的压缩氧化剂流142与来自第二低压压缩机68中的分流148 —起混 合和引入到共有的中间冷却器146中。共有的中间冷却器146构造 成冷却压缩氧化剂142和分流148并产生引入到第一高压压缩才几16 中的第一混合流144和引入到第二高压压缩机70中的第二混合流 150。第一高压压缩机16产生引入到第一燃烧室22的第一压缩混合 流34,而第二高压压缩机70产生引入到第二燃烧室72的第二压缩 混合流或者再循环流71。在一些实施例中，自中间冷却器释放的热 量可用来驱动诸如胺汽提(amine stripping)的CC^分离处理或者诸如 有机兰金循环的其它热回收循环。
先前部分所描述的发电系统有利地使用了 co2分离系统的定位 以便有效地分离燃烧处理中产生的co2。如图l所示，(:〇2在燃烧后 被除去，或者更具体地讲，从以经过燃气轮机膨胀器中途的压力所 提取的废气中除去。由于用于分离的驱动力的提高以及设备尺寸和 成本的降低，从受压废气中除去C02是有利的。然而，废气的提取
压力越高，它的提取温度就会越高。由于材料的制约，根据流体38 的温度，对比燃烧器出口将温度降低到700摄氏度左右至100摄氏 度左右的C02分离系统28的设计是有利的。尽管直接在燃烧室22 之后的热烟道气流31中可获得的压力高于第一膨胀废气38的压力， 但在膨胀路径之间的中途(midway)定位(]02分离系统的权衡(trade off) 是热烟道气31的1300摄氏度左右的高温。在航改式(aeroderivative style)燃气轮机中，如图1所示，多个压缩和膨胀级导致了高压缩率。 因此，由于压缩机区段所产生的压力相当地高，所以在膨胀器区段 之间的中途内可获得的压力足够地高以便设计节约成本和高效的co2 分离系统。
前面部分所描述的发电系统还有利地连接了如图1至图2所示 的两个涡轮机系统。燃气轮机通过在低压压缩机之后提取工作流体 而连接，优选是在共有的中间冷却器(图2)或分离的中间冷却器(图1) 中被冷却之后。在现有的航改式燃气轮机中，已经存在经过压缩通 路的中途用于提取和重注入工作流体的端口 ，该端口可用来大大降 低涡轮机所需的改动以便如图1至图2所示结合该两个涡轮机系统
轮机系统因适中的流体温度而减小了效率损失和降低了对昂贵材料 的需求。
如图2所示，氧化剂和分流先于在高压压缩机内被连续压缩之 前进行混合从而促进了较好的混合处理。因此，避免了对额外的混 合装置的需求，该额外的混合装置通常设计成提升工作流体的温度 和成分的均匀性以及减小燃气轮机之间的流体交叉(cross-over)对压缩 机性能的影响。
图3示出了又一示范性发电系统，其中，(302分离系统设置在第 一涡轮机系统的压缩级和第二涡轮机系统的压缩级之间的中途。如 图3所示，(302分离系统162设置在第一压缩机区段12和第二压缩 机区段64的中间。(302分离系统162构造成接收来自第二中间冷却
器104的分流174以及产生(302贫流168和(:02富流176。来自第一 中间冷却器17的第一部分的氧化剂164与(:02贫流168混合并被引 入到第一高压压缩机16内以便产生第一压缩混合流34。来自第一中 间冷却器17的第二部分的氧化剂166与来自第二中间冷却器104的 第二分流106混合并被引入到第二高压压缩机70中以便产生第二混 合压缩流或者再循环流71。任选地，中间冷却器17和中间冷却器104 也可直接放置在相应的高压压缩机16和高压压缩才几70的入口前方。
<:02分离系统162包括(302分离器170以便产生C02富流176 和C02贫流168。自分流174中分离C02具有几个优点。在低压压缩 机68的出口处可获得的压力是足够的以便设计节约成本和高效的 CC^分离器。输送到CC^分离系统的分流174的体积相对较小。因此， 在经过压缩机区段的中途安装(:02分离系统162的资本成本与图1 至图2所示的(302分离系统相比需要较低的资本成本。此外，在将 新鲜的氧化剂流164和富含C02的第二分流106 —起混合之前，可 分别使用第一中间冷却器17和第二中间冷却器104对该两种流有利 地进行冷却。自中间冷却器排出的热量，例如蒸汽产品，可用来增 强热回收系统的效率或者用来驱动(302分离处理。第二中间冷却器 104还可用来将分流174冷却到(:02分离器44的运行温度。
图4示出了另一示范性发电系统200，其中，(302分离系统放置 在第一涡轮机系统的压缩级和第二涡轮机系统的压缩级之间的中 途。示范性发电系统200包括设置在(302分离系统162和第一压缩 才几区^殳12中间的共有的中间冷却器201。来自(:〇2分离系统162的 C02贫气206和来自第一低压压缩机14的压缩氧化剂流202 —起混 合并被引入到共有的中间冷却器201中。离开共有的中间冷却器201 的冷却混合流被分开，且第一混合流210被输送到第一高压压缩机16 而第二混合流208被输送到第二高压压缩机70。共有的中间冷却器 的使用降低了发电系统200的成本。
图1至图4所示出的各个实施例可进一步包括再加热燃烧器(未
示出)，该再加热燃烧器设置在第二高压膨胀器74和第二低压膨胀器
76之间。再加热燃烧器对于可能的既定压缩率有助于提高功率输出。 第二热烟道气73的温度在其经过第二高压膨胀器74的膨胀后降低。 由于一部分的第二膨胀气体75 ^皮输送到再加热燃烧器，来自再加热 燃烧器的输出流的温度因再加热燃烧器中的燃烧处理而升高。来自 再加热燃烧器的热的输出流被引入到低压膨胀器76中以便进一步膨 胀从而产生电能，并且由于再加热燃烧器的输出流内温度的升高， 提高了总功率输出。
前面段落内所描述的发电循环具有几个优点。C02分离系统有利 地设置在图1至图2所示的低压膨胀器和高压膨胀器之间。来自高 压膨胀器的第一膨胀废气与燃烧器出口相比通常将温度降低到例如 700摄氏度左右至1000摄氏度左右，但仍然具有一定压力，该压力 是足够的以便当使用薄膜分离器或PSA时在032分离器内提供高的 C02分离效率。由于第一膨胀废气处于大约2巴至大约30巴的高压 以及与燃烧器出口相比具有降低的温度，所以也降低了安装C02分 离系统的尺寸和资本成本。在此所描述的发电系统由于从燃烧室产 生的全部的032被引入到C02分离系统中而构造成实现大量C02的 隔离。在实施例中，在其中包括了两个涡轮机系统，第二涡轮机系 统的燃烧产物如上文所述以闭环形式再循环以便在被引入到第 一燃 烧室之前构建优化的C02浓度水平。因此从这样的发电系统释放到 大气中的废气基本上不含C02。
如图3所示(302分离系统定位在经过压缩通路的中途降低了早 先所述的(302分离系统的资本成本。该实施例中的CC^分离系统还 有利地利用了中间冷却器对分流冷却以便有效分离co2从而提高了 动力循环的总效率。
上文所述的发电系统可使用用于在经过压缩通路的中途提取和 再注入工作流体的航改式涡轮机的现有设计。这大大降低了重新设 计涡轮才儿系统的工作和成本。两个涡轮才几系统连4妄的效率和有效性
因在较低温度和压力时连接燃气轮机而提高，从而导致了材料成本 的降低。
通常，集成C02的分离和隔离的发电循环与不具有C02分离的 发电循环相比表现出在总循环效率上的实质性下降(处于大约10%个 点的范围)。但上文所述的发电系统在总循环效率上表现出少得多的
下降，这是由于以下原因将C02分离系统定位在经过膨胀部分的 中途，通过利用甚至是在高压膨胀器的出口处的相当高的压力从而 提高了 C02的分离效率，这有助于降低动力循环内使用C02收集的 效率损失。此外，再加热燃烧器的使用和利用在C02分离系统的气 -气交换器内产生的余热，进一步提高了循环效率。因此，结合有 具有上文所述的co2分离的发电系统的总能量损失远远小于具有co2 收集的传统的动力循环。
虽然此处仅仅说明和描述了本发明的一些特征，但本领域的技 术人员将可做出许多改进和变化。因此，应当理解，附加的权利要 求意图覆盖落入本发明的实质精神内的所有该种改进和变化。
权利要求
1.一种发电系统(10)，其包括第一涡轮机系统(11)，所述第一涡轮机系统(11)包括包括至少两个级的第一压缩机区段(12)，所述至少两个级包括流体连接到第一高压压缩机(16)上的第一低压压缩机(14)，所述第一高压压缩机(16)构造成供给第一部分的压缩氧化剂和第二部分的压缩氧化剂；第一燃烧室(22)，所述第一燃烧室(22)构造成燃烧所述第一部分的压缩氧化剂和含碳基燃料的第一燃料流并且产生第一热烟道气(31)；包含至少两个级的第一膨胀器区段(18)，所述第一膨胀器区段(18)具有用于接收所述第一热烟道气(31)的入口，所述至少两个级包括构造成产生富含二氧化碳的第一膨胀废气(38)的第一高压膨胀器(20)，所述第一高压膨胀器(20)流体连接到构造成产生第一废气(52)和电能的第一低压膨胀器(22)上；和二氧化碳分离系统(28)，所述二氧化碳分离系统(28)流体连接到所述高压膨胀器(20)上以便从所述第一高压膨胀器(20)接收所述第一膨胀废气(38)以及提供随后进给到所述第一低压膨胀器(22)的二氧化碳贫气(48)；以及第二涡轮机系统(62)，所述第二涡轮机系统(62)包括包括至少两个级的第二压缩机区段(64)，所述至少两个级包括流体连接到第二高压压缩机(70)上的第二低压压缩机(68)，其中，所述高压压缩机(70)构造成接收所述第二部分的压缩氧化剂；第二燃烧室(72)，所述第二燃烧室(72)构造成燃烧含碳基燃料的第二燃料流(82)并且产生第二热烟道气(73)；和第二膨胀器区段(66)，所述第二膨胀器区段(66)构造成接收所述第二热烟道气(73)并且产生第二最终废气(88)和电能；其中，所述第二压缩机区段(64)构造成接收含二氧化碳的所述第二最终废气(88)并且将再循环流(71)从所述第二高压压缩机(70)排出到所述第二燃烧室(72)以及将分流(84)从所述第二低压压缩机(68)排出到所述第一高压压缩机(16)。
2. 根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述二氧化 碳分离系统(28)包括热交换器(40)和二氧化碳分离器(44)，所述热交 换器(40)构造成从所述第一膨胀废气(38)中回收热量并产生冷却的第 一膨胀废气(42)，所述二氧化碳分离器(44)构造成接收所述冷却的二 氧化碳富流(42)并产生二氧化碳贫流(46)。
3. 根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述热交换 器(40)包括交叉交换器，所述交叉交换器构造成从所述第一膨胀废气 (38)中回收热量并与来自所述二氧化碳分离器(44)的所述二氧化^ 灰贫 流(46)交换。
4. 根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述二氧化 碳分离器(44)包括薄膜单元。
5. 根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述第一燃 料和所述第二燃料包括天然气。
6. 根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述系统还 包括第 一热回收蒸汽发生器(54)和第二热回收蒸汽发生器(90)，所述 第 一热回收蒸汽发生器(54)构造成从所述第 一最终废气(52)中回收热 量并产生第一部分的蒸汽(56)，所述第二热回收蒸汽发生器(90)构造 成从所述第二最终废气(88)中回收热量并产生第二部分的蒸汽(92)。
7. 根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述系统还 包括至少一个中间冷却器。
8. 根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述至少一 个中间冷却器包括共有的中间冷却器(M6)，所述共有的中间冷却器 (146)设置在所述第一压缩机区段和所述第二压缩机区段的中间并且 流体连接到所述第一低压压缩机和所述第二低压压缩机以及所述第 一高压压缩机和所述第二高压压缩机上。
9, 根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述至少一 个中间冷却器包括第一中间冷却器和第二中间冷却器，所述第一中 间冷却器设置在所述第一低压压缩机和所述第一高压压缩机之间， 所述第二中间冷却器设置在所述第二低压压缩机和所述第二高压压 缩才几之间。
10. 根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述第一 最终废气(52)基本上不含二氧化碳。
全文摘要
本发明公开一种具有二氧化碳隔离的发电系统和方法。该发电系统(10)包括第一涡轮机系统(11)和第二涡轮机系统(62)。第一涡轮机系统(11)包括具有至少两个级第一压缩机区段(12)、第一燃烧室(22)、具有至少两个级的第一膨胀器区段(18)和CO<sub>2</sub>分离系统(28)。第二涡轮机系统(62)包括包含至少两个级的第二压缩机区段(64)、第二燃烧室(72)和第二膨胀器区段(66)。第二压缩机区段(64)接收含二氧化碳的第二最终废气(88)并将再循环流(71)从第二高压压缩机(70)排出到第二燃烧室(72)以及将分流(84)从第二低压压缩机(68)排出到第一高压压缩机(70)。
文档编号F02C3/20GK101187338SQ20071016508
公开日2008年5月28日 申请日期2007年11月7日 优先权日2006年11月7日
发明者M·巴特莱特, M·芬肯拉思 申请人:通用电气公司