一种具有CO₂捕集和压缩功能的动力装置的制作方法

专利名称：一种具有CO₂捕集和压缩功能的动力装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有CO2捕集和压缩功能的动力装置以及它们的操作方法。
背景技术：
近年来日益显著的是，温室气体的产生导致了全球变暖，而进一步增加的温室气体生产会进一步加速全球变暖。由于CO2(二氧化碳)被认为是主要的温室气体，因此 CCS(碳的捕集和存储)被认为是一种潜在的主要方式用来减少温室气体向大气的排放，并用以控制全球变暖。在本申请中，CCS的定义为CO2的捕集，压缩，运输和存储的过程。捕集的定义为从碳基燃料的燃烧之后的烟道尾气中移除CO2、或者从燃烧前的碳处理中移除 CO2的过程。任何吸收剂的再生，吸收剂或者其他用于移除烟道气体或者燃料气体流中的 CO2的装置被认为是捕集工艺的一部分。已知有多种可能的方式用于动力装置中CO2的捕集。所讨论的用于CO2捕集的主要技术是所谓的预燃烧捕集，纯氧燃烧(oxyfiring)，化学链或化学循环(chemical looping)和后-燃烧捕集。预燃烧碳捕集包括在燃烧燃料前移除其全部或部分的碳含量。对于天然气，典型的方法是采用蒸汽进行重构，紧接着是转移反应而生成CO2和氢气。CO2可以从所获得的气体混合物中捕集并移除。氢气可以随后用来生成有用的能量。所述工艺亦可以被称为合成气体方法或者合成气方法。相同的方法可以用于煤或者任何化石燃料。首先，燃料被气化， 然后采用与天然气处理相同的方法处理。此类方法和IGCC(整体煤气化联合循环)的结合使用的申请是可预见的。纯氧燃烧(也可以称为氧燃料燃烧或者氧气燃烧)是一种在代替空气而采用的氧气和再循环CO2的混合气中燃烧煤或者其他化石燃料的技术。其产生浓缩的或集中的CO2 和蒸汽的烟道气体。由此，通过对水蒸气进行冷凝而简单地分离CO2,所述水蒸气是燃烧反应的第二产物。化学链包括使用金属氧化剂作为氧气载体，典型地是金属氧化剂，用于从燃烧的空气向燃料运输氧气。燃烧产物为CO2、还原后的金属氧化剂和蒸汽。在水蒸气冷凝后，CO2 蒸汽可以被压缩以供运输和存储。CCS技术是当前被认为最接近大规模工业化应用的技术，是一种与压缩、运输和储存相结合的后燃烧捕集的技术。在后燃烧捕集中，CO2从烟道气体中被移除。剩余的烟道气体被释放到大气中，而CO2被压缩以供运输和存储。存在多种已知的技术来移除烟道气体中的CO2，诸如吸收、吸附、膜分离和深度低温分离(cryogenic siiparation)。所有已知的用于CO2捕集和压缩的继续都需要相对大量的能量。存在着很多公开的出版物关于对不同工艺的优化，以及通过将这些工艺应用到动力装置中来减少功率消耗和效率损失。对于具有后燃烧捕集的CCS，CO2捕集和对CO2的压缩是主要的两种功率消耗，以供进一步处理如运输和存储。EP1688173给出了一种后燃烧捕集的例子，以及分别由CO2吸收和吸收液的再生所
4造成的功率输出损耗的减少的方法。这里提出了从动力装置的汽轮机的不同级中抽取蒸汽来用于吸收剂再生从而最小化汽轮机输出损失的方法。 相同的，W02007/073201建议使用压缩热量，所述热量由用于使吸收剂再生的对 CO2进行压缩而产生。 这些方法目的在于减少特定CO2捕集设备的功率需求，然而所提出的CO2捕集方法的使用总会导致动力设备容量或生产能力的显著地下降，即，所述装置能够输送给电网的最大功率。EP0537593描述了用以消减动力设备输出中CO2捕集所造成影响的首次尝试，其描述了一种运用吸收剂来从烟道气体中进行CO2捕集的动力装置，其中再生器在高功率需求的时段期间关闭，且其间，通过使用存储在吸收剂罐中的吸收剂，CO2捕集继续进行。 EP0537593描述了 CO2捕集设备的一个功率消耗装置的简单开/关模式。其在相对高成本下仅仅增加了非常小的操作灵活性。

发明内容
本发明的主要目的在于用来优化一种具有CO2捕集和压缩的动力装置的操作方法，和一种根据经优化的操作方法而设计进行操作的具有CO2捕集和压缩的动力装置。一个目的在于通过CO2捕集设备和压缩单元的可变操作方法，减少CCS (碳捕集和存储)对动力装置性能的影响。特别地，最小化了 CO2捕集和压缩对动力装置性能的影响，即，最大化了该装置可输送至电网的功率。此外，CO2捕集和压缩对平均的动力装置效率的影响也应当被降低。为此，提出了一种用于操作具有CO2捕集和压缩功能的动力装置的方法和一种用于实施所述方法的装置。本发明的实质是一种装置操作方法，其中CO2捕集系统的功率消耗被用于控制装置的净输出。在本发明的上下文中，CO2捕集系统被定义为整个CO2捕集单元加上压缩单元以及所有它们的辅助设备。进一步，例如在机械CO2压缩机驱动器中的电力消耗、机械功率消耗，和可以另外在汽轮机中转化为电能的流通蒸汽的消耗，被认为是捕集系统的功率消耗。该控制方法给予了除了现有对装置的控制之外的额外的可变通性或灵活性。由于采用本方法将CO2系统集成到动力装置中，所述装置的热负载可以在操作的有所延长的时段期间保持恒定。优选地，对于延长的时段期间，所述装置可运行在基本负载下。由于环境状况变化产生的热负载改变的影响在此处忽略不计。进一步，一种接近或者达到装置最优效率的操作可以被实现，且该装置的额定功率可显著增加。本发明大多数实施例可以在没有或者很少附加成本的情况下实现。所述装置的净输出可以被采用CO2捕集设备和压缩单元的间歇操作方法改变，或者在当CO2捕集设备和压缩单元以有所降低的功率的情况下被操作的方法所改变。为了控制CO2捕集和压缩所消耗的功率，可提出多种方法。在第一种方法中，CO2捕集和压缩设备或者其主要的功率消耗器件可以简单地在高功率需求期间关闭(如图1所示)。CO2分离，独立于所选择的技术，而被停止，且所述装置如传统装置那样运行而将CO2排放到烟道气体中。相应地，不需要带有寄生功率需求的 CO2压缩。
CO2捕集和压缩操作可以在优化的成本下执行，且操作遵循相关原则一旦CO2捕集和压缩的价格/收益大于额外的功率产生所带来的收益，则CO2捕集和压缩开始进行，反之亦然。进一步，只要所述规则和许可需要，则CO2捕集和压缩总会处于操作状态。除了简单的开/关模式，还提出了一种在高功率需求期间对CO2捕集设备和压缩进行降低定额值的、或者部分加载的操作。结果是，在此期间CO2的捕集率通常会降低。每吨CO2捕集和压缩的成本是所述捕集率的函数，所述捕集率是从烟道气体中捕集到的CO2占装置产生的总的CO2量的比率。每吨CO2捕集和压缩的最优或者最小成本经估算大致处于 70%至90%的捕集率范围内(如图4所示)。经估算，当捕集率高于大约90%时将导致成本的急剧增加，但是在该最小成本值时，则显示出与较低捕集率相对应的相对平滑曲线。因此，在低于设计值以下的捕集率情形中进行的操作将不会导致运行成本显著的增加。然而， 在峰值需求期间，CO2捕集和压缩的功率消耗的降低会导致利润的显著增加，因为在峰值需求要求期间电力的价格会显著的增加。可变的CO2捕集设备和压缩单元的操作方法同时也会增加具有CO2捕集和压缩功能的动力装置的额定功率和竞争性。这将允许较早地将还仅仅是试验装置工程的此类装置引入竞争的电力市场。下面，将采用CO2吸收的例子来讨论用于CO2捕集和压缩的可变操作。类似的方法可应用于CO2捕集的方法，其包括CO2吸收，吸收剂的再生和所捕集的CO2的压缩。操作理念采用的相同原则对于所有的CO2捕集方法来说都是适用的。CO2捕集和压缩工艺的操作，包括CO2吸收，吸收剂再生和所捕集CO2的压缩，因此其给出了三种主要的选择来增加装置操作的可变性或灵活性。它们可以被依次的实现或者同时实现。它们是1.在CO2压缩单元功率下降时关闭或者操作。2.在再生单元功率下降时关闭或者操作。3.在吸收单元功率下降时关闭或者操作。尽管第一种选择已经使得寄生功率消耗显著的减少，其将会导致仅在很短的时间内CO2释放到大气中，这样大量未压缩的CO2不能经济地被存储。对于所捕集CO2的安全处理而言，其可以例如与位于CO2吸收单元下游的烟道气体相混合并通过动力装置的烟囱而排放。进一步，可以通过第二种选择来实现显著地减少寄生功率消耗。再生通常通过吸收剂的“再沸腾”完成，其意味着为了释放所述CO2,通过蒸汽加热所述吸收剂。结果是该蒸汽不再适用于功率生成，一旦在峰值功率要求期间停止再生，那么剩余的蒸汽适用于功率生成。第三种选择，其中的吸收进程也被终止了，这导致辅助的功率消耗进一步减少。该功率消耗相对于在前两种选择中所实现的节约而言，是显著较小的。存在不同的方法用来实现组件的部分加载操作。例如，0)2压缩单元的质量流可以通过控制装置(如进口导流叶片)而降低。在压缩单元包括两条或者多条并联的压缩机系列的情况下，关闭至少一个压缩机显然会导致CO2压缩单元的功率消耗减小。在两条压缩机系列满负荷运行的情况下，关闭其中一条压缩机系列会使得电力消耗减少50%，但是同时意味着50%的CO2不能被压缩，且通常会被旁通到烟囱。备选地，所述吸收率可以降低。 这可以通过如下方式实现例如减少通过再生单元的吸收剂流动和旁通剩余流动而、并使
6两种流动在它们进入到再生单元前相混合。由于仅部分的流动流经吸收单元，则用于再生所需的蒸汽减少，且剩余的蒸汽可以被用于功率生成。再生和未再生的吸收剂相混合造成的结果是，所合成的混合物吸收CO2的能力下降，且较低百分比的CO2被从烟道气体中捕集， 以及在再生单元中较少的CO2被释放以供压缩。由于先捕集CO2然后将其旁通并不是十分经济，因此提出了一种在所有捕集系统组件中同时减少功耗的方法。在没有进一步测量的情况下，吸收过程本身的操作是没有意义的，因为吸收剂在常规布置中将会快速的饱和且不能再用于捕集co2。此处，本发明的又一实施例开始实施以进一步增加该装置及CO2捕集和压缩方法的可变性，且减少CO2的释放或者对CO2的释放没有影响为了使得CO2捕集不需要再生和 CO2压缩，提出了具有吸收剂存储功能的捕集工艺的操作。在该操作模式下，CO2被吸收剂捕集，吸收剂从吸收剂存储罐中取出而不经过再生，但是再回收到吸收剂罐中或者存储在用于饱和的吸收剂的罐中。因此，不仅需要一种足够大容量的存储罐，还需要具有有所增加的功率的一种再生单元。所述再生单元的大小通常设计用以再生来自装置操作产生的吸收剂流动，并进一步具有额外的功率用以再生所述饱和的吸收剂，所述饱和的吸收剂在峰值功率需求期间被存储。再生单元的尺寸取决于预期的操作曲线图。例如，如果预期到在给定的24小时运行周期中的1个小时内的高功率需求接近5%，则多余的功率需要被用来在低功率需求的时段期间再生所有饱和的吸收剂。如果装置的操作曲线可以预见到所述装置的延长的部分加载操作，那么再生单元的功率超负荷或多余功率(overcapacity)可能并不需要，部分加载操作期间，存储的吸收剂可以被再生。功率优化操作和再生单元的多余功率使得装置操作的效率得到优化。所述装置效率在操作接近基本负载时达到最高。除了峰值功率需求期间之外，在低功率需求的时段期间，装置通常必须在部分负载下运行，因此装置被迫运行在有所降低的效率下。所提出的新的操作理念，通过改变CO2捕集系统的功率消耗，来充分利用了电力输出至电网的附加可变性，这使得装置可以在其最优状态下操作。该可变性在过大尺寸的再生单元的情况下进一步增加，因为其允许所述装置的操作员增加总输出并将超出部分的能量用于吸收剂再生， 并因此在低电网电力需求的时段期间也增加装置效率。改变CO2捕集系统的功率消耗以适应电网需求的改变的又一益处在于其获得了在恒定负载下运行动力装置的可能性，并因此避免了在总输出中负载的变化和因此导致的热应力、热磨损和热撕裂。—种CO2捕集和压缩处于关闭状态操作的特别应用是一种所谓的功率储备的范例。功率储备是除了正常基本负载功率之外的额外功率，如果受请求的话其可以被输送出去。对于很多电网系统来说，如果所述装置可以实施功率储备，这将是十分有益的，这部分电力可以当负载突然上升时、或者当其它动力装置由于意外停机不得不降低自身的输出甚至被迫关闭时被调用。实施功率储备的能力在商业上是十分有价值的。取决于电网，某些装置可能被要求在部分负载下运行，例如90%的负载下运行以保持功率储备。运行于90% 的负载的情况可导致效率下降和增加每生产MWh电力所花费的资本和运行成本。对于一些电网，输送峰值功率的可能性也是可以被销售的，正如所谓的热备用或运转储备(spinning reserve) 0任何备用能量生产能力，可以在十分钟之内输送至传送系统、并且一旦上线就可以持续运行至少两个小时，就通常被认为是一种典型的运转储备。本发明的进一步目的在于提供一种用于燃烧碳基燃料并带有根据所描述的可变运行方法而设计用于操作的CO2捕集系统的热动力装置。本发明的一个实施例是一种燃烧碳基燃料的动力装置，其至少具有一个烟道气体流。除了已知的用于电力生产的常规的部件之外，根据本发明的装置通常包括co2捕集单元，用于从烟道气体流中移除CO2，和压缩单元。所述捕集单元通常包括捕集设备，其中CO2 从烟道气体中被移除；再生单元，其中CO2从吸收剂、吸附剂或用以约束来自烟道气体的CO2 的其他装置中被释放出来，；以及，用于处理CO2以供运输的处理系统。所述压缩单元包括至少一个用于CO2压缩的压缩机。典型地，所述压缩单元还包括至少一个冷却器或者热交换器，用来在压缩期间和/或压缩后二次冷却经压缩后的co2。为了允许执行根据所提出的操作理念的操作，装置的汽轮机被设计来转化最大蒸汽流为能量，这可以通过CO2捕集系统处于关闭状态的装置来实现。在又一实施例中，发电机和电力系统被设计来转化最大动力为电力并将所述电力输送至电网，所述动力产生于CO2捕集系统关闭时。为了便利这种装置的上述操作，其还可以包括CO2压缩机的旁路，所述旁路可以安全的排出CO2，且例如将其引导至CO2捕集装置下游处的烟道气体烟囱。第二实施例中，CO2捕集单元被设计成甚至当其不运行时也能够承受所述烟道气体，例如设计用来在干燥条件下运作的吸收塔。可选择地，采用CO2捕集单元旁路是可预见的，这允许了动力装置独立于CO2捕集单元而运行。所述旁路对于启动和关闭所述动力装置以及对于在CO2捕集系统维护期间装置的运行而言也可以是有利的。在又一实施例中，提供了一种尺寸设定为在规定时期内用来供应CO2吸收剂的存储罐，且再生单元的功率大于动力装置持续运行的设计功率，以使得其具有额外的功率来在低功率需求时段期间再生所存储的吸收剂。根据存储罐所需的大小和再生单元的功率， 本实施例也可以导致显著的附加成本。CO2捕集系统的不同的控制方法都是可能的。其中一个例子是CO2捕集系统的不同组件的开环控制。这在不同的组件仅采用开/关控制时尤其适用。对于较为复杂的操作工艺来说，也可想到开环控制，其中可以实现对CO2捕集系统的消耗功率的持续控制，而不会因为不同组件的开/关造成功率输出的突然步进。在该例子中，通过在一个时刻改变一个组件的功率消耗，同时剩余的组件运行在恒定的功率下，则对CO2捕集系统的功率消耗的持续控制得以实现。然而，闭环控制对于在例如瞬时操作或者在变化边界条件下操作来说则是有利的。由于可预见到不同组件的有所降低的功率下的操作，因此闭环控制将允许负载分配的更优化。这尤其有利于如果实现对CO2捕集率的控制的情况。在这种情况下，通过在一个时刻对单个组件的控制，使得CO2捕集系统的功率消耗是不变的，而剩余组件运行在恒定负载下。不同组件的功率的降低必须相协调。为此，各个组件的当前操作状况的反馈是有利的，并且闭环控制是优选的。由于CO2捕集系统是一种复杂的系统，如上所述，对于不同的操作方法需要一种适合的控制系统。这种控制系统依赖于、并影响着所述装置的动力控制。由于动力控制是动
8力装置控制系统中的核心部分，因此有利的是将对CO2捕集系统的控制整合到装置控制系统中，或者通过所述装置控制系统来协调对CO2捕集系统的控制，并连接所有相应的数据线到装置控制系统上。如果所述装置包括多个部分，且所述装置控制系统具有一种包括装置控制器和单元主控器的分层级结构，那么实现这样一种将CO2捕集系统的控制整合或协调到每一个单元的主控器中都是有利的。可选择地，所述CO2捕集系统具有其自己的控制器，其经由直接数据链接而被连接至装置控制系统。所述装置控制系统或者单元主控器必须向CO2捕集装置的控制器发送至少一个信号。该信号可以例如是指令式功率消耗信号或者指令式捕集率命令。在上述描述的情形中，CO2捕集控制器并不必需是一个硬件设备，也可以是分散成驱动和由一个或多个控制单元相协调的群控制器。在CO2捕集系统的控制由装置控制系统加以协调的情形下，高水平的控制单元可以例如发送总的所指令的质量流到CO2压缩单元的群控制器上，并且接收总的实际质量流作为来自这个群控制器的输入。本例子的压缩单元包含若干个压缩机系列。所述压缩机系列的每一个都具有其自己的装置控制器。群控制器具有一种运算法则，以决定如何最佳地将所指令的总的CO2压缩质量流分配到不同的压缩机系列上，并向每个分别的压缩机系列的装置控制器发送指令的质量流。继而，群控制器收到每个压缩机系列的实际CO2压缩质量流。每个压缩机系列控制器可再与低一级上的从属控制器一起工作。相同类型的分层级系统可以应用于对CO2捕集系统的所有组件的控制。


本发明，其实质和优点，将借助于相应的附图在下面更为详尽的描述。参考所述附图图1示意性地示出间歇CO2捕集的操作方法；图2是具有CO2捕集功能的动力装置的示意图；图3示意性地示出每吨CO2捕集的相对成本C；作为捕集率ι·ω2的函数；图4示意性地示出具有CO2捕集和压缩的可变操作方法的动力装置关于时间T的相对功率输出已的变化。附图标记清单1.动力装置2. CO2捕集单元3.空气4.燃料6.返回管道7.用于CO2捕集单元的电力8.用于CO2压缩单元的电力9. CO2压缩过程10.压缩后的CO211. CO2捕集单元的烟道气体旁路12. CO2压缩单元旁路
13.输送至CO2捕集单元的蒸汽
14.蒸汽控制阀
15.输送至CO2捕集单元的烟道气体
16.消除完CO2的烟道气体
17.用于除了 CO2捕集和压缩外的装置辅助设备的电力
18.控制系统
19.与CO2捕集单元和烟道气体旁路的控制信号交换
20.与再生单元(如果有的话)的控制信号交换
21.与吸收剂/吸收剂存储系统(如果有的话)的控制信号交换
22.装置控制信号与传统的没有采用CO2捕集装置的交换，包括总的和净的功率。
23.与CO2压缩单元和压缩机旁路的控制信号交换
24.控制信号与蒸汽控制阀的交换-直接来自于控制系统或者经由再生单元(如
果有的话)I. CO2捕集关闭的高功率需求时间II. CO2捕集开启的低功率需求时间A.具有为CO2吸收而进行蒸汽抽取的装置的总功率输出A’ .不具有为CO2吸收而进行蒸汽抽取的装置的总功率输出B. A减去不具有CO2捕集和压缩的装置辅助设备消耗功率C. B减去CO2压缩所需的功率_根据电网功率需求而变化CO2捕集的相对成本D. CO2捕集装置净功率输出(C减去吸收过程所消耗的功率需求-取决于电网功率需求而变换)Pd.电网的功率需求Pr.相对于装置的基本负载总功率的功率输出rC02. CO2 捕集率T.时间X.当CO2捕集和压缩关闭时的峰值净功率输出的时间
具体实施例方式—种用于执行所提出方法的动力装置主要包括常规的动力装置1，加上CO2捕集单元2和CO2压缩单元9。在图1中示出了电网的功率需求Pd随时间T的变化。一种用于间歇0)2捕集的操作方法随时间T的变化在图1中示出。CO2捕集系统在当功率需求Pd比针对CO2捕集Lra 的限制更低时的时段II期间运行；并且当功率需求Pd比针对CO2捕集Lro2的限制更高时的高功率的时间I期间，CO2捕集系统关闭。具有后燃烧捕集的典型布置如图2所示。动力装置1被供应空气3和燃料4。它的主要输出是设备总电力输出A和烟道气体15。进一步地，蒸汽从装置1中被抽取、并经由蒸汽管线13和蒸汽控制阀14被供应至CO2捕集单元2。所述蒸汽在有所降低的温度下返回到装置1、或者作为冷凝物经由返回管线6返回到装置1中，在这里其重新被引入到蒸
10汽循环中。CO2捕集单元2通常包括CO2吸收单元和再生单元，在CO2吸收单元中CO2被吸收剂从烟道气体中移除，在再生单元中CO2从吸收剂中被释放。根据烟道气体的温度和CO2 吸收单元的操作温度范围，烟道气体冷却器也可能是需要的。消除掉CO2的烟道气体16从CO2捕集单元中释放到烟囱里。如果CO2捕集单元2 不运行，那么其可以经由烟道气体旁路11而被旁通。在正常的操作中，所捕集的CO2将会在CO2压缩机9中被压缩，压缩后的CO2IO将会前进以用于存储或者进一步处理。需要电力7来驱动CO2捕集单元2的辅助设备，并且电力8用于驱动CO2压缩机9。 因此，输出给电网D的净电力是总电力输出A减去用于电力辅助设备17的电力，减去用于 CO2压缩单元8的电力，再减去用于CO2捕集单元7的电力。图2也示出了相应的控制系统18，其集成了对用于CO2捕集和压缩所必需的附加组件的控制、以及对动力装置的控制。所述控制系统具有所需要的至少一根连接至动力装置1的控制信号线22，和至少一根连接至CO2压缩单元9的控制信号线。进一步地，还示出了至少一根连接至CO2捕集单元2的控制信号线19，该CO2捕集单元2包括烟道气体旁路 11。如果捕集单元2基于吸收过程或者吸附过程，则再生单元属于系统的一部分，且相应地，需要至少一根连接至再生单元的信号线20。如果捕集单元2还包括至少一个用于吸附剂/吸收剂的存储罐，则需要连接至存储系统的控制信号线21。对于所示出的例子，其中蒸汽13用于再生，蒸汽控制阀24经由控制信号线24而得以被控制。该控制线被连接至作为捕集单元2—部分的再吸收单元，或者直接连接至控制系统18。净功率输出D的连续控制将采用两个实例进行描述，其中从所有组件均满负荷操作的操作点开始就需要净功率输出D的增加。在一个简单的方法中，净输出首先通过CO2压缩机单元9的功率消耗的可控的减少而有所增加。由于CO2压缩机单元9的功率消耗的减少，从CO2再生单元2释放出来的 CO2的总量保持恒定。其后果是部分CO2流必须通过CO2压缩单元旁路12而旁通过CO2压缩机单元9。一旦CO2压缩机单元9被完全关闭，净输出将会由于CO2再生单元2中所消耗的功率的可控的减少而得以增加。最后，当CO2再生单元被完全关闭时，净输出将会由于CO2 吸收单元和(如果适用的话，)烟道气体冷却器中所消耗的功率的可控的减少而得到增加。 如果CO2吸收单元2没有设计成干式运行/在干燥条件下运行的话，即，其不能在没有吸收剂的流动和/或附加烟道气体冷却的情况下被暴露于烟道气体15中，所述CO2捕集单元2 的烟道气体旁路11必需被打开，起到作为吸收单元的可利用功率的功能。在一个更复杂的方法中，净输出的增加是通过可控的协调式减少CO2捕集单元2 和压缩单元9的所有组件的功率消耗而实现的。目标是以有所减少的功率消耗来最大化 CO2捕集率。为此，所有组件的功率被同时以相同的比率减少，且流经所有组件的CO2是相同的。其结果是，功率消耗作为捕集率的函数而变化。为了确保不同组件的流率相匹配，需要从这些组件中获得反馈，且此时采用闭环控制是有优势的。在非常低的捕集率下，且如果 CO2吸收单元2没有设计成在干燥条件下运行，例如，其不能在没有吸收剂的流动和/或附加烟道气体冷却的情况下被暴露于烟道气体中，CO2捕集单元11的烟道气体旁路必需被打开，起到作为吸收单元2的可利用功率的功能。预期的标准化/归一化的捕集每吨CO2的费用Cr如图3所示作为CO2捕集率Γω2的函数。每吨CO2捕集所需的费用在捕集率Γω2为90%时得以被标准化。显然，当捕集率在 90%以上时，费用将变得十分昂贵，因此，装置必须被设计成以80%-90%的捕集率运行。 在低于80%的捕集率时，每吨CO2捕集所需要的费用稍微有所增加。在捕集率设计为90% 的装置中减少捕集率可以实现、而每吨CO2捕集的费用不显著的增加。如果在操作期间捕集率减少，那么将会节省显著量的功率，并因此在需要时馈送至电网。图4示出了 CO2捕集系统的主要功率消耗对标准化装置功率输出Pr的影响。装置本身的辅助功率消耗的影响也在该图中显示。图4进一步示出了具有CO2捕集和压缩的动力装置随时间T的优化操作方法。装置辅助设备和CO2捕集系统的主要功率消耗对装置净功率输出D的影响通过在所述装置的不同阶段上采用相对输出Pr来表示。在此图中，所示出的所有的功率输出都处于基本负载的装置总功率输出A所标准化、且提取蒸汽用来进行再吸收。Α’是不存在蒸汽抽取用于再吸收情况下的总输出。B是总输出减去所述装置辅助设备B。C是输出B进一步减去CO2压缩所消耗的功率后的输出。D是在C进一步减去吸收过程所消耗的功率后的最终装置净功率输出。根据所提出的操作方法，功率减少从B到C，C到D，和总功率增长从A到Α’都是变化地，并且被用于控制净输出D。D被通常受控制来满足电网的功率需求PD。为了获得最大净输出X，CO2捕集系统的所有耗能装置都被关闭，并且没有蒸汽被抽取来进行再吸收。在所给出的例子中，日间净功率输出的所需要的变化是通过控制CO2捕集系统的不同耗能装置的功率消耗而得以满足的。因此，动力装置的热量输入和热负载可以在白天保持恒定，在该例子中是从早上7:00到晚上22:00。仅在晚上时，当净输出减少到正午峰值期间输送的最大净输出的50%时，总输出被减少到基本负载净输出的大约62%。在该例子中，为了能满足净输出的大约15 %的变化，可以通过控制CO2捕集和压缩所消耗的功率来实现。这是可以看到的，例如，介于11:00的早晨操作与12:30的峰值需求之间。为了获得下降50%的净功率输出，总功率仅仅必须减少到62%。热量输入和热负载的改变将会变化得更小，因为效率典型地在部分负载下有所下降。这对于燃气轮机或者联合循环动力装置来说尤其正确。因此即便当需要热负载的改变来满足所需净功率输出D 的大的改变时，热负载的相对改变相比常规的操作方法可以是有所减少的。根据操作体制，可以想象的是，恒定的总功率可以被保持只要所述装置在运行中。上述所描述的和在附图中的示范性实施例向本领域技术人员揭示不同的实施例， 它们与示范性的实施例是不同的，并且它们被包括在本发明的范围之内。例如，用于烟道气体再压缩的功率，正如用于低温CO2分离或者在提高的压力水平下进行吸收的情况下，可以被节约或者在高功率需求的时段期间被减少。或者，在CO2采用冷氨水进行分离的情况下，冷却功率可以被节约或者在高功率需求期间被减少。进一步地， 所述方法和相应地不采用CO2压缩的装置是可以想象到的。在一个实施例中，提供了用于冷却介质的存储罐，其在高功率需求的时段期间被用于冷却。进一步地，类似于大于上述所描述的再生单元的尺寸，所述冷却设备可以被设计成特大型，以在低功率需求的时段期间具有用以冷却所存储的冷却介质的能力。
1权利要求
1.一种用于操作具有控制系统(18)和CO2捕集系统的动力装置(1)的方法，其特征在于，所述CO2捕集系统的功率消耗被用作所述装置的净功率输出(D)的控制参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CO2捕集系统被闭环控制系统(18) 所控制，所述闭环控制系统(18)整合到所述装置的控制系统中，或者与所述装置的控制系统相协调、或者具有连接至所述装置的控制系统的直接数据链路(22)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述CO2捕集系统在降低的功率下操作，或者其被关闭以向电网提供额外的功率，并且此额外的功率被用来增加所述装置的额定功率。
4.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，当CO2捕集系统运行时，动力装置 (1)在接近于、或者在设计点运行，CO2捕集系统的功率消耗被用作功率储备，并且避免了用以确保功率储备的动力装置(1)的部分负载操作，且其因此在最优化装置效率下运行。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述装置(1)的热负载被保持恒定，且输送至电网的净功率输出(D)的变化通过对CO2捕集系统的功率消耗的控制而得以实现。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，CO2捕集率是变化的以控制CO2 捕集系统的功率消耗。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，CO2压缩单元(9)被关闭或者在降低的功率下运行。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，CO2压缩单元(9)被关闭或者在降低的功率下运行，且部分或全部捕集的CO2经由CO2压缩单元(9)的旁路(12)被释放。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，包括在捕集系统(2)中的再生单元被关闭或者在降低的功率下运行。
10.根据权利要求1至9任一所述的方法，其特征在于，包括在捕集系统(2)中的吸收装置或者吸附单元被关闭或者在降低的功率下运行。
11.根据权利要求1至10任一所述的方法，其特征在于，包括在捕集系统(2)中的吸收装置或者吸附单元被关闭或者在降低的功率下运行，且部分或者全部烟道气体在所述捕集设备周围被旁通经过。
12.根据权利要求1至11任一所述的方法，其特征在于，包括在捕集系统(2)中的再生单元被关闭、或者在高功率需求时在降低的功率下发生再生操作，且此时段期间，存储的吸收剂或者吸附剂被用于CO2捕集。
13.根据权利要求9或12所述的方法，其中包括在捕集系统(2)中的再生单元的蒸汽 (13)消耗由于再生单元的关闭或者在降低的功率下运行而被减少，并且剩余的蒸汽被馈送到所述装置(1)的至少一个现有汽轮机中。
14.根据权利要求11或13所述的方法，其特征在于，吸收剂或者吸附剂的再生发生在低功率需求(Pd)时。
15.一种具有CO2捕集系统的动力装置(1)，其特征在于，所述动力装置(1)被设计来根据权利要求1所述的方法操作。
16.根据权利要求15所述的动力装置(1)，其特征在于，至少一个汽轮机被设计来将最大蒸汽流转化到能量，所述蒸汽可以通过其中CO2捕集系统处于关闭状态的所述装置而产生。
17.根据权利要求15或者16所述的动力装置(1)，其特征在于，至少一个发电机和电力系统被设计来将由于CO2捕集系统的关闭而产生的最大功率转化为电力，并且输送所述电力到电网。
18.根据权利要求15至17任一所述的动力装置(1)，其特征在于，还提供了CO2压缩单元(9)的旁路(12，11)和/或吸收单元。
19.根据权利要求15至18任一所述的动力装置(1)，其特征在于，包括在所述捕集系统(2)中的所述吸收单元被设计来承受烟道气体，甚至当其不处于运行状态时。
20.根据权利要求15至19任一所述的动力装置(1)，其特征在于，提供了用于吸收剂或者吸收剂单元的存储罐，其使得甚至当捕集系统(2)中的再生单元在降低的功率下运行或者关闭时都可以进行CO2捕集。
21.根据权利要求20所述的动力装置(1)，其特征在于，包括在捕集系统(2)中的再生单元的功率大于动力装置(1)稳态操作所需的功率，以便使得其具有附加的功率来再生所存储的吸收剂或者吸附剂。
22.根据权利要求15至21任一所述的动力装置(1)，其特征在于，经冷却的氨水被用于CO2捕集系统，且提供了用于冷却介质的存储罐，所述存储罐在高功率需求的时段期间用于冷却，且其中所述冷冻设备被设计为超大型，以使其具有在低功率需求的时段期间冷却所存储的冷却介质的能力。
全文摘要
由于CO2被认为是主要的温室气体，因此二氧化碳的捕集和存储对于控制全球变暖而言是必不可少的。CO2捕集和压缩设备的可变操作方式将增加设计用来捕集和压缩CO2的动力装置的竞争力。本发明的主要目的在于通过采用额外可变性的优势来改进所述装置的操作特性，这可以通过控制CO2压缩和捕集系统的功率消耗而实现。一个特别目的在于最小化CO2压缩和捕集系统对动力装置(1)容量的影响，即，最大化所述装置可以输送到电网的电力。进一步地，CO2压缩和捕集系统在所述装置平均效率上的影响也应当被降低。以上两个目的通过一种操作方法而实现，其中CO2捕集系统的功率消耗被用来控制所述装置的净输出(D)。另外，本发明的主题还包括一种方法，根据所述方法，一种动力装置(1)被设计用以进行运行。
文档编号F01K13/02GK102216571SQ200880124406
公开日2011年10月12日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年1月11日
发明者A·M·普费弗, C·施泰因巴赫, C·苏蒂尔, J·霍夫曼, P·J-M·佩林克 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司