具有CO₂捕捉的动力设备的制作方法

专利名称：具有CO₂捕捉的动力设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于运行具有一体化(X)2捕捉和烟道气再循环的联合循环动力设备的方法，以及用以执行这种方法的设备。
背景技术：
在最近几年，温室气体的产生导致全球变暖以及温室气体的产生的进一步增加将加速全球变暖已经变得显而易见。因为CO2(二氧化碳)被确认为主要温室气体，所以 ccs(碳捕捉和存储)被看作减少温室气体释放到大气中和控制全球变暖的潜在的主要手段之一。在此背景中，CCS被定义为CO2捕捉、压缩、运输和存储的过程。捕捉被定义为这样一种过程其中，CO2或者在基于碳的燃料的燃烧之后从烟道气中去除，或者通过在燃烧之前去除以及处理碳来去除。任何吸收剂、吸附剂或用以从烟道气或燃料气流中去除(X)2的其它手段的再生被看作是捕捉过程的一部分。后端(X)2捕捉或后燃烧捕捉是用于包括CCPP(联合循环动力设备)的以化石为燃料的动力设备的在商业上有前途的技术。在后燃烧捕捉中，从烟道气中去除了 co2。剩余的烟道气释放到大气中，并且CO2被压缩以进行运输和存储。已知有若干种用以从烟道气中去除(X)2的技术，例如吸收、吸附、薄膜分离以及低温分离。具有后燃烧捕捉的动力设备是本发明的主题。所有已知用于(X)2捕捉的技术均需要相对大量的能量。由于在传统的CCPP的烟道气中有仅约4%的相对低的(X)2浓度，所以与用于具有相对更高的(X)2浓度的其它类型的化石燃料动力设备(如燃烧煤的设备)的(X)2捕捉系统相比，用于传统的CCPP的(X)2捕捉系统(也称为(X)2捕捉设备或(X)2捕捉装备)的每kg的捕捉到的(X)2将成本更高且能耗更高。在CCPP烟道气中的(X)2浓度取决于燃料成分、燃气轮机类型和负荷，并且可基本取决于燃气轮机的运行状况而改变。(X)2浓度的此变化对于(X)2捕捉系统的性能、效率和可操作性而言可能是有害的。为了提高在CCPP的烟道气中的CO2浓度，知道两个主要概念。一个是烟道气的再循环，如例如0. Bolland和S. Saether在《简化二氧化碳的回收的燃烧天然气的动力设备的新概念》(NEW CONCEPTS FOR NATURAL GAS FIRED POWER PLANTS WHICH SIMPLIFY THE RECOVERY OF CARBON DIOXIDE) (Energy Convers. Mgmt Vol. 33，No. 5-8，pp.467-475， 1992))中所描述。另一个是设备的连续布置，其中，第一 CCPP的烟道气被冷却，并且被用作第二 CCPP的入口气体，以在第二 CCPP的烟道气中获得具有增加的CO2的烟道气。例如在 US20080060346中描述了这种布置。这些方法减小了烟道气的总量且提高了 CO2浓度，并且因此减小了吸收器的需要的流量容力、捕捉系统的动力消耗、捕捉系统的资金支出，并且提高了 CO2捕捉系统的效率
发明内容
本发明的主要目标是提供一种用于联合循环动力设备(CCPP)的优化运行的方法以及设计为根据此方法运行的设备，该CCPP包括至少一个燃气轮机、一个热回收蒸汽发生器(HRSG)、一个蒸汽轮机、二氧化碳(CO2)捕捉系统，并且具有烟道气再循环。一个目标是针对所有运行状况降低CCS (碳捕捉和存储)对COE (电成本)的影响， 以及提供柔性运行方法。本发明的本质是组合至少两个参数来优化设备总效率，并且因此优化C0E。这些参数是在烟道气中的(X)2浓度，以及依赖于负荷来控制的再冷却温度，即再循环的烟道气的温度。另外，发现控制传送到捕捉系统的烟道气流是有利的。代替使用烟道气中的(X)2浓度作为控制参数，允许对烟道气(X)2浓度进行估计的其它气流中的CO2浓度是可用的。例如可使用在压缩机入口气体中的CO2浓度的用途。另外， 可使用在烟道气中的残留氧气浓度或在压缩机入口气体或燃气轮机烟道气中的氧气浓度， 而非CO2浓度。使用这些浓度的组合也是可行的。代替使用(X)2浓度或氧气浓度，在此背景中还可分别使用(X)2含量、氧气含量。这些参数的最佳目标值取决于具体设备设计，并且是环境状况和设备负荷的函数 (即随着环境状况和设备负荷而变化)。它们对总效率的影响取决于设备运行状况。最大再循环率通常受稳定的完全燃烧所需的氧气浓度限制。在此背景中，稳定的完全燃烧的意思是，CO和未燃烧的烃排放(UHC)保持低于针对CO和未燃烧的烃排放所设定的所需水平(该所需水平为大约几PPm或个位数的ppm)，并且燃烧脉动保持在正常设计值内。排放水平典型地由保证值规定。脉动的设计值取决于燃气轮机、运行点和燃烧器设计， 以及脉动频率。它们应当保持远低于燃烧器压力的10%。典型地，它们保持低于燃烧器压力的或2%。为了提高运行柔性以及允许有更高的再循环率，以进一步提高在基本负荷和部分负荷处在烟道气中的CO2浓度，在另一个实施例中提出了燃气轮机入口气体的氧气富集。为此，将氧气或富氧空气掺合到燃气轮机的入口气体中。在第一种近似法中，捕捉系统效率与烟道气的(X)2浓度成比例。因为在烟道气中的 CO2浓度与再循环率成比例，优化目标是高的再循环率。再循环率定义为来自燃气轮机的再循环到压缩机入口的烟道气质量流量与燃气轮机的总烟道气质量流量的比率。较高的再循环率不仅会提高(X)2浓度，而且还会导致通过(X)2捕捉系统的烟道气质量和体积流量的减少。较低的流量还会减小系统的压降，这对总性能是有利的或会允许使用更小的比较不昂贵的装备。在设计状况下的基本负荷处，最大程度地提高了烟道气再循环率。它受燃气轮机的运行所需要的最小氧气浓度限制。对于基本负荷运行而言，典型的再循环率为大约30%至50%。在燃气轮机的部分负荷运行时，在燃气轮机烟道气中的CO2浓度典型地比在基本负荷运行时低，并且燃烧的氧气消耗会降低。在用以优化(X)2捕捉效率的第一种方法中，因此针对部分负荷提出提高再循环率， 以将在烟道气中的(X)2浓度保持在高水平处。入口气体的目标氧气浓度可例如为固定值，该固定值足以确保在所有运行状况下在燃气轮机中有稳定的完全燃烧。当从基本负荷开始降低设备负荷时，所需氧气浓度典型地会降低，因为需要燃烧更少的燃料。但是，当火焰温度显著降低时，在低氧气浓度处的火焰速度被降低，并且完全燃烧所需的超量氧气典型地会增加。此作用可能已经发生在燃气轮机的90%相对负荷的附近。对于大多数应用而言，其变得显著低于70%至80%相对负荷。作为缓和，提出了所需最小氧气浓度关于负荷的函数，这产生了针对完全燃烧而言可允许的最大再循环率。此函数取决于燃气轮机的设计，并且针对各个具体设计而言必须以分析和/或试验的方式发现此函数。可发生在部分负荷处的火焰熄灭或部分熄灭还取决于冷却空气质量流量和冷却空气温度。对于大多数燃气轮机设计而言，冷却空气温度和质量流量是压缩机入口状况和可变入口导叶的位置的函数。因此，提出使用额外的函数，该函数考虑了入口状况和/或可变入口导叶的位置对所需最小氧气浓度的影响。作为备选方案，建议了作为烟道气的实测CO排放和/或未燃烧的烃排放的函数的再循环率。一旦CO和/或未燃烧的烃排放升高到超过第一阈值，就降低再循环率。一旦它们低于第二阈值，就提高再循环率。代替阈值，还可使用再循环率的修正函数，其取决于CO 和/或未燃烧的烃排放。在另一个实施例中，阈值或修正函数还取决于CCPP的相对负荷。还可测量火焰或燃烧器脉动(其在燃烧不稳定或不完全的情况下典型地会提高)，并且类似地将其用作再循环率的控制参数。一旦脉动水平提高到超过第一阈值，就降低再循环率。一旦它们落在第二阈值以下，就提高再循环率。取决于燃烧器，考虑了具体的脉动频带(例如仅为在至少一个具体频率范围内的脉动)，它们可用于依赖于脉动的再循环控制。可构想上面描述的控制方法的组合。具体而言，负荷依赖性再循环率，或入口氧气浓度的负荷依赖性函数可与基于燃烧参数(例如CO排放，和/或未燃烧的烃的排放，和/ 或脉动)的度量的修正结合。以设备最优热力学和经济性性能为目标，可结合氧气或富氧物的掺合来将烟道气再循环率提高到最优值，在该最优值处，氧气浓度被保持为达到最小所需水平。考虑到 ASU (空气分离单元)和(X)2捕捉系统的性能和成本的折衷，可应用氧气或富氧空气的掺合， 只要合理即可。在一个实施例中，完成了将氧气或富氧空气掺合到入口气体中，以控制在入口处的氧气浓度。例如作为负荷的函数来给出在压缩机入口处的目标氧气浓度。在另一个实施例中，随着CO或未燃烧的烃的变化来执行将氧气或富氧空气掺合到入口气体中。一旦CO和/或未燃烧的烃排放增加到超过第一阈值，就增加氧气或富氧空气的掺合。一旦它们低于第二阈值，就减少掺合。代替阈值，还可使用取决于CO和/或未燃烧的烃排放的掺合的修正函数。在另一个实施例中，阈值或修正函数还取决于CCPP的相对负荷。还可测量火焰或燃烧器脉动(其在燃烧不完全的情况下典型地会提高)，并且类似地将其用作用于掺合氧气或富氧空气的控制参数。一旦脉动水平提高到超过第一阈值， 就增加掺合。一旦它们低于第二阈值，就减少掺合。取决于燃烧器，可使用具体的脉动频带来用于脉动依赖性掺合控制。代替阈值，还可使用再循环率的修正函数，其取决于脉动水平。对于使用燃烧器脉动作为控制参数的控制方法，必须将至少一个对应的脉动测量装置连接到燃烧器上。对于使用CO或未燃烧的烃排放作为控制参数的控制方法，必须将至少一个对应的测量装置安装在燃气轮机的下游。在另一个实施例中，再循环率的控制结合了对氧气或富氧空气的掺合的控制。可构想到结合这些控制方法的不同可能性。例如可作为负荷的函数给出再循环率，以优化在(X)2捕捉系统中的流，并且可使用掺合来控制稳定的完全燃烧。在第二个实例中，由于ASU的大小的原因，氧气或富氧空气的掺合保持在恒定水平处，并且使用了再循环率来控制稳定的完全燃烧。另外，烟道气流随着降低的负荷而变得越来越小。与燃气轮机的更低的烟道气质量流量结合的再循环率的提高可导致输送到(X)2捕捉单元的烟道气质量流量有显著的降低。但是，取决于设计，在CO2捕捉系统中应当保持最佳质量流量或流速。此最佳流量可限制再循环率。取决于CO2捕捉系统的设计，因此在低负荷处可需要降低再循环率，以保持通过(X)2捕捉系统的最佳流量。取决于(X)2捕捉单元，捕捉单元的效率可几乎独立于流量，不具有关于流率的明显的最大效率。但是，它们典型地仍然受最小流量的限制，在最小流量以下可发生流动不稳定，这可导致(X)2捕捉系统的振动。在此情况下，控制被简化，以确保最小流量。在基本负荷运行期间，设备动力典型地随着不断升高的燃气轮机入口温度而降低。目标再冷却温度因此典型地为尽可能地低。它通常受再冷却器的容量的限制。仅在可使用大型低温热沉(例如低的环境温度和/或低温冷却水)的情况下，或者在结冰危险或设备的其它运行参数可限制运行的情况下，再冷却温度可被控制到更高的目标温度。在部分负荷处，当降低了总质量流量时，总再循环质量流量也典型地降低，并且再冷却器典型地具有用以冷却到比在基本负荷处更低的温度的容量。但是，对于大多数设备设计，提高燃气轮机的压缩机入口温度可提高在某些负荷设定点处的部分负荷效率。典型地，CCPP的效率与负荷成比例。当在更高的入口温度处运行时，相对负荷会提高。由于提高而引起的效率益处高于入口温度的提高可导致的效率损失。在部分负荷处，可提高再冷却器的离开温度并且因此提高再冷却温度，以实现更高的燃气轮机压缩机入口温度，只要压缩机入口温度保持在燃气轮机的运行极限内即可。 因此，提出了与负荷依赖性再冷却温度结合的负荷依赖性再循环率。考虑到冷却器限制，还将针对(X)2捕捉系统优化在冷却之后通往(X)2捕捉设备的烟道气温度。CO2捕捉系统本身可包括不止一个捕捉系。为了优化部分负荷运行，停止至少一个捕捉系可为有利的。所以，最佳再循环率可变得随起作用的捕捉系而变化。捕捉系统运行与CCPP运行的集成有利于设备总效率。在第一个控制步骤中，针对设备负荷来调节起作用的捕捉系的数量。在第二个步骤中，在具体负荷处且针对具体数量的起作用的捕捉系，调节再循环率以优化设备效率。为此，提出两种备选优化策略。或者使用再循环率来将烟道气中的CO2浓度控制在捕捉系统的起作用的(捕捉)系的最佳水平处，或者使用再循环率来将在捕捉系中的流速保持在最佳速度处。除了该方法之外，一种用于根据此方法运行的设备是本发明的一部分。设计为用
7于优化运行的设备包括至少一个燃气轮机、CO2捕捉系统、具有将流动气体的第一部分流引导到入口气流中的烟道气导管的烟道气再循环系统、用以控制再循环率的至少一个控制机构、具有温度控制器的用以冷却再循环烟道气的再冷却器，以及至少一个CO2和/或氧气浓
度测量装置。再循环系统包括烟道气再循环线路或导管、用以控制再循环率的控制机构，以及再循环烟道气冷却器。为了再循环，烟道气流在HRSG的下游被分成至少两个部分流。第一部分流通过烟道气再循环线路返回到燃气轮机的入口，并且第二部分流通过(X)2捕捉系统被引导到烟囱，以释放到环境中。另外，可提供旁路来提高运行柔性。这允许选择通往CO2 捕捉单元的烟道气流的再循环率的任何组合，以及将烟道气流引导到烟囱。为了控制再循环率，可通过至少一个控制机构来控制排气流和/或再循环流。这可例如为可控风门或固定的分路器，其结合了在烟道气线路中的一个或两者中、在分路器的下游的控制机构。如上面提到的那样，在与环境空气混合以再引入燃气轮机的压缩机之前，典型地必须通过再冷却器来进一步冷却被再循环的第一部分流。在一个实施例中，用以控制再循环率的控制机构(例如闸门或阀)安装在此再冷却器的下游，以减少在此控制机构上的热负荷。在另一个实施例中，吹送器安装在再循环线路和/或通往(X)2捕捉系统的排气线路中。吹送器可有利于减小装备大小，因为提高了可允许的压降。实际的装备大小仅可实现为在捕捉系统和再循环线路上具有合理的压降。可克服燃气轮机和HRSG设计的限制。吹送器典型地位于冷却器的下游，这会减少它们的动力消耗和它们必须承受的热负荷。另外，与其中吹送器位于冷却器的上游的设计相比，它们在稳定的烟道气温度和更小的体积流量下运行。另外，为了最小化吹送器的动力消耗，提出了可变速度控制。因此，可使用吹送器来控制再循环率。可避免固有地导致压降的可变风门、间门或控制阀。因此，可通过使用可变速度吹送器来减小总系统压降。备选地，还可构想到具有可控叶片或导叶角的吹送器。取决于设计和在烟道气和再循环系统中的压力，可使用增压器而非吹送器。使用吹送器的另一方面是改进设备的吹扫操作的可行性。为了确保CCPP的安全运行，需要在可允许燃料进入和可允许在燃气轮机中进行点燃之前用空气对所有的导管、线路、HRSG和烟道气可到达的其它封闭的容积进行吹扫。在传统的CCPP中，这典型地通过燃气轮机的吹扫操作来完成。为此，燃气轮机的吹扫操作被加速到吹扫速度，并且以此速度来运行规定的对于设备而言特定的时间段。所需吹扫时间是HRSG和烟道气导管容积以及在吹扫速度处的燃气轮机的体积流量的函数。 取决于国家和可适用的规章，吹扫需求会改变。典型地需要最少5分钟的吹扫操作，并且必须吹扫HRSG容积的3至5倍。为此，燃气轮机的运行典型地由其发电机驱动，该发电机在静态变频器的帮助下作为马达来运行。由于(X)2捕捉系统、烟道气再循环线路的较大容积的原因，并且由于烟道气线路的分路的原因，仅使用燃气轮机的吹扫操作可能需要非常长的吹扫时间。另外，取决于设备设计和在吹扫操作期间的体积流量，对于传统的吹扫操作，可能不能确保对所有关键装备的充分的吹扫。这里，可使用在烟道气线路中的吹送器来增强对线路和连接到线路上的装备的吹扫。吹送器可单独地或结合燃气轮机来使用，以确保设备有充分的吹扫。在上面的论述中，使用了燃气轮机或CCPP的相对负荷，即分别为燃气轮机、CCPP 的动力输出除以在相应的环境状况下的基本负荷动力输出。因为CCPP负荷随着GT负荷变化，所以可使用CCPP相对负荷，而非燃气轮机相对负荷，并且反之亦然。还可构想到使用绝对动力而非相对动力。


下面将在附图的帮助下更详细地描述本发明、其特性以及其优点。参照附图图1示意性地显示了具有后端(X)2吸收的、包括烟道气再循环和可变速度吹送器的 CCPP。图2示意性地显示了作为相对负荷的函数的GT入口气体的标准化(normalized) 氧气浓度的实例。图3示意性地显示了作为相对负荷的函数的针对最佳(X)2捕捉效率优化的再循环率、完全燃烧的优化再循环率和在再冷却器之后的再循环的烟道气的再冷却温度的实例。图4示意性地显示了具有后端(X)2吸收的包括烟道气再循环、氧气富集和可变速度吹送器的CCPP。
具体实施例方式用于执行提出的方法的动力设备包括传统的CCPP、用于烟道气再循环的装备和 CO2捕捉系统18。在图1中显示了具有后燃烧捕捉和烟道气再循环的典型的布置。对驱动第一发电机25的涡轮机6供应压缩机入口气体3和燃料5。压缩机入口气体3是环境空气2和通过烟道气再循环线路再循环的烟道气的混合物。入口气体在压缩机1中被压缩。压缩气体在燃烧器4中用于燃烧燃料5，并且加压热气在涡轮7中膨胀。它的主要输出是电功率和热烟道气8。燃气轮机的热烟道气8通过HRSG9，HRSG9产生用于蒸汽轮机13的新鲜蒸汽30。 蒸汽轮机13或者与燃气轮机6和第一发电机25布置成单轴构造，或者布置成多轴构造来驱动第二发电机26。另外，从蒸汽轮机13中抽取蒸汽，并且通过蒸汽线路15将该蒸汽供应给CO2捕捉系统18。蒸汽以降低的温度或作为冷凝物通过返回线路17返回到蒸汽循环，并且被再次引入蒸汽循环中。简化了蒸汽循环并且将其示意性地显示为不具有不同的蒸汽压力水平、给水泵等，因为这些不是本发明的主题。来自HRSG的烟道气19的第一部分流21再循环到燃气轮机6的压缩机1的入口， 它在该入口处与环境空气2混合。在与环境空气2混合之前，第一部分流21在再循环烟道气冷却器27中被冷却。来自HRSG的烟道气19的第二部分流20被风门四引导到(X)2捕捉系统18。此第二部分流20被在(X)2捕捉系统18之前的烟道气冷却器23冷却。为了增强烟道气流和控制再循环率，在烟道气冷却器23和(X)2捕捉系统18之间安装了通往(X)2捕捉系统10的可变速度烟道气吹送器，并且用于再循环的可变速度烟道气吹送器11安装在再循环烟道气冷却器27的下游，在混合烟道气的再循环的第一部分流21与环境空气2之前。
CO2耗尽的烟道气22通过烟囱32从CO2捕捉系统18中释放到环境中。在CO2捕捉系统18不运行的情况下，可通过烟道气旁路M来绕过(X)2捕捉系统18。在正常运行期间，捕捉到的C0231将在(X)2压缩机中被压缩，并且压缩(X)2将被向前运送，以进行存储或进一步处理。提出了用以测量氧气浓度和/或CO2浓度的测量装置，以便更好地控制不同的气流的氧气浓度。例如，可应用入口空气CO2和/或A测量装置36来更好地控制燃气轮机6 的入口气体成分。为了控制燃气轮机的烟道气成分，可例如应用燃气轮机烟道气(X)2和/或 O2测量装置37。由于在HRSG9的下游的更低的烟道气温度的原因，通过HRSG烟道气CO2和 /或A测量装置38来测量在HRSG9的下游的烟道气成分可为有利的。除了传统的气相色谱法之外，还存在若干不同的方法、系统和测量装置来测量不同的气流的氧气浓度和CO2浓度。可例如使用非色散红外线(NDIR) CO2传感器或化学CO2传感器来容易地测量C02。除了别的之外，可使用氧化锆传感器、电化学或流电传感器、红外传感器、超声传感器和激光技术来测量氧气浓度。快速在线传感器可应用于优化的操作。图2示意性地显示了作为稳定的完全燃烧所需要的相对负荷的函数的在GT入口气体处的标准化氧气浓度的实例。对在基本负荷操作时需要的氧气浓度进行了标准化。在低负荷处，当燃烧器以扩散火焰工作时，尽管有低的火焰温度，所需超量氧气是低的，并且入口空气的对应的标准化氧气浓度INffi是低的。一旦燃烧器以预混合火焰运行， 所需超量氧气和入口空气的对应的标准化氧气浓度INffi就提高到最大值。在不断提高的负荷的情况下，火焰温度上升，这有利于完全燃烧，并且允许入口空气的标准化氧气浓度INq2 降低。在高负荷(典型地超过80至90%相对负荷P,el)处，火焰温度典型地高到足以确保完全燃烧，并且会达到入口空气的标准化氧气浓度INffi的最小值。在负荷进一步提高的情况下，压缩机入口质量典型地仍然会增加。但是，与入口质量流量相关的具体燃料消耗也会增加，并且因此入口空气的标准化氧气浓度INffi再次提高到直至基本负荷。取决于燃烧器，在低负荷处，不可能有具有低氧气浓度的稳定的引燃。那么将需要比图2中所示的氧气浓度更高的氧气浓度。因此，从约5%负荷至约20%负荷的线仅给出为虚线。图3示意性地显示了用于优化再循环率和再冷却温度的、考虑了燃气轮机6的入口空气的所需标准化氧气浓度INffi的实例。由虚线所指示的最佳CO2捕捉效率的再循环率r。apture是在烟道气中保持恒定的高 CO2浓度所需要的再循环率的变化的实例。从基本负荷开始，最佳(X)2捕捉效率的再循环率 r。aptureR以细微的梯度向下增加到约50%负荷。在约50%和100%之间的负荷范围中，典型地通过涡轮入口温度和可变入口导叶控制的组合来控制负荷。所以，对于入口质量流量而言特定的燃料喷射保持接近恒定，并且具体的(X)2产生量保持几乎恒定。在约50%负荷以下，可变入口导叶处于它们的关闭位置处，入口质量流量实际上保持恒定，并且燃气轮机负荷仅由涡轮入口温度控制。一旦入口质量流量接近恒定，具体的CO2产生量会随着涡轮入口温度的降低而降低。用以在烟道气中保持恒定的(X)2浓度的所需再循环率会对应地提尚ο但是，考虑到来自燃气轮机6的入口空气的所需标准化氧气浓度INffi，必须应用燃气轮机再循环率rCT来进行燃气轮机操作。在基本负荷处，系统被优化以获得完全燃烧和CO2捕捉系统的高的再循环率，并且在此实例中，燃气轮机再循环率rCT等于在基本负荷处的最佳CO2捕捉效率的再循环率r。apt_。如在图2的帮助下所论述的那样，当降低负荷时需要提高燃气轮机的入口空气的标准化氧气浓度1化2。对应地，必须降低可利用燃气轮机实现的燃气轮机再循环率rCT。仅在非常低的负荷处，当燃气轮机以扩散火焰运行时，可典型地将燃气轮机再循环率rCT提高回来，以达到最优(X)2浓度需要的水平。取决于燃烧器，在低负荷处，不可能有具有低氧气浓度的稳定燃烧。在此情况下， 在约5%负荷处仅可实现更小的再循环率。因此，从约5%负荷至约20%负荷的线仅给出为虚线。通过控制再循环质量流量，控制在再循环烟道气再冷却器07)之后的温度，以及考虑环境空气的温度和压缩机1的入口质量流量，可控制压缩机1的入口温度。在基本负荷处，再冷却温度典型地受到再循环烟道气再冷却器(XT)的容量限制， 并且取决于可用的热沉。在具有来自河或海的冷却水的冷却水冷却器的情况下，水温规定了可行的再冷却温度。在空气冷却器的情况下，最小再冷却温度典型地为超过环境温度5 至10°C。取决于再循环率，压缩机入口温度的温升更小。如果需要来自CCPP的具体的部分负荷动力输出，则降低涡轮入口温度或热气温度，并且根据运行概念来关闭可变入口导叶，直到达到目标动力为止。两者均导致设备效率的降低，其与相对负荷的降低成比例。通过控制压缩机入口温度，可控制设备的基本负荷动力。具体而言，压缩机入口温度的上升会导致基本负荷动力的降低。所以，可在基本负荷处或在提高的相对动力处到达上面提到的具体动力输出。只要由于以提高的相对负荷运行所引起的效率增益大于由于以升高的入口温度运行引起的效率损失，升高压缩机入口温度就可提高总效率。对于每个负荷设置点可确定对于设备而言特定的最佳压缩机入口温度。根据最佳压缩机入口温度、环境空气2的温度和对于负荷而言特定的燃气轮机再循环率rCT， 可确定最佳再冷却温度Tra(ral。在基本负荷处，这可受到再冷却器的冷却容量的限制。在更低的负荷处，可升高再冷却温度Treratjl，直到环境空气和经再冷却的烟道气的混合物达到可允许的最大压缩机入口温度。在此实例中，最大可允许压缩机入口温度为固定值。但是，因为燃气轮机再循环率会随着负荷改变，获得恒定的混合温度所需要的再冷却温度Tratral也会随着负荷改变。取决于燃气轮机6的设计，可允许的最大压缩机入口温度不是恒定的。例如在压缩机端部温度或来自中间压缩机的冷却空气放气温度是限制性因素的情况下可为这种情况。所以，将获得再冷却温度的不同的限制函数。在进一步提炼的实施例中，例如还可考虑环境压力、湿度和入口 /出口压降的影响，以确定对于负荷而言特定的最佳压缩机入口温度和对应的最佳再冷却温度。为了进一步增强运行柔性和克服在部分负荷和基本负荷处的再循环率的限制，提出了燃气轮机入口气体的氧气富集。图4示意性地显示了在具有后端CO2吸收、包括烟道气再循环和可变速度吹送器的CCPP中的氧气富集的布置。布置和功能基于图1中显示的布置和功能。另外，ASU(空气分离单元) 布置在压缩机1的上游。空气分离单元观将氧气或富氧空气34从入口空气2的一部分中分离出来。氧气或富氧空气34与环境空气2和来自烟道气再循环线路的再循环的烟道气混合。氧气耗尽的空气35倾泄到大气中。在本申请中，可应用具有低温分离的传统的ASU。但是，可应用需要更少的能量的基于薄膜的分离技术。它们可为特别有利的，因为提出的过程仅需要富氧空气而不需要纯氧气。预见到用以控制环境空气与氧气富集(物)的比率的控制机构，例如阀、风门或吹送器(未示出)。在上面且在附图中描述的示例性实施例对本领域技术人员公开了不同于示例性实施例但包含在本发明的范围中的实施例。例如，可为有利的是仅使用富氧空气34而不在空气分离单元观之后将其与环境空气2混合，以及直接混合此富氧空气34与再循环的烟道气(第一部分流21)，以获得压缩机入口气体3。这可降低提高混合物的总氧气浓度的动力需求，因为薄膜分离技术的动力需求典型地与浓度的提高成比例，并且如果不与环境空气发生混合，则会降低最大氧气浓度。另外，例如，可在燃气轮机中燃烧液体燃料，而非燃料气体5。为了实现使用CO或未燃烧的烃排放作为控制参数的控制方法，必须将CO或未燃烧的烃排放测量装置安装在燃气轮机6的下游。它可例如安装在燃气轮机烟道气(X)2和/或&测量装置37的位置处或在HRSG烟道气(X)2和/或&测量装置的对应测量装置38的位置处。它也可为组合的测量装置。部件列表1 压缩机2 环境空气3 压缩机入口气体4 燃烧器5 用于GT的燃料气体6 燃气轮机GT7 涡轮8 来自燃气轮机的热烟道气9 HRSG(热回收蒸汽发生器)10 用于第二部分流(通往(X)2捕捉系统)的烟道气吹送器11 用于第一部分流(烟道气再循环)的烟道气吹送器12 旁路闸门或阀13 蒸汽轮机14 冷凝器15 用于CO2捕捉的蒸汽抽取16 给水17 冷凝物返回线路18 CO2捕捉系统19 来自HRSG的烟道气20 第二部分流(通往(X)2捕捉系统的烟道气线路)21 第一部分流(烟道气再循环)22 CO2耗尽的烟道气23 烟道气冷却器(用于第二部分流)24 通往烟囱的烟道气旁路25 第一发电机
26第二发电机27再循环烟道气再冷却器(用于第一部分流)28ASU (空气分离单元)29烟道气分路器30新鲜蒸汽31捕捉到的CD232烟囱3334氧气/富氧燃料35氧气耗尽的空气 36入口空气CO2和/或O2测量装置37燃气轮机烟道气CO2和/或O2测量装置38HRSG烟道气CO22和/或O2测量装置 CCPP联合循环动力设备COE电成本IN02在入口空气中的标准化氧气浓度Prel CCPP的相对负荷rGT 燃气轮机再循环率rcopture 最佳CO2捕捉效率的在循环率Trecool再冷却温度
权利要求
1.一种用于运行具有CO2捕捉系统(18)和烟道气再循环系统的联合循环动力设备 (CCPP)的方法，其特征在于，依赖于负荷来控制再循环的烟道气的烟道气再循环率和再冷却温度(Traral),以优化包括所述CO2捕捉系统(18)的设备的总效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将氧气或富氧空气(34)掺合到所述联合循环动力设备的燃气轮机压缩机(1)的入口气体C3)中，以允许有更高的烟道气再循环率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所述联合循环动力设备的相对负荷(Pm1)的函数来给出在所述入口空气中的最小标准化氧气浓度(INJ，并且通过所述再循环率的改变和/或氧气或富氧空气(34)的掺合来控制在所述入口空气中的标准化氧气浓度(INq2)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述再循环率是在这样一种情况下的最高可行再循环率在所述入口空气中的标准化氧气浓度(INJ保持足以关于低CO和未燃烧的烃排放来确保完全燃烧。
5.根据权利要求1、2或4中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，作为实测CO 和/或未燃烧的烃排放的函数来调节所述再循环率和/或氧气或富氧空气(34)的掺合。
6.根据权利要求1、2或4中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，作为实测燃烧器脉动的函数来调节所述再循环率和/或氧气或富氧空气(34)的掺合。
7.根据权利要求1至6中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述再循环率保持超过最小值，以确保通过所述CO2捕捉系统(18)的所需的最小流量。
8.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，作为相对负荷 (Prel)的函数来控制所述再冷却温度(Tre。。J。
9.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，作为相对负荷 (Prei)和所述再循环率的函数来控制所述再冷却温度(TreraJ。
10.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述燃气轮机(6)的压缩机入口目标温度是相对负荷(Pm)的函数，并且通过控制所述再冷却温度 (Trecool)和所述再循环率的组合来控制所述燃气轮机(6)的压缩机入口目标温度。
11.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在用于再循环的可变速度烟道气吹送器(11)的帮助下和/或在用于被引导到所述CO2捕捉系统(18)的烟道气的通往CO2捕捉系统的可变速度烟道气吹送器(10)的帮助下，控制所述再循环率。
12.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，用于再循环的烟道气吹送器和/或通往(X)2捕捉系统的烟道气吹送器用来增强吹扫操作。
13.一种具有CO2捕捉系统(18)的联合循环动力设备，其特征在于，所述联合循环动力设备设计为以便根据权利要求1至12中的任一项权利要求所述的方法运行。
14.根据权利要求13所述动力设备(1)，其特征在于，所述动力设备(1)包括燃气轮机 (6)、热回收蒸汽发生器(9)、蒸汽轮机(13)、具有再循环烟道气再冷却器(XT)的烟道气再循环线路、通往所述CO2捕捉系统(18)的烟道气线路、烟道气冷却器(23)，以及在再循环的烟道气和环境空气的混合点与所述燃气轮机(6)的所述压缩机(1)之间的至少一个氧气和 /或CO2测量装置(36)和/或在所述燃气轮机(6)的下游的至少一个氧气和/或CO2测量装置(37，38)和/或至少一个CO和/或未燃烧的烃测量装置。
15.根据权利要求13或14所述的动力设备(1)，其特征在于，所述动力设备(1)包括用于再循环的可变速度烟道气吹送器(11)和/或用于被引导到所述CO2捕捉系统(18)的烟道气的通往(X)2捕捉系统的可变速度烟道气吹送器(10)，以控制所述再循环率。
16.根据权利要求13至15中的任一项权利要求所述的动力设备(1)，其特征在于，所述动力设备(1)包括空气分离单元08)，以用于将氧气或富氧空气(34)掺合到所述压缩机 ⑵的入口气体中。
全文摘要
因为CO2被确认为主要的温室气体，所以它的捕捉和存储对于控制全球变暖而言是必要的。具有CO2捕捉系统(18)的CCPP(联合循环动力设备)的柔性的、优化的运行将提高设计为进行CO2捕捉的CCPP的竞争力，并且将允许此种设备的更早引入。本发明的主要目标是提供一种用于具有烟道气再循环和CO2捕捉系统(18)的CCPP的优化运行的方法以及设计为根据此方法运行的设备。为此，提出组合两个参数来优化设备总效率。这些是在烟道气中的CO2浓度和再循环的烟道气的再冷却温度。另外，发现控制传送到CO2捕捉系统(18)的烟道气流是有利的。作为负荷的函数来给出这些参数，以优化包括CO2捕捉系统(18)的设备的总效率。除了该方法之外，设计为根据此方法运行的动力设备是本发明的主题。另外，提出将氧气或富氧空气掺合到燃气轮机入口气体(3)中来增强可操作性。
文档编号F02C3/34GK102265004SQ200980153118
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月21日 优先权日2008年12月24日
发明者C·马耶, C·鲁赫蒂, F·德劳克斯, H·纳格尔, J·霍夫曼, M·维尔苏姆, 李洪涛 申请人:阿尔斯通技术有限公司