专利名称：低排放三循环动力产生系统和方法
低排放三循环动力产生系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年7月2日提交的，名称为“Low EmissionTriple-Cycle Power Generation Systems and Methods (低排放三循环动力产生系统和方法)”的美国临时专利申请61/361，173的权益，其在此通过引用全文并入。
本申请含有涉及以下的主题于2010年7月2日提交的，名称为“Systems and Methods for Controlling Combustion of a Fuel (控制燃料燃烧的系统和方法)”的美国专利申请号61/361，169;于2010年7月2日提交的，名称为“Low Emission Triple-Cycle Power Generation Systems andMethods (低排放三循环动力产生系统和方法)”的美国专利申请号61/361，170 ;于2010年7月2日提交的，名称为“Stoichiometric Combustionffith Exhaust Gas Recirculation and Direct Contact Cooler (具有废气再循环和直接接触冷却器的化学计量的燃烧)”的美国专利申请号61/361，176 ;于2010 年 7 月 2 日提交的，名称为 “Stoichiometric Combustion ofEnriched Airffith Exhaust Gas Recirculation(具有废气再循环的富集空气的化学计量的燃烧)”的美国专利申请号 61/361，178,和于 2010 年 7 月 2 日提交的，名称为 “Low Emission Power Generation Systems and Methods (低排放动力产生系统和方法)”的美国专利申请号61/361，180。技术领域
本公开的实施方式涉及联合循环动力系统中的低排放动力产生。更具体地，本公开的实施方式涉及为了增强的CO2制造和捕获以及富氮气体的膨胀或压缩，化学计量地燃烧燃料的方法和装置。
背景技术：
本章节意欲介绍本领域的多个方面，其可与本公开的示例性实施方式相关。相信该讨论帮助提供框架，以便于更好地理解本公开的具体方面。因此，应当理解应据此阅读本章节，并不必承认为现有技术。
很多产油国家正经历动力需求的强烈国内增长并对提高采收率法采油(EOR)感兴趣，以提高从他们油藏采油。两种常见的EOR技术包含用于油藏压力保持的氮气(N2)注入和用于EOR的混相驱动(miscible flooding)的二氧化碳(CO2)注入。也存在关于温室气体(GHG)排放的全球关注。该关注连同很多国家中的限制和交易政策的执行使得减少CO2 排放成为这些和其他国家以及其中操作烃生产系统的公司优先考虑的事。
—些降低CO2排放的方法包含燃料去碳化或利用溶剂诸如胺类的燃烧后捕获。 然而，这两种方案昂贵并降低动力产生效力，导致较低的动力产生、增加的燃料需求和增加的电成本以满足国内动力需求。具体地，氧、SO5^P NOx成分的存在使得胺溶剂吸收的使用非常成问题。另一种方法是在结合循环中的含氧燃料(oxyfuel)燃气涡轮(例如， 其中来自燃气涡轮布雷顿循环的废热被捕获以制造蒸汽并且在兰金循环中产生额外的动力)。然而，没有可在这样的循环中运转的商业可得的燃气涡轮，并且生产高纯氧要求的动力显著降低了该工艺的总体效力。一些研究已经比较了这些工艺并显示每种方法的一些优势。见例如 BOLLAND，0LAV，和 UNDRUM，HENRIETTE, Removal of CO2 from Gas Turbine Power Plants:Evaluation ofpre-and post-combustion methods, SINTEF Group, found athttp://www. energy, sintef. no/pubI/xergi/98/3/3art-8-engelsk. htm(1998)。
降低CO2排放的其他方法包含诸如在天然气联合循环(NGCC)中的化学计量的废气再循环。在常规NGCC系统中，仅要求大约40%的空气吸入体积，以提供燃料的充分的化学计量的燃烧，而剩余60%的空气体积用于调节温度和冷却烟道气，以便适于引入随后的膨胀器，但也不利地产生难以去除的过量的氧副产品。典型的NGCC产生低压烟道气，其要求一部分产生的动力提取CO2,用于埋存(sequestration)或E0R,由此减少NGCC的热效力。 进一步，用于CO2提取的设备大并且昂贵，而且需要数个压缩阶段以便使环境压力气体达到 EOR或埋存所需的压力。这样的限制是来自与其他化石燃料诸如煤的燃烧相关的低压烟道气的燃烧后碳捕获的典型特征。
因此，仍然存在对低排放、高效力动力产生和CO2捕获或制造工艺的实质需要。发明内容
本公开涉及操作系统的三循环动力产生系统和方法。在一个示例性系统中，综合系统包括燃气涡轮系统、废气再循环系统和气体膨胀器。燃气涡轮系统具有第一燃烧室，其被配置用于在压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料。燃烧室引导第一排出物流至膨胀器，以产生气态废流和至少部分地驱动主压缩机。废气再循环系统接收来自燃气涡轮系统的膨胀器的气态废流并从其中含有的热能产生动力，诸如通过热回收蒸汽产生单元。废气再循环系统进一步按路线发送废气流至主压缩机，在那里将其压缩以产生压缩的再循环流。压缩的再循环流被引导至燃烧室以用作稀释剂，其被配置用于调节第一排出物流的温度。综合系统进一步包含经净化流流体连接至压缩的再循环流的CO2分离器。CO2分离器从净化流产生富含CCV流和残余流，包括富氮气体。如以上指示的，综合系统也包含气体膨胀器。气体膨胀器经残余流被流体连接至CO2分离器，因为其适于通过使残余流膨胀产生动力。
在操作三循环动力产生系统的示例性方法中，产生动力的方法可包括在第一燃烧室中和在压缩的再循环流的存在下，化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料。燃烧可从而产生第一排出物流。压缩的再循环流可用作稀释剂，其被配置用于调节第一排出物流的温度。该方法进一步包含在膨胀器中使第一排出物流膨胀以至少部分地驱动第一压缩机并产生气态废流。第一排出物流的膨胀可产生额外的动力用于其他用途。该方法进一步包含引导气态废流进入第一压缩机，其中第一压缩机压缩气态废流并从而产生压缩的再循环流。仍然进一步地，该方法包含经净化流提取一部分压缩的再循环流至CO2分离器，CO2 分离器经源于CO2分离器并主要由富氮气体组成的残余流流体连接至气体膨胀器。示例性方法进一步包含在气体膨胀器中使残余流膨胀，以产生机械动力和废气。
本公开的上述和其他优势可在回顾以下详细描述和实施方式的非限制性实施例的附图后变得显而易见，其中
图I描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的 CO2回收的综合系统。
图2描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的 CO2回收的另一个综合系统。
图3描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的 CO2回收的另一个综合系统。
图4描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的 CO2回收的另一个综合系统。
图5描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的 CO2回收的另一个综合系统。
图6描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的 CO2回收的另一个综合系统。
图7描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的 CO2回收的另一个综合系统。
图8描绘了根据本公开的一种或多种实施方式的用于低排放动力产生和增强的 CO2回收的另一个综合系统。
发明详述
在以下详述部分，本公开的具体实施方式
结合优选实施方式进行描述。然而，对于以下描述对于本公开的特定实施方式或特定用途是特异性的而言，意欲仅用于示例性目的和简单地提供示例性实施方式的描述。因此，本公开不限于以下描述的具体实施方式
，而是它包含落入所附权利要求的真实精神和范围内的所有可选方案、更改和等价物。
本文所用的多种术语定义如下。对于在权利要求中使用的术语在以下未定义而言，其应该给予在已经给予该术语的相关领域中的人最广泛的定义，如在至少一个印刷出版物或授权的专利中反映的。
如本文所用的，术语“天然气”指的是从原油井(相关的气体)或从地下含气地层 (非相关的气体)获得的多成分气体。天然气的组成和压力可显著变化。典型的天然气流含有甲烷(CH4)作为主要成分，即大于50mol%的天然气流为甲烷。天然气流也可含有乙烷 (C2H6)、较高分子量烃(例如，C3-C2tl烃)、一种或多种酸性气体(例如，硫化氢、二氧化碳) 或其任何组合。天然气也可含有少量杂质，诸如水、氮气、硫化铁、蜡、原油或其任何组合。
如本文所用的，术语“化学计量的燃烧”指的是具有一定体积的包括燃料和氧化剂的反应物和一定体积的由燃烧反应物形成的产物的燃烧反应，其中反应物的整个体积用于形成该产物。如本文所用的，术语“基本上化学计量的燃烧”指的是具有燃烧燃料与氧的摩尔比在以下范围中的燃烧反应从大约化学计量比要求的氧加或减10%，或更优选从大约化学计量比要求的氧加或减5%。例如，对于甲烷，燃料与氧的化学计量比为 1:2(CH4+202>C02+2H20)。丙烷将具有燃料与氧为1:5的化学计量比。测量基本上化学计量的燃烧的另一种方法为供应的氧与化学计量的燃烧需要的氧的比，诸如从大约O. 9:1至大约I. 1:1，或更优选从大约O. 95:1至大约1.05:1。
如本文所用的，术语“流”指的是一定体积的流体，尽管使用术语流通常表示移动体积的流体(例如，具有速度或质量流速)。然而，术语“流”不要求速度、质量流速或特定类型的用于封闭流的管道。
目前公开的系统和工艺的实施方式可用于生产超低排放电力和CO2，用于提高采收率法采油(EOR)或埋存应用。根据本文公开的实施方式，空气和燃料的混合物可化学计量地燃烧并且同时与再循环的废气流混合。通常包含燃烧产物诸如CO2的再循环的废气流可用作稀释剂以控制或以其他方式调节化学计量的燃烧和进入随后的膨胀器的烟道气的温度。
在接近化学计量的条件下的燃烧(或“轻微富(slightly rich) ”燃烧)可证明是有利的，以便消除过量氧去除的成本。通过冷却烟道气和从流冷凝出水，可以产生相对高含量的αν流。尽管一部分再循环的废气可用于闭合布雷顿循环中的温度调节，但剩余的净化流可用于EOR应用，并且可产生电力，很少或没有S0x、N0x或CO2排放至大气。例如，根据本文公开的实施方式，净化流可在适于排出富氮气体的CO2分离器中被处理，其可随后在气体膨胀器中膨胀，以产生额外的机械动力。本文公开的系统的结果是在三个分开的循环中产生动力，并以更经济有效的水平制造或捕获额外的C02。在一些实施中，富氮排出物流可通过多种方式进行加热，以便增加在氮气流上通过膨胀器可获得的动力。另外地，在一些实施中，膨胀器后的氮气出口可被冷却并且用于提供制冷，其可用于改善布雷顿循环中和/ 或回收废气中的压缩机(一个或多个)的效力。冷氮气流也可用于改善工艺效力的其他应用。
可选地，排出的富氮气体可被发送至EOR设施，用于额外的压缩和/或注入井用于采油和/或压力保持。尽管可能完全独立地生产用于油藏压力保持的氮气和用于EOR的 CO2，但本文公开的实施方式利用协同作用，当在综合工艺中生产氮气和CO2两者时，有可能以低得多的成本完成这些气体的生产，同时也产生动力。
现在参考图，图I说明了动力产生系统100，其被配置用于提供利用联合循环布置的改善的燃烧后CO2捕获工艺。在至少一个实施方式中，动力产生系统100可包含燃气涡轮系统102,其可以表征为闭合的布雷顿循环。在一个实施方式中，燃气润轮系统102可具有通过公共轴108或其他机械、电或其他动力连接连接至膨胀器106的第一或主压缩机104， 从而允许由膨胀器106产生的机械能的一部分驱动压缩机104。膨胀器106也可产生用于其他用途的动力。燃气涡轮系统102可为标准燃气涡轮，其中主压缩机104和膨胀器106 分别形成标准燃气涡轮的压缩机和膨胀器末端。然而，在其他实施方式中，主压缩机104和膨胀器106可为系统102中单独的组件。
燃气涡轮系统102也可包含燃烧室110，其被配置用于燃烧与压缩的氧化剂114混合的燃料流112。在一种或多种实施方式中，燃料流112可包含任何合适的烃气体或液体， 诸如天然气、甲烷、乙烷、石脑油、丁烷、丙烷、合成气、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生的燃料、 生物燃料、氧化烃原料或其组合。压缩的氧化剂114可源于流体连接至燃烧室110并且适于压缩供应氧化剂120的第二或入口压缩机118。在一种或多种实施方式中，供应氧化剂 120可包含任何合适的含氧气体,诸如空气、富氧空气、氧耗尽的空气、纯氧或其组合。
如将在以下更详细地描述的，燃烧室110也可接收压缩的再循环流144——其包含主要具有CO2和氮气成分的烟道气。压缩的再循环流144可源于主压缩机104并适于帮助促进压缩的氧化剂114和燃料112中的化学计量的燃烧，并也增加工作流体中CO2的浓度。在压缩的再循环流144的存在下，引导至膨胀器106的入口的排出物流116可作为燃料流112和压缩的氧化剂114的燃烧产物而产生。在至少一个实施方式中，燃料流112可主要为天然气，从而产生包含体积部分的蒸发的水、CO2、氮气、氧化氮(NOx)和氧化硫(SOx) 的排出物116。在一些实施方式中，小部分未燃烧的燃料112或其他化合物也可由于燃烧平衡限制存在于排出物116中。当排出物流116通过膨胀器106膨胀时，它产生机械动力，以驱动主压缩机104、发电机或其他设施，并也产生具有提高的CO2含量的气态废流122。
动力产生系统100也可包含废气再循环(EGR)系统124。尽管在图中说明的EGR 系统124合并了多种装置，但说明的构造仅是代表性的，并且可使用任何将废气122再循环回主压缩机的系统。在一种或多种实施方式中，EGR系统124可包含流体连接至蒸汽燃气涡轮128的热回收蒸汽发生器(HRSG) 126，或类似设备。在至少一个实施方式中，HRSG 126 和蒸汽燃气涡轮128的组合可以表征为闭合的兰金循环。结合燃气涡轮系统102、HRSG126 和蒸汽燃气涡轮128可形成联合循环动力产生工厂的一部分，诸如天然气联合循环(NGCC) 工厂。气态废流122可被发送至HRSG 126，以产生蒸汽的流130和冷却的废气132。在一些实施方式中，蒸汽130可被发送至蒸汽燃气涡轮128以产生额外的电力。
图I说明了任选地可被并入一些实施中的EGR系统124中的额外的装置。冷却的废气132可被发送至至少一个冷却单元134，其被配置用于降低冷却的废气132的温度并且产生冷却的再循环气流140。在一种或多种实施方式中，冷却单元134可为直接接触冷却器、调温冷却器(trim cooler)、机械制冷单元或其组合。冷却单元134也可被配置用于经水排泄流138去除一部分冷凝水，水排泄流138可在至少一个实施方式中经管线141按路线发送至HRSG 126，以提供用于产生额外的蒸汽130的水源。在一种或多种实施方式中，冷却的再循环气流140可被引导至流体连接至冷却单元134的增压器142 (如有需要)。在冷却单元134中，冷却冷却的废气132可减少压缩增压器142中冷却的再循环气流140需要的动力或完全消除对它的需要。
增压器142可被配置用于在冷却的再循环气流140被引入主压缩机104之前增加其压力。与常规风扇或鼓风机系统相反，增压器142增加冷却的再循环气流140的总体密度，从而引导相同体积流量至主压缩机104的增加的质量流速。因为主压缩机104通常是体积-流量限制的，引导更多质量流量通过主压缩机104可导致来自主压缩机104的较高排出压力，从而经过膨胀器106转换成较高的压力比。经过膨胀器106产生的较高压力比可允许较高的入口温度，并且因此增加膨胀器106的动力和效力。这可证明是有利的，因为富含CO2的排出物116通常保持较高的比热容。因此，当并入时，冷却单元134和增压器142 每一个可适于优化或改进燃气涡轮系统102的操作。
主压缩机104可被配置用于压缩从EGR系统124诸如从增压器142接收的冷却的再循环气流140至稍高于燃烧室110压力的压力，从而产生压缩的再循环流144。在至少一个实施方式中，净化流146可从压缩的再循环流144流出并随后在CO2分离器148中进行处理以在升高的压力下经管线150捕获C02。管线150中分离的CO2可用于出售，用于需要二氧化碳的另一个工艺，和/或被压缩和注入陆地油藏，用于提高采收率法采油(EOR)、埋存或另一个目的。
基本上耗尽CO2并且主要由氮气组成的残余流151可源于CO2分离器148。在一种或多种实施方式中，残余流151可在气体膨胀器152诸如流体连接至CO2分离器148的产生动力的氮气膨胀器中进行膨胀。如图1-3所描绘的，气体膨胀器152可通过公共轴154或其他机械、电或其他动力任选地连接连接至入口压缩机118，从而允许由气体膨胀器152产生的一部分动力驱动入口压缩机118。在气体膨胀器152中膨胀后，主要由氮气组成的废气 156可被排出至大气或在本领域已知的其他下游应用中实施。例如，膨胀的氮气流可用于蒸发冷却工艺,其被配置用于进一步降低废气温度,如在同时提交的名称为“Stoichiometric Combustion with Exhaust GasRecirculation and Direct Contact Cooler (具有废气再循环和直接接触冷却器的化学计量的燃烧)”的美国专利申请中大体描述的，其内容在此通过引用并入至与本公开一致。在至少一个实施方式中，气体膨胀器152、入口压缩机118和 CO2分离器的组合可以表征为开放的布雷顿循环，或系统100的第三动力产生部件。
尽管气体膨胀器152和入口压缩机118的组合或连接可类似于开放的布雷顿循环，但气体膨胀器152——不管从入口压缩机118连接或未连接，均提供系统100的第三动力产生部件。例如，气体膨胀器152可用于向其他应用提供动力，并且不直接连接至化学计量的压缩机118。例如，在由膨胀器152产生的动力和压缩机118的要求之间存在大量失配。在这种情况下，膨胀器152可适于驱动需要较少动力的较小的压缩机(未示出)(或驱动入口压缩机118和一种或多种额外的设施)。
还在其他实施方式中，如将在以下参考图8讨论的，气体膨胀器152可用下游压缩机188取代，其被配置用于压缩残余流151和产生适于注入油藏用于压力保持或EOR应用的压缩的废气190。
如本文所述的EGR系统124可被实施以实现动力产生系统100的工作流体中较高浓度的CO2，从而允许更有效的CO2分离，用于随后的埋存、压力保持或EOR应用。例如，本文公开的实施方式可有效增加烟道气废流中CO2的浓度至大约10vol%或更高。为了实现该目标，燃烧室110可适于化学计量地燃烧燃料112和压缩的氧化剂114的进入混合物。为了调节化学计量燃烧的温度，以满足膨胀器106入口温度和成分冷却要求，源于压缩的再循环流144的一部分废气可被注入燃烧室110作为稀释剂。因此，本公开的实施方式可基本上消除来自工作流体的任何过量的氧，同时增加其CO2组分。如此，气态废流122可具有小于大约3. Ovo 1%的氧，或小于大约I. Ovo 1%的氧，或小于大约0. lvol%的氧，或甚至小于大约0. 001vol%的氧。在一些实施中，燃烧室110，或更具体地燃烧室的入口流可优选被控制为亚化学计量的燃烧，以进一步减少气态废流122的氧含量。
现在将讨论系统100的示例性操作的细节。如可被理解的，在任何本文公开的实施方式的不同部件中实现或经历的具体温度和压力可取决于使用的氧化剂的纯度和膨胀器、压缩机、冷却器等的具体制造和/或型号等等这些因素变化。因此，将理解本文描述的特定数据仅是为了说明性目的并且不应当被理解为其唯一的解释。例如，在本文所述的一个实施方式中，入口压缩机118可被配置为提供在大约280psia和大约300psia之间范围的压力下的压缩的氧化剂114的化学计量的压缩机。然而，同样在本文中考虑的是航改式 (aeroderivative)燃气润轮技术,其可产生和消耗高达大约750psia和更多的压力。
主压缩机104可被配置用于再循环和压缩再循环的废气成为稍高于燃烧室110压力的压力下或在燃烧室110压力下的压缩的再循环流144，并且在燃烧室110中使用一部分再循环的废气作为稀释剂。因为燃烧室110中需要的稀释剂的量可取决于用于化学计量的燃烧的氧化剂的纯度或膨胀器106的型号，热电偶环和/或氧传感器(未示出)可与燃烧室和/或膨胀器相关连。例如，热电偶和/或氧传感器可被放置在燃烧室110的出口、在膨胀器106的入口上和/或在膨胀器106的出口上。在操作中，热电偶和传感器可适于确定一种或多种流的组成和/或温度，用于确定要求作为稀释剂以冷却燃烧产物至要求的膨胀器入口温度需要的废气的体积。另外地或可选地，热电偶和传感器可适于确定将被注入燃烧室110的氧化剂的量。因此，响应于由热电偶检测的热要求和由氧传感器检测的氧水平， 压缩的再循环流144和/或压缩的氧化剂114的体积质量流可被操纵或控制以符合需求。 体积质量流速可通过任何合适的流量控制系统进行控制。
在至少一个实施方式中，可在化学计量的燃烧期间通过燃烧室110经历大约 12-13psia的压力降。燃料112和压缩的氧化剂114的燃烧可产生大约2000 °F和大约 3000 °F之间的温度以及范围从250psia至大约300psia的压力。因为增加的质量流和源于压缩的再循环流144的富含CO2的工作流体的较高比热容，可实现通过膨胀器106的较高的压力比，从而允许较高的入口温度和增加的膨胀器106动力。
离开膨胀器106的气态废流122可具有在或接近环境的压力。在至少一个实施方式中，气态废流122可具有大约15. 2psia的压力。在通过HRSG126之前，气态废流122的温度可从大约1180 °F至大约1250 ° 的范围内，以产生管线130中的蒸汽和冷却的废气132。 冷却的废气132可具有从大约190 °F至大约200 ° 范围内的温度。在一种或多种实施方式中，冷却单元134可降低冷却的废气132的温度，从而产生具有温度在大约32 ° 和120 0F 之间的冷却的再循环气流140，主要取决于在具体的位置和在具体季节期间的湿球温度。
根据一种或多种实施方式，增压器142可被配置用于提高冷却的再循环体流140 的压力至范围从大约17. Ipsia至大约21psia的压力。结果,主压缩机104接收和压缩具有较高的密度和增加的质量流的再循环的烟道气工作流体，从而允许充分较高的排出压力， 同时保持相同或相似的压力比。在至少一个实施方式中，从主压缩机104排出的压缩的再循环流144的温度可为大约800 °F，压力为大约280psia。
下表提供了具有和不具有增压器142增加的益处的基于联合循环燃气涡轮的测试结果和性能评估，如本文所述的。
表I
权利要求
1.综合系统，包括 具有第一燃烧室的燃气涡轮系统，所述第一燃烧室被配置用于在压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料，其中所述燃烧室引导第一排出物流至膨胀器，以产生气态废流并且至少部分地驱动主压缩机； 废气再循环系统，其中所述主压缩机压缩所述气态废流并且从而产生所述压缩的再循环流，所述压缩的再循环流用作稀释剂，其被配置用于调节所述第一排出物流的温度； CO2分离器，其经净化流流体连接至所述压缩的再循环流；和 气体膨胀器，其经源于所述CO2分离器的主要由富氮气体组成的残余流流体连接至所述CO2分尚器。
2.权利要求I所述的系统，其中所述废气再循环系统进一步包括至少一个增压器，其被配置用于在引导冷却的再循环气体进入所述主压缩机之前接收和提高所述气态废流的压力。
3.权利要求2所述的系统，进一步包括流体连接至所述至少一个增压器的第一冷却单元和第二冷却单元，所述第一冷却单元被配置用于在所述气态废流进入所述至少一个增压器之前接收和冷却所述气态废流，和所述第二冷却单元被配置用于接收来自所述至少一个增压器的所述气态废流并且进一步冷却所述气态废流以产生所述冷却的再循环气体。
4.权利要求I所述的系统，进一步包括加热器构件，其适于加热所述残余流产生加热的氮蒸气流。
5.权利要求4所述的系统，其中所述气体膨胀器被配置用于使所述加热的氮蒸气膨胀并且从而产生机械动力和废气。
6.权利要求5所述的系统，进一步包括由通过所述气体膨胀器产生的所述机械动力驱动的入口压缩机，其中所述入口压缩机被配置用于提供所述第一压缩的氧化剂。
7.权利要求4所述的系统，其中所述加热器构件包括流体连接至所述净化流和所述残余流两者的热交换器，所述热交换器被配置用于降低所述净化流的温度并且同时升高所述残余流的温度。
8.权利要求I所述的系统，进一步包括与所述净化流结合放置的催化装置，所述催化装置被配置用于在所述净化流进入所述加热器构件之前升高所述净化流的温度。
9.权利要求4所述的系统，其中所述加热器构件包括流体连接至所述残余流的第二燃烧室并且被配置用于化学计量地燃烧第二燃料和第二压缩的氧化剂，以产生第二排出物流。
10.权利要求9所述的系统，其中所述气体膨胀器被配置用于使所述第二排出物流膨胀并且从而产生机械动力和废气。
11.权利要求9所述的系统，其中所述第一压缩的氧化剂和第二压缩的氧化剂和所述第一燃料和第二燃料分别来自相同的来源。
12.权利要求9所述的系统，其中所述第二燃料为氢燃料。
13.产生动力的方法，包括 在第一燃烧室中并在压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧第一压缩的氧化剂和第一燃料，从而产生第一排出物流，其中所述压缩的再循环流用作稀释剂，其被配置用于调节所述第一排出物流的温度；在膨胀器中使所述第一排出物流膨胀，以至少部分地驱动第一压缩机并且产生气态废流； 引导所述气态废流进入所述第一压缩机，其中所述第一压缩机压缩所述气态废流并且从而产生所述压缩的再循环流； 经净化流提取一部分所述压缩的再循环流至CO2分离器，所述CO2分离器经源于所述CO2分离器并且主要由富氮气体组成的残余流流体连接至气体膨胀器；和在气体膨胀器中使所述残余流膨胀，从而产生机械动力和废气。
14.权利要求13所述的方法，进一步包括增压器和冷却单元中的至少一个，其适于增加所述气态废流的质量流速，以产生再循环气体。
15.权利要求14所述的方法，包括利用流体连接至至少一个增压器的第一冷却单元冷却所述气态废流，所述第一冷却单元被配置用于在所述气态废流进入所述至少一个增压器之前接收和冷却所述气态废流。
16.权利要求15所述的方法，进一步包括利用流体连接至所述至少一个增压器的第二冷却单元冷却来自所述至少一个增压器的所述气态废流，以产生所述再循环气体。
17.权利要求13所述的方法，进一步包括利用由所述气体膨胀器产生的所述机械动力驱动入口压缩机，所述入口压缩机被配置用于产生所述第一压缩的氧化剂。
18.权利要求13所述的方法，进一步包括加热器构件，其适于升高所述残余流的温度，以产生加热的氮蒸气流。
19.权利要求18所述的方法，其中所述加热器构件包括流体连接至所述净化流和所述残余流两者的热交换器，并且进一步包括利用所述热交换器降低所述净化流的温度和升高所述残余流的温度，从而产生所述加热的氮蒸气流。
20.权利要求19所述的方法，进一步包括通过在催化装置中燃烧氧和剩余的燃料升高所述净化流的温度，所述催化装置在所述热交换器之前被布置在所述净化流内。
21.权利要求13所述的方法，进一步包括将水注入所述加热的氮蒸气流以增加所述气体膨胀器的质量通过量。
22.权利要求18所述的方法，其中所述加热器构件包括第二燃烧室，并进一步包括在流体连接至所述残余流的所述第二燃烧室中化学计量地燃烧第二燃料和第二压缩的氧化齐U，所述第二燃烧室被配置用于产生第二排出物流。
23.权利要求22所述的方法，进一步包括利用从所述CO2分离器排出的所述残余流调节所述第二排出物流的温度。
24.权利要求20所述的方法，进一步包括在所述气体膨胀器中使所述第二排出物流膨胀，以产生机械动力从而驱动入口压缩机，所述入口压缩机被配置用于产生所述第一压缩的氧化剂。
25.综合系统，包括 第一燃气润轮系统，包括 第一压缩机，其被配置用于接收和压缩再循环的废气，并且提供第一压缩的再循环流； 第一燃烧室，其被配置用于接收所述第一压缩的再循环流、第一压缩的氧化剂和第一燃料流，所述第一燃烧室适于化学计量地燃烧所述第一燃料流和第一压缩的氧化剂，其中所述第一压缩的再循环流用作稀释剂以调节燃烧温度；和 第一膨胀器，其连接至所述第一压缩机并被配置用于接收来自所述第一燃烧室的第一排出物，并且产生所述再循环的废气并且至少部分地驱动所述第一压缩机； 净化流，其从所述压缩的再循环流获得并且在CO2分离器中被处理，以提供CO2流和残余流，所述残余流基本上包括氮气；和 第二燃气涡轮系统，其经所述净化流流体连接至所述第一燃气涡轮系统，所述第二燃气涡轮系统包括 第二压缩机，其被配置用于接收和压缩供应氧化剂并且产生第二压缩的氧化剂，所述第一压缩的氧化剂至少部分源于所述第二压缩的氧化剂； 第二燃烧室，其被配置用于接收所述第二压缩的氧化剂、来自所述残余流的氮气和第二燃料流，所述第二燃烧室适于化学计量地燃烧所述第二燃料流和第二压缩的氧化剂，其中所述氮气用作稀释剂以调节燃烧温度；和 第二膨胀器，其连接至所述第二压缩机并且被配置用于接收来自所述第二燃烧室的第二排出物并且产生废气和至少部分地驱动所述第二压缩机。
26.权利要求25所述的系统，其中所述第一燃气涡轮系统进一步包括增压器，其被配置用于在注入所述第一压缩机之前增加所述再循环的废气的压力，以提供所述压缩的再循环流。
27.权利要求26所述的系统，其中所述第二燃料为氢燃料。
28.权利要求26所述的系统，其中所述第二燃气涡轮系统进一步包括热回收蒸汽发生器，其被配置用于接收来自所述第二膨胀器的废气并且为蒸汽燃气涡轮提供蒸汽。
29.综合系统，包括 具有第一燃烧室的燃气涡轮系统，所述第一燃烧室被配置用于在压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧压缩的氧化剂和燃料，其中所述燃烧室向膨胀器提供排出物流，以便产生气态废流并且至少部分地驱动第一压缩机； 具有至少一个增压器的废气再循环系统，所述至少一个增压器被配置用于在引导冷却的再循环气体进入所述第一压缩机之前接收和提高所述气态废流的压力，其中所述第一压缩机压缩所述冷却的再循环气体并且从而产生所述压缩的再循环流，所述压缩的再循环流用作稀释剂，其被配置用于调节所述排出物流的温度； CO2分离器，其经净化流流体连接至所述压缩的再循环流；和 下游压缩机，其经源于所述CO2分离器并且主要由富氮气体组成的残余流流体连接至所述CO2分离器。
30.权利要求29所述的系统，其中所述下游压缩机被配置用于压缩所述富氮气体用于压力保持。
全文摘要
提供了用于联合循环动力工厂中的低排放动力产生的方法和系统。一个系统包含燃气涡轮系统，其在压缩的再循环流的存在下化学计量地燃烧燃料和氧化剂，以提供机械动力和气态废气。压缩的再循环流用作稀释剂以调节燃烧工艺的温度。增压器可在气态废气被压缩成为压缩的再循环流之前提高气态废气的压力。净化流从压缩的再循环流流出并且被引导至排出CO2和富氮气体的CO2分离器，CO2和富氮气体可在气体膨胀器中膨胀以产生额外的机械动力。
文档编号F02C6/00GK102985665SQ201180033204
公开日2013年3月20日 申请日期2011年6月9日 优先权日2010年7月2日
发明者R·H·欧尔菲克, M·明特 申请人:埃克森美孚上游研究公司