(57) Реферат / Формула:
Предоставлены способы и системы для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов в силовых установках комбинированного цикла. Одна из систем включает в себя газотурбинную систему, которая стехиометрически сжигает топливо и окислитель при наличии сжатого рециркулирующего потока для предоставления механической энергии и газообразного выхлопа. Сжатый рециркулирующий поток действует как разбавитель для сдерживания температуры процесса горения. Вспомогательный компрессор может увеличить давление газообразного выхлопа перед тем, как он сожмется в сжатый рециркулирующий поток. Поток продувки выпускается из сжатого рециркулирующего потока и направляется в сепаратор CO 2 , который выпускает CO 2 и обогащенный азотом газ, который может быть расширен в газовом расширителе для создания дополнительной механической энергии.
Евразийское (2D 201390054 (13) А1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. F02C 6/00 (2006.01)
2013.04.30 F02C 7/22 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2011.06.09
(54) СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ТРОЙНОГО ЦИКЛА С НИЗКИМ УРОВНЕМ ВЫБРОСОВ
(31) 61/361,173
(32) 2010.07.02
(33) US
(86) PCT/US2011/039826
(87) WO 2012/003077 2012.01.05
(71) Заявитель:
ЭКСОНМОБИЛ АПСТРИМ РИСЕРЧ КОМПАНИ (US)
(72) Изобретатель:
Элфке Расселл Х., Минта Моузес (US)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU) (57) Предоставлены способы и системы для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов в силовых установках комбинированного цикла. Одна из систем включает в себя газотурбинную систему, которая стехиометрически сжигает топливо и окислитель при наличии сжатого ре-циркулирующего потока для предоставления механической энергии и газообразного выхлопа. Сжатый рециркулирующий поток действует как разбавитель для сдерживания температуры процесса горения. Вспомогательный компрессор может увеличить давление газообразного выхлопа перед тем, как он сожмется в сжатый рециркулирующий поток. Поток продувки выпускается из сжатого ре-циркулирующего потока и направляется в сепаратор CO2, который выпускает CO2 и обогащенный азотом газ, который может быть расширен в газовом расширителе для создания дополнительной механической энергии.
2420-191534ЕА/019 СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ТРОЙНОГО ЦИКЛА С
НИЗКИМ УРОВНЕМ ВЫБРОСОВ
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта заявка испрашивает приоритет Предварительной заявки 61/361173 на Патент США, поданной 2 июля 2010 года, озаглавленной "Системы и Способы Производства Электроэнергии Тройного Цикла с Низким Уровнем Выбросов", вся полнота которой включена в материалы настоящей заявки посредством ссылки.
Заявка содержит объект изобретения, относящийся к Заявке на Патент США номер 61/361169, поданной 2 июля 2010 года, озаглавленной "Системы и способы управления горением топлива"; к Заявке на Патент США Номер 61/361170, поданной 2 июля 2010 года, озаглавленной "Системы и Способы Производства Электроэнергии Тройного Цикла с Низким Уровнем Выбросов"; к Заявке на Патент США Номер 61/361176, поданной 2 июля 2010 года, озаглавленной "Стехиометрическое Горение с Рециркуляцией Выхлопных Газов и Охладителем Прямого Контакта"; к Заявке на Патент США Номер 61/361178, поданной 2 июля 2010 года, озаглавленной "Стехиометрическое Горение Обогащенного Воздуха с Рециркуляцией Выхлопных Газов" и к Заявке на Патент США Номер 61/361180, поданной 2 июля 2010 года, озаглавленной "Способы и Системы Производства Электроэнергии с Низким Уровнем Выбросов".
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ РАСКРЫТИЕ
Варианты осуществления изобретения относятся к производству электроэнергии с низким уровнем выбросов в энергетических системах комбинированного цикла. В частности, варианты осуществления изобретения относятся к способам и устройствам для стехиометрического сжигания топлива для улучшенного производства и захвата СОг и расширения или сжатия обогащенного азотом газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Данный раздел предназначен для представления различных аспектов уровня техники, которые могут быть связаны с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Предполагается, что данное обсуждение поможет в предоставлении основы для лучшего понимания конкретных аспектов настоящего изобретения. Соответственно, должно быть понятно, что данный раздел должен быть прочитан в этом свете и не обязательно в качестве допущений предшествующего уровня техники.
Многие нефтедобывающие страны испытывают сильный внутренний рост спроса электроэнергии и имеют интерес в добыче нефти вторичным методом (EOR) для улучшения нефтеотдачи из их резервуаров. Два наиболее распространенных способа EOR заключаются во впрыскивании азота (N2) для поддержания давления резервуара и впрыскивании двуокиси углерода (СОг) для нагнетания в пласт смешивающихся с нефтью жидкостей для EOR. Существует также мировая проблема, касающаяся выброса парниковых газов (GHG). Эта проблема в сочетании с исполнением политик ограничения и торговли выбросами во многих странах делает уменьшение выбросов СОг приоритетом для этих и других стран, а также компаний, которые работают там с системами добычи углеводородов.
Некоторые подходы к уменьшению выбросов СОг включают в себя декарбонизацию топлива или захват после сгорания с использованием растворителей, таких как амины. Однако оба этих решения являются дорогими и уменьшают эффективность производства электроэнергии, приводя к меньшему производству электроэнергии, увеличенной потребности в топливе и увеличенной стоимости электричества для удовлетворения внутреннего спроса на электроэнергию. В частности, наличие кислорода, компонентов SOx (сернокислые окислы) и NOx (окислы азота) делают использование впитывания аминного растворителя очень проблематичным. Другой подход представляет собой кислородно-топливную газовую турбину в комбинированном цикле (например, где тепло выхлопных газов из газотурбинного цикла Брайтона захватывается для изготовления пара и генерирования дополнительной электроэнергии в цикле Ранкина). Однако не существует коммерчески доступных газовых турбин, которые могут работать в таком цикле, и энергия, необходимая для производства кислорода высокой чистоты, значительно снижает общую
эффективность процесса. Несколько исследований сравнили эти процессы и показывают некоторые из преимуществ каждого подхода. См., например, BOLLAND, ОLAV, и UNDRUM, HENRIETTE, удаление С02 из газотурбинных силовых установок: Оценка способов пред- и пост-горения, Группа SINTEF, найдено в Интернет по адресу Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.(1998).
Другие подходы к уменьшению выбросов СОг заключаются в стехиометрической рециркуляции выхлопных газов, например, комбинированных циклах со сжиганием природного газа (NGCC). В традиционных системах NGCC только около 4 0% объема подаваемого воздуха требуется для обеспечения соответствующего стехиометрического горения топлива, тогда как оставшиеся 60% объема воздуха служат для сдерживания температуры и охлаждения топочного газа, для того чтобы он подходил для введения в последующий расширитель, но также неблагоприятно производят излишний кислородный побочный продукт, который трудно удалить. Типичный NGCC производит топочный газ низкого давления, который требует части произведенной энергии для извлечения СОг для секвестрации или EOR, тем самым уменьшая тепловую эффективность NGCC. Кроме того, оборудование для извлечения СОг является большим и дорогим, и требуется несколько стадий сжатия для того, чтобы довести газ под давлением окружающей среды до давления, требуемого для EOR или секвестрации. Такие ограничения типичны для захвата углерода после горения из топочного газа низкого давления, связанного с горением других ископаемых видов топлива, таких как уголь.
Соответственно, все еще есть существенная необходимость в высокоэффективном производстве электроэнергии с низким уровнем выбросов и захвате СОг или процессе производства.
СУЩНОСТЬ РАСКРЫТИЯ
Настоящее изобретение направлено на системы производства электроэнергии тройного цикла и способы управления системой. В одной из примерных систем интегрированная система содержит газотурбинную систему, систему рециркуляции выхлопных газов и газовый расширитель. Газотурбинная система имеет первую камеру
сгорания, выполненную с возможностью стехиометрического горения первого сжатого окислителя и первого топлива при наличии сжатого рециркулирующего потока. Камера сгорания направляет первый выходящий поток в расширитель для генерирования газообразного выхлопного потока и, по меньшей мере, частичного приведения в действие основного компрессора. Система рециркуляции выхлопных газов принимает газообразный выхлопной поток из расширителя газотурбинной системы и производит энергию из тепловой энергии, заключенной в нем, как например через блок теплоутилизационной парогенерации. Система рециркуляции выхлопных газов дополнительно направляет поток выхлопных газов в основной компрессор, где он сжимается для создания сжатого рециркулирующего потока. Сжатый рециркулирующий поток направляется в камеру сгорания для того, чтобы действовать в качестве разбавителя, выполненного с возможностью сдерживания температуры первого выходящего потока. Интегрированная система дополнительно включает в себя сепаратор СОг, соединенный по текучей среде со сжатым рециркулирующим потоком через поток продувки. Сепаратор СОг генерирует обогащенный СОг поток и остаточный поток, содержащий обогащенный азотом газ, из потока продувки. Как показано выше, интегрированная система также включает в себя газовый расширитель. Газовый расширитель соединен по текучей среде с сепаратором СОг через остаточный поток, т.к. он приспособлен для генерирования энергии путем расширения остаточного потока.
В примерном способе работы системы производства электроэнергии тройного цикла способ производства
электроэнергии может содержать стехиометрическое горение первого сжатого окислителя и первого топлива в первой камере сгорания и при наличии сжатого рециркулирующего потока. Горение тем самым может генерировать первый выходящий поток. Сжатый рециркулирующий поток может действовать в качестве разбавителя, выполненного с возможностью сдерживания температуры первого выходящего потока. Способ дополнительно включает в себя расширение первого выходящего потока в расширителе для того, чтобы, по меньшей мере, частично приводить в действие первый
компрессор и генерировать газообразный выхлопной поток. Расширение первого выходящего потока может генерировать дополнительную энергию для других нужд. Способ дополнительно включает в себя направление газообразного выхлопного потока в первый компрессор, при этом первый компрессор сжимает газообразный выхлопной поток и тем самым генерирует сжатый рециркулирующий поток. Дополнительно способ включает в себя извлечение части сжатого рециркулирующего потока в сепаратор СОг через поток продувки, при этом сепаратор СОг соединен по текучей среде с газовым расширителем через остаточный поток, полученный из сепаратора СОг и состоящий главным образом из обогащенного азотом газа. Примерный способ дополнительно включает в себя расширение остаточного потока в газовом расширителе для генерирования механической энергии и выхлопного газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предшествующие и другие преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными при рассмотрении последующего подробного описания и чертежей неограничивающих примеров вариантов осуществления, на которых:
ФИГ.1 изображает интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и улучшенным извлечением СОг согласно одному или более варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 2 изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и улучшенным извлечением СОг согласно одному или более варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ.З изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и улучшенным извлечением СОг согласно одному или более варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 4 изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и улучшенным извлечением СОг согласно одному или более варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 5 изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и улучшенным извлечением СОг согласно одному или более варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. б изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и улучшенным извлечением СОг согласно одному или более варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 7 изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и улучшенным извлечением СОг согласно одному или более варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 8 изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и улучшенным извлечением СОг согласно одному или более варианту осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последующем разделе подробного описания описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения в связи с предпочтительными вариантами осуществления. Однако поскольку последующее описание является специфичным для конкретного варианта осуществления или конкретного использования настоящего изобретения, оно предназначено только для примерных целей и просто предоставляет описание примерных вариантов осуществления. Соответственно, изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления, описанными ниже, но скорее включает в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты, подпадающие под истинную сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.
Различные термины, используемые в материалах настоящей заявки, определены ниже. В тех случаях, когда используемый в формуле изобретения термин не определен ниже, должно быть дано самое широкое определение, которое дали специалисты в области техники этому термину, как отражено, по меньшей мере, в одной печатной публикации или выданном патенте.
Как используется в материалах настоящей заявки, термин
"природный газ" относится к многокомпонентному газу, полученному из буровой скважины сырой нефти (попутный газ) или из подземной газоносной формации (непопутный газ) . Состав и давление природного газа может значительно колебаться. Типичный поток природного газа содержит метан (СЩ) в качестве основного компонента, т.е., больше, чем 50 молярных % потока природного газа представляет собой метан. Поток природного газа может также содержать этан (СгНб) , углеводороды с более высоким молекулярным весом (например, углеводороды С3-С20) г один или более кислый газ (например, сероводород, двуокись углерода) или любую их комбинацию. Природный газ может также содержать небольшие количества загрязняющих веществ, таких как вода, азот, сульфид железа, воск, сырая нефть или любую их комбинацию.
Как используется в материалах настоящей заявки, термин "стехиометрическое горение" относится к реакции горения, имеющей объем реагентов, содержащих топливо и окислитель, и объем продуктов, образованных сгоранием реагентов, где общий объем реагентов используется для образования продуктов. Как используется в материалах настоящей заявки, термин "по существу стехиометрическое горение" относится к реакции горения, имеющей молярное отношение топлива горения к кислороду, колеблющееся в пределах плюс или минус 10% от кислорода, требуемого для стехиометрического отношения или, более предпочтительно, плюс или минус 5% от кислорода, требуемого для стехиометрического отношения. Например, стехиометрическое отношение топлива к кислороду для метана равно 1:2 (СН4+202> С02+2НгО) . Пропан будет иметь стехиометрическое отношение топлива к кислороду, равное 1:5. Другой способ измерения по существу стехиометрического горения заключается в измерении отношения подаваемого кислорода к кислороду, требуемому для стехиометрического горения, такого как от около 0,9:1 до около 1,1:1 или более предпочтительно от около 0,95:1 до около 1,05:1.
Как используется в материалах настоящей заявки, термин "поток" относится к объему текучих сред, хотя использование термина поток типично означает движущийся объем текучих сред
(например, имеющих скорость или массовый расход). Термин "поток", однако, не требует скорости, массового расхода или определенного типа трубопровода для охватывания потока.
Варианты осуществления раскрываемых в настоящее время систем и процессов могут использоваться для производства электроэнергии с ультранизким уровнем выбросов и СОг для добычи нефти вторичным методом (EOR) или применений секвестрации. Согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки, смесь воздуха и топлива может стехиометрически гореть и одновременно смешиваться с потоком рециркулирующих выхлопных газов. Поток рециркулирующих выхлопных газов, как правило включающий в себя продукты горения, такие как СОг, может использоваться как разбавитель для управления или иным образом сдерживания температуры стехиометрического горения и топочного газа, поступающего в последующий расширитель.
Горение в условиях, близких к стехиометрическим (или "слегка обогащенное" горение) может оказаться выгодным для исключения затрат на удаление избыточного кислорода. Посредством охлаждения топочного газа и конденсации воды из потока может быть сгенерирован поток с относительно высоким содержанием СОг. Тогда как часть рециркулирующего выхлопного газа может использоваться для сдерживания температуры в закрытом цикле Брайтона, оставшийся поток продувки может использоваться для применений EOR, а электроэнергия может быть произведена с небольшим или нулевым количеством SOx, NOx, или СОг, выбрасываемым в атмосферу. Например, согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки, поток продувки может быть обработан в сепараторе СОг, приспособленном для выпуска обогащенного азотом газа, который может быть затем расширен в газовом расширителе для генерирования дополнительной механической энергии. Результатом систем, раскрытых в материалах настоящей заявки, является производство
электроэнергии в трех отдельных циклах и производство или улавливание дополнительного СОг на более экономически эффективном уровне. В некоторых реализациях обогащенный азотом
выходящий поток может нагреваться с помощью различных средств для увеличения энергии, получаемой через расширитель на азотном потоке. Дополнительно в некоторых вариантах реализации азотный клапан, следующий за расширителем, может охлаждаться и использоваться для обеспечения охлаждения, что может использоваться для улучшения эффективности компрессора(-ов) в цикле Брайтона и/или при повторном использовании выхлопного газа. Холодный азотный поток мог бы также использоваться в других применениях, которые улучшают эффективность процесса.
Альтернативно, выпущенный обогащенный азотом газ может быть направлен в устройства EOR для дополнительного сжатия и/или впрыскивания в скважины для добычи нефти и/или поддержания давления. Хотя возможно генерировать азот для поддержания пластового давления и СОг для EOR полностью независимо, варианты осуществления, раскрытые в материалах настоящей заявки, имеют преимущество совместных действий, которые возможны, когда как азот, так и СОг производятся в интегрированном процессе для достижения производства этих газов с намного меньшей стоимостью, при этом производя электроэнергию.
Обращаясь теперь к фигурам, ФИГ.1 иллюстрирует систему 100 производства электроэнергии, выполненную с возможностью обеспечения улучшенного процесса захвата СОг после горения с использованием установки комбинированного цикла. По меньшей мере, в одном варианте осуществления система 100 производства электроэнергии может включать в себя газотурбинную систему 102, которая может быть охарактеризована как закрытый цикл Брайтона. В одном из вариантов осуществления газотурбинная система 102 может иметь первый или основной компрессор 104, соединенный с расширителем 106 через общий вал 108 или другое механическое, электрическое или другое силовое соединение, тем самым позволяя части механической энергии, генерируемой расширителем 10 6, приводить в действие компрессор 104. Расширитель 106 может также генерировать энергию для других нужд. Газотурбинная система 102 может быть стандартной газовой турбиной, где основной компрессор 104 и расширитель 106 формируют окончания
компрессора и расширителя, соответственно, стандартной газовой турбины. В других вариантах осуществления, однако, основной компрессор 104 и расширитель 106 могут быть отдельными компонентами в системе 102.
Газотурбинная система 102 может также включать в себя камеру 110 сгорания, выполненную с возможностью горения потока 112 топлива, смешанного со сжатым окислителем 114. В одном или более варианте осуществления поток 112 топлива может включать в себя любые подходящие углеводородные газ или жидкость, такие как природный газ, метан, этан, лигроин, бутан, пропан, синтетический газ, дизельное топливо, керосин, авиационное топливо, угольное вторичное топливо, биотопливо, насыщенное кислородом углеводородное сырье или их комбинации. Сжатый окислитель 114 может быть получен из второго или впускного компрессора 118, соединенного по текучей среде с камерой 110 сгорания и приспособленного для сжатия подаваемого окислителя 120. В одном или более варианте осуществления подаваемый окислитель 12 0 может включать в себя любой подходящий газ, содержащий кислород, такой как воздух, насыщенный кислородом воздух, обедненный кислородом воздух, чистый кислород или их комбинации.
Как будет описано более подробно ниже, камера 110 сгорания может также получать сжатый рециркулирующий поток 144, включающий в себя топочный газ, содержащий преимущественно СОг и азотные компоненты. Сжатый рециркулирующий поток 144 может быть получен из основного компрессора 104 и приспособлен для того, чтобы способствовать стехиометрическому горению сжатого окислителя 114 и топлива 112, а также увеличению концентрации СОг в рабочей жидкости. Выходящий поток 116, направленный на впуск расширителя 10 6, может быть сгенерирован как продукт горения потока 112 топлива и сжатого окислителя 114 при наличии сжатого рециркулирующего потока 144. По меньшей мере, в одном варианте осуществления поток 112 топлива может быть преимущественно природным газом, тем самым генерируя выпуск 116, включающий в себя объемные части испаренной воды, СОг, азота, оксидов азота (NOx), и оксидов серы (SOx). В некоторых
вариантах осуществления малая часть несгоревшего топлива 112 или других составляющих может также присутствовать в выпуске 116 вследствие ограничений равновесия горения. По мере того как выходящий поток 116 расширяется в расширителе 106, он генерирует механическую энергию для приведения в действие основного компрессора 104, электрического генератора или других устройств, и также производит газообразный выхлопной поток 122, имеющий повышенное содержание СОг-
Система 100 производства электроэнергии может также включать в себя систему 124 рециркуляции выхлопных газов (EGR). Тогда как система 124 EGR, проиллюстрированная на фигурах, включает в себя различные устройства, проиллюстрированные конфигурации являются лишь образцом, и может использоваться любая система, которая рециркулирует выхлопной газ 122 назад к основному компрессору. В одном или более варианте осуществления система 124 EGR может включать в себя теплоутилизационный парогенератор (HRSG) 12 6 или подобное устройство, соединенное по текучей среде с паровой газовой турбиной 128. По меньшей мере, в одном варианте осуществления сочетание HRSG 12 6 и паровой газовой турбины 12 8 могут быть охарактеризованы как закрытый цикл Ранкина. В сочетании с газотурбинной системой 102 HRSG 126 и паровая газовая турбина 128 могут формировать часть энергетической установки комбинированного цикла, такой как установка комбинированного цикла со сжиганием природного газа (NGCC). Газообразный выхлопной поток 122 может быть отправлен в HRSG 126 для того, чтобы генерировать поток пара 130 и охлажденный выхлопной газ 132. В некоторых вариантах осуществления пар 130 может быть отправлен в паровую газовую турбину 12 8 для генерирования дополнительной электрической энергии.
ФИГ.1 иллюстрирует дополнительное устройство в системе 124 EGR, которое опционально может быть включено в состав некоторых реализаций. Охлажденный выхлопной газ 132 может быть отправлен, по меньшей мере, в один охлаждающий блок 134, выполненный с возможностью уменьшения температуры охлажденного выхлопного газа 132 и генерирования потока 140 охлажденного
рециркулирующего газа. В одном или более варианте осуществления охлаждающий блок 134 может быть охладителем прямого контакта, концевым охладителем, блоком механического охлаждения или их комбинацией. Охлаждающий блок 134 также может быть выполнен с возможностью удаления части сконденсированной воды через поток 138 удаления воды, который может, по меньшей мере, в одном варианте осуществления быть направлен в HRSG 12 6 через линию 141 для предоставления источника воды для генерирования дополнительного пара 130. В одном или более варианте осуществления поток 14 0 охлажденного рециркулирующего газа может быть направлен во вспомогательный компрессор 142 (если требуется), соединенный по текучей среде с охлаждающим блоком 134. Охлаждение охлажденного выхлопного газа 132 в охлаждающем блоке 134 может уменьшить энергию, требуемую для сжатия потока 14 0 охлажденного рециркулирующего газа во вспомогательном компрессоре 142, или полностью устранить необходимость в ней.
Вспомогательный компрессор 142 может быть выполнен с возможностью увеличения давления потока 14 0 охлажденного рециркулирующего газа до того, как он будет введен в основной компрессор 104. В отличие от традиционного вентилятора или системы вентиляции, вспомогательный компрессор 142 увеличивает общую плотность потока 140 охлажденного рециркулирующего газа, тем самым направляя увеличенный массовый расход для того же объемного потока к основному компрессору 104. Из-за того что основной компрессор 104 типично ограничен в объемном расходе, направление большего массового расхода через основной компрессор 104 может привести к более высокому выходному давлению из основного компрессора 104, тем самым обуславливая более высокий коэффициент давления в расширителе 106. Более высокий коэффициент давления, создаваемый в расширителе 106, может позволить более высокие входные температуры и, следовательно, увеличение мощности и эффективности расширителя 106. Это может оказаться выгодным, поскольку обогащенный СОг выпуск 116 обычно поддерживает более высокую удельную теплоемкость. Соответственно, охлаждающий блок 134 и вспомогательный компрессор 142, когда включены в состав, каждый
может быть приспособлен для оптимизации или улучшения работы газотурбинной системы 102.
Основной компрессор 104 может быть выполнен с возможностью сжатия потока 140 охлажденного рециркулирующего газа, полученного из системы 124 EGR, например, из вспомогательного компрессора 142, до давления, номинально большего, чем давление камеры 110 сгорания, тем самым генерируя сжатый рециркулирующий поток 144. По меньшей мере, в одном варианте осуществления поток 14 6 продувки может быть отведен из сжатого рециркулирующего потока 144 и затем обработан в сепараторе 148 СОг для захвата СОг при повышенном давлении через линию 150. Отделенный СОг в линии 150 может использоваться для продажи, может использоваться в другом процессе, требующем двуокись углерода, и/или может быть сжат и впрыснут в подземный резервуар для добычи нефти вторичным методом (EOR), секвестрации или другой цели.
Остаточный поток 151, по существу обедненный СОг и состоящий преимущественно из азота, может быть получен из сепаратора 148 СОг- В одном или более варианте осуществления остаточный поток 151 может быть расширен в газовом расширителе 152, таком как генерирующий энергию азотный расширитель, соединенный по текучей среде с сепаратором 14 8 СОг. Как проиллюстрировано на ФИГ.1-3, газовый расширитель 152 может быть опционально соединен с впускным компрессором 118 через общий вал 154 или другое механическое, электрическое или другое силовое соединение, тем самым позволяя части энергии, генерируемой газовым расширителем 152, приводить в действие впускной компрессор 118. После расширения в газовом расширителе 152 выхлопной газ 156, состоящий преимущественно из азота, может быть выпущен наружу в атмосферу или реализован в других расположенных ниже по потоку применениях, известных в области техники. Например, поток расширенного азота может использоваться в процессе испарительного охлаждения, выполняемого с возможностью дополнительного уменьшения температуры выхлопного газа, как в целом описано в одновременно поданной Заявке на Патент США, озаглавленной "Стехиометрическое
горение с рециркуляцией выхлопных газов и охладителем прямого контакта", содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки в пределах, не противоречащих настоящему раскрытию. По меньшей мере, в одном варианте осуществления сочетание газового расширителя 152, впускного компрессора 118 и сепаратора СОг может быть охарактеризовано как открытый цикл Брайтона, или третий генерирующий энергию компонент системы 100 .
В то время как сочетание или соединение газового расширителя 152 и впускного компрессора 118 может иметь сходство с открытым циклом Брайтона, газовый расширитель 152, соединенный или разъединенный с впускным компрессором 118, предоставляет третий производящий энергию компонент системы 100. Например, газовый расширитель 152 может использоваться для обеспечения энергии для других применений, не связанных непосредственно со стехиометрическим компрессором 118. Например, может быть существенное несоответствие между энергией, генерируемой расширителем 152, и требованиями компрессора 118. В таких случаях расширитель 152 мог бы быть приспособлен для приведения в действие меньшего компрессора (не показан), который требует меньше энергии (или для приведения в действие впускного компрессора 118 и одного или более дополнительного устройства).
В других вариантах осуществления, как будет обсуждено ниже со ссылкой на ФИГ.8, газовый расширитель 152 может быть заменен расположенным ниже по потоку компрессором 188, выполненным с возможностью сжатия остаточного потока 151 и генерирования сжатого выхлопного газа 190, подходящего для впрыскивания в резервуар для поддержания давления или применений EOR.
Система 124 EGR, как описано в материалах настоящей заявки, может быть реализована для достижения более высокой концентрации СОг в рабочей текучей среде системы 100 производства электроэнергии, тем самым предусматривая более эффективную сепарацию СОг для последующей секвестрации, поддержания давления или применений EOR. Например, варианты осуществления, раскрытые в материалах настоящей заявки, могут
эффективно увеличить концентрацию СОг в выхлопном потоке топочного газа до примерно 10 объемных % или выше. Для достижения этого камера 110 сгорания может быть приспособлена для стехиометрического горения поступающей смеси топлива 112 и сжатого окислителя 114. Для того чтобы сдерживать температуру стехиометрического горения для удовлетворения требованиям впускной температуры расширителя 106 и охлаждения компонентов, часть выхлопного газа, полученного из сжатого рециркулирующего потока 144, может быть впрыснута в камеру 110 сгорания в качестве разбавителя. Таким образом, варианты осуществления изобретения могут по существу устранить любые излишки кислорода из рабочей текучей среды, одновременно увеличивая содержание СОг- По существу, газообразный выхлопной поток 122 может иметь меньше, чем около 3,0 объемных % кислорода, или меньше, чем около 1,0 объемных % кислорода, или меньше, чем около 0,1 объемных % кислорода или даже меньше, чем около 0,001 объемных % кислорода. В некоторых вариантах осуществления камерой 110 сгорания, или более конкретно, впускными потоками в камеру сгорания могут управлять с предпочтением к стехиометрическому горению для дополнительного уменьшения содержания кислорода в газообразном выхлопном потоке 122.
Теперь будет обсуждена специфика примерной работы системы 100. Как можно понять, специфические температуры и давления, достигаемые или испытываемые в различных компонентах любого из вариантов осуществления, раскрытого в материалах настоящей заявки, могут меняться в зависимости от, помимо прочих факторов, чистоты используемого окислителя и специфических типов и/или моделей расширителей, компрессоров, охладителей и т.д. Соответственно, будет понятно, что конкретные данные, описанные в материалах настоящей заявки, предназначены только для иллюстративных целей и не должны быть истолкованы как единственная их интерпретация. Например, в одном из вариантов осуществления, описанном в материалах настоящей заявки, впускной компрессор 118 может быть выполнен в виде стехиометрического компрессора, который предоставляет сжатый окислитель 114 под давлениями, варьирующимися между примерно
19,69 кг/см2 и примерно 21,06 кг/см2. Однако в материалах настоящей заявки рассмотрена также технология газовой турбины на основе авиационного двигателя, которая может производить и потреблять давления вплоть до примерно 52,73 кг/см2 и больше.
Основной компрессор 104 может быть выполнен с возможностью рециркуляции и сжатия рециркулирующего выхлопного газа в сжатый рециркулирующий поток 144 при давлении, номинально большем или равном давлению в камере 110 сгорания, и использования части этого рециркулирующего выхлопного газа в качестве разбавителя в камере 110 сгорания. Из-за того, что объемы разбавителя, требуемого в камере 110 сгорания, могут зависеть от чистоты окислителя, используемого для стехиометрического горения, или модели расширителя 10 6, кольцо термопар и/или кислородных датчиков (не показаны) может быть связано с камерой сгорания и/или расширителем. Например, термопары и/или кислородные датчики могут быть расположены на выходе из камеры 110 сгорания, на входе расширителя 106 и/или выходе из расширителя 106. В работе термопары и датчики могут быть приспособлены для определения составов и/или температур одного или более потока для использования в определении объема выхлопного газа, требуемого в качестве разбавителя для охлаждения продуктов горения до требуемой впускной температуры расширителя. Дополнительно или альтернативно термопары и датчики могут быть приспособлены для определения количества окислителя, который должен быть впрыснут в камеру 110 сгорания. Таким образом, в ответ на тепловые требования, определяемые термопарами, и уровни кислорода, определяемые кислородными датчиками, можно манипулировать или управлять объемным массовым расходом сжатого рециркулирующего потока 144 и/или сжатым окислителем 114 для соответствия потребности. Объемные массовые расходы могут управляться с помощью любых подходящих систем управления потоком.
По меньшей мере, в одном варианте осуществления перепад давления примерно в 0,84-0,91 кг/см2 может быть испытан в камере 110 сгорания во время стехиометрического горения.
Горение топлива 112 и сжатого окислителя 114 может создавать температуры между примерно 1093,33°С и примерно 1648,89°С и давления, варьирующиеся от 17,58 кг/см2 до примерно 21,09 кг/см2. Из-за увеличенного массового расхода и более высокой удельной теплоемкости обогащенной СОг рабочей жидкости, полученной из сжатого рециркулирующего потока 144, более высокий коэффициент давления может быть достигнут в расширителе 10 6, тем самым создавая возможность для более высоких входных температур и увеличенной мощности расширителя 106.
Газообразный выхлопной поток 122, выходящий из расширителя 10 6, может иметь давление, равное или близкое к окружающей среде. По меньшей мере, в одном варианте осуществления газообразный выхлопной поток 122 может иметь давление примерно 1,07 кг/см2. Температура газообразного выхлопного потока 122 может варьироваться от примерно 637,78°С до примерно 67б,б7°С перед прохождением через HRSG 12 6 для генерирования пара в линии 130 и охлажденного выхлопного газа 132. Охлажденный выхлопной газ 132 может иметь температуру, варьирующуюся от примерно 87,78°С до примерно 93,33°С. В одном или более варианте осуществления охлаждающий блок 134 может уменьшать температуру охлажденного выхлопного газа 132, тем самым генерируя поток 140 охлажденного рециркулирующего газа, имеющего температуру между примерно 0,00°С и 48,89°С, зависящую преимущественно от температуры по влажному термометру в определенных местоположениях и во время определенных сезонов.
Согласно одному или более варианту осуществления, вспомогательный компрессор 142 может быть выполнен с возможностью повышения давления потока 14 0 охлажденного рециркулирующего газа до давления, варьирующегося от примерно 1,2 0 кг/см2 до примерно 1,4 8 кг/см2. В результате основной компрессор 104 получает и сжимает рабочую текучую среду рециркулирующего топочного газа с большей плотностью и увеличенным массовым расходом, тем самым предусматривая
существенно более высокое выходное давление при поддержании такого же или подобного коэффициента давления. По меньшей мере, в одном варианте осуществления температура сжатого рециркулирующего потока 144, выпускаемого из основного компрессора 104, может составлять примерно 42б,б7°С при давлении около 19,69 кг/см2.
Следующая таблица предоставляет результаты тестирования и оценки производительности, основанные на газовых турбинах комбинированного цикла, с учетом и без учета добавленного преимущества вспомогательного компрессора 142, как описано в
материалах настоящей заявки.
Таблица 1
Сравнение производительности тройного цикла
Цикл
Цикл
Мощность (МВт)
Рециркуляции без вспомогательного
Рециркуляции со вспомогательным
компрессора
компрессором
Мощность газотурбинного расширителя
1055
1150
Основной компрессор
538
542
Вентиляторный или
Вспомогательный компрессор
Впускной компрессор
283
315
Общая мощность сжатия
835
883
Полезная мощность газовой
216
261
турбины
Полезная мощность паровой
395
407
турбины
Полезная мощность стандартного машинного оборудования
611
668
Дополнительные потери
Мощность азотного
156
181
расширителя
Мощность комбинированного цикла
598
653
Эффективность
Расход топлива (мБТЕ/час)
5947
6322
Удельный расход тепла (БТЕ/кВт-ч)
9949
9680
Эффективность комбинированного цикла (% низшей теплоты сгорания)
34 ,3
35,2
Давление продувки СОг (кг/см2)
19, 69
21, 66
Как должно быть понятно из Табл.1, варианты осуществления, включающие в себя вспомогательный компрессор 142, могут привести к увеличению мощности расширителя 106 (т.е., "Мощности Газотурбинного Расширителя") вследствие увеличения
коэффициентов давления. Хотя потребная мощность для основного компрессора 104 может увеличиться, это увеличение больше, чем сдвиг, вызванный увеличением выходной мощности расширителя 10 6, тем самым приводя к улучшению общей термодинамической производительности на примерно 1% lhv (низшей теплоты сгорания).
Кроме того, добавление вспомогательного компрессора 142 может также увеличить выходную мощность азотного расширителя 152 и давление продувки С02 в линии потока 14 6 продувки. В то время как вспомогательный компрессор может увеличить выходную мощность азотного расширителя 152, в Таблице 1 можно увидеть, что азотный расширитель 152 делает значительный вклад в эффективность всей системы 100 вместе с или без вспомогательного компрессора.
Увеличение давления продувки потока 14 6 продувки может привести к улучшенной производительности обработки растворителя в сепараторе 148 СОг вследствие более высокого парциального давления СОг. Такие улучшения могут включать в себя, но не ограничены ими, уменьшение общих капитальных затрат в виде уменьшенного размера оборудования для процесса извлечения растворителем.
На ФИГ.2 изображен альтернативный вариант осуществления системы 100 производства электроэнергии, показанный на ФИГ.1,
воплощенный и описанный как система 2 00. По существу, ФИГ. 2 может быть наилучшим образом понята со ссылкой на ФИГ.1. Подобно системе 100 на ФИГ.1, система 2 00 на ФИГ.2 включает в себя газотурбинную систему 102, соединенную с или другим образом поддерживаемую системой 12 4 рециркуляции выхлопных газов (EGR). Система 124 EGR на ФИГ.2, однако, может включать в себя вариант осуществления, в котором вспомогательный компрессор 142 следует за или другим образом может быть соединен по текучей среде с HRSG 12 6. По существу, охлажденный выхлопной газ 132 может быть сжат во вспомогательном компрессоре 142 перед тем, как его температура будет уменьшена в охлаждающем блоке 134. Таким образом, охлаждающий блок 134 может служить в качестве вторичного охладителя, приспособленного для удаления тепла сжатия, генерируемого вспомогательным компрессором 142. Как и с ранее раскрытыми вариантами осуществления, поток 138 удаления воды может быть или может не быть направлен в HRSG 12 6 для генерирования дополнительного пара 130.
Поток 14 0 охлажденного рециркулирующего газа может быть направлен в основной компрессор 104, где он дополнительно сжимается, как обсуждено выше, тем самым генерируя сжатый рециркулирующий поток 144. Как можно понять, охлаждение охлажденного выхлопного газа 132 в охлаждающем блоке 134 после сжатия во вспомогательном компрессоре 142 может уменьшить количество энергии, требуемой для сжатия потока 140 охлажденного рециркулирующего газа до предварительно заданного давления в последующем основном компрессоре 104.
ФИГ.З изображает другой вариант осуществления системы 100 производства электроэнергии с низким уровнем выбросов, показанный на ФИГ.1, воплощенный как система 300. По существу, ФИГ.З может быть наилучшим образом понята со ссылкой на ФИГ.1 и 2. Подобно системам 100, 2 00, описанным на ФИГ.1 и 2 соответственно, система 300 включает в себя газотурбинную систему 102, поддерживаемую или другим способом соединенную с системой 124 EGR. Система 124 EGR на ФИГ.З, однако, может включать в себя первый охлаждающий блок 134 и второй
охлаждающий блок 13 6, имея вспомогательный компрессор 142, соединенный по текучей среде между ними. Как и в предыдущих вариантах осуществления, каждый охлаждающий блок 134, 13 6 может быть охладителем прямого контакта, концевым охладителем или тому подобным, как известно в области техники.
В одном или более вариантах осуществления охлажденный выхлопной газ 132, выпущенный из HSRG 12 6, может быть отправлен в первый охлаждающий блок 134 для генерирования потока 138 удаления конденсированной воды и потока 14 0 охлажденного рециркулирующего газа. Поток 14 0 охлажденного рециркулирующего газа может быть направлен во вспомогательный компрессор 142 в целях повышения давления потока 14 0 охлажденного рециркулирующего газа, и затем направлен во второй охлаждающий блок 13 6. Второй охлаждающий блок 13 6 может служить в качестве вторичного охладителя, приспособленного для удаления тепла сжатия, генерируемого вспомогательным компрессором 142, и также для удаления дополнительно сконденсированной воды через поток 143 удаления воды. В одном или более варианте осуществления каждый поток 138, 143 удаления воды может быть или может не быть направлен в HRSG 12 6 для генерирования дополнительного пара 130.
Поток 14 0 охлажденного рециркулирующего газа может затем быть введен в основной компрессор 104 для генерирования сжатого рециркулирующего потока 144 с давлением, номинально большим либо равным давлению камеры 110 сгорания. Как можно понять, охлаждение охлажденного выхлопного газа 132 в первом охлаждающем блоке 134 может уменьшить количество энергии, требуемой для сжатия потока 14 0 охлажденного рециркулирующего газа во вспомогательном компрессоре 142. Кроме того, дополнительное охлаждение выхлопа во втором охлаждающем блоке 13 6 может уменьшить количество энергии, требуемой для сжатия потока 140 охлажденного рециркулирующего газа до предопределенного давления в последующем основном компрессоре 104 .
На ФИГ.4 изображен другой вариант осуществления системы 4 00 производства электроэнергии с низким уровнем выбросов,
подобный в некоторых отношениях системе 300 на ФИГ.З. По существу, система 400 на ФИГ.4 может быть наилучшим образом понята со ссылкой на ФИГ.1 и 3. Должно быть отмечено, однако, что отдельные варианты осуществления или их сочетания, раскрытые со ссылкой на ФИГ.1-3, могут быть реализованы и/или опущены в системе 4 00 на ФИГ.4, не выходя за пределы объема изобретения. Например, специфические устройства и оборудование, включенное в состав системы 124 EGR, могут варьироваться, как описано где-либо еще в материалах настоящей заявки.
Как описано выше, температура сжатого рециркулирующего потока 144, выпускаемого из основного компрессора 104, может составлять примерно 42б,б7°С и иметь давление около 19,69 кг/см2. Следовательно, поток 14 6 продувки, отведенный из сжатого рециркулирующего потока 144, может иметь схожие температуры и давления. Следует снова отметить, что специфические температуры и давления будут неизбежно меняться в зависимости от специфического типа и модели расширителей, компрессоров, охладителей и т.д. Поскольку давление намного больше давления в традиционных системах комбинированного цикла со сжиганием природного газа (NGCC) с восстановлением СОг после горения, это способствует использованию менее энергоемкого процесса обработки газа в сепараторе 148 СОг- Например, такие повышенные температуры и давления в сочетании с существенным недостатком кислорода вследствие стехиометрического горения, выполняемого в камере 110 сгорания, могут способствовать использованию горячего растворителя на основе карбоната калия для извлечения СОг из потока 14 6 продувки. В других вариантах осуществления селективные СОг адсорбенты могут включать в себя, но не ограничены ими, моноэтаноламин ("МЕА"), диэтаноламин
("DEA"), триэтанлоамин ("TEA"), карбонат калия,
метилдиэтаноламин ("MDEA"), активированный метилдиэтаноламин
("aMDEA"), дигликольамин ("DGA"), диизопропаноламин ("DIPA"), пиперазин ("PZ"), их производные, их смеси или любые их комбинации. Другие подходящие адсорбенты и способы могут включать в себя, но не ограничены ими, растворитель на основе физического адсорбента пропиленкарбоната, также как и других
алкильных карбонатов, диметиловый эфир полиэтиленгликоля от двух до 12 гликольных единиц (процесс Selexol(tm)), н-метил-пирролидон, сульфолан и использование Процесса Обработки Газа Sulfmol(r).
В одном из вариантов осуществления процессы обработки газа в сепараторе 148 СОг могут требовать уменьшение температуры потока 146 продувки до примерно 121,11°С-148,89°С. Для достижения этого поток 14 6 продувки может быть направлен через теплообменник 158, например перекрестный теплообменник, соединенный по текучей среде с остаточным потоком 151. По меньшей мере, в одном варианте осуществления извлечение СОг из потока 146 продувки в сепараторе 148 СОг может оставить обогащенный азотом остаточный поток 151 при давлении равном или близком к повышенному давлению потока 14 6 продувки и при температуре около 65,5б°С. В одном из вариантов осуществления тепловая энергия, связанная с охлаждением потока 14 6 продувки, может быть извлечена через теплообменник 158 и использована для повторного нагрева остаточного потока 151, тем самым генерируя нагретый азотный пар 160, имеющий температуру примерно 398,89°С и давление около 18,98-19,69 кг/см2. В то время как теплообмен с потоком 14 6 продувки является одним способом нагрева остаточного потока, другие способы включены в объем настоящего изобретения. Например, в одном или более вариантах осуществления дополнительный нагрев потока 151 может быть выполнен с использованием HRSG 12 6 для подачи тепла, а также для генерирования пара 130. Другие примерные способы описаны в материалах настоящей заявки и не должны рассматриваться как исчерпывающий список доступных способов нагрева остаточного потока 151.
В одном или более вариантах осуществления нагретый азотный пар 160 может затем быть расширен в газовом расширителе 152. Соответственно, перекрестный обмен теплом в теплообменнике 158 может быть выполнен с возможностью захвата существенного количества энергии сжатия, полученной из основного компрессора 104, и использования ее в целях максимизации энергии, извлекаемой из газового расширителя 152, и опционально питать
электроэнергией стехиометрический впускной компрессор 118. По меньшей мере, в одном варианте осуществления выхлопной газ 156, состоящий преимущественно из азота при атмосферном давлении, может быть безвредно выпущен наружу в атмосферу или реализован в других расположенных ниже по потоку применениях, известных в области техники. Примерные расположенные ниже по потоку применения, такие как процесс охлаждения испарением, описаны в одновременно поданной Заявке на Патент США, озаглавленной "Стехиометрическое горение с Рециркуляцией Выхлопных Газов и Охладителем Прямого Контакта", как указано выше.
Во время запуска системы 4 00 и во время обычной работы, когда газовый расширитель 152 может быть не способен подавать всю требуемую энергию для работы впускного компрессора 118, по меньшей мере, один двигатель 162, такой как электродвигатель, может использоваться синергетически вместе с газовым расширителем 152. Например, для двигателя(ей) 162 может быть разумно подобран размер, так что во время нормальной работы системы 400 двигатель(и) 162 может быть выполнен с возможностью покрытия дефицита мощности от газового расширителя 152. Дополнительно или альтернативно могут быть периоды во время работы, когда газовый расширитель 152 генерирует больше энергии, чем требуется впускным компрессором 118. В некоторых реализациях, по меньшей мере, один двигатель 162 может быть двигательной/генераторной системой, которая может быть выборочно выполнена с возможностью подачи энергии, например от электросети, к компрессору или генерирования электричества из энергии, генерируемой турбиной 152.
На ФИГ.5 изображен другой вариант осуществления системы 500 производства электроэнергии с низким уровнем выбросов, подобный в некоторых отношениях системе 4 00, показанной на ФИГ.4. По существу, система 500 на ФИГ.5 не будет подробно описана, но может быть наилучшим образом понята со ссылкой на ФИГ.1, 3 и 4. Следует отметить, что любой вариант осуществления, раскрытый со ссылкой на ФИГ.1-4, может быть реализован отдельно или в сочетании в системе 500, не выходя за пределы объема раскрытия.
В варианте осуществления как только поток 14 6 продувки отведен от сжатого рециркулирующего потока 144, его температура может увеличиться за счет каталитического процесса, осуществляемого в устройстве 164 катализа. В работе устройство 164 катализа может быть выполнено с возможностью уменьшения содержания кислорода и/или моноокиси углерода в потоке продувки, и преобразования его в остаточный СОг и тепло. Устройство 164 катализа может быть единственным устройством или множеством параллельных или последовательных устройств или комбинацией параллельных и последовательных. В одном из вариантов осуществления устройство 164 катализа может быть маленьким устройством, требующим лишь небольшого количества энергии для работы. Одно из примерных устройств 164 катализа может включать в себя катализатор восстановления кислорода, который обычно используется в HRSG для удовлетворения требованиям выбросов. Такая система, как правило, не спроектирована для удаления больших количеств кислорода, но если значительные количества кислорода остаются в сжатом рециркулирующем потоке 144, поток 14 6 продувки может быть рециркулирован через устройство 164 катализа более чем один раз, перед дальнейшей обработкой или использованием, например, сжатием и впрыскиванием для добычи нефти вторичным методом (EOR), отделением С02, и т.д.
Кроме того, любые остаточные углеводороды в потоке 14 6 продувки могут также быть сожжены в устройстве 164 катализа. По меньшей мере, в одном варианте осуществления температура потока 146 продувки может быть увеличена примерно с 418,33°С до примерно 440,5б°С посредством полного каталитического преобразования около 1200 миллионных долей кислорода, присутствующего в потоке 14 6 продувки. Иллюстративные катализаторы, которые могут использоваться в устройстве 164 катализа, могут включать в себя, но не ограничены ими, никель, платину, родий, рутений, палладий или их производные, их смеси, любую их комбинацию. Это увеличение теплосодержания может быть введено в теплообменник 158 и может быть осуществлен перекрестный обмен с обогащенным азотом остаточным потоком 151,
тем самым приводя к более высокой температуре нагретого азотного пара 160 и способствуя более эффективному и мощному процессу расширения в газовом расширителе 152.
В качестве дополнительных улучшений системы тройного цикла, включающей в себя газовый расширитель 152, в одном или более варианте осуществления вода может быть впрыснута через линию 166 в нагретый азотный пар 160 для увеличения массового расхода газового расширителя 152 и, следовательно, увеличения генерируемой энергии. Вода может быть очищенной распыленной водой или паром. По меньшей мере, в одном варианте осуществления дополнительная энергия, обеспечиваемая
впрыскиванием распыленной воды или пара, может увеличить выходную мощность примерно с 169 МВт до примерно 181 МВт. Как можно понять, выходная мощность будет, как правило, зависеть от типа и модели газового расширителя. Следует отметить, что впрыскивание распыленной воды или пара через линию 166 в нагретый азотный пар 160 для увеличения массового расхода через газовый расширитель 152 может быть реализовано в любом из вариантов осуществления, раскрытых в материалах настоящей заявки, не выходя за пределы объема раскрытия.
На ФИГ.6 изображен другой вариант осуществления системы 600 производства электроэнергии с низким уровнем выбросов, подобный системе 500, показанной на ФИГ.5. По существу, вся система 60 0 не будет подробно описана, но может быть наилучшим образом понята со ссылкой на ФИГ.5. В одном из вариантов осуществления система 600 может включать в себя дополнительную камеру 168 стехиометрического сгорания, расположенную до газового расширителя 152. Камера 168 сгорания может быть выполнена с возможностью стехиометрического горения сочетания топлива 170 и сжатого окислителя 172, во многом подобно камере 110 сгорания, описанной выше, для генерирования выходящего потока 174 с повышенной температурой и давлением. В одном из вариантов осуществления топливо 170 и сжатый окислитель 172 могут быть получены из того же источника, что и топливо 112 и сжатый окислитель 114 соответственно, которые подаются в первую камеру 110 сгорания. В реализациях, включающих в себя
дополнительную камеру 168 сгорания, теплообменник 158 может охлаждать поток продувки с помощью других средств, таких как нагрев одного или более других потоков в системе 600 или где-либо еще. Например, теплообменник на потоке продувки может предоставлять дополнительное тепло в HRSG или в реформинг-процесс .
В других вариантах осуществления, особенно вариантах осуществления, где желательны или требуются нулевые выбросы СОг, топливо 17 0 может состоять преимущественно из водорода. По меньшей мере, в одном варианте осуществления водородное топливо может производиться посредством преобразования метана в HRSG 12 6 или отдельном HRSG (не показан). После преобразования метана и конверсии водяного газа СОг в потоке водородного продукта может быть удален в абсорбционной башне (не показана), например, в сепараторе 148 СОг- Затем водород мог бы быть смешан с некоторым количеством азота в потоке нагретого азотного пара 160 внутри камеры 168 сгорания для получения подходящего топлива для газовой турбины.
Нагретый азотный пар 160, выпущенный из теплообменника 158 или выпущенный из сепаратора 14 8 СОг, может служить в качестве разбавителя, выполненного с возможностью сдерживания температуры горения и выходящего потока 174. По меньшей мере, в одном варианте осуществления выходящий поток 174, выходящий из камеры 168 сгорания, может иметь температуру около 1371,11°С перед тем, как будет расширен в газовом расширителе для создания механической энергии. Как будет понятно, сочетание газового расширителя 152, камеры 168 сгорания и впускного компрессора 118 может быть охарактеризовано как отдельная стандартная газотурбинная система, где впускной компрессор 118 становится компрессорным окончанием, а газовый расширитель 152 становится расширительным окончанием газовой турбины.
В одном или более варианте осуществления выхлопной газ 156 может иметь температуру около 593,33°С. По меньшей мере, в одном варианте осуществления выхлопной газ 156 может быть направлен в HRSG 12 6 для восстановления тепла как энергии в паровой газовой турбине 128. В других вариантах осуществления
выхлопной газ 156 может быть направлен во внешний HRSG и паровую газовую турбину (не показана) для генерирования энергии для других применений. В любом случае, обогащенный азотом остаточный поток 151 может быть устранен любым из способов, обсужденных в материалах настоящей заявки, например через азотный клапан, через секвестрацию, EOR или операции поддержания давления и т.д., после прохождения через расширитель 152.
На ФИГ.7 изображен другой вариант осуществления системы 7 00 производства электроэнергии с низким уровнем выбросов, подобный системе 600 на ФИГ.6. По существу, система 700 на ФИГ.7 не будет подробно описана, но может быть наилучшим образом понята со ссылкой на ФИГ.6 и ее сопровождающее описание. Вместо использования отдельного впускного компрессора 118 и азотного расширителя 152 (см. ФИГ.1-6) система 700, как изображено на ФИГ.7, может включать в себя вторую газотурбинную систему 7 02, имеющую второй компрессор 17 6 и второй расширитель 17 8. В одном или более варианте осуществления второй компрессор 17 6 может получать и сжимать второй подаваемый окислитель 180. Подобно подаваемому окислителю 12 0, показанному и описанному выше на ФИГ.1-6, второй подаваемый окислитель 180 может включать в себя любой подходящий газ, содержащий кислород, такой как воздух, обогащенный кислородом воздух или их комбинацию. Второй компрессор 17 6 может быть выполнен с возможностью сжатия второго подаваемого окислителя 180 и генерирования второго сжатого окислителя 182. Как изображено, сжатый окислитель 114, требуемый для камеры 110 сгорания, может подаваться или извлекаться из потока второго сжатого окислителя 182 и выполнять ту же функцию, что в общих чертах описана выше.
В работе камера 168 сгорания может быть выполнена с возможностью стехиометрического горения сочетания топлива 170 и второго сжатого окислителя 182, чтобы генерировать выходящий поток 174 с повышенной температурой и давлением. В одном или более вариантов осуществления азотный пар 160 из теплообменника 158 или остаточного потока из сепаратора 148 СОг может быть использован как разбавитель, выполненный с возможностью
сдерживания температуры горения во второй камере 168 сгорания. В одном из вариантов осуществления топливо 17 0 может быть получено из того же источника, что и топливо 112, подаваемое в первую камеру 110 сгорания, например углеводородное топливо. В других вариантах осуществления, где желательны или требуются нулевые выбросы СОг, топливо 17 0 может состоять главным образом из водорода, как в общих чертах описано выше со ссылкой на ФИГ.6.
Если используется углеводородное топливо, то это естественно приведет к выбросам СОг- Однако из-за использования потока в значительной степени чистого водорода в качестве разбавителя результирующие выбросы СОг будут значительно меньше по сравнению с традиционной силовой установкой NGCC. Например, в одном из вариантов осуществления выбросы СОг, получающиеся из системы 700, будут лишь примерно 36,29 кг/МВт-час по сравнению с примерно 181,44 кг/МВт-час для традиционной силовой установки NGCC. В одном или более варианте осуществления выхлопной газ 156 из второго расширителя 17 8 может иметь температуру примерно 593,33°С. По меньшей мере, в одном варианте осуществления выхлопной газ 156 может быть направлен во второй HRSG 184 для восстановления тепла как энергии в отдельной паровой газовой турбине 186. В альтернативных вариантах осуществления, однако, выхлопной газ 156 может быть направлен в первый HRSG 12 6 для восстановления тепла как энергии в паровой газовой турбине 128. Здесь опять же можно понять, что выхлопной газ 156 может быть выпущен наружу или другим способом использован в операциях восстановления углеводорода (не показано), как описано выше, после прохождения через второй HRSG 184.
Как можно понять, система 7 00 на ФИГ.7 может позволить использовать коммерчески-доступную газовую турбину вместо осуществления дорогих модификаций для получения построенного по специальному заказу воздушного компрессора и построенного по специальному заказу расширителя. Система 7 00 может также производить больше полезной мощности при большей эффективности, т.к. впускная температура второго расширителя 17 8 может достигать температур около 1371,11°С.
На ФИГ.8 изображен другой вариант осуществления системы 8 00 производства электроэнергии с низким уровнем выбросов, подобный системе 300, показанной на ФИГ.З. По существу, система 8 00 на ФИГ.8 не будет подробно описана, но может быть наилучшим образом понята со ссылкой на ФИГ.1 и 3. Следует отметить, однако, что варианты осуществления, раскрытые со ссылкой на ФИГ.1-6, могут быть реализованы отдельно или в сочетании с системой 8 00 на ФИГ.8, не выходя за пределы объема раскрытия. В примерном варианте осуществления остаточный поток 151, состоящий главным образом из азота, полученного из сепаратора 14 8 СОг, может быть направлен в расположенный ниже по потоку компрессор 188. Расположенный ниже по потоку компрессор 188 может быть выполнен с возможностью сжатия остаточного потока 151 и генерирования сжатого выхлопного газа 190, имеющего давление, например, около 239.06 кг/см2 или в противном случае давления, подходящие для впрыскивания в резервуар для применений поддержания давления.
Сжатие остаточного потока 151 расположенным ниже по потоку компрессором 188 может оказаться выгодным в применениях, где газ метан типично впрыскивается заново в углеводородные скважины для поддержания давлений скважин. Согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки, азот может быть вместо этого впрыснут в углеводородные скважины, а остаточный газ метан может быть либо продан либо иным образом использоваться в качестве топлива в связанных применениях, таких как предоставление топлива для потоков 112, 170 топлива (см. ФИГ.6 и 7).
Продолжая рассматривать ФИГ.5-7, следующая таблица предоставляет результаты тестирования и оценки
производительности, основанные на системах без цикла расширения (например, система 800 на ФИГ.8), системах без дополнительного сжигания топлива в камере 168 сгорания (например, система 50 0 на ФИГ.5), и системах с дополнительным сжиганием топлива в камере 168 сгорания (например, системы 600, 700 на ФИГ.6 и 7 соответственно). Данные отражают метановое топливо 170, сжигаемое для горения.
Таблица 2
Сравнение производительности тройного цикла
Мощность (МВт)
Цикл - Нет Расширения
Цикл - Без Расширения
Цикл - с Сжиганием
Мощность газотурбинного расширителя
1150
1150
1150
Основной компрессор
542
542
542
Вентиляторный или
вспомогательный
компрессор
Впускной компрессор
315
251
601
Общая мощность сжатия
883
883
1170
Полезная мощность газовой турбины
258
258
-32
Полезная мощность паровой турбины
407
339
339
Полезная мощность Стандартного машинного оборудования
665
597
307
Дополнительные потери
Мощность азотного расширителя
203
1067
Мощность дополнительной Паровой турбины
303
Мощность комбинированного цикла
650
787
1670
Эффективность
Расход топлива (мБТЕ/час)
6322
6322
11973
Удельный расход тепла (БТЕ/кВт-ч)
9727
8037
7167
Эффективность комбинированного цикла (% низшей теплоты сгорания)
35,1
42,5
47,6
Давление продувки С02 (кг/см2)
21, 66
21, 66
21, 66
Как можно понять из Табл.2, варианты осуществления со сжиганием в камере 168 сгорания могут привести к значительно более высокой выходной мощности комбинированного цикла; почти к двойной выходной мощности по сравнению с вариантами осуществления, не реализующими сжигание в камере 168 сгорания. Кроме того, общий термодинамический уровень производительности показывает существенный рост или улучшение на примерно 3,3% lhv (низшей теплоты сгорания) для систем, включающих в себя сжигание, как раскрыто в материалах настоящей заявки, в отличие от вариантов осуществления, не реализующих такие методы сжигания.
Хотя настоящее изобретение может быть восприимчивым к различным модификациям и альтернативным формам, примерные варианты осуществления, обсужденные выше, были показаны только в качестве примера. Однако снова должно быть понятно, что изобретение не подразумевается ограниченным конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в материалах настоящей заявки. Конечно, настоящее изобретение включает в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты, подпадающие под истинную сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Интегрированная система, содержащая:
газотурбинную систему, имеющую первую камеру сгорания, выполненную с возможностью стехиометрически сжигать первый сжатый окислитель и первое топливо при наличии сжатого рециркулирующего потока, при этом камера сгорания направляет первый выходящий поток в расширитель для генерирования газообразного выхлопного потока и, по меньшей мере, частичного приведения в действие основного компрессора;
систему рециркуляции выхлопных газов, в которой основной компрессор сжимает газообразный выхлопной поток и тем самым генерирует сжатый рециркулирующий поток, при этом сжатый рециркулирующий поток действует как разбавитель, выполненный с возможностью сдерживания температуры первого выходящего потока;
сепаратор С02, соединенный по текучей среде со сжатым рециркулирующим потоком через поток продувки; и
газовый расширитель, соединенный по текучей среде с сепаратором С02 через остаточный поток, состоящий главным образом из обогащенного азотом газа, полученного из сепаратора С02.
2. Система по п.1, в которой система рециркуляции выхлопных газов дополнительно содержит, по меньшей мере, один вспомогательный компрессор, выполненный с возможностью получения и повышения давления газообразного выхлопного потока перед направлением охлажденного рециркулирующего газа в основной компрессор.
3. Система по п.2, дополнительно содержащая первый и второй охлаждающие блоки, соединенные по текучей среде, по меньшей мере, с одним вспомогательным компрессором, при этом первый охлаждающий блок выполнен с возможностью получения и охлаждения газообразного выхлопного потока перед введением, по меньшей мере, в один вспомогательный компрессор, а второй охлаждающий блок выполнен с возможность получения газообразного выхлопного потока, по меньшей мере, из одного вспомогательного компрессора и дополнительного охлаждения газообразного выхлопного потока для генерирования охлажденного
рециркулирующего газа.
4. Система по п.1, дополнительно содержащая средства нагрева, приспособленные для нагрева остаточного потока, генерирующего поток нагретого азотного пара.
5. Система по п. 4, в которой газовый расширитель выполнен с возможностью расширения нагретого азотного пара и таким образом генерирования механической энергии и выхлопного газа.
6. Система по п.5, дополнительно содержащая впускной компрессор, приводимый в действие механической энергией, генерируемой газовым расширителем, при этом впускной компрессор выполнен с возможностью предоставления первого сжатого окислителя.
7. Система по п.4, в которой средства нагрева содержат теплообменник, соединенный по текучей среде как с потоком продувки, так и с остаточным потоком, при этом теплообменник выполнен с возможностью уменьшения температуры потока продувки и одновременного увеличения температуры остаточного потока.
8. Система по п.1, дополнительно содержащая устройство катализа, расположенное в связи с потоком продувки, при этом устройство катализа выполнено с возможностью увеличения температуры потока продувки до входа в средства нагрева.
9. Система по п.4, в которой средства нагрева содержат вторую камеру сгорания, соединенную по текучей среде с остаточным потоком и выполненную с возможностью стехиометрического горения второго топлива и второго сжатого окислителя для генерирования второго выходящего потока.
10. Система по п.9, в которой газовый расширитель выполнен с возможностью расширения второго выходящего потока и таким образом генерирования механической энергии и выхлопного газа.
11. Система по п. 9, в которой первый и второй сжатые окислители и первое и второе топлива получены из одного и того же источника соответственно.
12. Система по п. 9, в которой второе топливо представляет собой водородное топливо.
13. Способ производства электроэнергии, заключающийся в том, что:
стехиометрически сжигают первый сжатый окислитель и первое топливо в первой камере сгорания и при наличии сжатого рециркулирующего потока, тем самым генерируя первый выходящий поток, при этом сжатый рециркулирующий поток действует как разбавитель, выполненный с возможностью сдерживания температуры первого выходящего потока;
расширяют первый выходящий поток в расширителе для того, чтобы, по меньшей мере, частично приводить в действие первый компрессор и генерировать газообразный выхлопной поток;
направляют газообразный выхлопной поток в первый компрессор, при этом первый компрессор сжимает газообразный выхлопной поток и тем самым генерирует сжатый рециркулирующий поток;
извлекают часть сжатого рециркулирующего потока в сепаратор С02 через поток продувки, при этом сепаратор С02 соединен по текучей среде с газовым расширителем через остаточный поток, полученный из сепаратора С02 и состоящий главным образом из обогащенного азотом газа; и
расширяют остаточный поток в газовом расширителе, чтобы тем самым генерировать механическую энергию и выхлопной газ.
14. Способ по п.13, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один вспомогательный компрессор и охлаждающий блок, приспособленный для увеличения массового расхода газообразного выхлопного потока для генерирования рециркулирующего газа.
15. Способ по п.14, содержащий охлаждение газообразного выхлопного потока в первом охлаждающем блоке, соединенном по текучей среде, по меньшей мере, с одним вспомогательным компрессором, при этом первый охлаждающий блок выполнен с возможностью получения и охлаждения газообразного выхлопного потока перед введением, по меньшей мере, в один вспомогательный компрессор.
16. Способ по п.15, дополнительно содержащий охлаждение газообразного выхлопного потока, по меньшей мере, из одного вспомогательного компрессора во втором охлаждающем блоке, соединенном по текучей среде, по меньшей мере, с одним вспомогательным компрессором для генерирования рециркулирующего
газа.
17. Способ по п.13, дополнительно содержащий приведение в действие впускного компрессора с помощью механической энергии, генерируемой газовым расширителем, при этом впускной компрессор выполнен с возможностью генерирования первого сжатого окислителя.
18. Способ по п.13, дополнительно содержащий средства нагрева, приспособленные для повышения температуры остаточного потока для генерирования потока нагретого азотного пара.
19. Способ по п.18, в котором средства нагрева содержат теплообменник, соединенный по текучей среде как с потоком продувки, так и с остаточным потоком, и дополнительно содержащий уменьшение температуры потока продувки и увеличение температуры остаточного потока с помощью теплообменника, тем самым генерируя поток нагретого азотного пара.
20. Способ по п.19, дополнительно содержащий увеличение температуры потока продувки посредством сжигания кислорода и оставшегося топлива в устройстве катализа, расположенного в потоке продувки до теплообменника.
21. Способ по п.13, дополнительно содержащий впрыскивание воды в поток нагретого азотного пара для увеличения массового расхода газового расширителя.
22. Способ по п.18, в котором средства нагрева содержат вторую камеру сгорания, и дополнительно содержащий стехиометрическое сжигание второго топлива и второго сжатого окислителя во второй камере сгорания, соединенной по текучей среде с остаточным потоком, при этом вторая камера сгорания выполнена с возможностью генерирования второго выходящего потока.
23. Способ по п.22, дополнительно содержащий сдерживание температуры второго выходящего потока с помощью остаточного потока, выходящего из сепаратора СОг •
24. Способ по п.20, дополнительно содержащий расширение второго выходящего потока в газовом расширителе для генерирования механической энергии для приведения в действие впускного компрессора, при этом впускной компрессор выполнен с
возможностью генерирования первого сжатого окислителя. 25. Интегрированная система, содержащая: первую газотурбинную систему, содержащую:
первый компрессор, выполненный с возможностью получения и сжатия рециркулирующего выхлопного газа и предоставления первого сжатого рециркулирующего потока;
первую камеру сгорания, выполненную с возможностью получения первого сжатого рециркулирующего потока, первого сжатого окислителя и потока первого топлива, при этом первая камера сгорания приспособлена для стехиометрического горения потока первого топлива и первого сжатого окислителя, при этом первый сжатый рециркулирующий поток служит в качестве разбавителя для сдерживания температур горения; и
первый расширитель, соединенный с первым компрессором и выполненный с возможностью получения первого выпуска из первой камеры сгорания и генерирования рециркулирующего выхлопного газа и, по меньшей мере, частичного приведения в действие первого компрессора;
поток продувки, взятый из сжатого рециркулирующего потока и обрабатываемый в сепараторе СОг для предоставления потока СОг и остаточного потока, при этом остаточный поток по существу содержит азотный газ; и
вторую газотурбинную систему, соединенную по текучей среде с первой газотурбинной системой через поток продувки, при этом вторая газотурбинная система содержит:
второй компрессор, выполненный с возможностью получения и сжатия подаваемого окислителя и генерирования второго сжатого окислителя, при этом первый сжатый окислитель получается, по меньшей мере, частично, из второго сжатого окислителя;
вторую камеру сгорания, выполненную с возможностью получения второго сжатого окислителя, азотного газа из остаточного потока и потока второго топлива, при этом вторая камера сгорания приспособлена для стехиометрического горения потока второго топлива и второго сжатого окислителя, при этом азотный газ служит в качестве разбавителя для сдерживания температур горения; и
второй расширитель, соединенный со вторым компрессором и выполненный с возможностью получения второго выпуска из второй камеры сгорания и генерирования выхлопа и, по меньшей мере, частичного приведения в действие второго компрессора.
26. Система по п.25, в которой первая газотурбинная система дополнительно содержит вспомогательный компрессор, выполненный с возможностью увеличения давления рециркулирующего выхлопного газа перед впрыскиванием в первый компрессор для предоставления сжатого рециркулирующего потока.
27. Система по п.2 6, в которой второе топливо представляет собой водородное топливо.
28. Система по п.26, в которой вторая газотурбинная система дополнительно содержит теплоутилизационный парогенератор, выполненный с возможностью получения выхлопа из второго расширителя и предоставления пара для паровой газовой турбины.
29. Интегрированная система, содержащая:
газотурбинную систему, имеющую первую камеру сгорания, выполненную с возможностью стехиометрического горения сжатого окислителя и топлива при наличии сжатого рециркулирующего потока, при этом камера сгорания предоставляет выходящий поток в расширитель для генерирования газообразного выхлопного потока и, по меньшей мере, частичного приведения в действие первого компрессора;
систему рециркуляции выхлопных газов, имеющую, по меньшей мере, один вспомогательный компрессор, выполненный с возможностью получения и увеличения давления газообразного рециркулирующего потока перед направлением охлажденного рециркулирующего газа в первый компрессор, первый компрессор сжимает охлажденный рециркулирующий газ и тем самым генерирует сжатый рециркулирующий поток, при этом сжатый рециркулирующий поток действует как разбавитель, выполненный с возможностью сдерживания температуры выходящего потока;
сепаратор СОг, соединенный по текучей среде со сжатым рециркулирующим потоком через поток продувки; и
расположенный ниже по потоку компрессор, соединенный по
текучей среде с сепаратором СОг через остаточный поток, полученный из сепаратора СОг и состоящий главным образом из обогащенного азотом газа.
30. Система по п.2 9, в которой расположенный ниже по потоку компрессор выполнен с возможностью сжатия обогащенного азотом газа для поддержания давления.
По доверенности
152
154
151
118
120
100
112
114
148
150
146
102
(-124
122
110
104
116 144
108 106
128
130
126 "Г
132
141
134
140
138
142
ФИГ.1
сл со
ФИГ.2
ФИГ.4
ФИГ.5
ФИГ.7
