用于操作联合循环发电设备的方法和使用该方法的联合循环发电设备

摘要

本发明公开了一种方法，其用于操作带有综合CO2捕获单元(14)的联合循环发电设备(10)，其中燃气涡轮(11)的烟道气体沿着烟道气体路径被引导经过热回收蒸汽发生器(19)、烟道气体冷却回路(13)和CO2吸收器(33)。通过操作燃气涡轮(11)以在其出口处具有背压(p1)，其补偿沿着烟道气体路径的大多数或所有烟道气体的压力损失，从而实现了努力的减少。

说明书

技术领域

本发明涉及具有CO2捕获和储存能力的联合循环发电设备的技术。其涉及根据权利要求1的序言所述的一种用于操作联合循环发电设备的方法。其还涉及一种使用该方法的联合循环发电设备。

背景技术

图1显示了具有综合碳捕获和储存(CCS)设施的联合循环发电设备(CCPP)的简图。图1的联合循环发电设备10包括燃气涡轮11、水/蒸汽循环12、烟道气体冷却回路13和CO2捕获单元14。

燃气涡轮11是顺序燃烧类型，并且包括压缩机15、第一燃烧器16、第一涡轮17、第二燃烧器16'和第二涡轮17'，压缩机15压缩周围空气18。第二涡轮17'的排气经过热回收蒸汽发生器19，其是水/蒸汽循环12的一部分。排气的热用于在热回收蒸汽发生器19中产生蒸汽。蒸汽驱动一组蒸汽涡轮，其包括高压蒸汽涡轮20、根据要求的中间压力蒸汽涡轮以及此外根据要求的低压蒸汽涡轮。离开最后的蒸汽涡轮的蒸汽在冷凝器24中进行冷凝，并且生成的水通过给水泵25泵送回热回收蒸汽发生器19。

来自蒸汽涡轮20的中间抽取蒸汽被引入CO2吸收器33，如线路23所示。

在已经经过热回收蒸汽发生器19之后，排气在后续的排放部阻尼器26中被分流成第一部分和第二部分，第一部分进入排放部28中，并且第二部分经过通风阻尼器27并进入烟道气体冷却回路13中，其在冷却器29中被冷却下来。作为冷却水回路的一部分，冷却器29包括根据要求的热交换器和泵。

在被冷却下来之后，排气通过鼓风机32进给到CO2捕获单元14内的CO2吸收器33中。捕获的CO2离开CO2吸收器33，以便通过压缩机34进行压缩。然后压缩的CO2 35准备好进行储存。

CO2吸收器33进行操作，使蒸汽根据要求以一定的压力在蒸汽抽取部23处从蒸汽涡轮20中抽取出来，或优选在中间压力蒸汽涡轮和低压蒸汽涡轮之间。来自吸收器33的剩余气体被引导至排放部37，同时将冷凝物36供给回水/蒸汽循环12。

在提供烟道气体循环的情况下，烟道气体循环路径38从CO2捕获单元14通向燃气涡轮11的入口。

根据图1，在发电设备10的各个点的典型的压力p1至p7是：

p1(燃气涡轮背压)  35毫巴

p2(HRSG出口) 0毫巴

p3(在通风阻尼器27之后)     -5毫巴

p4(在冷却器出口)  -25毫巴

p5(在鼓风机入口)  -30毫巴

p6(在鼓风机出口)  65毫巴

p7(在吸收器出口)  0毫巴。

在图1所示的发电设备配置中，鼓风机32所需用的功率可能是大约几MW(例如8.5MW)。这在CO2被捕获时对设备性能具有大的负面影响。此外，当偏离设计运转时，鼓风机效率通常显著地下降，其意味着部分负载的操作恶化。

CO2捕获单元14的捕获率还受到设计点的偏差的影响。作为一个确凿的示例，当单元被设计为用于在ISO条件下用于90%的CO2捕获时，在夏天遭遇的较高的周围温度下捕获率下降至85%。常年一直确保90%的CO2捕获将需要过度设计捕获单元，导致过大的成本和性能损耗。

驱动整个系统设计的极端偏离设计条件是燃气涡轮停机。研究已经显示鼓风机32的长期停机导致上游烟道气体路径中强的真空(比周围更低达100毫巴)，从而导致结构损坏。

在具有碳捕获和储存的联合循环发电设备中，烟道气体必须从HRSG19的排气部输送到CO2捕获单元14的吸收器33中。传统地，鼓风机32用于克服烟道气体路径中的所有压力损失，从而可使燃气涡轮11在设计条件下操作(即通常35毫巴的标准燃气涡轮出口压力)。吸收器压力基本上是大气压。在这个示例中，鼓风机头部为大约100毫巴。

现有技术相关的类似配置推荐通过增加CO2捕获单元的吸收器中的压力而改善CO2捕获效率。

文献EP 1 688 173 A2 1建议使用鼓风机来实现这个目的。详细地说，公开了一种二氧化碳回收系统，其包括涡轮、锅炉、二氧化碳吸收塔和再生塔，涡轮被蒸汽驱动和旋转，锅炉产生供应至涡轮的蒸汽，二氧化碳吸收塔通过吸收液体吸收和移除来自锅炉的燃烧排气中的二氧化碳，再生塔对载有吸收的二氧化碳的吸收液体加热和再生。再生塔设有多级形式的多个带负载的吸收液体的加热装置，其加热带负载的吸收液体，并移除带负载的吸收液体中的二氧化碳。涡轮设有多个线路，其从涡轮抽取具有不同压力的多种蒸汽，并且将所抽取的多种蒸汽供应至多个带负载的吸收液体的加热装置，作为其加热源。多个线路连接在一起，使得所供应的蒸汽的压力从前一级多个带负载的吸收液体的加热装置至后一级多个带负载的吸收液体的加热装置逐级增加。

此外，在锅炉的燃烧排气出口侧，对燃烧排气加压的爆破式鼓风机、冷却燃烧排气的冷却器、以及其填充了CO2吸收液体用于从燃烧排气吸收和移除CO2的CO2吸收塔，连续地以该顺序从锅炉侧布置。

文献WO 2008/090168 A1传授了使用燃气涡轮来增加吸收器压力。详细地说，其公开了一种用于减少发电设备中的CO2排放的工艺，其中发电设备包括至少一个燃气涡轮，其联接在热回收蒸汽发生器单元上，并且CO2捕获单元包括吸收器和再生器，该工艺包括如下步骤：(a)将离开燃气涡轮的具有某一升高压力的热的排气引入到热回收蒸汽发生器单元中，以产生蒸汽和包括二氧化碳的烟道气体流；(b)通过在具有升高的操作压力的吸收器中使烟道气体流与吸收液体接触，从而从包括二氧化碳的烟道气体流中移除二氧化碳，以获得富含二氧化碳的吸收液体和净化的烟道气体流，其中燃气涡轮的设定和/或结构经过调整，使得离开燃气涡轮的热的排气具有一定的压力，其至少是吸收器的升高的操作压力的40%。用于排气的鼓风机没有被使用。

当联合CCPP使用烟道气体循环(FGR)以增加排气中的CO2浓度时，给出一种特别的情形。

提出通过烟道气体循环(FGR)系统，结合后燃烧CO2捕获来浓缩燃气涡轮排气部处的CO2浓度(参见例如文献WO 2006/018389 A1)。烟道气体循环对于CO2捕获工艺是有益的，因为二氧化碳的浓度增加，并且流向CO2捕获单元的整个质量流减少。这两个方面导致更小的CO2捕获率和更有效的捕获工艺。

在提出的烟道气体循环系统中，富含CO2的烟道气体在与周围空气混合之前进行冷却和清洁，然后供应至燃气涡轮的压缩机入口。

在DE 100 01 110 A1中还公开了一种方案，以从离开HRSG的烟道气体中回收水。这通过液滴收集器来实现，其放置在动力涡轮的出口。动力涡轮接收2-5巴的压力下的来自HRSG的排气。不同于常规燃气涡轮，这种涡轮被特别设计用于将这个增加的压力(2-5巴，而非典型的1巴)传递给HRSG。

WO 2006/018389 A1中所公开的现有技术具有各种缺点：

鼓风机辅助功率消耗->设备性能方面的损失；

鼓风机控制->这种设备的控制系统将带来更大的复杂性，因为鼓风机的控制将代表烟道气体路径的起动、停止和正常操作时的额外的功能块；

鼓风机上的烟道气体温度的增加->设备性能方面的损失；

鼓风机的维护->增加的维护间隔，增加的停机时间；

在GT停机之后->由鼓风机造成的系统的大的负压->较大的危害。因此，管道和HRSG的设计必须(比不存在危害时)更加坚固，因而增加了设计和第一成本。

鼓风机消耗了大约2.6MW的功率，发费很多，并且具有大约10m×5m×7m(L×W×H)的相当大的占地面积。此外，鼓风机造成烟道气体流的温度增加大约3-4K。这种增加造成了设备性能方面的损失。最后，鼓风机满负载时的GT的停机可能造成烟道气体路径中严重的负压(接近70毫巴)。这代表极大的危害。

为了鼓风机能跟随燃气涡轮操作，一种可靠的控制系统是必须的。假定在鼓风机上游的管道中有潜在极端的流动不均匀性(包括来自部分开放的排放部(为了最大限度地减小在极端瞬变期间的负压风险而应用的一种措施)的潜在的流卷吸)，那么也难以向鼓风机控制系统提供可靠的测量。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于操作带有烟道气体处理装置的联合循环发电设备的方法，其实质地减少了发电设备的烟道气体处理部分所需要的努力。

本发明的又一目的是公开一种使用根据本发明的方法的联合循环发电设备。

这些目的以及其它目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求10所述的联合循环发电设备来实现。

本发明涉及一种用于操作联合循环发电设备的方法，其中燃气涡轮的烟道气体沿着烟道气体路径经过热回收蒸汽发生器被引导至烟道气体处理装置，由此，燃气涡轮在其出口处以背压进行操作，背压补偿沿着烟道气体路径的大多数或所有烟道气体的压力损失。

根据本发明的一个实施例，操作燃气涡轮以在其出口处具有背压，其补偿沿着烟道气体路径的所有烟道气体的压力损失。

具体地说，燃气涡轮以150毫巴至大约250毫巴的背压进行操作。

根据本发明的另一实施例，操作燃气涡轮以在其出口处具有背压，其补偿沿着烟道气体路径的大多数烟道气体的压力损失，并且剩余的压力损失通过布置在烟道气体路径中的鼓风机来补偿。

具体地说，燃气涡轮以大约100毫巴的背压进行操作，并且鼓风机以大约50毫巴的载荷进行操作。

根据本发明的又一实施例，烟道气体处理装置包括烟道气体冷却回路和带有CO2吸收器的综合CO2捕获单元。

根据本发明的另一实施例，烟道气体处理装置包括NOx减少装置。

具体地说，至少部分烟道气体再循环到位于烟道气体循环路径上的燃气涡轮的入口，并且沿着烟道气体循环路径的烟道气体的压力损失通过燃气涡轮的背压而完全补偿。

根据本发明的另一实施例，燃气涡轮的背压通过加压的热回收蒸汽发生器来产生并进行控制。

根据本发明的联合循环发电设备包括燃气涡轮、带有热回收蒸汽发生器的水/蒸汽循环，通过水/蒸汽循环，燃气涡轮的烟道气体沿着烟道气体路径流动，由此，设计燃气涡轮，从而使其以背压进行操作，背压补偿沿着烟道气体路径的大多数或所有烟道气体的压力损失。

根据本发明的一个实施例，在所述烟道气体路径中布置有鼓风机，其载荷小于燃气涡轮的背压。

根据本发明的另一实施例，提供了在HRSG排放部中具有节流阻尼器的加压的热回收蒸汽发生器来产生所述背压。

根据本发明的进又一实施例，提供了一种烟道气体循环路径，用于使烟道气体再循环回燃气涡轮的入口，并且燃气涡轮被设计为用于以背压进行操作，背压补偿沿着烟道气体循环路径的烟道气体的压力损失。

附图说明

现在将通过不同的实施例并参照附图更完整地解释本发明。

图1显示了可供本发明使用的具有综合CO2捕获和储存能力的联合循环发电设备的简图；

图2显示了可供本发明使用的具有综合CO2捕获和储存能力的联合循环发电设备的又一简图；以及

图3显示了根据本发明一个实施例的具有烟道气体循环路径和加压的HRSG的联合循环发电设备的简图。

具体实施方式

同图1中所示的现有技术配置相比，本发明建议减少烟道气体鼓风机的载荷(从100减少至大约50毫巴)，同时增加燃气涡轮背压(图1中的p1从40增加至大约100毫巴)。这种配置允许整体的有效性能的增加(因为燃气涡轮压缩机15比鼓风机32更有效)，并减少成本。

此外，这样一种操作允许额外的适宜的特征：

当捕获单元偏离设计运转时(例如在热天)，轻微地增加吸收器压力(高于标准大气压)从而保持设计的CO2捕获率，而不必过度设计该单元。这可通过装备有效的质量流控制的鼓风机来实现，例如入口导叶(其中在80-100%的负载范围内，效率轻微变化)或可变间距叶片(在大得多的负载范围内高效率)，当请求更高的吸收器压力时，调整导叶(或叶片间距)允许了最大负载；

净化功能；

可使用标准燃气涡轮(对于100毫巴的背压不需要大的修改)；

由于燃气涡轮停机而正常产生的真空(在烟道气体路径中)小得多。

第一实施例：

根据本发明的第一实施例，建议完全消除烟道气体鼓风机32，并在更高的背压下操作燃气涡轮11(例如150毫巴将适合于图1的CCPP/CCS设备)，从而将排气输送给CO2捕获单元14。在给定的燃气涡轮操作点，吸收器压力仍保持大致恒定。这个实施例对于简化系统和降低成本是理想的。

对于上述图1的设备的热力学计算、热平衡和成本评估得出结论，即实施本发明造成以下好处：

整体设备输出高了3.2MW；

硬件成本实质地减少；

移除鼓风机导致更坚固且更容易控制的系统；

完全避免了在燃气涡轮停机期间所产生的真空问题。

第二实施例：

本发明理念还可用于采用烟道气体循环的CCPP/CCS中。在该情况下，燃气涡轮背压增加大约30毫巴(对应于沿着烟道气体循环路径38的压力损失)。小的鼓风机32用于CCS流，以克服由CO2捕获单元14引起的压力损失。再循环路径38通过至少一个次级路径38a,38b从CO2捕获单元14的泵32的下游和CO2吸收器的上游而通向燃气涡轮11的入口。

在具有烟道气体循环的CCPP中，烟道气体路径通常通过移除鼓风机而进行优化。这种优化可应用于烟道气体再循环，其将碳捕获和封存(CCS)及烟道气体循环结合起来，用于减少NOx的目的。

出于CCS和减少NOx的目的，该方案涉及在具有燃气涡轮的联合循环中提供加压的HRSG以及烟道气体循环系统。

该方案包括设计HRSG，使得速度水平高于“标准”HRSG中的速度水平。为了这样做，HRSG设计得比“标准”要小，赋予更高的压降(dp)和更高的出口压力。更高的出口压力可用于克服在烟道气体路径上所经历的压力损失，而不需要额外的压力恢复装置，即鼓风机。

(A)带CCS的FGR：

如已经告知得那样，在WO 2006/018389 A1中所示的烟道气体路径中所导致的压力损失必须通过鼓风机来恢复。

根据本发明，提供了一种加压的HRSG，使得出口压力足以克服前述的压力损失。通过这样做，HRSG将显著地更小，并因此将具有更低的第一成本和更小的占地面积。

更小的HRSG导致涡轮上更大的背压。涡轮上的背压的这种增加将等于跨烟道气体路径(即：从燃气涡轮的出口至燃气涡轮的入口)的压降。

这假定如下：

HRSG上的dp：35毫巴

DCC上的dp：25毫巴

混合器上的dp：5毫巴

管道上的dp：5毫巴

涡轮上的背压的净增加等于DCC、混合器和管道的dp之和，即35毫巴。

图2显示了图1的各种变型，即关于操作循环路径38，其从CO2捕获单元14通向燃气涡轮11的入口。在已经经过热回收蒸汽发生器19之后，排气在后续的排放部阻尼器26中被分流成第一部分，其进入排放部28中，流向通风阻尼器50，并作为排气51前进。第二部分经过通风阻尼器52并进入烟道气体冷却回路13中，其在冷却器29中被冷却。作为冷却水回路的一部分，冷却器29包括根据要求的热交换器和泵。在已经经过气体冷却回路13之后，排气通过泵32a进行压缩，并接着被引入燃气涡轮11中。在泵32的下游和涡轮11的上游，一部分排气通过压缩机34进行压缩。然后压缩的排气35准备好进行储存。

未提供来自蒸汽涡轮20的中间抽取蒸汽。

在图3中可看出相应的设备布局的示意图。作为之前系统的加标点版本，图3中所示的联合循环发电设备40包括燃气涡轮41，其带有空气入口42、混合器43、压缩机44和涡轮46，涡轮46被燃料45的燃烧所产生的热气体驱动。燃气涡轮41的排气经过热回收蒸汽发生器41，其是未显示的水/蒸汽循环的一部分。

在HRSG的出口，排气可通过带综合节流阻尼器61的HRSG排放部48排出，并且/或者流过烟道气体线路39，其可通过闸门49进行关闭。流过烟道气体线路39的排气51可经过第一通风阻尼器50以到达CCS设施(未显示)和/或经过第二通风阻尼器52，以经由烟道气体循环线路59和60而再循环至燃气涡轮41的混合器43。

在烟道气体循环线路59和60之间提供了直接接触冷却器(DDC)58，其具有单独的冷却水循环，包括泵54,55和57、冷却塔53和水处理装置56。

图3的系统的操作可以如下：

(a)CCS离线，FGR比率=0%：

闸门49是关闭的，HRSG排放部48是开放的，通风阻尼器50(CCS)是关闭的，通风阻尼器52(FGR路径)是关闭的。

(b)CCS在线，FGR比率=0%：

闸门49是开放的，HRSG排放部48(节流阻尼器61)控制所需要的压力水平，通风阻尼器50是开放的，通风阻尼器52是关闭的。

(c)CCS离线，FGR比率=30%(例如)：

闸门49是开放的，HRSG排放部48(节流阻尼器61)控制所需要的压力水平，通风阻尼器50是关闭的，通风阻尼器52是开放的。

(d)CCS在线，FGR比率=30%(例如)：

闸门49是开放的，HRSG排放部48(节流阻尼器61)控制所需要的压力水平，通风阻尼器50是开放的，通风阻尼器52是关闭的。

有和没有鼓风机时的设备性能的比较给出如下：

鼓风机消耗：

克服图3中的系统的压力损失所需要的由鼓风机消耗的功率基于以下参数进行评估：

经过FGR路径鼓风机的最大质量流：345kg/s；

所需要的压力增加：35毫巴；

相对应的鼓风机功率消耗：2.6MW。

增加的背压对设备性能的影响：

在涡轮上增加的35毫巴的背压导致总功率大约2MW的CC损失。

(B)用于NOx减少的FGR：

如上面部分(A)中一样，可使用加压的HRSG，使得出口压力足以克服烟道气体路径中的压力损失。类似地，在涡轮上的背压的增加将等于烟道气体路径构件(DCC、管道和混合器43)上的dp，即35毫巴。

部分(A)中的方案的偏差关系到排气在HRSG41之后的分裂。在这种情况下，来自HRSG41的排气的30-40%将再循环至燃气涡轮41。剩余60-70%将经由通风阻尼器50而被释放至排气排放部中。为了保持烟道气体路径内增加的压力，通风阻尼器50必须进行节流。

因此，参照图3建议的方案具有以下特征：

跨烟道气体循环路径的压降的控制通过应用结合节流阻尼器的加压的HRSG来实现；

FGR用于减少NOx的目的且用于碳捕获技术；

排气排放部(48)中的节流阻尼器(61)用于控制烟道气体路径中的压力水平；

HRSG以大于60毫巴的压力差dp进行加压。

标号列表

10,40 联合循环发电设备(CCPP)

11 燃气涡轮(具有顺序燃烧)

12 水/蒸汽循环

13 烟道气体冷却回路

14 CO2捕获单元

15,44 压缩机

16,16' 燃烧器

17,17',46 涡轮

18 周围空气

19,47 热回收蒸汽发生器(HRSG)

20 蒸汽涡轮

23 蒸汽抽取部

24 冷凝器

25 给水泵

26 排放部阻尼器

27 通风阻尼器

28,37 排放部

29 冷却器

32 鼓风机

33 CO2吸收器

34 压缩机

35 CO2

36 冷凝物

38,38a,38b 烟道气体循环路径

39 烟道气体线路

41 燃气涡轮

42 空气入口

43 混合器

45 燃料

48 HRSG排放部

49 闸门

50,52 通风阻尼器

51 排气

53 冷却塔

54,55,57 泵

56 水处理装置

58 直接接触冷却器(DCC)

59,60 烟道气体循环线路

61 节流阻尼器