专利名称：用于与整体气化联合循环装置一起使用的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明的领域大体涉及整体气化联合循环(IGCC)系统，且尤其涉及包括绝热轴 向空气压缩机的IGCC系统。
背景技术：
在至少一些已知的IGCC功率装置中，包括低值供给的含烃供给在约2200 °F至约 2700 T度的温度处与高纯度的氧气(例如约95%氧气纯度)反应，以产生燃烧产物，包括 合成气。所产生的合成气在燃气涡轮内燃烧，以产生电功率。此外，在至少一些已知的IGCC功率装置中，氧气由空气分离单元(ASU)供应。更 具体地，为了从ASU供应氧气，供应到ASU的空气最初使用中间冷却的空气压缩机来压缩。 但是，在已知的中间冷却的空气压缩机内，来自各个冷却级的热能传递到冷却水，而不是被 使用在功率装置内。这种热能被传递而不是被使用在装置内，因为中间冷却的空气压缩机 内的热能通常低于约200下。此外，将热能传递到冷却塔需要由冷却水回路引起额外的功 率消耗。因此，需要一种具有改进的热效率的IGCC功率装置。本文描述的实施例设法改进 IGCC功率装置的热效率。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种操作整体气化联合循环功率产生系统的方法。该方 法包括在绝热空气压缩机中压缩空气，以产生压缩的加热空气流，使用压缩的加热空气流 加热氮气流，以产生加热的氮气流和冷却的压缩空气流，以及将冷却的压缩空气流引导到 空气分离单元。在另一个实施例中，提供了一种整体气化联合循环(IGCC)功率装置。IGCC功率 装置包括构造成产生蒸汽的第一热交换器、构造成排放氮气流和氧气流的空气分离单元， 以及与空气分离单元流连通地联接的第二热交换器。第二热交换器构造成加热排出的氮气 流。IGCC功率装置还包括与第一热交换器和第二热交换器流连通地联接的第一绝热空气压 缩机。第一绝热空气压缩机构造成排出包括第一流和第二流的压缩的加热空气流，其中，第 一流被引导到第一热交换器，且第二流被引导到第二热交换器。在又一个实施例中，提供了一种蒸汽发生系统。该系统包括用于产生第一压缩空 气流的第一绝热空气压缩机、用于产生第二压缩空气流的第二绝热空气压缩机，以及与第 一绝热空气压缩机和第二绝热空气压缩机流连通地联接的蒸汽发生器。第一压缩空气流和 第二压缩空气流在蒸汽发生器内产生蒸汽。本文描述的实施例提供了一种用于操作整体气化联合循环(IGCC)功率产生装置 的过程和系统，其与用于操作IGCC功率装置的已知过程和/或系统相比具有改进的热效 率。如本文所描述，使用绝热空气压缩机来产生压缩的加热空气流且加热氮气流有利于通 过提高装置的热效率来降低IGCC功率装置的整体功率消耗。更具体地，本文描述的系统和 过程使用绝热空气压缩机来捕获在IGCC功率装置内产生的高位热。
图1是示例性整体气化联合循环(IGCC)功率产生装置的示意图。
具体实施例方式本文描述的方法和系统包括用于将空气供应到空气分离单元的绝热空气压缩机。 绝热空气压缩机产生压缩的加热空气流，可在整体气化联合循环功率产生装置内从压缩的 加热空气流中回收热能。更具体地，在示例性实施例中，使用压缩的加热空气流来加热稀释 氮气流，且产生中压蒸汽。因而，虽然绝热空气压缩机比已知的中间冷却的空气压缩机消耗 更多功率，但是可回收绝热压缩空气的热能，而不是通过冷却塔来将其抛弃。因此，与使用 中间冷却的空气压缩机来将空气供应到空气分离单元的整体气化联合循环功率产生装置 相比，本文描述的方法和系统提高了整体气化联合循环功率产生装置的整体效率。图1示出了示例性整体气化联合循环(IGCC)功率产生装置10 (在本文也称为“功 率装置”或“装置”)的示意图。在示例性实施例中，装置10包括燃气涡轮发动机12、蒸汽 涡轮14、气化单元16和空气分离单元(ASU) 18。燃气涡轮发动机12包括压缩机20、燃烧 器22和涡轮24。在示例性实施例中，压缩机20是绝热轴向流型压缩机，且涡轮24与热回 收蒸汽发生器(HRSG) 26流连通地联接，热回收蒸汽发生器26将蒸汽供应到蒸汽涡轮14。 HRSG26和蒸汽涡轮14被认为是蒸汽循环。气化单元16与ASU18和燃烧器22流连通地联 接。装置10还包括氮气压缩机28、绝热空气压缩机30、第一热交换器32、第二热交换 器34、第三热交换器36和第四热交换器38。在备选实施例中，装置10不包括第三热交换 器36和/或第四热交换器38。在示例性实施例中，氮气压缩机28可为单级或多级中间冷 却的压缩机，而绝热空气压缩机30是绝热轴向空气压缩机。或者，压缩机28和/或压缩机 30可为使装置10能够如本文所述的那样起作用的任何适当的压缩机。在示例性实施例中，氮气压缩机28与ASU18和第一热交换器32流连通地联接，绝 热空气压缩机30与环境、第一热交换器32和第二热交换器34流连通地联接。第一热交换 器32与氮气压缩机28、绝热空气压缩机30、燃气涡轮发动机压缩机20、燃烧器22和第四热 交换器38流连通地联接。在备选实施例中，第一热交换器32不与燃气涡轮发动机压缩机 20流连通。在示例性实施例中，第二热交换器34与绝热空气压缩机30、燃气涡轮发动机压 缩机20、蒸汽涡轮循环和第三交换器36流连通地联接。第三热交换器36与ASU18、气化单 元16、第二热交换器34和第四热交换器38流连通地联接。在备选实施例中，第三热交换器 36不是与ASU18和/或气化单元16流连通，而是与水源和/或蒸汽源流连通地联接。在示 例性实施例中，第四热交换器38与第一热交换器32、第三热交换器36、ASU18和蒸汽循环 流连通地联接。在装置10的操作期间，来自周围环境的空气40进入绝热空气压缩机30，且在其 中被压缩。更具体地，在示例性实施例中，空气40被压缩到至少180磅/平方英寸，表压 (psig)的压力，更具体地，空气40被压缩到约180psig至约250psig的范围内。空气40 还在压缩过程期间被加热到约750下至约850 °F的范围中的温度。如本文所用，本文描述 的流体，例如空气、氮气和/或氧气，被认为是流体流(fluid flow)和/或流体流(fluidstream)，且术语“流(flow) ”和“流(stream) ”可在本文中互换使用。空气40还被从周围环境引导到燃气涡轮发动机压缩机20中，以在其中进行压缩。 因为压缩机20也是绝热压缩机，所以从压缩机20排出的压缩空气44具有与从以上所描述 的压缩机30排出的压缩空气42类似的特性，例如压力和温度。因而，当从压缩空气44中提 取出空气46，且将空气46从压缩机20引导到ASU18时，可控制提取出的空气46和压缩空 气42的特性，从而使得两个空气流具有大约相等的压力和温度。例如，提取的空气46可具 有压缩空气42的约在2至约15磅/平方英寸(psi)的范围内的压力。在备选实施例中， 取决于周围环境条件，空气40在进入压缩机20之前是经过预先处理的。在示例性实施例中，将压缩空气44弓丨导到燃烧器22，以用于在其中燃烧空气44和 燃料，例如合成气48。将燃烧气体50引导到涡轮24，以产生功率，且将燃烧气体50从涡轮 24排到HRSG26中，以产生蒸汽52。所产生的蒸汽52被引导通过蒸汽涡轮14，以产生功率。提取的空气46和压缩空气42混合，以形成热的高压(HP)空气流54。或者，不从 压缩空气44中提取空气来形成提取的空气46，且仅将压缩空气42引导到ASU18。在示例 性实施例中，经由至少第一热交换器32将HP空气流54引导到ASU18，以产生冷却的HP空 气流56。另外，在示例性实施例中，HP空气流54还被引导通过热交换器34、36和/或38， 以在流54加热稀释氮气(N2) 58之后使用HP空气流54中的热能，如下面更加详细地描述。 更具体地，HP空气流54可具有足够的热能来加热稀释N258和至少一种其它流体流。因而， 可将HP空气流54引导通过多于一个热交换器，以有利于优化对流54内的热能的使用和回 收。在将提取的空气46和压缩空气42结合到HP空气流54中之后，可从HP空气流54中 提取出二次流60，以进一步使用/回收流54的热能。或者，不从HP空气流54中提取出二 次空气流60。在示例性实施例中，在燃烧器22内使用稀释N2 58。更具体地，将稀释N2 58和诸 如合成气48的燃料各自引导到燃烧器22，以在其中进行燃烧。在一个实施例中，加热的稀 释队58在被引导到燃烧器22中之前与燃料混合。在示例性实施例中，ASU18将稀释N2 58 引导到燃烧器22。更具体地，ASU18将稀释N2 58引导到压缩机28，以压缩N2 58。稀释N2 58在压缩过程期间被加热。为了进一步加热稀释N2 58，将队58从压缩机28引导通过第 一热交换器32，其中，HP空气流54的热能加热流过其中的N2 58。在一个实例中，稀释N2 58被HP空气流54加热到约750 0F，或更一般地加热到介于约700 °F和约800 间的范 围。因而，加热的压缩稀释N2 62被引导到燃烧器22，在其中进行燃烧。在示例性实施例 中，在第一热交换器32内加热稀释N2 58之后，HP空气流54被引导到第四热交换器38和 / 或 ASU18。具有与HP空气流54大致相同的物理属性(例如压力和/或温度)的二次空气流 60被引导到第二热交换器34。水和/或低压(LP)蒸汽64被引导通过第二热交换器34到 达HRSG26，以产生过热蒸汽。当水和/或LP蒸汽64被引导通过第二热交换器34时，二次 空气流60加热水和/或LP蒸汽64，以产生中压(MP)蒸汽66。更具体地，使用包含在二次 空气流60内的热能来加热水和/或LP蒸汽64，并由此提高其压力。在一个实例中，当水64 被供应到第二热交换器34时，水64被蒸发到约SOpsi至约600psi之间的压力。这种蒸汽 被认为是“中压”蒸汽。然后这种中压蒸汽被过热到介于约600下至约800 °F之间的温度。 当LP蒸汽64被供应到第二热交换器34时，在约80psi至约150psi之间的压力处供应LP
5蒸汽64，且LP蒸汽64被过热到介于约600 °F和约800 °F之间的温度。在二次空气流60产 生MP蒸汽66之后，二次空气流60被弓I导到第三热交换器36。或者，二次空气流60被引导 到第四热交换器38和/或ASU18，而不流过第三热交换器36。在示例性实施例中，ASU18将高压氧气(HP O2) 68供应到气化单元16，以用于在其 中执行的气化过程。更具体地，在气化单元16内，诸如煤、生物质、烃类供给和/或任何其 它适当的燃料的燃料70与HPO2 68混合，以通过在其中执行的气化过程产生合成气48。所 产生的合成气48被引导到燃烧器22，以在其中进行燃烧，如本文所描述。更具体地，在示 例性实施例中，为了产生HP O2 68，ASU18使氧气与空气56分离。此外，ASU18使氮气与空 气分离，以产生稀释N2 58。更具体地，ASU18接收冷却的HP空气流56，且从其中产生HP O2 68和稀释N2 58。HP O2 68被引导到气化单元16，而稀释N258被引导到燃烧器22，如本文 所描述。经由第三热交换器36将HP O2 68引导到气化单元16。或者，HPO2 68被引导到气 化单元16，而不被弓I导通过第三热交换器36。在示例性实施例中，在第三热交换器36内，在 流60从第二热交换器34排出之后，使用保持在二次空气流60内的热能来加热HP O2 68。 更具体地，当HP O2被引导通过第三热交换器36时，热从二次空气流60传递到HP O2 68。 HP O2 68从第三热交换器36排到气化单元16，且二次空气流60返回到HP空气流54。在 备选实施例中，不是使用第三热交换器36来加热HP O2 68，而是使用第三热交换器36来加 热水流和/或蒸汽流，例如低压蒸汽流。在示例性实施例中，再次结合的HP空气流54被引导通过第四热交换器38。或者， 再次结合的HP空气流54被引导到ASU18，而不被引导通过第四热交换器38。在示例性实 施例中，HP空气流54被引导通过第四热交换器38，以加热在蒸汽循环中产生的冷凝物72。 更具体地，冷凝物72被引导通过第四热交换器38，且使用HP空气流54的热能来加热冷凝 物72。因而，加热的冷凝物74返回到蒸汽循环。在备选实施例中，不是冷凝物72的流体 流在第四热交换器38内被加热。在示例性实施例中，冷却的HP空气流56从第四热交换器 38排到ASU18中，以用于产生HP O2 68和稀释N2 58，如本文所描述。此外，如本文所描述，HP空气流54被分开，从而使得流54的一部分，约60%至约 90%被用来加热稀释N2 58，以及使用流54的剩余部分，约10%至约40%，来加热蒸汽66 和HP O2 68。因而，当流54冷却时，使用热的HP空气流54的热能来加热装置10内的多个 流体流。因此，回收了流54内的热能的大部分，例如85%，且使用该回收的热能来加热稀释 N2 58、HP O2 68和/或冷凝物72，以及/或者产生MP蒸汽66。从流54中回收的热的电当 量显著大于绝热空气压缩机30需要的额外功率。因而，与上述已知的IGCC功率装置的整 体效率相比，装置10的整体效率更高。另外，与包括中间冷却的压缩机的功率装置相比，上述功率装置实现了整体提高 的热效率。更具体地，对于给定空气流，绝热压缩机所需要的压缩功率通常比中间冷却的压 缩机所需要的多约25%。虽然压缩空气提高了空气温度，但是在中间冷却的压缩机中压缩 的空气流的温度通常在约200 T以下。因此，从中间冷却的压缩机排出的空气的热能在冷 却塔中消散和/或减少，这会在冷却水回路中造成额外的功率消耗。相反，在绝热压缩机中 压缩的空气增大到介于约180psig和约250psig之间的压力，以及介于约750 °F和约850 °F 之间的温度。使用本文描述的过程和系统，可回收包含在压缩空气流中的热能的大部分，例
6如多于85%，且可有利地使用该回收的热能来有助于加热氮气、氧气、蒸汽涡轮冷凝物和/ 或其它过程流，以及/或者产生中压蒸汽。因此，如未料到的，使用绝热空气压缩机(例如 压缩机30)有利于提高蒸汽涡轮(例如蒸汽涡轮14)的功率输出，并且因此与使用中间冷 却的空气压缩机的IGCC功率装置的净功率输出相比，提高了 IGCC功率装置的净功率输出 禾口效率。另外，上述过程和系统可与具有紧密的逼近温度(tight approachtemperature) 的热交换器一起使用。例如，这种过程和系统可在逼近温度低于约30下的情况下使用。此 外，IGCC装置内的氮气流可被加热到约750 °F，如果需要的话，IGCC装置内的氧气流也可被 加热到约750下。如果氧气流不被加热到与氮气流大致相同的温度，则可以可选地产生中 压蒸汽流，以及/或者可用于ASU分子筛的再生的氮气可被加热。当氮气被加热时，有利于 提高氮气在分子筛的再生中的效率。以上详细描述了用于与整体气化联合循环一起使用的方法和系统的示例性实施 例。该方法和系统不限于本文描述的具体实施例，而是相反，可与本文描述的其它构件和/ 或步骤独立地和/或分开地使用系统的构件和/或方法的步骤。例如，方法也可与其它热 回收系统和方法结合起来使用，且不限于仅用本文描述的整体气化联合循环系统和方法来 实践。相反，示例性实施例可与许多其它热回收应用结合起来实现和使用。虽然在一些图中而未在其它图中显示本发明的各种实施例的具体特征，这仅是为 了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征结合起来参照 和/或要求保护。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够 实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予 专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实 例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求 书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例处于权利要求的范围之内。
权利要求
一种整体气化联合循环(IGCC)功率装置(10)，包括构造成产生蒸汽(52)的第一热交换器(32)；构造成排出氮气流和氧气流的空气分离单元(18)；与所述空气分离单元流连通地联接的第二热交换器(34)，所述第二热交换器构造成加热所述排出的氮气流；以及与所述第一热交换器和所述第二热交换器流连通地联接的第一绝热空气压缩机(30)，所述第一绝热空气压缩机构造成排出包括第一流和第二流的压缩的加热空气流，其中，所述第一流被引导到所述第一热交换器，所述第二流被引导到所述第二热交换器。
2.根据权利要求1所述的IGCC功率装置(10)，其特征在于，所述IGCC功率装置(10) 还包括与所述空气分离单元(18)流连通地联接的气化单元(16)，所述空气分离单元构造 成将所述氧气流排到所述气化单元中。
3.根据权利要求1所述的IGCC功率装置(10)，其特征在于，所述IGCC功率装置(10) 还包括燃气涡轮发动机(12)，所述燃气涡轮发动机(12)包括构造成将提取的压缩的加热 空气流排到所述压缩的加热空气流中的第二绝热空气压缩机。
4.根据权利要求1所述的IGCC功率装置(10)，其特征在于，所述IGCC功率装置(10) 还包括与所述第一热交换器(32)流连通地联接的热回收蒸汽发生器(26)，所述第一热交 换器构造成将中压蒸汽流排到所述热回收蒸汽发生器中。
5.根据权利要求1所述的IGCC功率装置(10)，其特征在于，所述IGCC功率装置(10) 还包括与所述空气分离单元(18)流连通地联接的第三热交换器(36)，所述第三热交换器 构造成接收所述第一流和所述氧气流，以使用所述第一流来加热所述氧气流。
6.根据权利要求5所述的IGCC功率装置(10)，其特征在于，所述IGCC功率装置(10) 还包括与所述空气分离单元(18)流连通地联接的第四热交换器(38)，所述第四热交换器 构造成接收所述压缩的加热空气流，以加热所述第四热交换器内的冷凝物流。
7.根据权利要求1所述的IGCC功率装置(10)，其特征在于，所述IGCC功率装置(10) 还包括与所述空气分离单元(18)流连通地联接的压缩机(20)，所述压缩机构造成压缩所 述排出的氮气流。
8.一种蒸汽发生系统，包括用于产生第一压缩空气流(42)的第一绝热空气压缩机(30)；用于产生第二压缩空气流(44)的第二绝热空气压缩机；以及与所述第一绝热空气压缩机和所述第二绝热空气压缩机流连通地联接的蒸汽发生器， 所述第一压缩空气流和所述第二压缩空气流在所述蒸汽发生器内产生蒸汽(52)。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述第一绝热空气压 缩机和所述第二绝热空气压缩机流连通地联接的热交换器(32)，所述热交换器构造成使用 所述第一和第二压缩空气流(42，44)来加热蒸汽循环冷凝物流(72)。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述蒸汽发生器流连通地联接的热回收蒸汽发生器(26)；以及包括所述第一绝热空气压缩机(30)的燃气涡轮发动机(12)，所述燃气涡轮发动机与 所述热回收蒸汽发生器流连通，所述燃气涡轮发动机构造成将加热的流体流排到所述热回 收蒸汽发生器中，以在所述热回收蒸汽发生器中产生蒸汽。
全文摘要
本发明涉及一种整体气化联合循环(IGCC)功率装置(10)。整体气化联合循环(IGCC)功率装置(10)包括构造成产生蒸汽(52)的第一热交换器(32)；构造成排出氮气流和氧气流的空气分离单元(18)；与空气分离单元流连通地联接的第二热交换器(34)，第二热交换器构造成加热排出的氮气流；以及与第一热交换器和第二热交换器流连通地联接的第一绝热空气压缩机(30)，第一绝热空气压缩机构造成排出包括第一流和第二流的压缩的加热空气流，其中，第一流被引导到第一热交换器，且第二流被引导到第二热交换器。
文档编号F22B1/00GK101892878SQ20101019373
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月20日 优先权日2009年5月22日
发明者G·M·古尔科, P·S·华莱士, P·S·萨克 申请人:通用电气公司