BR112017027018B1 - Sistema e método para dar partida a uma instalação de produção de energia - Google Patents

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Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA DAR PARTIDA A UMA INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE ENERGIA. A presente invenção refere-se a sistemas e a métodos que proveem a geração de energia usando predominantemente CO2 como um fluido de trabalho. Em particular, a presente descrição provê configurações específicas para dar partida a um sistema de geração de energia por meio do qual o combustor pode ser inflamado antes que a turbina es-teja funcionando em uma velocidade suficientemente alta para acionar o compressor para um eixo comum em condições em que um fluxo de CO2 de reciclagem pode ser provido para o combustor em um volume de fluxo e pressão de fluxo suficientes. Em algumas concretizações, uma linha de derivação pode ser utilizada para prover oxidante adicional no lugar do fluxo de CO2 de reciclagem.

Description

CAMPO DA DESCRIÇÃO
[0001] O assunto atualmente descrito refere-se a instalações de produção de energia. Em particular, configurações de sistema e métodos são providos para dar partida a uma instalação de produção de energia.
ANTECEDENTES
[0002] São conhecidos vários sistemas e métodos para a produção de energia (por exemplo, eletricidade) via a combustão de um combustível. Por exemplo, a Patente Norte-Americana No. 8.596.075, para Allam et al., a descrição da qual é aqui incorporada para referência, descreve ciclos de combustão onde CO2 é usado como um fluido de trabalho e todo CO2 produzido proveniente da combustão pode ser capturado (por exemplo, por absorção ou outro uso). Tais sistemas, em particular, se beneficiam da utilidade reconhecida de aquecimento de um fluxo de CO2 de reciclagem em um trocador de calor recuperativo usando calor do escape quente da turbina bem como acrescentando calor adicional de uma fonte que não o escape da turbina.
[0003] Embora vários sistemas e métodos de produção de energia exibam propriedades desejadas, as condições de operação de tais sistemas podem não levar em conta certos requisitos durante fases específicas da operação. Em particular, consideração especial pode necessária para as condições de operação na partida de uma central elétrica que pode não ser abrangida pelas condições gerais de operação da central elétrica no modo de produção total. Por conseguinte, há necessidade de configurações que possam ser aplicadas a instalações de produção de energia que permitam uma partida eficaz e que permitam uma troca eficiente para as configurações de operação normal no tempo apropriado.
SUMÁRIO DA DESCRIÇÃO
[0004] A presente descrição provê configurações que possam ser aplicadas a uma instalação de produção de energia de modo que a partida de uma instalação possa proceder de acordo com um conjunto mais abrangente de condições que possam ser de outro modo possíveis. Em particular, a presente descrição permite a partida de uma central elétrica de ciclo de combustão com ignição de combustor abaixo da velocidade limiar da turbina que de outro modo seria possível.
[0005] Em algumas concretizações, a presente descrição refere-se à partida de centrais elétricas implementando um ciclo de combustão onde CO2 é utilizado como um fluido de trabalho e onde CO2 formado em combustão pode ser capturado. Exemplos de sistemas e métodos para a produção de energia de acordo com tais condições são providos nas Patentes Norte-Americanas Nos. 8.596.075, para Allam et al., 8.776.532, para Allam et al., 8.869.889, para Palmer et al., 8.959.887, para Allam et al., e 8.986.002. para Plamer et al., bem como nas Publicações de Patentes Norte-Americanas Nos. 2012/0060756, para Palmer et al., 2012/0237881, para Allam et al., 2013/0104525, para Allam et al., e 2013/0118145, para Palmer et al., as descrições das quais são aqui incorporadas para referência em sua totalidade. Quaisquer combinações das etapas do processo e dos componentes do sistema podem ser utilizadas nos métodos e sistemas da presente descrição.
[0006] Em algumas concretizações, por exemplo, a produção de energia pode ser conseguida utilizando um sistema de ciclo fechado ou de ciclo parcialmente fechado no qual CO2 é utilizado como fluido de trabalho. Em tais sistemas, um combustível fóssil ou um combustível derivado de um combustível fóssil (por exemplo, gás de síntese derivado do carvão ou outro combustível carbonado sólido) é queimado por completo em um combustor com um oxidante (por exemplo, oxigênio) para conferir um fluxo oxidado predominantemente de CO2, H2O, excesso de O2, e uma quantidade de impurezas derivadas de componentes oxidados no combustível ou oxidante, tais como SO2, NOx, Hg e HC1. O oxigênio pode ser misturado com CO2. Como um exemplo não limitativo, a concentração molar de O2 no fluxo de O2/CO2 combinado pode ser de cerca de 10% a cerca de 50%, de cerca de 15% a cerca de 40%, ou de cerca de 20% a cerca de 30%. Combustíveis fósseis sólidos, tais como carvão, lignito, ou coque de petróleo, que contenham cinzas não combustíveis podem ser convertidos em um combustível gasoso por meio da oxidação parcial em um sistema de estágio único ou de múltiplos estágios. Tal sistema, por exemplo, pode compreender um reator de oxidação parcial. Alternativamente, por exemplo, tal sistema pode compreender um reator de oxidação parcial e um sistema de remoção de cinzas e componentes inorgânicos voláteis. Tais sistemas adicionalmente compreendem combustão do gás de combustível com oxigênio no combustor do sistema de produção de energia. Um fluxo de CO2 de reciclagem preaquecido é misturado no combustor com os produtos de combustão no gás combustível formado. Qualquer combustor adaptado para operação de acordo com condições de outro modo descritas aqui pode ser usado, e o fluxo de CO2 de reciclagem pode ser introduzido no combustor por qualquer meio para ser adicionalmente aquecido pela combustão e, caso desejado, para atenuar e assim controlar a temperatura do fluxo de saída. Em algumas concretizações, o reator POX ou o combustor, ou ambos, podem utilizar, para fins de exemplo apenas, uma parede resfriada de transpiração que circunda o espaço de reação ou combustão, e o fluxo de CO2 de reciclagem preaquecido pode passar através da parede tanto para resfriar a parede quanto para atenuar e assim controlar a temperatura do fluxo de saída. O fluxo de transpiração promove uma boa mistura entre o CO2 de reciclagem e os fluxos de gás de combustível quente. Outros tipos de combustores, contudo, podem ser também usados, e a presente descrição não é limitada ao uso de combustores resfriados de transpiração. Os produtos de combustão e o CO2 de reciclagem preaquecido combinados que saem do combustor estão na temperatura requerida para a entrada em uma turbina de produção de energia. O escape quente da turbina pode ser resfriado em um trocador de calor de economizador, que, por sua vez, preaquece o fluxo de reciclagem de CO2 de alta pressão.
[0007] Os sistemas e métodos de produção de energia podem ser operados de acordo com um conjunto combinado de condições que podem ser caracterizadas como parâmetros de operação "normal" ou "padrão". Cada condição (por exemplo, temperatura de combustão, velocidade da turbina, relações de compressão, etc.) que forma o conjunto de parâmetros pode estar dentro de sua própria faixa respectiva, e os parâmetros de operação "normal" ou "padrão" podem ser definidos em relação à operação do sistema ou do método de produção de energia em seu estado de produção de energia.
[0008] Uma instalação de produção de energia, contudo, não pode passar das condições inativas para o modo de operação total instantaneamente. De preferência, os componentes da instalação de produção de energia têm que ser trazidos para os parâmetros de operação normal de acordo com um algoritmo específico. Por exemplo, em um sistema de produção de energia onde uma turbina e um compressor são providos em um eixo comum, a saída do compressor é limitada pela velocidade da turbina, e a combustão não pode começar até que o compressor esteja provendo fluxo suficiente do fluxo de reciclagem de CO2 para apropriadamente mediar a temperatura de combustão. Consequentemente, a ignição do combustor pode não ser possível até que a turbina alcance uma certa velocidade limiar. Em algumas concretizações, o compressor acionado por eixo pode não ser capaz de gerar o volume de fluxo e a pressão de fluxo necessários abaixo de uma velocidade do eixo que é de cerca de 85% da velocidade final do eixo - isto é, a velocidade do eixo, quando a turbina estiver operando em seu parâmetro de produção de potência normal. De acordo com a presente descrição, contudo, são providos sistemas e métodos onde a ignição de combustor é possível abaixo do valor limiar da turbina.
[0009] Em algumas concretizações, a presente descrição provê assim um sistema de produção de energia. Tal sistema pode compreender: um combustor; uma turbina; um primeiro compressor, que pode ser um compressor acionado por eixo em um eixo comum com a turbina; um compressor de oxidante, que pode ser um compressor acionado a motor; uma linha de fluxo de escape configurada para a passagem de um fluxo de escape da turbina para o primeiro compressor; uma linha de fluxo de reciclagem configurada para a passagem de um fluxo de reciclagem de CO2 do primeiro compressor para o combustor; uma linha de fluxo oxidante configurada para a passagem de um fluxo de oxidante do compressor de oxidante para a turbina; e uma linha de derivação configurada para a passagem de pelo menos uma porção do fluxo de oxidante das linhas de luzo de oxidante para as linhas de fluxo de reciclagem. Em algumas concretizações, o sistema pode ser definido por uma ou mais das seguintes afirmações, que podem ser utilizadas em qualquer combinação e número.
[0010] A linha de derivação pode incluir uma válvula.
[0011] A válvula da linha de derivação pode ser configurada para ficar aberta abaixo de uma primeira velocidade limiar da turbina.
[0012] A válvula da linha de derivação pode ser configurada para ficar fechada acima de uma segunda velocidade limiar da turbina.
[0013] O sistema de produção de energia pode compreender um trocador de calor recuperativo.
[0014] A linha de fluxo de escape, a linha de fluxo de reciclagem, e a linha de fluxo de oxidante podem ser configuradas para a passagem de seus respectivos fluxos através do trocador de calor recuperativo.
[0015] O primeiro compressor pode ser um compressor acionado por eixo.
[0016] O compressor de oxidante pode ser um compressor acionado a motor.
[0017] A turbina pode incluir uma vedação do bucim e uma entrada de ar.
[0018] O sistema de produção de energia pode adicionalmente compreender um compressor de vedação do bucim configurado para receber e comprimir um fluxo de ar e escape da turbina da vedação do bucim.
[0019] O sistema de produção de energia pode adicionalmente compreender um respiro em disposição com o compressor de vedação do bucim e uma linha de ventilação entre o compressor de vedação do bucim e o respiro.
[0020] A linha de ventilação entre a vedação do bucim e o respiro pode estar em disposição de fluxo com a linha de fluxo de escape, e a linha de ventilação e a linha de fluxo de escape podem ser dispostas com relação ao respiro para o fluxo preferencial para o respiro proveniente das respectivas linhas.
[0021] Em algumas concretizações, a presente descrição pode prover métodos para dar partida a uma instalação de produção de energia. Por exemplo, tal método pode compreender o seguinte: pressurizar um fluxo de oxidante em um compressor de oxidante; passar o oxidante pressurizado do compressor de oxidante para um combustor através de uma linha de fluxo de oxidante; queimar um combustível com o oxidante no combustor; expandir um fluxo de produto de combustão do combustor em uma turbina; resfriar um fluxo de escape da turbina em um trocador de calor recuperativo; remover a água do fluxo de escape da turbina para formar um fluxo de reciclagem de CO2; e comprimir o fluxo de reciclagem de CO2 em um compressor acionado por eixo em um eixo comum com a turbina para formar um fluxo de reciclagem de CO2 comprimido para a passagem para o combustor em uma linha de fluxo de reciclagem; onde o fluxo de reciclagem de CO2 comprimido é descarregado e o oxidante do compressor acionado a motor é passado através da linha de fluxo de reciclagem para o combustor até que a turbina alcance uma velocidade limiar definida. Em algumas concretizações, o método pode ser definido por uma ou mais das seguintes afirmações, que podem ser utilizadas em qualquer combinação e número.
[0022] A velocidade limiar definida por ser de cerca de 85% da velocidade de operação normal.
[0023] O oxidante que entra no compressor de oxidante pode ser uma mistura de O2 e CO2.
[0024] O oxidante que entra no compressor de oxidante pode ser ar.
[0025] A turbina pode incluir uma vedação do bucim, uma entrada de ar, e um compressor de vedação do bucim configurado para receber e comprimir um fluxo de ar e escape da turbina da vedação do bucim.
[0026] Em algumas concretizações, substancialmente nenhum fluxo de reciclagem de CO2 é passado para o combustor através da linha de fluxo de reciclagem até que a turbina alcance a velocidade limiar definida. O termo "substancialmente nenhum" pode especificamente significar completamente nenhum ou apenas um volume mínimo.
[0027] Estas e outras características, aspectos e vantagens da descrição se tornarão evidentes a partir de uma leitura da seguinte descrição detalhada juntamente com o desenho anexo, que é brevemente descrito abaixo. A invenção inclui qualquer combinação de duas, três, quatro ou mais das concretizações aqui descritas bem com combinações de quaisquer duas, três, quatro ou mais características ou elementos apresentados nesta descrição, não obstante se estas características ou elementos são expressamente combinados em uma descrição de concretização específica aqui. Esta descrição destina-se a ser lida holisticamente de tal modo que quaisquer características ou elementos separáveis da invenção descrita, em qualquer de seus vários aspectos e concretizações, devam ser vistos como destinados a serem combináveis, a menos que o contexto claramente dite o contrário.
BREVE DESCRIÇÃO DA FIGURA
[0028] Com a descrição assim descrita nos termos gerais anteriores, será feita agora referência ao desenho anexo, que não é necessariamente desenhado em escala, e onde a Figura mostra um diagrama de fluxo de um sistema e método de produção de energia de acordo com uma concretização exemplificativa da presente descrição incluindo uma linha de derivação configurada para a passagem de oxidante comprimido para a linha de fluxo de reciclagem durante um estágio de partida, o dito fluxo sendo configurado para ser interrompido, uma vez que parâmetros de operação desejados sejam obtidos.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0029] O presente assunto será agora descrito mais completamente adiante com referência às concretizações exemplificativas do mesmo. Estas concretizações exemplificativas são descritas de modo que esta descrição seja completa, e conduza por completo o escopo do assunto para aqueles versados na técnica. Certamente, o assunto pode ser concretizado em muitas formas diferentes e não deve ser construído como limitado às concretizações aqui apresentadas; de preferência, estas concretizações são providas de modo que esta descrição satisfaça os requisitos legais aplicáveis. Conforme usadas na especificação, e nas reivindicações anexas, as formas singulares "um/uma" e "o/a" incluem referentes no plural, a menos que o contexto claramente dite o contrário.
[0030] A presente descrição refere-se a sistemas e a métodos que proveem a geração de energia usando predominantemente CO2 como um fluido de trabalho. Em particular, o processo usa uma turbina de relação de alta pressão/baixa pressão que expande uma mistura de um fluxo de CO2 de reciclagem de alta pressão e produtos de combustão que se originam da combustão do combustível. Qualquer combustível fóssil, particularmente combustíveis carbonados, pode ser usado. Exemplos não limitativos incluem gás natural, gases comprimidos, gases de combustível (por exemplo, compreendendo um ou mais de H2, CO, CH4, H2S e NH3) e gases combustíveis. Combustíveis sólidos - por exemplo, carvão, lignito, coque de petróleo, betume, biomassa, e semelhantes, ou combustíveis líquidos viscosos podem ser usados também com a incorporação de elementos necessários do sistema. Por exemplo, um combustor de oxidação parcial pode ser usado para converter o combustível líquido sólido ou viscoso em um gás de combustível que é substancialmente livre de partículas sólidas. Todas as impurezas derivadas do combustível e da combustão, tais como compostos de enxofre, NO, NO2, CO2, H2O, Hg, e semelhantes, podem ser separadas para descarte sem substancial ou completamente quaisquer emissões para a atmosfera. Oxigênio puro pode ser usado como o oxidante no processo de combustão.
[0031] O escape quente da turbina é usado para parcialmente preaquecer o fluxo de CO2 de reciclagem de alta pressão. Em combinação com este aquecimento, o fluxo CO2 de reciclagem pode ser adicionalmente aquecido usando aquecimento de aditivos que pode ser derivado de uma variedade de fontes (por exemplo, de uma unidade de separação de ar ou da energia de compressão de um compressor de CO2).
[0032] Um método de produção de energia, de acordo com a presente descrição, pode compreender passar um fluxo de CO2 de reciclagem aquecido e comprimido para um combustor. O fluxo de CO2 de reciclagem aquecido e comprimido pode ser formado, conforme adicionalmente descrito abaixo. No combustor, um combustível pode ser queimado com oxigênio (por exemplo, pelo menos 98% ou pelo menos 99% de O2 puro) na presença do fluxo de CO2 de reciclagem para produzir um fluxo contendo CO2. O fluxo contendo CO2 do combustor pode ter uma temperatura de cerca de 500°C ou mais (por exemplo, cerca de 500°C a cerca de 1700° C) e uma pressão de 150 bar (15 MPa) ou maior (por exemplo, de cerca de 150 bar (15 MPa) a cerca de 500 bar (50 MPa). O fluxo contendo CO2 pode ser passado através de uma turbina para expandir o fluxo contendo CO2, gerar energia, e formar um fluxo de escape da turbina compreendendo CO2. O fluxo contendo CO2 pode ser expandido através da turbina em uma relação de pressão desejada.
[0033] O fluxo de escape da turbina pode ser processado para remover os produtos de combustão e qualquer CO2 líquido produzido pela combustão do combustível. Para esta finalidade, o fluxo de escape da turbina pode ser resfriado pela passagem através de um trocador de calor. Pode ser utilizado qualquer trocador de calor adequado para uso de acordo com as condições de temperatura e de pressão descritas aqui. Em algumas concretizações, o trocador de calor pode compreender uma série de pelo menos dois, pelo menos três ou ainda mais trocadores de calor de economizador. Pode ser usado um único trocador de calor com pelo menos duas seções, pelo menos três seções (ou mesmo mais seções). Por exemplo, o trocador de calor pode ser descrito apresentando pelo menos três seções de troca de calor que operam através de diferentes faixas de temperatura. A retirada de calor do fluxo de escape da turbina pode ser utilizada para aquecer o fluxo de CO2 de reciclagem, conforme descrito abaixo.
[0034] O fluxo de escape da turbina pode ser dividido em duas ou mais porções. A primeira porção pode compreender 50% ou mais, 70% ou mais ou 90% ou mais (mas menos do que 100%) do fluxo de massa total do fluxo de escape da turbina. Todo o fluxo de escape da turbina ou uma porção deste pode ser passada através de um separador para remover a água e pode ser adicionalmente tratado para remover outros produtos ou impurezas da combustão. O fluxo resultante pode ser descrito como um fluxo CO2 de reciclagem principal. Uma porção do fluxo de CO2 de reciclagem principal pode ser combinado com oxigênio para formar o fluxo de oxidante, que pode ser comprimido em um ou mais estágios para a pressão de entrada de combustor desejada. Uma porção do fluxo de CO2 de reciclagem principal por ser comprimida tal como em um compressor de múltiplos estágios com inter-resfriamento entre os estágios. Preferivelmente, o fluxo de CO2 de reciclagem principal (sozinho ou combinado com o oxigênio) é comprimido em uma pressão de cerca de 40 bar (4 MPa) a cerca de 400 bar (40 MPa), cerca de 80 bar (8 MPa) a cerca de 200 bar (20 MPa), ou cerca de 100 bar (10 MPa) a cerca de 150 bar (15 MPa). O fluxo de CO2 de reciclagem comprimido é então passado novamente através dos trocadores de calor para ser aquecido. O fluxo de CO2 de reciclagem comprimido é aquecido usando o calor extraído do fluxo de escape da turbina (que pode ser caracterizado como o calor de combustão que permanece no fluxo de escape da turbina). A fim de obter uma abordagem de temperatura próxima entre o fluxo de escape da turbina e o fluxo de CO2 de reciclagem comprimido e aquecido que sai do trocador de calor e que entra no combustor, pode ser acrescentado calor adicional (por exemplo, calor de compressão). O uso do aquecimento de aditivos pode ser benéfico para reduzir o diferencial de temperatura entre o fluxo de escape da turbina e o fluxo de CO2 de reciclagem comprimido e aquecido que sai do trocador de calor e que entra no combustor em cerca de 30°C ou menos, em cerca de 25°C ou menos, ou em cerca de 20°C ou menos, tal como em cerca de 2°C a cerca de 20°C, ou de cerca de 2°C a cerca de 10°C.
[0035] Enquanto o acima é provido como sendo exemplificativo de parâmetros de operação normal para vários componentes e etapas do processo do sistema e do método de produção de energia, certas condições têm que ser implementadas a fim de transitar de um estado inativo para um estado de operação normal onde tais condições podem ser aplicáveis a todos os componentes do sistema. A Figura 1 ilustra um diagrama de fluxo de um sistema e método de produção de energia de acordo com a presente descrição, onde uma linha de derivação é incluída. A linha de derivação provê passagem do oxidante comprimido para a linha de fluxo de reciclagem, tal fluxo de desvio sendo controlável via uma ou mais válvulas de tal modo que o fluxo possa ser acionado durante a partida e desativado, uma vez que os parâmetros de operação desejados sejam obtidos. Quando a linha de derivação estiver ativamente passando oxidante para a linha de reciclagem, o fluxo do fluxo de reciclagem de CO2 do compressor acionado por eixo poderá ser interrompido de modo que o fluxo de reciclagem de CO2 não passe para a linha de fluxo de reciclagem. Em particular, o fluxo de reciclagem de CO2 pode ser descarregado durante a partida, ou este fluxo pode ser reciclado em torno do compressor acionado por eixo para permitir que o compressor se mova de inativo para um ponto dentro da faixa de operação. Tal configuração durante a partida é desejável porque o compressor acionado por eixo que é utilizado para comprimir o fluxo de reciclagem de CO2 não pode prover o volume de fluxo e a pressão de fluxo necessários para adequadamente regular a temperatura de combustão no combustor até que a velocidade do eixo compartilhado pelo compressor e pela turbina esteja funcionando na velocidade limiar da turbina ou maior. O compressor de oxidante pode, contudo, ser um compressor acionado a motor e, como tal, pode ser operado de modo a prover o volume de fluxo e a pressão de fluxo necessários para a entrada no combustor, mesmo durante o tempo da partida quando a velocidade do eixo está abaixo da velocidade limiar da turbina. É entendido que a química da combustão durante este estágio de partida seria diferente da química de combustão durante a operação de produção de energia normal. Isto se dá porque uma maior porcentagem de oxidante está sendo utilizada no combustor do que estaria presente, se o fluxo de reciclagem de CO2 fluísse para o combustor. Uma vez que o estágio de partida tem suficientemente uma duração curta, a diferença na química de combustão não é prejudicial para todo o sistema e métodos. Além disso, esta química é rapidamente diluída, uma vez que o sistema está operando de acordo com os parâmetros de operação normal.
[0036] Uma vez que a turbina tenha ficado operacional por tempo suficiente para alcançar a velocidade limiar da turbina, a linha de derivação poderá ser fechada, e o fluxo do fluxo de reciclagem de CO2 poderá começar a passar através da linha de fluxo de reciclagem para o combustor para operação normal. Em algumas concretizações, a velocidade limiar da turbina pode ser mais de cerca de 50% da velocidade na qual a turbina opera no modo de produção de energia normal. Em concretizações adicionais, a velocidade limiar da turbina pode ser mais de cerca de 60%, mais de cerca de 70%, mais de cerca de 80%, mais de cerca 85%, ou mais de cerca de 90% da velocidade na qual a turbina opera no modo de produção de energia normal.
[0037] Uma vez que a velocidade limiar da turbina seja alcançada, a linha de derivação poderá ser fechada. Por exemplo, uma válvula na linha poderá ser fechada. À medida que a válvula da linha de derivação se fecha, o controlador de fluxo para o compressor de fluxo de reciclagem de CO2 fará com que o fluxo de reciclagem de CO2 comece a fluir para e através da linha de fluxo de reciclagem para o combustor. Desta maneira, o fluxo que regula a temperatura de combustão é contínuo, mesmo que a química possa ser mutável à medida que o fluxo de oxidante é substituído pelo fluxo de reciclagem de CO2.
[0038] Nas concretizações exemplificativas ilustradas na Figura, o combustível de gás natural (NG) passa através da válvula 1 e da linha 120 para o combustor 15 onde ele é queimado com oxigênio na presença de CO2 para formar um fluxo de produto de combustão que é expandido na turbina 20 para produzir fluxo de escape da turbina 126. O ar da fonte de ar 22a passa através da vedação do bucim 21 para ser combinado com o escape da turbina que escapa em torno da vedação do bucim e para formar o fluxo 122, que se torna o fluxo 123, e que é comprimido no compressor de vedação do bucim 23 para formar o fluxo 124a. Em alguns casos, a válvula 2 é aberta e o ar da fonte de ar 22b sai da válvula 2 como fluxo de ar 121, cujo fluxo de ar se mistura com o fluxo 122 para formar o fluxo 123, cujo fluxo pode conter uma grande fração de ar. Em algumas concretizações, o sistema pode ser configurado para fluxo preferencial de um ou mais fluxos através de uma ou mais válvulas. Por exemplo, a linha 124a e a linha 126 (depois da saída do trocador de calor 30) podem ser configuradas com relação à válvula 3 de tal modo que a linha 124a fique mais próxima da válvula do que a linha 126. Isto permite que o respiro flua através da válvula 3 para preferencialmente usar o fluxo da linha 124a, no lugar do fluxo da linha 126. A configuração pode ser ajustada para prover misturas de fluxo desejadas, conforme desejado. Por causa disto, quaisquer contaminantes que entrem no sistema provenientes do ingresso de ar 22a ou 22b podem ser minimizados, uma vez que os contaminantes podem ser preferencialmente enviados para o respiro (válvula 3). Além disso, a operação do compressor da vedação do bucim 23 pode também minimizar o vazamento de ar e, portanto, os contaminantes que entram no sistema.
[0039] O fluxo de escape da turbina 126 é resfriado no trocador de calor 30, e qualquer porção do fluxo 124a não ventilada através da válvula 3 pode ser combinada com o fluxo de escape resfriado da turbina 126 através do fluxo 124b. CO2 proveniente da fonte de CO2 115 passa através da válvula 4 e da linha 127 e é combinado com o fluxo de escape resfriado da turbina 126 antes da passagem através do separador 40. O fluxo de água 125 do separador 40 pode ser extraído através da válvula 6 e/ou comprimido na bomba 90 para formar o fluxo 147, que é resfriado no resfriador de água 101 para formar o fluxo 148 que é reciclado no separador. CO2 substancialmente puro sai do separador 40 como um fluxo de reciclagem na linha 18 e é comprimido no compressor 50 para formar o fluxo de reciclagem de CO2 comprimido 130 que é resfriado no resfriador de água 102 para formar o fluxo 131 que passa através da bomba principal 60 e que é direcionado para o combustor 15 na linha de reciclagem 133 que passa através da válvula 13. Uma porção do fluxo 130 pode passar através da válvula 8 e da linha 135 para recirculação através do compressor principal 50. Uma porção do fluxo de reciclagem de CO2 comprimido proveniente da linha de reciclagem 133 pode ser extraída na linha 134 à montante da válvula 13 e passada através da válvula 9 para recirculação através do resfriador de água 102. O fluxo de reciclagem CO2 na linha 131 pode desviar da bomba 60 na linha de derivação da bomba 132 que inclui a válvula de saída 12 para o compressor principal 50.
[0040] Uma porção do fluxo de reciclagem de CO2 da linha 128 pode passar através da válvula 7 para a linha 136 para ser combinada com oxigênio da fonte de oxigênio 205 através da válvula 5 e da linha 137 para formar o fluxo de oxidante 138. O fluxo de oxidante 138 (uma mistura O2/CO2) é passada através do trocador de calor 103 para formar o fluxo 139, que é comprimido no compressor de oxidante 70 e sai na linha 140. Uma porção do fluxo de oxidante comprimido da linha 140 pode passar na linha 141 através da válvula 10 para recirculação através do trocador de calor 103. No trocador de calor 103, o fluxo oxidante 138 pode ser aquecido ou resfriado. Por exemplo, a entrada 201 pode ser um fluxo de água fria que sai como saída aquecida 202 de tal modo que o fluxo de oxidante 139 seja resfriado com relação ao fluxo 138. Alternativamente, a entrada 201 pode ser um fluxo de água quente que sai como saída resfriada 202 de tal modo que o fluxo de oxidante 139 seja aquecido com relação ao fluxo 138. O oxidante comprimido na linha 140 passa através do resfriador de água 104 para formar o fluxo 142, que passa através da bomba de O2/CO2 80 e da válvula 16 antes de o oxidante passar através da linha de oxidante 144 para o combustor 15 para combustão do combustível aí. O oxidante pode desviar da bomba 80 na linha de derivação de oxidante 143 através da válvula de escape de oxidante 17. A linha de derivação de partida 146 interconecta a linha 141 e a linha de derivação de bomba 132 e inclui a válvula 14.
[0041] Em operação, durante a partida, a válvula de saída 12 para o compressor principal 50 é fechada (como são a válvula 9 na linha 134 e a válvula 13 na linha de reciclagem 133). Assim, o fluxo de reciclagem de CO2 128 não passa por reciclagem para o combustor 15. O oxigênio que flui através da válvula 5 e da linha 137 (e que se mistura com o CO2 reciclado proveniente da linha 136) é resfriado (ou aquecido) no trocador de calor 103 e comprimido no compressor de oxigênio 70 (que pode ser um compressor acionado a motor). Uma porção do oxidante comprimido (O2/CO2 misturados) da linha 140 é resfriada no resfriador 104 e desvia da bomba 80 na linha de derivação de bomba 143 (com a válvula 17 aberta e a válvula 16 fechada). para passar através da linha de oxidante 144 para o combustor. Uma porção do oxidante comprimido da linha 140 também passa através da linha 141 para a linha de derivação de partida 146. Uma vez que a válvula de saída 12 para o compressor principal é fechada, o oxidante que de outro modo seria combinado com o CO2 que passa através da linha de derivação de bomba 132 passa através da linha de reciclagem 133 para o combustor 15. A operação procede assim até que a turbina tenha alcançado o valor limiar da turbina e o eixo para o compressor acionado por eixo 50 esteja, desse modo, trabalhando em uma velocidade suficiente para que o compressor acionado por eixo 50 proveja o fluxo de reciclagem de CO2 em um volume de fluxo e em uma pressão de fluxo suficientes. Nesse ponto, a válvula de linha de derivação 14 está fechada, e a válvula de saída 12 para o compressor principal está aberta. O oxidante não passa mais através da linha de reciclagem 133 e passa apenas através da linha de oxidante 144. Com a turbina operando em uma velocidade acima da velocidade limiar, o compressor 50 provê o fluxo de reciclagem de CO2 através da linha de reciclagem 133 no volume de fluxo e na pressão de fluxo necessários para entrada no combustor 15.
[0042] Em algumas concretizações, duas velocidades limiares diferentes da turbina podem ser utilizadas para prover uma troca gradual do estágio de partida para o estágio de produção de energia normal. Uma primeira velocidade limiar da turbina pode ser utilizada para disparar o fechamento da válvula de linha de derivação (e, desse modo, a abertura da válvula de escape de compressor principal). O fechamento e a abertura das válvulas podem não ser imediatos. Visto que a velocidade da turbina continua a aumentar, um segundo limiar da turbina pode ser alcançado, em cujo ponto a válvula de linha de derivação pode ficar completamente fechada.
[0043] A configuração acima pode ser modificada em uma ou mais concretizações. Por exemplo, o suprimento de oxigênio para o compressor de oxidante 70 pode ser suprido para o compressor via o ingresso de ar no fluxo 121 em vez de ser através do suprimento de oxigênio no fluxo 137. Em tais concretizações, o compressor de vedação do bucim 23 irá efetivamente encher a instalação com ar enquanto as válvulas 4 e 5 estão fechadas. O compressor de oxidante 70 irá ainda suprir a turbina com um fluxo de oxidante (ar, em tais concretizações) através do fluxo 144 e através do desvio via o fluxo 133. Alternativamente, CO2 do suprimento de CO2 115 que entra através da válvula 4 e o fluxo 127 podem ser conectados à sucção do compressor de vedação do bucim 23. Em tais concretizações, a válvula 4 ficará aberta enquanto o ar irá passar através da válvula 2. A instalação será cheia com uma mistura de ar e CO2 com o compressor de oxidante 70 ainda controlando o suprimento de fluidos através dos fluxos 144 e 133.
[0044] Muitas modificações e outras concretizações do assunto atualmente descrito ocorrerão àqueles versados na técnica à qual se refere este assunto com o benefício dos ensinamentos apresentados nas descrições anteriores e nos desenhos associados. Por isso, será entendido que a presente descrição não é limitada às concretizações específicas aqui descritas e que modificações e outras concretizações se destinam a ser incluídas no escopo das reivindicações anexas. Embora termos específicos sejam aqui empregados, eles são usados em um sentido genérico e descritivo apenas e não para fins de limitação.

Claims (14)

1. Sistema de produção de energia, caracterizado pelo fato de que compreender: um combustor (15); uma turbina (20) que inclui uma vedação do bucim (21) e uma entrada de ar; um primeiro compressor (50) que é um compressor acionado por eixo acionado pela turbina (20); um compressor de oxidante (70); uma linha de fluxo de escape configurada para a passagem de um fluxo de escape da turbina (126) para o primeiro compressor (50); uma linha de fluxo de reciclagem configurada para a passagem de um fluxo de reciclagem de CO2 ( 131) do primeiro compressor para o combustor (15); uma linha de fluxo de oxidante configurada para a passagem de um fluxo de oxidante (138) do compressor de oxidante para o combustor (15); uma linha de derivação configurada para a passagem de pelo menos uma porção do fluxo de oxidante (138) da linha de fluxo de oxidante para a linha de fluxo de reciclagem; um compressor de vedação do bucim (21) configurado para receber e comprimir um fluxo de ar e escape da turbina da vedação do bucim (21); um respiro (3) em disposição com o compressor de vedação do bucim (21) para receber um fluxo do compressor de vedação do bucim (21);e uma linha de ventilação entre o compressor de vedação do bucim e o respiro (3).
2. Sistema de produção de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a linha de derivação incluir uma válvula (2).
3. Sistema de produção de energia, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a válvula de linha de derivação (14) ser configurada para ficar aberta abaixo de uma primeira velocidade limiar da turbina (20).
4. Sistema de produção de energia, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a válvula de linha de derivação (14) ser configurada para ficar fechada acima de uma segunda velocidade limiar da turbina (20).
5. Sistema de produção de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreender um trocador de calor (30) recuperativo.
6. Sistema de produção de energia, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a linha de fluxo de escape, a linha de fluxo de reciclagem, e a linha de fluxo de oxidante serem configuradas para a passagem de seus respectivos fluxos através do trocador de calor (30) recuperativo.
7. Sistema de produção de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o compressor (50) de oxidante ser um compressor acionado a motor.
8. Sistema de produção de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a linha de ventilação entre o compressor de vedação do bucim (21) e o respiro (3) estar em uma disposição de fluxo com a linha de fluxo de escape (126), e de a linha de ventilação e a linha de fluxo de escape (126) serem dispostas com relação ao respiro (3) para o fluxo preferencial para o respiro das respectivas linhas.
9. Método para dar partida a uma instalação de produção de energia, o método sendo caracterizado pelo fato de que compreender: pressurizar um fluxo de oxidante (138) em um compressor de oxidante (70) acionado por motor; passar oxidante pressurizado do compressor de oxidante (70) para um combustor (15) através de uma linha de fluxo de oxidante (138); queimar um combustível com o oxidante no combustor (15); expandir um fluxo de produto de combustão do combustor (15) em uma turbina (20); resfriar um fluxo de escape da turbina a partir da turbina em um trocador de calor recuperativo; remover água do fluxo de escape da turbina (20) para formar um fluxo de reciclagem de CO2 (128); e comprimir o fluxo de reciclagem de CO2 (128) em um compressor acionado por eixo em um eixo comum com a turbina (20) para formar um fluxo de reciclagem de CO2 (128) comprimido, configurado para passagem para o combustor (15) em uma linha de fluxo de reciclagem passando através do trocador de calor (30) recuperativo; em que o fluxo de reciclagem de CO2 (128) comprimido é recirculado e o oxidante do compressor de oxidante (70) acionado a motor é passado através da linha de fluxo de reciclagem para o combustor (15) até que a turbina alcance uma velocidade limiar definida que é cerca de 50% da velocidade de operação normal.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a velocidade limiar definida ser de cerca de 85% da velocidade de operação normal.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o oxidante que entra no compressor de oxidante (70) ser uma mistura de O2 e CO2.
12. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o oxidante que entra no compressor de oxidante (70) ser ar.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a turbina (20) incluir uma vedação do bucim (21), uma entrada de ar, e um compressor de vedação do bucim configurados para receber e comprimir um fluxo de ar e escape da turbina da vedação do bucim.
14. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que substancialmente nenhum fluxo de reciclagem de CO2 (128) comprimido ser passado para o combustor (15) através da linha de fluxo de reciclagem até que a turbina alcance a velocidade limiar definida.
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