CN102200057A - 用于冷却燃气涡轮构件的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及用于冷却燃气涡轮构件的系统和方法。其中，一种用于冷却涡轮(16，64)的构件的系统包括：至少一个输入，其与二氧化碳气体源流体连通，二氧化碳气体从由气化单元(32)自烃燃料所产生的合成气体移除；以及，至少一个第一管道(62，69)，其与至少一个输入流体连通且被配置成将来自二氧化碳气体源的一部分转移到涡轮(16)的至少一个构件，涡轮(16)被配置成燃烧该合成气体。
Description
技术领域
本文所公开的主题涉及燃气涡轮(gas turbine)，且更特定而言涉及燃气涡轮中的冷却机构。
背景技术
整合气化组合循环(IGCC)系统越来越多地用于动力生产。IGCC使用气化过程自诸如煤、重石油残渣、生物质等等的燃料源产生合成气体(合成气)。合成气在燃气涡轮中用作燃料来产生电流。IGCC系统可有利地用于通过诸如预燃碳捕获的机制来降低二氧化碳(CO2)排放。
IGCC动力设施采用预燃系统用于CO2捕获。目前，自IGCC设施的CO2捕获不利于这种设施的性能，特别是在生产输出和效率方面。此外，通过从涡轮的压缩机提取空气的常规方法来冷却燃气涡轮的固定构件和旋转构件降低了涡轮效率，例如通过降低布雷登循环效率(Brayton cycle efficiency)。由于诸如下列因素而表现出这种效率损失：由于不可补充的流动(non-chargeable flow)稀释燃烧器出口温度导致焚烧温度降低，由于压缩空气绕过涡轮上游级所致的做功减少，以及，由于在主要气体路径中冷却剂流混合的稀释效果所致的潜在做功减少和相关联的空气动力效率损失。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于冷却涡轮的构件的系统包括：至少一个输入(input)，其与二氧化碳气体源流体连通，二氧化碳气体从由气化单元自烃燃料所产生的合成气体移除；以及，至少一个第一管道，其与至少一个输入流体连通且被配置成将来自二氧化碳气体源的二氧化碳气体一部分转移(divert)到涡轮的至少一个构件，涡轮被配置成燃烧该合成气体。
根据本发明的另一方面，一种用于动力生产的系统包括：气化单元，其被配置成从输入燃料产生原料合成气体；酸气移除设施，其与气化单元流体连通，该酸气移除设施被配置成从原料合成气体移除酸气且产生洁净的合成气体，该酸气包括二氧化碳气体；燃气涡轮，其被配置成燃烧洁净的合成气；以及，冷却单元，其与酸气移除装置流体连通且被配置成将二氧化碳气体的至少一部分转移到燃气涡轮的至少一个构件。
根据本发明的又一方面，一种用于冷却涡轮的构件的方法包括：从由气化过程所产生的合成气体提取二氧化碳；使二氧化碳气体前移(advance)到所述储存系统；以及，将二氧化碳气体的一部分转移到涡轮以冷却该涡轮的至少一个构件。
通过下文的描述，结合附图理解，这些和其它优点和特点将变得更显然。
附图说明
被认为是本发明的主题在所附的权利要求中特别地指出且明确地主张。通过结合附图来理解下文的详细的描述，本发明的前述和其它特点和优点将显然，其中：
图1是示范性燃气涡轮的截面图；
图2是具有CO2捕获的示范性整合气化组合循环(IGCC)动力设施的方块图；
图3是用于图2的IGCC动力设施的示范性燃气涡轮冷却系统的图示；
图4是用于图2的IGCC动力设施的示范性燃气涡轮冷却系统的图示；以及
图5是冷却燃气涡轮的示范性方法。
详细描述参看附图以举例说明的方式解释本发明的实施例，以及优点和特点。
部件列表：
10 组件
12 转子
14 压缩机
16 动力涡轮
18 燃烧腔室
20 发电机
22 废气
24 旋转构件
26 固定构件
30 动力生产设施
32 气化&洗涤单元(Scrubbing Unit)
34 变换反应器(Shift Reactor)
36 低温气体冷却(LTGC)系统
38 再循环/压缩系统
40 尾气处理单元(TGTU)
42 酸气移除(AGR)
44 CO2富集系统
46 压缩和/或储存单元
48 饱和与加热系统
50 动力块(Power Block)
52 空气分离单元(ASU)
54，60 冷却系统
62 管道
64 燃气涡轮
66 控制器
67 H2S再吸收器
68 闪蒸罐
69 气体管道
70 阀
72 动力涡轮级
74 燃料管线热交换器
76 稀释剂管线热交换器
78 燃烧腔室
80，82 热交换器
84 再生式热交换器系统
86 捕获、回收&隔离系统(Sequestration System)
88 捕获模块
90 压缩和与隔离单元
92 压缩系统
94 低温热交换系统
100 方法
101 第一阶段
102 第二阶段
103 第三阶段
104 第四阶段
具体实施方式
提供了用于改进涡轮系统的输出和效率的系统和方法，涡轮系统利用气化来供应涡轮燃烧燃料。示范性涡轮系统包括整合气化组合循环(IGCC)动力生产系统。在一实施例中，该系统和方法结合IGCC或其它涡轮系统利用，这些其它涡轮系统合并用于二氧化碳(CO2)捕获的预燃系统。示范性系统和方法包括使用由动力生产和/或CO2移除系统所捕获的CO2来冷却涡轮。示范性系统和方法利用捕获的CO2用作冷却介质来以闭合回路冷却机制冷却诸如燃气涡轮的涡轮的固定构件和/或旋转构件。
在一实施例中，系统和方法包括利用可自合成气体清洁系统、CO2移除系统和/或诸如IGCC设施的动力设施中得到的合成气体清洁溶剂或其它流体。能使溶剂从由气化所产生的涡轮燃料捕获CO2，CO2由本文所述的系统和方法用于涡轮冷却。
参看图1，根据本发明的示范性实施例构造的燃气涡轮组件大体上以10示出。组件10包括附连到压缩机14的转子12和动力涡轮16。燃烧腔室18与压缩机14和动力涡轮16流体连通，且用于点燃燃料与空气的混合物来使动力涡轮16和转子12旋转。而转子12的旋转例如向发电机20提供动力。废气22从动力涡轮16排出。在一实施例中，废气22的至少一部分被引导至热回收蒸汽发生器(HRSG)，热回收蒸汽发生器从热废气22回收热且产生可用于(例如)动力生产系统中的蒸汽涡轮的蒸汽。
涡轮包括在涡轮组件10的操作期间向高温暴露的各种内部构件。这些构件包括转子轴杆和绕中心轴线旋转的转子盘。示范性构件还包括旋转构件24，诸如桨叶或轮叶，其可移除地附连到每个转子盘的外围。其它构件包括固定构件26，诸如定子叶片或喷嘴。
在一实施例中，参看图2，示出IGCC动力生产设施30。诸如煤或其它烃燃料，石油残渣和生物质的一种或多种燃料被进给到气化和洗涤单元32，在气化和洗涤单元32中，燃料经历还原反应且产生合成气体(“合成气”)，为主要是一氧化碳(CO)和氢气的混合物。原料合成气可经由例如辐射合成气冷却器和/或低温气体冷却(LTGC)系统36而冷却。
在一实施例中，燃烧腔室18或者其它合适设备用于富氧燃烧循环(oxyfuel cycle)。富氧燃烧循环通常包括燃料与纯氧气(而不是空气)的燃烧。在一实施例中，富氧燃烧包括用诸如燃气涡轮排气的燃烧气体(即，主要由CO2与H2O组成的烟气)稀释的富集氧气的气体混合物。
在一实施例，使气体前移到两级变换反应器34中，在两级变换反应器34中水蒸气用于将CO转变成二氧化碳(CO2)。在这个阶段，合成气仅为原料合成气，其包括酸气，酸气包括各种污染物，诸如CO2和硫化氢(H2S)。在气化过程中也产生各种其它气体，且在合成气中存在诸如氮气、一氧化碳等。
然后，酸气移除(AGR)设施42接收原料合成气。AGR设施42处理原料合成气以从原料合成气移除H2S(H2S可被发送到尾气处理单元(TGTU)40)和CO2。AGR设施42包括(例如)吸收器，其中溶剂吸收来自原料合成气的H2S和CO2以产生“脱硫的(sweetened)”或洁净合成气。合适溶剂的实例是SelexolTM(联合碳化物公司(Union CarbideCorporation))，但可使用能从气体混合物移除酸气的任何溶剂。除了基于溶剂的过程之外，AGR设施42可使用任何合适的过程来使合成气脱硫。这些脱硫过程的实例包括选择性气体移除过程，诸如利用CO2和H2S选择性膜，温暖除硫技术(warm sulphur removal technologies)和其它技术。
在一实施例中，在清洁了合成气之后，溶剂包括H2S和CO2的浓度，且可被称作“富”溶剂。富溶剂被馈送到一个或多个再生器(包括例如汽提器和锅炉)，其中H2S与CO2从溶剂汽提，导致“贫”溶剂。贫溶剂可再循环用于随后的酸气移除操作。
在一实施例中，使移除的CO2前移通过(例如)整合CO2富集系统44且被发送到压缩和/或储存单元46用于CO2捕获和/或提高油回收。在一实施例中，CO2的一部分经由再循环/压缩系统38转移且往回导向至气化单元32。此外，TGTU 40可用于从原料合成气移除硫。
然后，使洁净的合成气前移通过各个饱和与加热系统48且被馈送到组合循环动力块50用于动力生产。动力块50包括诸如燃气涡轮组件10的燃气涡轮且也可包括蒸汽涡轮用于从燃气涡轮废气产生能量。
在一实施例中，IGCC设施30包括空气分离单元(ASU)52。空气可从燃气涡轮压缩机转移且被馈送到ASU 52。ASU 52从空气分离氧气，氧气可被馈送到气化单元32，且也产生氮气，氮气可被转移回到涡轮用于冷却。
在一实施例中，从CO2移除系统提取在合适压力的CO2的一部分且将其转移到动力块50用于以闭合回路系统冷却燃气涡轮固定或旋转构件，在闭合回路中回收CO2所吸的热。CO2经由任何合适的冷却系统54转移到燃气涡轮。在一实施例中，冷却系统54、组合循环动力块50和/或IGCC动力生产设施30包括一个或多个热交换器以从CO2再生热能，由于CO2施加于燃气涡轮而加热CO2。热交换可被配置成加热诸如下列的成分：进入燃气涡轮的燃料和/或稀释剂流，蒸汽涡轮以及诸如锅炉流体的任何其它所需的流体。在CO2被施加到燃气涡轮和/或蒸汽涡轮和任何额外构件之后，其随后可被发送到压缩和/或储存系统46，其中CO2被压缩至选定压力，诸如2000psig(大约140巴)，供应液态CO2用于提高油回收(EOR)应用的典型压力。
参看图3，冷却系统60的一实施例合并于利用CO2移除和/或捕获的燃气涡轮系统内。冷却系统60包括一个或多个管道62或其它机构用于将CO2供应到燃气涡轮64的各种构件。在一实施例中，冷却系统60还包括燃气涡轮冷却CO2控制器66，其包括适合于控制冷却系统60的操作以及接收、处理、显示和/或传输关于冷却系统60的信息的处理器、存储器、传输装置和/或显示器。
在一实施例中，冷却系统60在操作上与燃气涡轮64和AGR设施42的一部分连通。AGR装置42包括一个或多个闪蒸罐68，闪蒸罐68从富溶剂分离CO2。气体管道69被配置成将分离的CO2从闪蒸罐68导送到所需位置，诸如压缩和/或储存单元46。在一实施例中，来自H2S再吸收器67的CO2流体被导送到燃气涡轮冷却CO2控制器66。冷却系统管道62与相应气体管道69流体连通以将分离的CO2的一部分转移到冷却系统60内。CO2到冷却系统内的流动可受到控制器66的控制。在一实施例中，冷却系统60包括阀70，阀70用于控制CO2从气体管道69通过冷却系统60且到燃气涡轮64内的流动。阀70可经由例如控制器66选择性地操作。
在一实施例中，冷却系统60是闭合回路系统。举例而言，如图3所示，CO2气体从冷却系统60流入到选定涡轮级，诸如动力涡轮级72，且被导向至选定移动和/或固定构件。CO2从构件吸热，且热的CO2可通过燃料管线热交换器74和稀释剂管线热交换器76馈送以加热被馈送到涡轮的燃烧腔室78的燃料和稀释剂。CO2继续到至少一个额外热交换器80以加热在蒸汽发生中所用的废气且微调(trim)冷却，之后其返回到气体管道68和/或CO2储存系统中的一个或多个。
参看图4，示出冷却系统60的另一实施例。在此实施例中，冷却系统60被配置成与间接冷却单元(ICU)连通。ICU限定涡轮构件的闭合回路冷却。来自ICU的CO2流体被导送到热交换器(例如，空气-流体热交换器、流体-燃料热交换器、散热器、再生式热交换器)且其返回到CO2压缩和隔离单元(sequestration unit)90。
在此实施例中，来自ICU的CO2流体被馈送到热交换器82，热交换器82被配置成从泄放的CO2向诸如燃料、稀释剂、压缩机排放空气和/或锅炉给水(BFW)这样的流体传热。另外，在CO2通过再生式热交换器系统84进入ICU时热传回到CO2。CO2流体也可通过任选的低温热交换系统94(例如微调冷却器、蒸汽热交换器的其它区域等)冷却，低温热交换系统94还冷却CO2以便于压缩、液化和/或隔离。最后，冷却的CO2被转移到压缩和隔离单元90。
在一实施例中，冷却系统60与CO2捕获、回收和隔离系统86流体连通。CO2捕获单元包括多个捕获模块88。示范性捕获模块包括闪蒸罐68，富溶剂通过闪蒸罐68传递。捕获模块88可包括与CO2压缩与隔离单元90流体连通的高压(HP)、中压(MP)和/或低压(LP)模块88。
在使用中，来自捕获模块88的CO2的一部分可通过任选的气体压缩系统92通过再生式热交换器84转移到涡轮构件的选定ICU。
图5示出冷却涡轮的构件的方法100。方法100包括一个或多个阶段101-104。尽管结合IGCC动力设施30和冷却系统60描述了方法100，但方法100可用于能冷却如本文所述冷却涡轮组件的任何系统。在一实施例中，方法100包括以所述次序来执行所有阶段101-104。但是，可省略某些阶段，可添加阶段，或者改变阶段的次序。
在第一阶段101，燃料流入到气化系统，诸如气化和洗涤单元32，且产生原料合成气。原料合成气由诸如AGR设施42的合适清洁气体清洁或脱硫以从原料合成气移除酸气。
在第二阶段102，从原料合成气和/或从清洁原料合成气的副产物移除CO2气体。举例而言，通过闪蒸罐68或者其它CO2提取机构从用于清洁原料合成气的溶剂移除CO2气体。使CO2气体前移到CO2捕获和/或储存系统，诸如压缩和/或储存单元46。
在第三阶段103，CO2气体的一部分被转移到冷却系统，诸如冷却系统60，其将CO2气体部分施加到诸如燃气涡轮的涡轮的选定构件。示范性构件包括旋转桨叶或轮叶和固定构件，诸如定子叶片。
在第四阶段104，由涡轮构件加热的CO2气体部分被回收热能/再生且然后返回到CO2捕获和/或储存系统。在一实施例中，热的CO2气体部分被冷却且热能被转移到燃料、稀释剂和/或动力生产系统的其它构件，之后使CO2气体部分返回到CO2捕获和/或储存系统。
在一实施例中，CO2气体部分通过诸如再生式热交换器84这样的合适热交换机构将来自CO2气体部分的热能传递到间接冷却单元。
尽管本文所述的系统和方法结合燃气涡轮而提供，但可使用任何其它合适类型的涡轮。举例而言，本文所述的系统和方法可用于蒸汽涡轮或者包括气体发生和蒸汽发生的涡轮。
本文所述的系统和方法可结合各种涡轮动力生产系统中的任何系统使用，且并不限于本文所述的具体动力生产系统。此外，本文所述的系统和方法可作为各种其它冷却系统的替代或补充使用。这些冷却系统的实例包括闭合回路系统，其使用冷却介质用于热气体路径构件，诸如蒸汽、氮气和液态(例如，水)冷却剂。
本文所述的装置、系统和方法提供优于现有技术系统的许多优点。装置、系统和方法提供用于提高涡轮的效率和性能的技术效果。举例而言，基于对示范性系统的分析，诸如本文所述的系统和方法可例如通过相对于现有技术中实践的基线情形改进净输出14.5％和改进效率0.52个点而改进输出和效率。
虽然仅关于有限的几个实施例描述了本发明，但应易于了解本发明并不限于这些公开的实施例。而是，可修改本发明以合并之前未描述的任意多个变型、更改、替代或等效布置，但这些仍与本发明的精神和范围相符。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，但应了解本发明的方面可仅包括所描述实施例中的一些。因此，本发明不应视作受前文的描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。
Claims (10)
1.一种用于冷却涡轮(16，64)的构件的系统，包括：
至少一个输入，其与二氧化碳气体源流体连通，二氧化碳气体从由气化单元(32)自燃料所产生的合成气体移除；以及
至少一个第一管道(62，69)，其与所述至少一个输入流体连通且被配置成将来自所述二氧化碳气体源的二氧化碳气体的一部分转移到所述涡轮(16)的至少一个构件，所述涡轮被配置成燃烧该合成气体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二氧化碳气体源来自酸气移除设施(42)，所述酸气移除设施(42)与所述气化单元(32)流体连通，所述酸气移除设施(42)被配置成从所述合成气体移除酸气，所述酸气包括二氧化碳气体。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述酸气移除设施(42)被配置成将溶剂施加到所述合成气体，所述溶剂被配置成从所述合成气体提取酸气且在其中保持所述酸气。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述二氧化碳气体源包括下列中的至少一种：气化单元(32)、富氧燃烧循环和闪蒸罐(68)，所述闪蒸罐(68)被配置成从所述溶剂移除所述二氧化碳气体。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括第二管道(62，69)，所述第二管道(62，69)被配置成在所述部分转移到所述至少一个构件之后接收所述二氧化碳气体的部分，所述第二管道(62，69)与至少一个二氧化碳储存单元流体连通。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于还包括至少一个热交换器(74，76)，所述至少一个热交换器(74，76)与所述第二管道(62，69)流体连通且被配置成将热能从所述二氧化碳气体的部分的传到包括所述涡轮(16，64)的动力生产系统(30)的至少一个构件。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述动力生产系统(30)的至少一个构件包括下列构件中的至少一种：间接涡轮冷却单元、闭合回路、涡轮燃料、涡轮稀释剂和蒸汽涡轮。
8.一种用于动力生产的系统，包括：
气化单元(32)，其被配置成从输入燃料产生原料合成气体；
酸气移除设施(42)，其与所述气化单元(32)流体连通，所述酸气移除设施(42)被配置成从所述原料合成气体移除酸气且产生洁净的合成气体，所述酸气包括二氧化碳气体；
燃气涡轮(16)，其被配置成燃烧所述洁净的合成气体；以及
冷却单元，其与所述酸气移除设施(42)流体连通且被配置成将所述二氧化碳气体的至少一部分转移到燃气涡轮(16，64)的至少一个构件。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于还包括二氧化碳储存单元，所述二氧化碳储存单元与所述酸气移除装置(42)流体连通。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于还包括管道(62，69)，所述管道(62，69)与所述至少一个构件和所述储存单元(46)流体连通，所述管道(62，69)被配置成在所述二氧化碳气体的部分转移到所述至少一个构件之后使所述二氧化碳气体的部分前移到所述储存单元(46)。
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