CN104040274A - 空气分离、功率生成的集成 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于分离空气和生成电功率的方法及设备。在主空气压缩机中产生的压缩空气流被引入到空气分离单元中，空气分离单元将空气低温精馏成组分产物。在空气分离单元的调低条件期间，由压缩空气流的全部或部分形成的燃烧空气流被引入到燃烧器中，在燃烧器中燃烧燃料以产生加热和加压燃烧流。此类流被引入到连接到发电机上的涡轮上以生成电功率。燃烧空气流可以用水分来饱和以便增大功率输出。此外，还可用燃气涡轮的排出物来预加热燃烧空气流。

Description

空气分离、功率生成的集成
技术领域
本发明涉及一种空气分离和功率生成(power generation)的方法及设备，其中在设计运转条件期间，压缩空气流被引入到空气分离单元中并且通过低温精馏(cryogenic rectification)而分离以产生一种或多种产物，而且在调低(turn-down)运转条件期间，由压缩空气流的一部分形成的燃烧空气蒸汽(combustion air steam)被引入到燃烧器中以支持燃料的燃烧，并且生成了加热和加压燃烧流(combustion stream)，该加热和加压燃烧流在涡轮中膨胀以生成电功率。
背景技术
在空气分离单元的运转寿命期间，有时并未利用装置(plant)的全部生产力来制造产物。例如，当电功率处于峰值时的时段期间(例如，在夏季期间工作日午后)，通过调低装置的生产率来减少(shed)至空气分离单元(“ASU”)的功率负荷(power load)可能是经济的。从ASU至客户的产物的总流量通过使储存的液体产物气化并使其与来自ASU的产物相混合而保持。在减少负荷(load shedding)期间所使用的液体通过在电功率具有相对较低价值时的时段期间(例如，工作日傍晚和周末)增大液体生产率而再生。减少负荷是经济的，因为在高峰时段期间出售(或节省)的增量功率(incremental power)的价值远远抵消了与在傍晚期间所需的附加功率相关联的成本以及重制液体的生产力所需的额外资金。
除了减少负荷之外，存在若干其它方案，其中可能存在未充分利用的过剩的ASU生产力。例如，可能存在向对产物有多变需求的客户供应的设施(facility)，而ASU生产率将响应于该需求而升高或降低。或者，可能存在若干独立装置的包体(enclave)，其中整个ASU或多个ASU可开启或关闭以满足客户需求。
如将要讨论的，本发明提供了一种方法及设备，其中不同于现有技术，主空气压缩机在ASU被调低的时段期间并未调低，以便允许使用来自主空气压缩机的过剩压缩空气，用以支持燃料的燃烧并由此产生了加热燃烧产物，该加热燃烧产物在连接到发电机上的涡轮中膨胀以生成电功率。电功率可供应至电网或用来向主空气压缩机供能，从而通过将这些功率供应至电网而实现经济效益，或降低向主空气压缩机供能所涉及的电功率成本。
发明内容
在一方面，本发明提供了一种分离空气和生成电功率的方法，其中空气在主空气压缩机中被压缩以产生压缩空气流。在压缩空气流被预纯化之前或之后，燃烧空气流(combustion air stream)由压缩空气流的至少一部分形成。在设计运转条件期间，压缩空气流被引入到空气分离单元中，并且空气通过低温精馏而被分离以产生一种或多种产物。在不产生或以较小的速率产生一种或多种产物的调低运转条件期间，燃烧空气流和燃料流被引入到燃烧器中。燃料借助于燃烧空气流在燃烧器中燃烧，从而产生了加热和加压燃烧流，该加热和加压燃烧流在连接到发电机上的涡轮中膨胀以生成电功率。主空气压缩机运转，从而使得压缩机产生了压缩空气流，由此使得在调低运转条件期间可获得过剩的压缩空气以产生压缩空气流的至少一部分，并且生成电功率。
涡轮产生排出流，并且在将燃烧空气流引入到燃烧器中之前，排出流可将热量间接地传递至燃烧空气流。进一步地，燃烧器可以是燃气涡轮(gas turbine)的燃烧器，而膨胀器可以是燃气涡轮的膨胀器。燃烧空气流进一步被压缩，并且被引入到燃烧器中。
在排出流将热量间接地传递至燃烧空气流之前，燃烧空气流可以用水分(moisture)来饱和(saturate)。在特定实施例中，蒸汽流在冷凝器中被冷凝以产生冷凝流。冷凝流在泵中被泵送，以产生第一加压水流，第一加压水流与第二加压水流结合以产生结合水流。该结合水流在冷凝器中通过与蒸汽流的间接热交换而被加热，以产生加热水流。加热水流在饱和器(saturator)中与燃烧空气流逆流地接触，以产生用水分和底产物液体(bottoms liquid)来饱和的燃烧空气流。底产物液体的至少一部分被再循环以形成第二加压水流。
在用水分使该燃烧空气流饱和的另一个特定实施例中，水流在泵中被泵送以产生加压水流。加压水流在定位于涡轮与同流换热器之间的水加热器中用排出流而被加热，以至少部分地产生加热水流，同流换热器在从排出流至燃烧空气流的间接热量传递中使用。加热水流在饱和器中与燃烧空气流逆流地接触，以产生用水分和底产物液体来饱和的燃烧空气流。水流通过使底产物液体与补充水流结合而形成。
在另外一个饱和方法中，由饱和器的底产物液体构成的水流在泵中被泵送以产生加压水流。加压水流在定位于涡轮与同流换热器之间的水加热器中用排出流而被加热，同流换热器在从排出流至燃烧空气流的间接热量传递中使用。沸腾器供给水流被泵送，并且与在水加热器中被加热之后的加压水流结合以形成加热水流。加热水流在饱和器中与燃烧空气流逆流地接触，以产生用水分和底产物液体来饱和的燃烧空气流。
用于使燃烧空气流饱和的又一个实施例涉及在泵中泵送水流以产生加压水流。加压水流在水加热器中用排出流来加热，以便产生加热水流。压缩空气流在预纯化单元中被预纯化之前或之后，通过在增压压缩机中进一步压缩该压缩空气流的至少一部分来形成燃烧空气流。加热水流在饱和器中与燃烧空气流逆流地接触，以产生用水分和底产物液体来饱和的燃烧空气流。水流至少部分地由底产物液体形成。通过与用来生成附加电功率的燃气涡轮排出物的间接热交换来加热由水分饱和之后的燃烧空气流。
在另一方面，本发明提供了一种用于分离空气和生成电功率的设备。根据此方面，主空气压缩机被设置成压缩空气，并由此产生了压缩空气流。一种机构(means)被设置用于在预纯化单元中在该压缩空气流被预纯化之前或之后通过压缩空气流的至少一部分来产生燃烧空气流。空气分离单元设置成与主空气压缩机流动连通。空气分离单元构造成在设计运转条件和调低运转条件中选择性地运转，从而使得在设计运转条件期间，压缩空气流内的空气通过低温精馏而被分离，以产生一种或多种产物，并且在调低运转条件期间，未产生或以比设计运转条件期间更小的速率产生一种或多种产物。燃烧器与主空气压缩机流动连通，从而使得在调低运转条件期间，燃料流在燃烧器中通过由燃烧空气流所支持的燃烧而被燃烧，并且加热和加压燃烧流通过该燃烧而产生。涡轮与燃烧器流动连通，从而使加热和加压燃烧流膨胀以产生排出流，并且发电机连接到涡轮上以生成电功率。主空气压缩机具有足够的生产力以允许在调低运转条件期间可获得燃烧空气流，以支持燃料流的燃烧用于生成电功率。
同流换热器可定位在涡轮与主空气压缩机之间，使得在将燃烧空气流引入到燃烧器中之前，由涡轮产生的排出流将热量间接地传递至燃烧空气流。
用于将水分添加至燃烧空气流的涉及热交换器的机构，其可定位在同流换热器与主空气压缩机之间，从而使得在排出流将热量间接地传递至燃烧空气流之前，燃烧空气流包含水分。在特定的实施例中，用于添加水分的机构包括用于使蒸汽流在冷凝器中冷凝以产生冷凝流的冷凝器。泵连接到冷凝器上以泵送该冷凝流，并由此产生第一加压水流。饱和器构造成使加热水流与燃烧空气流逆流地接触，以产生具有水分和底产物液体的燃烧空气流。再循环流动通路连接泵、冷凝器和饱和器，而且被构造成：使第一加压水流与第二加压水流结合以产生结合水流；在冷凝器中通过与蒸汽流的间接热交换来加热结合水流，以产生加热水流；并且具有再循环泵，该再循环泵定位成使底产物液体的至少一部分再循环以形成第二加压水流。
在替换实施例中，用于添加水分的机构可包括泵，用以加压水流并由此产生加压水流。水加热器连接到泵上并且定位在涡轮与同流换热器之间，以便用排出流来间接地加热该加压水流，以至少部分地产生加热水流。饱和器设置成与水加热器流动连通，并且构造成使加热水流与燃烧空气流逆流地接触，以产生具有水分和底产物液体的燃烧空气流。泵与饱和器和用于引入补充水流的补充水入口流动连通，从而使得水流由底产物液体和补充水流形成。
在又一个实施例中，用于添加水分的机构包括泵，用以加压由饱和器的底产物液体形成的水流，并由此产生了加压水流。水加热器连接到泵上，并且定位在涡轮与同流换热器之间，以便用排出流来间接地加热该加压水流，从而至少部分地产生加热水流。供给水泵定位在水加热器与饱和器之间，使得加热水流通过泵送沸腾器供给水流而形成，并且沸腾器供给水流在被泵送之后与在水加热器中被加热之后的加压水流结合。饱和器与水加热器流动连通，并且构造成使加热水流与燃烧空气流逆流地接触，以产生具有水分和底产物液体的燃烧空气流。
在本发明的又一个实施例中，泵泵送水流以产生加压水流。水加热器定位在泵与涡轮之间，以便用由涡轮产生的排出流来加热该加压水流，从而产生加热水流。燃烧空气流产生机构包括在预纯化单元之前或之后与主空气压缩机流动连通的增压压缩机，从而使得压缩空气流的至少一部分进一步被压缩以产生燃烧空气流。饱和器连接在水加热器与增压压缩机之间，并且构造成使加热水流与燃烧空气流逆流地接触，从而产生具有水分和底产物液体的燃烧空气流。泵与饱和器流动连通，使得水流至少部分地由底产物液体形成。空气预加热器定位在饱和器与燃烧器之间，从而使得被添加水分之后的燃烧空气流在被引入到燃烧器中之前在空气预加热器中预加热。燃气涡轮被连接到另一个发电机上以生成附加电功率并产生燃气涡轮排出物，并且燃气涡轮被连接到空气预加热器上，使得燃烧空气流在空气预加热器中通过与燃气涡轮排出物的间接热交换而被预加热。
在本发明的又一个实施例中，燃烧器可以是燃气涡轮的燃烧器，并且因此膨胀器是燃气涡轮的膨胀器。燃烧空气流产生机构包括在预纯化单元之前或之后与主空气压缩机流动连通的增压压缩机，从而使得压缩空气流的至少一部分进一步被压缩以产生燃烧空气流。
如本文中和权利要求中所使用的，术语“空气分离单元”意指一种设备，该设备具有用以将空气冷却至适合用于其蒸馏的温度的主热交换器和一个或多个蒸馏塔以及相关联的装备和热交换器，以便将空气分离成一种或多种产物。预纯化单元可包括在空气分离单元中以纯化较高沸点杂质的空气。此类预纯化单元还可与将空气供给至包体中的一个以上的空气分离单元的压缩机共同使用，并且因此可不与特定的空气分离单元相关联。在此方面，应理解的是，本发明和所附权利要求意指覆盖本发明的应用，其中一个主空气压缩机向包体的若干装置供给，或主空气压缩机与预纯化单元一同是空气分离设备的一部分。
附图说明
尽管说明书以清楚地指出了申请人视为其发明的主题的权利要求来结束，但相信在结合附图时将更好地理解本发明，在附图中：
图1为用于实施根据本发明的方法的设备的示意图；
图2为图1的替换实施例的局部视图(fragmentary view)；
图3为图1的替换实施例的局部视图；
图4为图2和图3中所示出的实施例之间的示例性比较的图示(graphical representation)；
图5为图1的替换实施例的局部视图；
图6为图1的替换实施例的局部视图；以及
图7为图1的替换实施例的局部视图。
在使用了共有元件的各种图中，保持相同的参考标号以避免重复解释。
具体实施方式
参考图1，图示了集成空气分离和功率生成的设备1。在设备1中，主空气压缩机10产生了压缩空气流12。主空气压缩机10可以是多级中间冷却的集成齿轮压缩机，并且还可在这些级之间并入冷凝物去除。在设计运转条件期间，该压缩空气流12作为空气分离流14穿过后冷却器16以去除压缩热量。此后，空气分离流14进入空气分离单元18中，在空气分离单元18中空气通过低温精馏而分离成氧产物20和氮产物22。还可产生出诸如氩等其它产物。
尽管未图示，但如本领域的技术人员所知的，空气分离单元18包括预纯化单元，预纯化单元设计成从空气去除较高沸点的杂质，诸如水蒸汽、二氧化碳和碳氢化合物等，并且预纯化单元可并入在异相(out of phase)循环中运转的吸附床(absorbent bed)，异相循环为温度变动吸附循环，或压力变动吸附循环或它们的组合。尽管未图示出，但要注意的是，燃烧空气流28可在此类预纯化单元之后形成。随后，压缩和纯化空气的至少一部分在主热交换器内被冷却至适合用于其低温精馏的温度，然后在一个或多个蒸馏塔中被分离以产生氧产物流20和氮产物流22。例如，蒸馏塔可以是以热量传递的关系彼此连接的较高压力塔和较低压力塔，以便在此类较高压力塔和较低压力塔中产生富氮蒸气塔顶产物(column overhead)。又称为釜液(kettle liquid)的粗液氧作为较高压力塔的塔底产物(column bottoms)而产生，并且此类液体在较低压力塔中进一步被精炼以产生富氧液态塔底产物。在富氧液态塔底产物中的一股流在主热交换器中被加热之后，氧产物流20由此类富氧液态塔底产物而形成。此类氧产物流可通过泵送而加压，并且正因如此可以是超临界流体。氮产物流22由从较低压力塔获得的富氮蒸气流形成，它也在主热交换器中被加温(warm)。通过进一步使压缩空气的一部分压缩，随后在被引入到较高压力塔中之前将该压缩空气的一部分涡轮膨胀(turboexpand)，可将制冷添加至空气分离单元。压缩空气的另一部分在进一步压缩之后能够在主热交换器中被液化，在主热交换器中氧产物流20期望作为超临界流体。前述内容仅为示例性的，而且如本领域的技术人员所知的，在需要低纯度氧的情况下，存在于空气分离中使用的其它蒸馏塔系统。在需要氩产物的情况下，出于此类目的，氩塔可被连接到较低压力塔上。
在调低运转条件期间，在例如减小了氧产物流20需求的情况下，控制阀24被调整以降低空气分离流14的流量，并且阀26被打开以产生来自压缩空气流12的一部分的燃烧空气流28。燃烧空气流28随后穿过同流换热器29，并由此针对热排出气体流(hot exhaust gas stream)38而被加热以回收能量。在加热之后，燃烧空气流28与作为燃料流30而引入到燃烧器32中的燃料燃烧，在燃烧器32中该燃料燃烧以产生加热和加压燃烧流34。出于准许燃料流30进入的目的，控制阀31设置成打开位置。膨胀器36连接到燃烧器32上，以便使该加热和加压燃烧流34膨胀，由此产生热排出气体流38。膨胀器36连接到同流换热器29上，从而使得燃烧空气流通过与热排出气体流38的间接热交换而被加热，该热排出气体流38继而作为排出流40被排放。由膨胀器36产生的膨胀功在发电机42中消耗，从而生成了电功率。
如上文已描述的那样，在电功率处于峰值时的时段期间，通过调低装置生产率来减少至空气分离单元18的功率负荷可能是经济的。在对于空气分离单元18的此类调低运转条件期间，从空气分离单元至客户的产物的总流量通过使储存的液体产物气化并且使其与来自空气分离单元18的产物(例如液态氧产物20)混合而保持。在减少负荷期间使用的液体通过在电功率具有相对较低价值时的时段期间(例如，工作日傍晚和周末)增大液体生产率而再生。减少负荷是经济的，因为在高峰时段期间出售(或节省)的增量功率的价值远远抵消了与在傍晚期间所需的附加功率相关联的成本以及重制液体的生产力所需的额外资金。
在现有技术中，在减少负荷时段期间，由于来自空气分离单元18的生产率的降低，主空气压缩机10排放空气的流动速率降低。然而，根据本发明，在减少负荷时段期间，来自主空气压缩机10的排放空气流动速率未降低；而事实上可增大至其最大速率或可保持其最大速率。从主空气压缩机10的排放可获得的增量空气流，作为未在空气分离装置18内使用的燃烧空气流28，如上文所描述的那样被转移至燃烧器32、膨胀器36以便由发电机42生成功率。尽管未示出，但流28可被分开从而使得流28的第一部分进入燃烧器32，而第二部分绕过燃烧器并且在单元36中膨胀之前与流34混合。在此情形下，空气分离单元18以降低的速率生成产物，例如氧20和氮22。然而，本发明还构想出了空气分离单元18在此类调低运转条件期间关闭而没有产生产物的运转。在此情形下，出于功率生成的目的，来自主空气压缩机10的全部压缩空气流12都可获得用于涡轮36中的膨胀。
另一种可能性在于连同未充分利用生产力的主空气压缩机来使用本发明，以便产生补充功率。潜在的应用可以是在具有多变的氧需求的气化设施中、在带有具有过剩或未使用的压缩机生产力的多个冷却箱的大型空气分离设施中，或在其生产率响应于电网电价而上上下下(up and down)循环的大型空气分离设施中。在这些情形的任何一种中，存在从主空气压缩机(例如主空气压缩机10)的排放中可获得的过剩空气，该过剩的空气并不需要用来通过空气分离单元18产生一种或多种产物，它反而可用来生成功率，如本文中所描述的那样。然而，在本发明的应用的所有情形下，主空气压缩机具有足够的生产力以允许在调低运转条件期间可获得过剩空气，以支持燃料流的燃烧用于电功率的生成。
在膨胀器36中生成的总功率可通过在将这些空气供给至燃烧器32之前将水分添加至燃烧空气流28而增大。空气中的水分添加了流动通过膨胀器的气体的质量，这增大了功率输出。用于添加这些水分的设备在图2中示出，图2图示了图1在阀26下游的改型。在此类改型中，蒸汽流44在冷凝器46中冷凝以产生冷凝流48。冷凝流48由泵50泵送以产生第一加压水流52。第一加压水流52与第二加压水流54结合以便产生结合水流56。结合水流在冷凝器46中通过与蒸汽流44的间接热交换而被加热以产生加热水流58。加热水流58与以图1中相同的方式所形成的燃烧空气流28在饱和器60内逆流地接触，以产生用水分和底产物液体来饱和的包含高水分含量(elevated moisture level)的燃烧空气流28'。如本领域所熟知的，饱和器60为包含填料(packing)的塔，用以产生燃烧空气流28与加热水流58的逆流接触。在任何情形下，底产物液体作为底产物水流62从饱和器60中去除。底产物水流的一部分64通过泵66而被泵送以产生第二加压水流54。底产物水流的另一部分68可作为排泄流(blowdown stream)68而被排放。这种排放可以是连续的或间断的，以防止杂质积聚在图示的设备内。
包含高水分的燃烧空气流28'随后穿过同流换热器29，然后在燃烧器32内的燃料流30的燃烧中使用，以便在膨胀器36内生成功率。电功率由发电机42得到。如图1中，热排出流38穿过同流换热器29，从而在燃烧之前加热包含高水分的燃烧空气流28'，并且此后作为排出流40被排放。
最经济的是使用在形成蒸汽流44时的低压饱和蒸汽，其既充当加热源又充当水分源。例如，饱和90psig的蒸汽(331°F)可在冷凝交换器46中以30°F的设计夹点(design pinch)将饱和器水加热至300°F。要注意的是，将水分添加至燃烧空气流28的最直接方式涉及在处于或高于水分待被添加的给定流的压力的压力下将蒸汽添加至用作燃料流30的空气或天然气流。然而，使用低水平蒸汽(处于低于燃烧空气流28或燃料流30的压力的压力下的蒸汽)具有这样的优势：低压蒸汽的价值小于高压蒸汽的价值，即在蒸汽涡轮中每磅低压蒸汽比每磅高压蒸汽产生更少的功率。
图3图示了将水分添加至燃烧空气流28的替换方式，并且图示了图1的阀26下游的改型。在图3中，补充水流70是用于燃烧空气流28的水分源，而热排出气体流38是用于加热供给至饱和器60的水的能量源。如图2中，燃烧空气流28供给至饱和器60，在饱和器60中燃烧空气流28接触加热和加压水流72。满载水分或包含水分的燃烧空气流28'与由燃料流30提供的燃料在燃烧器32中燃烧，以生成加热和加压燃烧流34，该加热和加压燃烧流34随后通过涡轮膨胀器36传送，以生成功率。热排出流38中的能量在水加热器74中回收。水加热器74连接到泵78上，而且定位在涡轮36与同流换热器29之间，以将热量间接地传递至由泵78加压的水流80，从而形成供给至饱和器60的加热和加压水流72。如所图示的，取决于设计，在水加热器74内加热水之后，可存在留在热排出流38中的附加热量，该附加热量可在燃烧空气流28'燃烧和膨胀之前被传递至在同流换热器29中的湿润的燃烧空气流28'。
由离开饱和器底部的底产物液体形成的冷却冷凝物的小部分可连续或以间断的基准被传送至作为排泄流68的排泄物，从而防止杂质的积聚。底产物水流62的其余部分与补充水流70结合以形成前文所讨论的水流80。水流80由泵78加压并由此被加压。在水加热器74中被加热之后，产生的加热和加压水流72被供给至饱和器60的顶部。
以下实例比较了上文所描述的三种处理选择的相对利润率(profitability)。表中列出了用来计算本发明的三个实施例的利润率的参数。用于该实例的空气分离单元18设计用于3000tpd的氧。冷却箱在减少负荷期间调低至70%的生产力，但主空气压缩机10仍然以百分之100的生产力运行。在空气分离单元18中未使用的过剩压缩空气形成了燃烧空气流28，该燃烧空气流28具有大约337klb/hr的流动速率，并且消耗11.7MW的附加功率以便压缩过剩空气。从主空气压缩机10排放的空气的压力和温度分别为151psig和250°F。燃料流30的燃料流动速率设置成使得燃烧器32的出口温度为1500°F，而且空气中的水分含量在小于0.5摩尔百分比与0.3摩尔百分之间变化。燃料、天然气和补充水的价值也在下表中列出。连同图2中所示出的实施例的评估，当使空气湿润所需的蒸汽流从涡轮中去除时，通过计算来自蒸汽涡轮的功率损失，蒸汽的价值也被包括。随后，来自蒸汽涡轮的功率损失从膨胀器的总功率输出中被减去。燃烧器/膨胀器装备将仅在减少负荷时段期间运转。这估计为8hr/日、5日/周以及18周/yr(或8%/yr)。在该分析中使用的功率值来自California公共事业部门在2010年11月的超级高峰功率价格的估计。
来自上文所讨论的集成运转的净销售额(单位：$MM/yr)在图4中概括成随添加至燃烧空气流28的水分而变化。图4示出了相对于没有添加水分的情形，经由低压蒸汽(图2)或补充水(图3)添加水分使运转的利润率增大。在使用补充水时，在排出流中没有足够的能量用以使燃烧空气流28的水分含量增大至30%。然而，在蒸汽用作为饱和器水加热介质时，水分含量可增大至30%。对于20%水分的情形，图3中示出的实施例或者换而言之补充水的构造比图2中示出的蒸汽构造是更可获利的，这是由于使用的天然气和功率的相对价值的缘故。补充水的情形则需要较高的燃料燃烧速率，但不具有来自蒸汽涡轮的任何功率损失。相对于蒸汽构造，补充水构造在消耗附加燃料的同时增大了净功率输出。
如由实例所示出的，最经济的是通过上文所描述的两种方法中的一种将水分添加至燃烧空气流28。然而，可存在其中在以总产生功率为代价的情况下应使燃料消耗速率最小化的其它方案。替换地，补充水和蒸汽供应可受到限制或者是过分昂贵的。在那些情形下，设计不具有如图1中示出的添加至空气的水分的燃烧器/膨胀器系统将是最经济的。
如上文所提到的，在使用补充水时，在实例情形中的涡轮膨胀器排出气体中不存在足够的能量用以使空气中的水分含量增大至30%。有可能的是，结合图2和图3中所描述的构造从而使得除补充水之外使用刚好足够的蒸汽以使空气中的水分含量增大至30%。这增大了膨胀器总功率输出，同时使蒸汽涡轮的功率损失最小化。针对此情形来自MAC集成运转的净销售额为$2.5MM/yr(相比于$2.3MM/yr，其针对单独用于蒸汽的30%水分的情形)。
图5中图示了图1在阀26下游的另一个改型，图5呈现了用于使燃烧空气流28饱和的另一种机构。该构造非常类似于图3中所示出的构造，除了使用预加热的沸腾供给水“BFW“来代替由如图3中示出的补充水流70所供应的补充水。在本发明的该实施例中，水流82由底产物水流62减去排泄流68的任何排放而形成。泵84加压由饱和器的底产物液体形成的水流，以产生加压水流86。水加热器74连接到泵84上，而且定位在涡轮36与同流换热器29之间，以便用热排出流38间接地加热该加压水流86。供给水泵(feed water pump)90的出口定位在水加热器74与饱和器60之间，从而使得加热和加压水流94通过在泵90内泵送沸腾器供给水流95(“BFW”)并且使已被泵送之后的沸腾器供给水流95与在水加热器74中已被加热之后的加压水流86结合而形成。饱和器60与水加热器74流动连通，并且构造成使加热和加压水流94与燃烧空气流28逆流地接触，以使燃烧空气流28饱和，并由此形成了包含高水分含量的燃烧空气流28'。
然而，该情形的利润率类似于图3中所示出的利润率，但略微更低，因为功率从蒸汽涡轮通过虹吸得到(siphon)，从而提供沸腾供给水以使燃烧空气流28湿润。图3中所示出的设计还可以是更可行的，因为补充水可能从附近的源获得，而沸腾器供给水将必须从沸腾器预加热器直接供应；并且通常不存在预加热沸腾器供给水供应集管(header)。
如果将前面描述实施例集成的利润率是由在消耗的天然气的成本与在空气分离单元18的调低运转条件期间节省的功率的价值之间的相对低的差额(spread)所约束的，则可使用其中集成了能够增大净产生功率和处理效率的航改燃气涡轮的替换实施例。图6中示出了此类集成，图6图示了图1在阀26下游的改型。在本发明的此类实施例中，燃烧空气流28在增压压缩机100中被压缩，并且供给至饱和器60，饱和器60以与相对于图3中示出的实施例所示出和描述的设备大致相同的方式形成了包含水分的燃烧空气流28''，其在空气预加热器102中被加热，随后与燃料流30一起被引入到燃烧器32中。产生的加热和加压燃烧流34被引入到涡轮膨胀器36中，并且热排出流38穿过水加热器74，且作为排出物40'直接被排放。如可认识到的那样，其它可能性在于使用蒸汽和沸腾器供给水作为用于被添加至空气的水分的供应源。
燃料流104也在航改燃气涡轮106发电机组中燃烧以便产生功率。如所图示的，环境空气在压缩机108中压缩，而燃料流104在其燃烧器110中燃烧。随后，加热的燃烧气体流动至使涡轮排出流114排放的膨胀涡轮112。在空气预加热器102内通过预加热包含水分的燃烧空气流28''来回收涡轮排出流114中的能量，并且随后将其作为排出流116而排放。燃气涡轮106应当选择为使得离开其膨胀器112的排出气体流116的流动类似于包含水分的燃烧空气流28''的流动速率，从而使得燃气涡轮排出管(exhaust stack)温度接近于300°F。这种提出的构造使得预加热水分和将水分添加至进入燃烧器32的空气两者成为可能，这显著地增大了净功率输出、总效率和改装的利润率。
然而，在本发明的该实施例中，要注意的是，可能并不需要使用空气增压压缩机100。在恒定的入口温度下，膨胀器总功率输出随着入口压力的增大而增大。尽管未图示，如果空气增压器在此替换构造中或任何替换构造中使用，采用在预纯化器之后的燃烧空气流28将考虑到包括空气增压压缩机100的附加动机。在需要液化生产力时的时段期间，来自空气增压压缩机102的预纯化空气的排放可通过空气分离单元18的主热交换器而传送，并且被膨胀以提供在空气分离单元中的附加制冷。
图6中所示出的集成的实例是使用了下表1中给出的经济参数而实施的。环境温度为55°F，燃烧空气流28流量为5794 mcfh-ntp(在70°F和1atm时，千标准立方英尺每小时)，而主空气压缩机10的排放压力为104psia。所需的马达功率为14.4MW。用于计算效率的方法假定来自燃烧器的热损失为燃烧功(fired duty)的1%。当其使用时，增压压缩机的绝热效率设置成83%。使用了通用电气LM2000型航改燃气涡轮，因为涡轮排出流接近于燃烧空气流28的排放空气流动速率。
单独的过剩空气膨胀器(“EAE”)(如图1中所示出的)和EAE+航改燃气涡轮(“辅助涡轮”，如图6中所示出的)的改装的利润率确定为随若干变量而变化：添加至过剩空气的水分的程度；空气增压器的使用和其设计压缩比；以及涡轮膨胀器入口温度。在表2中概括了单独的EAE和EAE+辅助涡轮构想的最佳情形的设计条件和运转结果。
结果示出了EAE+辅助涡轮设计比单独的EAE构想生成了更加多的运转收益。对于单独的EAE的最佳情形产生了大约$1.6MM/yr的收入，而对于结合EAE和辅助涡轮的最佳情形可产生超出$5MM/yr。收入由于结合设计中的较高净产生功率和处理效率而增加。
参考图7，图示了图1的替换实施例(再次位于阀26的下游)，其中燃烧器为燃气涡轮的燃烧器。在此实施例中，燃料流30在航改或工业(重型)燃气涡轮120发电机组中燃烧以产生功率。如所图示的，环境空气在压缩机122中压缩，并且燃料流30在燃气涡轮120的燃烧器32'中燃烧。随后，加热燃烧气体流动至膨胀涡轮124，膨胀涡轮124排放涡轮排出流126。该涡轮排出流126随后优选地被引入到热量回收蒸汽发生器128中，以生成能够与燃料流30一起被引入到燃烧器32'中的蒸汽流130。热回收蒸汽发生器128在本领域中是熟知的，并且作用为将水加热成流。在热量传递之后，由涡轮排出流126构成的烟道气流129被排放。然而，有可能利用蒸汽涡轮中的蒸汽。说到这，要注意的是，使用热量回收蒸汽发生器128和在燃烧器32'内或别处的进一步利用蒸汽是最佳的。燃烧空气流28由压缩机132压缩，并且也被引入到燃烧器32'中。阀134在空气分离单元18的调低运转条件期间可选择性地设置在打开位置，以允许借助于进入燃烧器32的附加空气流而生成附加功率。在空气分离单元18的设计条件期间，阀134设置在闭合位置中，并且至燃烧器的空气流由压缩机122独自生成。
尽管参照优选实施例对本发明进行了描述，但如本领域的技术人员将将想到的，在没有脱离如所附权利要求中所阐明的本发明的精神和范围的情况下能够对本发明做出许多添加和改变。

Claims (16)

1. 一种分离空气和生成电功率的方法，其包括：
在主空气压缩机中压缩空气以产生压缩空气流；
在所述压缩空气流被预纯化之前或之后，由所述压缩空气流的至少一部分形成燃烧空气流；
在设计运转条件期间，将所述压缩空气流引入到空气分离单元中，并且通过低温精馏使所述空气分离以产生一种或多种产物，
在不产生或以较小速率产生所述一种或多种产物的调低运转条件期间，将所述燃烧空气流和燃料流引入到燃烧器中，燃烧燃料以产生加热和加压燃烧流，并且在连接到发电机上的涡轮中使所述加热和加压燃烧流膨胀以生成电功率； 以及
使所述主空气压缩机运转，从而使得所述压缩机产生所述压缩空气流，以允许在所述调低运转条件期间可获得所述燃烧空气流，以支持所述燃料流的燃烧用于生成电功率。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述涡轮产生排出流，并且在将所述燃烧空气流引入到所述燃烧器中之前，所述排出流将热量间接地传递至所述燃烧空气流。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，在所述排出流将热量间接地传递至所述燃烧空气流之前，所述燃烧空气流用水分来饱和。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述燃烧空气流通过下述用水分来饱和：
在冷凝器中使蒸汽流冷凝以产生冷凝流；
在泵中泵送所述冷凝流以产生第一加压水流；
使所述第一加压水流与第二加压水流结合以产生结合水流；
在所述冷凝器中通过与所述蒸汽流的间接热交换而加热所述结合水流，以产生加热水流；
使所述加热水流与所述燃烧空气流在饱和器中逆流地接触，以产生用水分和底产物液体来饱和的燃烧空气流；以及
使所述底产物液体的至少一部分再循环以形成所述第二加压水流。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述燃烧空气流通过下述用水分来饱和：
在泵中泵送水流以产生加压水流；
在定位于所述涡轮与同流换热器之间的水加热器中用所述排出流来加热所述加压水流，以至少部分地产生加热水流，所述同流换热器在从所述排出流到所述燃烧空气流的间接热量传递中使用；
使所述加热水流与所述燃烧空气流在饱和器中逆流地接触，以产生用水分和底产物液体来饱和的燃烧空气流；以及
通过使所述底产物液体与补充水流结合而形成所述水流。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述燃烧空气流通过下述用水分来饱和：
在泵中泵送由饱和器的底产物液体构成的水流以产生加压水流；
在定位于所述涡轮与同流换热器之间的水加热器中用所述排出流来加热所述加压水流，所述同流换热器在从所述排出流至所述燃烧空气流的间接热量传递中使用；
泵送沸腾器供给水流，并且使所述沸腾器供给水流与在所述水加热器中被加热之后的所述加压水流结合以形成加热水流；以及
使所述加热水流与所述燃烧空气流在饱和器中逆流地接触，以产生用水分和底产物液体来饱和的燃烧空气流。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中：
所述燃烧空气流通过下述用水分来饱和：
在泵中泵送水流以产生加压水流；
在水加热器中用所述排出流来加热所述加压水流以产生加热水流；
所述压缩空气流在预纯化单元中被预纯化之前或之后，通过在增压压缩机中进一步压缩所述压缩空气流的至少一部分来形成所述燃烧空气流；
使所述加热水流与所述燃烧空气流在饱和器中逆流地接触，以产生用水分和底产物液体来饱和的燃烧空气流；以及
至少部分地由所述底产物液体形成所述水流；以及
通过与用来生成附加电功率的燃气涡轮排出物的间接热交换来加热由水分饱和之后的燃烧空气流。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中：
所述燃烧器是燃气涡轮的燃烧器，而所述膨胀器是所述燃气涡轮的膨胀器；以及
所述燃烧空气流进一步被压缩且被引入到所述燃烧器中。
9. 一种用于分离空气和生成电功率的设备，其包括：
主空气压缩机，其用以压缩空气并由此产生压缩空气流；
空气分离单元，其与所述主空气压缩机流动连通；
所述空气分离单元构造成在设计运转条件和调低运转条件中选择性地运转，从而使得在所述设计运转条件期间，所述压缩空气流内的空气通过低温精馏而被分离，以产生一种或多种产物，并且在所述调低运转条件期间，未产生或以比设计运转条件期间更小的速率产生所述一种或多种产物；
机构，其用于在预纯化单元中在所述压缩空气流被预纯化之前或之后，由所述压缩空气流的至少一部分来产生燃烧空气流；
燃烧器，其与燃烧空气流产生机构流动连通，从而使得在所述调低运转条件期间，燃料流在所述燃烧器中通过由所述燃烧空气流支持的燃烧而被燃烧，并且加热和加压燃烧流由所述燃烧而产生；
涡轮，其与所述燃烧器流动连通，从而使所述加热和加压燃烧流膨胀以产生排出流；
发电机，其连接到所述涡轮上以生成电功率；
所述主空气压缩机具有足够的生产力以允许在所述调低运转条件期间可获得所述燃烧空气流，以支持所述燃料流的燃烧用于生成所述电功率。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中，同流换热器定位在所述涡轮与所述主空气压缩机之间，使得在将所述燃烧空气流引入到所述燃烧器中之前，由涡轮产生的排出流将热量间接地传递至所述燃烧空气流。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中，用于将水分加至所述燃烧空气流的机构定位在所述同流换热器与所述主空气压缩机之间，使得在所述排出流间接地将热量传递至所述燃烧空气流之前，所述燃烧空气流包含水分。
12. 根据权利要求11所述的设备，其中，用于添加水分的机构包括：
冷凝器，其用于使蒸汽流在冷凝器中冷凝以产生冷凝流；
泵，其连接到所述冷凝器上以泵送所述冷凝流，并由此产生第一加压水流；
饱和器，其构造成使加热水流与所述燃烧空气流逆流地接触，以产生具有水分和底产物液体的燃烧空气流；以及
再循环流动通路，其连接到所述泵、所述冷凝器和所述饱和器上，并且构造成使所述第一加压水流与第二加压水流结合以产生结合水流，从而在所述冷凝器中通过与所述蒸汽流的间接热交换来加热所述结合水流以产生所述加热水流，并且具有再循环泵，所述再循环泵定位成使所述底产物液体的至少一部分再循环以形成所述第二加压水流。
13. 根据权利要求11所述的设备，其中，用于添加水分的机构包括：
泵，其用以加压水流并由此产生加压水流；
水加热器，其连接到所述泵上，并且定位在所述涡轮与所述同流换热器之间，以便用所述排出流间接地加热所述加压水流，从而至少部分地产生加热水流；
饱和器，其与所述水加热器流动连通，并且构造成使所述加热水流与所述燃烧空气流逆流地接触，以产生具有水分和底产物液体的燃烧空气流；以及
所述泵与所述饱和器和用于引入补充水流的补充水入口流动连通，从而使得所述水流由所述底产物液体和所述补充水流形成。
14. 根据权利要求13所述的设备，其中，用于添加水分的机构包括：
泵，其用以加压由饱和器的底产物液体形成的水流，并由此产生了加压水流；
水加热器，其连接到所述泵上，并且定位在所述涡轮与所述同流换热器之间，以便用所述排出流间接地加热所述加压水流，以至少部分地产生加热水流；
供给水泵，其定位在所述水加热器与所述饱和器之间，使得加热水流通过泵送沸腾器供给水流而形成，并且所述沸腾器供给水流在被泵送之后与在所述水加热器中被加热之后的所述加压水流结合；以及
所述饱和器与所述水加热器流动连通，并且构造成使所述加热水流与所述燃烧空气流逆流地接触，以产生具有水分和所述底产物液体的燃烧空气流。
15. 根据权利要求9所述的设备，其中：
泵泵送水流以产生加压水流；
水加热器定位在所述泵与所述涡轮之间，以便用由所述涡轮产生的排出流来加热所述加压水流，从而产生加热水流；
所述燃烧空气流产生机构包括在所述预纯化单元之前或之后与所述主空气压缩机流动连通的增压压缩机，从而使得所述压缩空气流的至少一部分进一步被压缩以产生所述燃烧空气流，
饱和器连接在所述水加热器与所述增压压缩机之间，并且构造成使所述加热水流与所述燃烧空气流逆流地接触，从而产生具有水分和底产物液体的燃烧空气流；
所述泵与所述饱和器流动连通，使得所述水流至少部分地由所述底产物液体形成；
空气预加热器定位在所述燃烧器与所述饱和器之间，使得添加水分之后的燃烧空气流在被引入到所述燃烧器中之前在所述空气预加热器中被预加热；
燃气涡轮连接到另一个发电机上以生成附加电功率并且产生燃气涡轮排出物；以及
所述燃气涡轮连接到所述空气预加热器上，使得所述燃烧空气流在所述空气预加热器中通过与所述燃气涡轮排出物的间接热交换而被预加热。
16. 根据权利要求9所述的设备，其中：
所述燃烧器是燃气涡轮的燃烧器，并且所述膨胀器是所述燃气涡轮的膨胀器；以及
所述燃烧空气流产生机构包括在所述预纯化单元之前和之后与所述主空气压缩机流动连通的增压压缩机，从而使得所述压缩空气流的至少一部分进一步被压缩以产生所述燃烧空气流。
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