CN104373221B - 具有二氧化碳分离的燃气涡轮动力装置的运行 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有二氧化碳分离的燃气涡轮动力装置的运行。本发明涉及用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，该燃气涡轮动力装置(1)包括燃气涡轮(6)、在燃气涡轮(6)后面的HRSG(8)、排气送风机(10)以及二氧化碳分离装置(11)，该二氧化碳分离装置(11)分离包含在排气中的二氧化碳，并且将二氧化碳排出至二氧化碳出口(14)，燃气涡轮(6)、HRSG(8)、排气送风机(10)以及二氧化碳分离装置(11)借助于排气管线(7)连接。根据该方法，燃气涡轮动力装置(1)的跳脱包括以下步骤：停止燃料供应，切断排气送风机，以及将VIGV(19)的开度角控制在大于或等于使HRSG(8)和排气送风机(10)之间的排气管线(7)中的压力保持高于最小所需压力(pmin)所需的位置的位置处。本发明进一步涉及构造成执行此类方法的燃气涡轮动力装置(1)。

Description

具有二氧化碳分离的燃气涡轮动力装置的运行
技术领域
本发明涉及用于在从排气分离二氧化碳的情况下运行燃气涡轮动力装置的方法。
背景技术
已知二氧化碳排放作为温室气体相当大地造成全球变暖。为了减少燃气涡轮动力装置的二氧化碳排放，从而为了阻止全球变暖，已经提出了各种布置和方法。技术最先进的方法看来是通过吸收或吸附从动力装置的排气流分离二氧化碳的那些。典型地，进一步以有益的方式使用来自燃气涡轮的有用的废热来回收HRSG中的能量。排气因此冷却，但通常仍不达到对于吸收或吸附所必要的温度水平，并且因此在它们引入到二氧化碳分离装置中之前，典型地在再冷却器中进一步冷却它们。在该二氧化碳分离装置中，二氧化碳从排气分离，并且排出用于进一步使用。二氧化碳稀薄的排气经由烟囱排出到环境中。例如从WO 2011/039072已知该类型的装置。
另外，从EP 2067941已知使用送风机来克服二氧化碳分离装置的压力损失。
但是，使用送风机来克服二氧化碳分离装置的压力损失不是不具有其问题。该类型的送风机必须传送较大的体积流，并且具有对应较大尺寸和较高惯量。
发明内容
在燃气涡轮的运行状况快速改变(这导致排气体积流在短时间内的较大变化)的情况下，送风机不可在没有额外的措施的情况下遵循快速的瞬时现象。特别是在燃气涡轮的紧急停机(跳脱)的情况下，排气体积流在几秒钟之内显著地下降，这是因为压缩机入口导叶的快速闭合以及排气温度的降低。在紧急停机期间，排气体积流可在5至10秒之内降低到全负载排气流的50%或更少。常规地，压缩机入口导叶紧接在已经接收到跳脱信号之后闭合，以在燃气涡轮的停止期间避免压缩机不稳定性，特别是压缩机失速。
典型的排气送风机不具有可调节的导叶，并且由于其较高惯量，故即使在其驱动被立刻切断时，其也缓慢地停止，并且仍然传送体积流，该体积流明显多于燃气涡轮的减少的排气流。由于该差异是体积流，故可在HRSG和排气管线中产生相对于周围环境空气(负的计示压力)的危险的真空或负压，并且在最坏的情形下，可导致HRSG和排气管线的内爆。
本公开的一个目标是详述一种用于在从排气分离二氧化碳的情况下运行燃气涡轮动力装置的方法，其中，即使在跳脱的情况下，危害压差在HRSG的排气侧或排气管和环境之间也不固有地出现。除了该方法，本公开的主题是一种构造用于根据此类方法运行的燃气涡轮动力装置。
具有二氧化碳分离的燃气涡轮动力装置包括燃气涡轮、在燃气涡轮后面的HRSG(热回收蒸汽发生器或锅炉)、排气送风机、二氧化碳分离装置，该二氧化碳分离装置从排气分离包含在排气中的二氧化碳，并且将二氧化碳排出至二氧化碳出口。典型地，其还包括烟囱。
另外，排气再冷却器可布置在HRSG和排气送风机之间。燃气涡轮、HRSG、排气再冷却器、排气送风机、二氧化碳分离装置以及烟囱借助于排气管线或排气管连接。排气送风机典型地布置在排气再冷却器下游，这是因为送风机接着必须传送较小的体积流，并且还暴露于较低的温度。
用于运行具有二氧化碳分离装置的燃气涡轮动力装置的公开的方法在装置的跳脱期间包括以下步骤：停止至燃气涡轮的燃料供应，切断排气送风机，以及将VIGV的开度角控制在大于或等于使HRSG和排气送风机之间的排气管线中的压力保持高于最小所需压力所需的位置的位置处。提出的运行构思是可行的，这是因为已经发现，压缩机失速不发生，直到涡轮速度降低到低于燃气涡轮的设计运行速度的70%或者甚至低于50%。
最小所需压力是确保HRSG和排气管不由于周围空气的周围压力而内爆、塌陷或破裂所需的压力。典型地，针对排气管和HRSG内部的相对于周围环境的微小过压来设计HRSG和排气管，以允许排气流穿过HRSG，以及经由烟囱释放至环境。未针对该压差的反转来设计HRSG和排气管的较大表面积。容许的最小所需压力可为周围压力，或者例如可比周围压力低大约10至50毫巴。因为HRSG和排气管的较大表面积上的负载取决于关于周围环境的压差，所以最小压力限定为计示压力(或从排气侧至周围环境的压差)。
根据用于运行燃气涡轮动力装置的方法的一个实施例，根据HRSG和排气送风机之间的排气管线中的压力(优选计示压力，相应地周围的环境空气的压力的压差)控制VIGV的开度角。
根据一个特定实施例，如果计示压力减小，则VIGV开启，并且如果计示压力增大，则VIGV闭合。更特别地，VIGV位置可与计示压力成反比。根据另一个特定实施例，VIGV保持不变，直到超过HRSG和排气送风机之间的排气管线中的压力的第一极限值。一旦超过该极限值，VIGV就开始闭合。另外，可限定第二极限值，并且如果超过第二极限值，则VIGV开启。第一极限值典型地为正的计示压力，而第二极限值为负的计示压力。
根据方法的另一个更特定的实施例，根据排气再冷却器和排气送风机之间的排气管线中的压力控制VIGV的开度角。
根据用于运行燃气涡轮动力装置的方法的又一个版本，VIGV的开度角在于跳脱开始时间处接收到跳脱信号时的位置处保持不变，直到达到第一延迟时间。通过使VIGV保持在不变的位置处，可确保燃气涡轮的排气质量流保持较高达足够的时间，直到排气送风机的流量减小到安全水平。
根据用于运行燃气涡轮动力装置的方法的另一个版本，当在跳脱开始时间处接收到跳脱信号时，VIGV的开度角增大至VIGV开启位置。通过开启VIGV，燃气涡轮的排气质量流保持较高达足够的时间，直到排气送风机的流量减小到安全水平。
在用于运行燃气涡轮动力装置的方法的又一个版本中，VIGV的开度角在于跳脱开始时间处接收到跳脱信号时的位置处保持不变，直到达到第一延迟时间，并且VIGV在第一延迟时间和VIGV闭合时间之间的时间间隔内闭合至VIGV闭合位置。
在用于运行燃气涡轮动力装置的方法的又一个版本中，当达到第三延迟时间时，停用至VIGV的功率供应。VIGV的功率供应典型地是用以液压地驱动VIGV促动器的功率油供应。如果燃气涡轮动力装置由于跳脱而停机(装置的紧急停机)，即，因为已经检测到失效，该失效危及燃气涡轮的安全运行，则应当尽快停用所有的潜在危害系统。如果液压功率油例如由于机械损坏而泄漏，并且油接触燃气涡轮部件的热部件，则液压功率油可变为危害的。因此功率油系统典型地在跳脱期间被切断。对切换功率油系统的第三延迟时间的选择允许控制VIGV位置，并且确保在潜在危险的量的功率油可由于油泄漏而损失之前的短时间之后切断系统。
在另一个实施例中，一旦VIGV达到VIGV闭合位置，则停用至VIGV的功率供应。
在用于运行燃气涡轮动力装置的方法的再一个实施例中，冷却空气再冷却器在跳脱开始之后被切断。这导致排气送风机处的升高的排气温度，并且因此导致排气送风机处的增大的体积流，并且从而在停机期间减少燃气涡轮排气体积流和排气送风机的流率之间的失配。
根据用于运行燃气涡轮动力装置的方法的另一个实施例，在接收到跳脱信号时的时间处，VIGV的开度角起初保持为大于或等于VIGV的开度角的开度角。VIGV保持在此类位置处，直到燃气涡轮的速度降低到用于闭合VIGV的速度极限。用于闭合VIGV的速度极限高于在停止期间压缩机不稳定性可发生时所处的速度，特别地，其高于压缩机失速可发生时所处的速度。用于闭合VIGV的速度极限和失速可发生时所处的速度之间的差应足以在燃气涡轮从闭合VIGV的速度极限下降到失速可发生时所处的速度时，允许闭合VIGV。
在用于运行燃气涡轮动力装置的方法的又一个实施例中，当接收到跳脱信号时，VIGV的开度角还可增大至VIGV开启位置，并且保持处于VIGV开启位置，直到达到用于闭合VIGV的速度极限。
除了该方法之外，一种燃气涡轮动力装置也是本公开的主题，该燃气涡轮动力装置包括燃气涡轮、在燃气涡轮后面的HRSG、排气送风机以及二氧化碳分离装置，该二氧化碳分离装置从排气分离包含在排气中的二氧化碳，并且将二氧化碳排出至二氧化碳出口。在动力装置中，燃气涡轮、HRSG、排气送风机以及二氧化碳分离装置借助于排气管线来流体地连接。根据本公开，装置包括控制器，该控制器构造成在燃气涡轮动力装置的跳脱期间，将VIGV的开度角控制在大于或等于使HRSG和排气送风机之间的排气管线中的压力保持高于最小所需压力所需的位置的位置处。
根据一个实施例，此类燃气涡轮动力装置包括HRSG出口压力测量装置和/或排气送风机入口压力测量装置。此类测量装置可布置在HRSG的出口中，相应地在排气送风机的入口中，或者可布置在排气管线中。
在燃气涡轮动力装置的又一个实施例中，控制器构造成根据由HRSG出口压力测量装置和/或排气送风机入口压力测量装置测得的压力来开启VIGV。
阐明的所有优点不仅可按各种情形中规定的组合使用，而且按其它组合使用，或者单独使用，而不背离本发明的范围。
附图说明
借助于附图在下面描述本发明的优选实施例，该附图仅用于说明性目的，并且不被限制性地解释。在附图中，例如，
图1显示具有排气送风机的燃气涡轮动力装置的示意图；
图2显示具有排气送风机的燃气涡轮动力装置和排气管线中的压力分布的示意图；
图3显示在跳脱期间的VIGV和功率油的压力随着时间推移的示例性变化的示意图；
图4显示在跳脱期间的VIGV和功率油的压力随着时间推移的另一种示例性变化的示意图。
部件列表
1 燃气涡轮动力装置
2 压缩机
3 燃烧室
4 涡轮
5 燃料
6 燃气涡轮
7 排气管线
8 HRSG(热回收蒸汽发生器)
9 排气再冷却器
10 排气送风机
11 二氧化碳分离装置
12 旁通烟囱
13 烟囱
14 二氧化碳出口
15 新鲜蒸汽
16 给水
17 进气
18 二氧化碳稀薄的排气
19 VIGV(可变的入口导叶)
20 HRSG出口压力测量装置
21 排气送风机入口压力测量装置
22 控制器
23 燃料控制阀
24 控制管线
S 标准运行
T 跳脱(紧急停机)
V 具有VIGV控制的跳脱
pmin最小所需压力
t0 跳脱开始时间
t1 第一延迟时间
t2 VIGV闭合时间
t3 第三延迟时间
t4 VIGV开启时间
VIGVclosedVIGV闭合位置
VIGVopenVIGV开启位置
poil功率油的压力
pmin最小所需压力。
具体实施方式
图1显示根据示例性实施例的燃气涡轮动力装置的主要元件的示意图。燃气涡轮6包括压缩机2；在其中被压缩的燃烧空气输送至燃烧室3，并且在那里与燃料5一起燃烧。热的燃烧气体随后在涡轮4中膨胀。例如，在燃气涡轮6中产生的有用能量接着借助于布置在同一轴上的发电机(未示出)转换成电能。
从涡轮4显露的热排气通过用于最佳地利用仍然包含在它们中的能量的排气管线7而引导至HRSG 8(热回收蒸汽发生器，或者在废热锅炉中)，并且用于使给水16蒸发，以及产生用于蒸汽涡轮(未示出)或其它装置的新鲜蒸汽15。蒸汽回路仅由HRSG 8示意性地指示。未显示蒸汽涡轮、冷凝器、各种压力级、给水泵等，因为这些不是本发明的主题。
来自HRSG 8的排气进一步引导到HRSG 8下游，穿过排气管线7在排气再冷却器9中。在该排气再冷却器9(可配备有冷凝器)中，排气冷却成稍微(典型地5℃至20℃)高于周围温度。在该排气再冷却器9下游，在排气管线7中布置排气送风机10，排气送风机10的后面是二氧化碳分离装置11。在该二氧化碳分离装置11中，二氧化碳从排气中分离出，并且经由二氧化碳出口(14)排出。接着例如可压缩分离的二氧化碳，用于进一步的运输和存储。
来自二氧化碳分离装置11的二氧化碳稀薄的排气18(CO2少)经由烟囱13排出到环境中。可借助于排气送风机10克服二氧化碳分离装置11的压力损失。此外，取决于燃气涡轮6或HRSG 8的设计和背压，也借助于排气送风机10至少部分地克服再冷却器9、排气管线7、烟囱13和/或HRSG的压力损失。
在排气再冷却器9上游布置旁通烟囱12，旁通烟囱12使得在二氧化碳分离装置11不运行(例如为了维护工作)时，运行燃气涡轮和HRSG成为可能。在正常运行中，通往旁通烟囱12的入口闭合，以使所有排气通过再冷却器9、排气送风机10、二氧化碳分离装置11和烟囱13而排出到环境中。在旁通运行中，通到旁通烟囱12中的入口开启，以使排气可经由旁通烟囱12直接排出到环境中。为了调节排气流，瓣片或阀可布置在排气管线7和旁通烟囱12中。例如，瓣片(未显示)可在旁通烟囱和排气再冷却器9之间布置在排气管线7中，以便在二氧化碳分离装置11停机时抑制进入到再冷却器中的流。
燃气涡轮动力装置1包括用于控制燃气涡轮、HRSG(典型地还包括水蒸汽循环—未显示)和该二氧化碳分离装置11(包括再冷却器9和排气送风机10)的运行的控制器22。典型地，装置控制器22具有层级结构，该层级结构具有用于主要构件的子控制器，例如用于燃气涡轮6的一个子控制器、用于水蒸汽循环的一个子控制器以及用于二氧化碳分离装置11的一个控制器。
燃气涡轮6包括用于控制压缩机2的入口质量流的VIGV 19(可变的入口导叶)。燃料流可由燃料控制阀23控制。可控制排气送风机10，以使进入二氧化碳分离装置11的排气质量流的质量流与离开燃气涡轮6的排气质量流匹配。进入二氧化碳分离装置11的排气质量流与离开燃气涡轮6的排气质量流的匹配导致排气管线7中的正确压力。为了测量排气系统中的压力，HRSG出口压力测量装置20和排气送风机入口压力测量装置21沿着排气流径安装。
VIGV 19和燃料控制阀23，相应地促动器和/或位置发射器，通过控制线24连接于控制器22。另外，排气送风机10通过控制线24连接于控制器22，并且HRSG出口压力测量装置20以及排气送风机入口压力测量装置21通过控制线24连接于控制器22。
图2显示来自图1的呈甚至更简化的形式的装置。另外，指示用于标准运行S和常规跳脱T(紧急停机)期间的临界运行状态的排气管线7、HRSG 8、排气再冷却器9、排气送风机10和二氧化碳分离装置11中的压力分布。进一步显示用于具有提出的受控VIGV位置V的运行的排气管线7中的压力分布。
在显示的示例中选定用于标准运行S的压力分布，使得在燃气涡轮和旁通烟囱12之间，其对应于常规的燃气涡轮联合循环动力装置(不具有二氧化碳分离)中的压力分布，就是说，涡轮的出口处的压力如此高以至于HRSG 8的压力损失被克服。在HRSG 8下游，压力b实际上等于周围压力。在排气再冷却器9下游，压力c下降到低于周围压力，之后压力c通过排气送风机10升高到压力d，压力d足够高，以克服二氧化碳分离装置11的压力损失，并且使排气经由烟囱13排出到环境中。调节排气送风机10，使得旁通烟囱12的入口处的压力实际上等于周围压力。
从用于标准运行S的压力分布开始，在跳脱T的情况下，排气区域中的压力在几秒钟之内下降，这是因为排气送风机传送的排气流比从涡轮显露的排气流更多。早在涡轮的出口处，压力低于周围压力。由于排气管线7，HRSG 8和排气再冷却器9的压力损失，故压力进一步降低。在该情况下，HRSG 8和再冷却器9以及排气管线7中的负压可危险地变高。压力仅通过排气送风机10而再次升高到如下程度使得可克服二氧化碳分离装置11的压力损失，该压力损失与体积流成比例地减小。
为了避免高负压，提出在跳脱的情况下控制VIGV 19的新方法，导致始终都有适度的压力分布。
在图3中显示根据示例性实施例显示的VIGV和功率油的压力在停机期间随时间推移的改变。
根据现有技术，一旦控制器接收跳脱信号，或者基于其它测量决定使机器跳脱，VIGV就尽可能快地(未在图3中显示)从VIGVopen位置闭合至VIGVclosed位置。
根据提出的方法，以及与常规方法相比，VIGV保持在开启位置VIGVopen达第一延迟时间t1，并且接着闭合至VIGV闭合位置VIGVclosed。在该示例中，其以恒定的闭合速度闭合，以在规定时间(被称为VIGV闭合时间t2)处到达VIGV闭合位置VIGVclosed。在VIGV到达VIGV闭合位置VIGVclosed不久之后，用于驱动VIGV的促动器的功率油在第三延迟时间t3处被关闭。
如果装置以部分负载运行，则VIGV在停机之前不必处于完全开启位置。根据该实施例，VIGV将保持在不变的位置处，直到到达第一延迟时间t1。
图4显示VIGV和功率油的压力在跳脱期间随着时间推移的另一种示例性变化的示意图。图4基于图3。此处，在跳脱发生之前，燃气涡轮以部分负载运行。对应地，VIGV闭合至部分负载位置VIGVpart。图4中显示的方法不同于图3的方法，因为VIGV在跳脱的时间t0和VIGV开启时间t4之间开启至VIGV开启位置VIGVopen。VIGV开启时间t4可预先确定，或者根据跳脱之前的VIGV的部分负载位置和VIGV的(最大)开启速度变化。

Claims (13)

1.一种用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，所述燃气涡轮动力装置(1)包括燃气涡轮(6)、在所述燃气涡轮(6)下游的HRSG(8)、排气送风机(10)，以及二氧化碳分离装置(11)，所述二氧化碳分离装置(11)分离包含在所述排气中的二氧化碳，并且将所述二氧化碳排出至二氧化碳出口(14)，所述燃气涡轮(6)、HRSG(8)、排气送风机(10)以及二氧化碳分离装置(11)借助于排气管线(7)连接，其特征在于，所述燃气涡轮动力装置(1)的跳脱包括以下步骤：
停止燃料供应，切断所述排气送风机(10)，以及将VIGV(19)的开度角控制在大于或等于使所述HRSG(8)和所述排气送风机(10)之间的所述排气管线(7)中的压力保持高于最小所需压力(pmin)所需的位置的位置处。
2.根据权利要求1所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，根据所述HRSG(8)和所述排气送风机(10)之间的所述排气管线(7)中的压力来控制所述VIGV的开度角。
3.根据权利要求1所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，根据排气再冷却器(9)和所述排气送风机(10)之间的所述排气管线(7)中的压力来控制所述VIGV的开度角。
4.根据权利要求1所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，当在跳脱开始时间(t0)处接收到跳脱信号时，所述VIGV的开度角在所述位置处保持不变，直到达到第一延迟时间(t1)。
5.根据权利要求1所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，当在跳脱开始时间(t0)处接收到跳脱信号时，所述VIGV的开度角增大至VIGV开启位置(VIGVopen)。
6.根据权利要求4或5所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，VIGV(19)闭合至VIGV闭合位置(VIGVclosed)，直到达到VIGV闭合时间(t2)。
7.根据权利要求6所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，当达到第三延迟时间(t3)时，停用至所述VIGV(19)的功率供应。
8.根据权利要求6所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，一旦所述VIGV(19)达到所述VIGV闭合位置(VIGVclosed)，就停用至所述VIGV的功率供应。
9.根据权利要求1所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，在接收到跳脱信号时的时间处，所述VIGV的开度角保持为大于或等于所述VIGV的开度角的开度角，直到所述燃气涡轮的速度降低至用于闭合所述VIGV的速度极限。
10.根据前述权利要求3所述的用于运行燃气涡轮动力装置(1)的方法，其特征在于，当所述跳脱开始时，所述排气再冷却器(9)被切断。
11.一种燃气涡轮动力装置(1)，其包括燃气涡轮(6)、在所述燃气涡轮(6)后面的HRSG(8)、排气送风机(10)以及二氧化碳分离装置(11)，所述二氧化碳分离装置(11)从排气分离包含在所述排气中的二氧化碳，并且将所述二氧化碳排出至二氧化碳出口(14)，所述燃气涡轮(6)、HRSG(8)、排气送风机(10)、二氧化碳分离装置(11)借助于排气管线(7)连接，其特征在于，其包括控制器(22)，所述控制器(22)构造成在所述燃气涡轮动力装置(1)的跳脱期间，将VIGV(19)的开度角控制在大于或等于使所述HRSG(8)和所述排气送风机(10)之间的所述排气管线(7)中的压力保持高于最小所需压力(pmin)所需的位置的位置处。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮动力装置(1)，其特征在于，其包括HRSG出口压力测量装置(20)和/或排气送风机入口压力测量装置(21)。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮动力装置(1)，其特征在于，所述控制器构造成根据由HRSG出口压力测量装置(20)和/或排气送风机入口压力测量装置(21)测得的压力来开启所述VIGV。
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