CN115298416A - 用于燃气涡轮机的动力强化 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于改进使用燃气涡轮发动机为工艺气体压缩机提供动力的设备的效率的系统和方法。这种设备的例子包括制氨设备，其中燃气涡轮发动机用于为工艺气体压缩机提供动力，并且其中来自所述燃气涡轮发动机的废气作为燃烧气体被供至重整炉。使用增压压缩机实现了效率的提高以改善所述燃气涡轮发动机的性能。根据一些实施例，所述增压压缩机可以用于降低所述工艺气体压缩机的动力消耗。根据一些实施例，来自所述增压压缩机的侧流可以被供至所述炉子以补充由所述燃气涡轮发动机废气提供的燃烧气体。所公开的方法和系统提高了所述设备的效率，同时保持了所述炉子和所述工艺气体压缩机驱动操作之间的负荷平衡。
Description
技术领域
本发明涉及强化燃气涡轮机的动力，并且更特别地，涉及强化用于制氨设备的燃气涡轮机的动力。
背景技术
如图1A示意性地示出，燃气涡轮机经常用于产生能量，例如驱动发电机。为了产生能量，压缩气体和燃料被燃烧，而且燃烧气体用于提供驱动发电机的旋转动力。热涡轮机废气经常被提供至废热回收系统，以试图提高整个系统的效率，例如通过使用废气的热量来产生蒸汽以进一步做功，如为蒸汽涡轮机或类似物提供动力。这种对废气的利用可以被看作是补救措施，即它试图缓解燃气涡轮机缺乏效率的事实。为了产生电能，涡轮机的效率越高越好。换句话说，我们希望涡轮机能够产生最大的旋转动力(用于驱动发电机)，同时产生最少的热废气。在完美的(但无法实现的)世界中，所有的燃烧能都将转化为旋转动力，并且不会产生热废气。在过去几十年这一考虑推动了燃气涡轮机的发展，由于材料和设计的进步，导致了高效(例如约60％)的燃气涡轮发动机。
燃气涡轮机也可用于驱动如压缩机的设备，例如在某些石油化工工艺/设备中。图1B示意性地示出一个例子。在图示的例子中，燃气涡轮机提供旋转动力以驱动压缩机，该压缩机提供反应物如工艺空气至反应器。涡轮机的废气用于将燃烧气体提供至重整炉，在图示的例子中，重整炉用作重整器。这种工艺的例子是Haber-Bosch制氨工艺，而且特别是本申请的受让人拥有的PurifierTM工艺，下文将对此详细讨论。
注意到在图1B所示的系统中，废气并不单纯是必须处理的低效率问题；它是该工艺的组成部分。炉子的能力必须与压缩机的尺寸相平衡，这是由反应器的能力要求决定的。如果燃气涡轮机的效率过高(即它不能提供足够的废气以运行炉子)，整个工艺就会受到影响，这是因为炉子和压缩机失衡。
本领域需要增加用于在如图1B所示的工艺中驱动压缩机的燃气涡轮机的功率输出。然而，由于上述原因，简单地使用更高效的燃气涡轮机并不是最佳的解决方案。
发明内容
本发明公开了一种化学工艺设备，其包括：炉子、工艺压缩机、被构造为驱动工艺压缩机的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机产生废气，并且其中至少一部分废气作为用于该炉子的燃烧气体被提供至炉子；和被构造为将压缩气体提供至燃气涡轮发动机的增压压缩机(例如，提供至燃气涡轮发动机的涡轮压缩机)。根据一些实施方式，增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至工艺压缩机。根据一些实施方式，增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至炉子。根据一些实施方式，增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至工艺压缩机和重整炉。根据一些实施方式，增压压缩机由电动机提供动力。根据一些实施方式，增压压缩机由蒸汽涡轮机提供动力。根据一些实施方式，化学工艺设备还包括中冷器，该中冷器被构造为冷却由增压压缩机供至燃气涡轮发动机的涡轮压缩机和工艺压缩机的压缩气体。根据一些实施方式，该炉子是重整炉，其被构造为在蒸汽和燃烧气体存在的情况下转化烃以形成合成气，并且其中燃烧气体包括燃气涡轮发动机的废气。根据一些实施方式，工艺压缩机被构造为将压缩气体供气供至制氨工艺。根据一些实施方式，将压缩气体供气提供至制氨工艺包括将压缩气体提供至次级重整器。
本发明还公开了一种氨合成系统，其包括：重整炉，其被构造为在蒸汽和燃烧气体存在的情况下转化天然气以形成合成气；制氨工艺，其被构造为将来自合成气的氢气与来自工艺空气进料的氮气反应以形成氨气；工艺压缩机，其被构造为将工艺空气进料提供至制氨工艺：燃气涡轮发动机，其被构造为驱动工艺压缩机并产生废气，其中该燃气涡轮发动机包括涡轮压缩机、燃烧器和动力涡轮机；和增压压缩机，其被构造为将压缩气体提供至燃气涡轮发动机的涡轮压缩机，其中燃气涡轮发动机的至少一部分废气被提供至重整炉以提供至少一部分燃烧气体。根据一些实施方式，增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至工艺压缩机。根据一些实施方式，增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至重整炉。根据一些实施方式，增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至工艺压缩机和重整炉。根据一些实施方式，增压压缩机由电动机提供动力。根据一些实施方式，增压压缩机由蒸汽涡轮机提供动力。根据一些实施方式，该系统还包括中冷器，该中冷器被构造为冷却由增压压缩机提供至燃气涡轮发动机的涡轮压缩机的压缩气体。
本发明还公开了一种提高制氨系统的能力的方法，其中制氨系统包括：重整炉，其被构造为在蒸汽存在的情况下转化天然气以形成合成气；氨反应器，其被构造为将来自合成气的氢气与来自压缩气体供气的氮气反应以形成氨气；工艺压缩机，其被构造为将压缩气体供气供至该系统；和燃气涡轮发动机，其被构造为驱动工艺压缩机并产生废气，其中燃气涡轮发动机包括涡轮压缩机、燃烧器和动力涡轮机，并且被构造为使得燃气涡轮发动机的至少一部分废气被提供至重整炉以提供至少一部分燃烧气体，并且其中该方法包括：使用增压压缩机，其被构造为将压缩气体提供至燃气涡轮发动机的涡轮压缩机。根据一些实施方式，增压压缩机将压缩气体提供至工艺压缩机。根据一些实施方式，增压压缩机将压缩气体提供至重整炉。根据一些实施方式，增压压缩机将压缩气体提供至工艺压缩机和重整炉。根据一些实施方式，增压压缩机由电动机提供动力。根据一些实施方式，增压压缩机由蒸汽涡轮机提供动力。根据一些实施方式，中冷器被构造为冷却由增压压缩机提供至燃气涡轮发动机的涡轮压缩机的压缩气体。
附图说明
图1A和图1B分别示出用于驱动发电机和工艺压缩机的燃气涡轮发动机的用途。
图2示出用于驱动工艺压缩机的具有燃气涡轮发动机的氨工艺设备。
图3示出能力提高的氨设备的实施例。
图4示出能力提高的氨设备的另一实施例。
图5示出能力提高的氨设备的另一实施例。
图6示出能力提高的氨设备的另一实施例。
具体实施方式
图2提供了示例工艺200(如图1B中示出的工艺)的更详细的说明。具体而言，图2示出了氨设备的各个方面，其中使用天然气作为原料来生产氨气。应当注意，实际的氨设备包括与本发明无关的各种其他的工艺步骤，因此不予讨论。
在示出的工艺200中，蒸汽和天然气(或其他合适的烃，如石脑油)在蒸汽重整炉202中反应，以产生合成气(一氧化碳(CO)和氢气(H2)的混合物)。燃料可以通过线路106提供至炉202。蒸汽重整炉202包含催化剂管104，蒸汽和烃在其中被加热以产生合成气。该合成气离开催化剂管，并且通过160被传递至次级重整器161。蒸汽和烃混合物(线路158)通常在进入重整炉催化剂管之前被预热，而且这里一个预热线圈以114示出，其位于重整炉202的对流部段108。以类似方式，用于次级重整器的工艺空气(线路159)通常在位于初级重整器的对流部段的一个或多个预热盘管中进行预热。图中示出了一个这种线圈112。在预热之后，工艺空气通过管道159被传递至次级重整器。蒸汽重整炉的流出物进入次级重整器161，在那里它与来自工艺压缩机210的工艺气体反应，以形成更多的合成气。所产生的合成气气流163在各种工艺过程中被处理，最终将氢气H2和氮气N2提供至氨转化器204。例如，合成气可在一氧化碳转化器206中反应，这将一氧化碳转化为二氧化碳(CO2)并提供更多的氢气H2。所产生的燃气气流也可由一个或多个二氧化碳CO2去除步骤和/或甲烷化步骤208处理，这些步骤从气流中去除二氧化碳CO2。步骤206和208与本发明并不特别相关，因此不作进一步讨论。
从合成气中获得的氢气H2，在氨转化器204中与压缩氮气(N2)反应，产生氨气(NH3)。该氨转化器包括催化剂、通常是铁基催化剂，但也可以可选地或另外地包括其他金属化合物、如钌化合物。工艺压缩机210提供用于氨反应的压缩氮气N2。工艺压缩机210通常是离心式压缩机，由燃气涡轮发动机212提供动力，这将在下文讨论。
燃气涡轮发动机212包括涡轮压缩机214、燃烧器216、高压涡轮机218、动力涡轮机220和轴222。如212的燃气涡轮发动机的例子在本领域是已知的，并且包括Frame 5燃气涡轮发动机，如MS5001/5002系列涡轮机(通用电气)、MS6001系列涡轮机(通用电气)等。应当理解，所公开的方法和系统不限于任何特定类型的燃气涡轮发动机。如上所述，来自燃气涡轮发动机212的动力被提供至工艺压缩机210。如还提到的，燃气涡轮发动机184的涡轮气被提供为用于重整炉202的燃烧气体。换句话说，涡轮机废气中残留的氧气被用作发生在重整炉中燃烧过程的供料。
为了提高氨气NH3的产量，期望提高工艺压缩机210的能力。如上文背景技术部分所述，在许多情况下，简单地提供更高效的燃气涡轮发动机并不是增加工艺压缩机能力的好解决方案，因为超高效的涡轮发动机缺乏为重整炉202提供足够燃烧气体的能力。换句话说，重整炉的负荷必须与驱动氨反应的工艺压缩机的能力相平衡。发明人已经发现，可以通过增设增压压缩机302提高工艺压缩机210的功率，如图3中示出的改进的制氨工艺300中所示。根据优选实施例，增压压缩机独立于燃气涡轮发动机212的轴222，因此可以以独立于燃气涡轮发动机的速度运行。例如，增压压缩机302可以由蒸汽涡轮机或电动机驱动。在使用蒸汽涡轮机的情况下，蒸汽涡轮机驱动器可以由工艺废弃蒸汽驱动。增压压缩机302可以是多级压缩机，例如两级或三级压缩机。
来自增压压缩机302的气体被供至燃气涡轮发动机212的涡轮压缩机214(线路303)。来自增压压缩机302的气体可以使用可选的中冷器304进行冷却，这取决于所需的增压量。从增压压缩机向涡轮压缩机214提供空气，使燃气涡轮发动机212卸荷，从而允许它以不同的速度运行以满足工艺压缩机210的需要。增压压缩机302也增大了经由燃气涡轮发动机212的质量流量。因此，增加了提供至重整炉202的涡轮机废气量。所以，增设增压压缩机302不仅提高了工艺压缩机210的能力，也提高了重整炉202的能力。
图4示出了制氨工艺400的可替代实施例，其中来自增压压缩机302的空气除了被供应至燃气涡轮发动机的涡轮压缩机外，还被供应至工艺压缩机210(由线路402示出)。因此，增压压缩机同时增压燃气涡轮压缩机和工艺压缩机。将空气从增压压缩机302供应至工艺压缩机210的吸气口，降低了工艺压缩机的功率要求，从而降低了燃气涡轮发动机212的动力要求。因此，可能用任何给定的燃气涡轮发动机满足更广泛的设备能力范围，因为增压压缩机增强了燃气涡轮发动机的性能。注意，在所示工艺400中，来自增压压缩机(线路402)的空气没有被冷却。然而，根据一些实施例，增压压缩机的空气可以在其被提供至工艺压缩机之前被冷却。例如，空气气流402可以在中冷器302的下游被获取。
图5示出了制氨工艺500的另一个替代实施例，其中来自增压压缩机302的压缩气体(线路502)除了被供应至涡轮压缩机外，还作为燃烧气体被供应至重整炉202。根据一些实施例，空气气流502可以在增压压缩机的中间级例如在第一级之后被获取。在燃气涡轮机废气不满足重整炉的情况下，使用增压压缩机302将燃烧气体供应至重整炉202，具有无需为重整炉安装助燃风机的优势。
图6示出了制氨工艺600的另一个实施例，其中增压压缩机302除了将空气供应至涡轮压缩机214外，还将空气提供至工艺压缩机210(线路402)和将燃烧气体提供至重整炉202(线路502)。图6示出的实施例基本上是图4和图5的实施例的组合
应当注意，虽然本文描述的实施例是在制氨工艺的背景下描述的，但使用增压压缩机来卸荷燃气涡轮发动机的概念可以在涡轮发动机用于为压缩机提供动力的其他工艺中实施。
尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，但应当理解，以上讨论并不旨在将本发明限制于这些实施例。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变和修改。因此，本发明旨在涵盖可能落入权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。
Claims (23)
1.一种化学工艺设备，其包括：
炉子，
工艺压缩机，
燃气涡轮发动机，其被构造为驱动所述工艺压缩机，其中所述燃气涡轮发动机产生废气，并且其中至少一部分废气作为燃烧气体被提供至所述炉子，和
增压压缩机，其被构造为将压缩气体供至燃气涡轮发动机的涡轮压缩机。
2.根据权利要求1所述的化学工艺设备，其中所述增压压缩机还被构造为将压缩气体供至所述工艺压缩机。
3.根据权利要求1或2所述的化学工艺设备，还包括中冷器，其被构造为冷却由所述增压压缩机供至所述燃气涡轮发动机的涡轮压缩机的压缩气体。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的化学工艺设备，其中所述增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至所述炉子。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的化学工艺设备，其中所述增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至所述工艺压缩机和所述重整炉两者。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的化学工艺设备，其中所述增压压缩机由电动机提供动力。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的化学工艺设备，其中所述增压压缩机由蒸汽涡轮机提供动力。
8.根据权利要求2所述的化学工艺设备，还包括中冷器，其被构造为冷却由所述增压压缩机提供至所述燃气涡轮发动机的涡轮压缩机和所述工艺压缩机的压缩气体。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的化学工艺设备，其中所述炉子是初级重整器的炉子，所述初级重整器被构造为在蒸汽存在的情况下转化烃以形成合成气。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的化学工艺设备，其中所述工艺压缩机被构造为将压缩气体供气供至制氨工艺。
11.根据权利要求10所述的化学工艺设备，其中将压缩气体供气提供至制氨工艺包括将压缩气体提供至次级重整器。
12.一种氨合成系统，包括：
重整器，其包括炉子，其中所述重整器被构造为在蒸汽存在的情况下转化天然气以形成合成气，
制氨工艺，其被构造为将来自所述合成气的氢气与来自工艺空气进料的氮气反应以形成氨气，
工艺压缩机，其被构造为将所述工艺空气进料提供至所述制氨工艺，
燃气涡轮发动机，其被构造为驱动所述工艺压缩机并且产生废气，其中所述燃气涡轮发动机包括涡轮压缩机、燃烧器和动力涡轮机，和
增压压缩机，其被构造为将压缩气体提供至所述燃气涡轮发动机的涡轮压缩机，其中
所述燃气涡轮发动机的至少一部分废气被提供至所述炉子以提供用于所述炉子的燃烧气体。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至所述工艺压缩机。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其中所述增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至所述炉子。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的系统，其中所述增压压缩机还被构造为将压缩气体提供至所述工艺压缩机和所述炉子。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的系统，其中所述增压压缩机由电动机提供动力。
17.根据权利要求12-15中任一项所述的系统，其中所述增压压缩机由蒸汽涡轮机提供动力。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的系统，还包括中冷器，其被构造为冷却由所述增压压缩机提供至所述燃气涡轮发动机的涡轮压缩机的压缩气体。
19.一种提高制氨系统的能力的方法，其中所述制氨系统包括：
重整器，其包括炉子，其中所述重整器被构造为在蒸汽存在的情况下转化天然气以形成合成气，
氨反应器，其被构造为将来自所述合成气的氢气与来自压缩气体供气的氮气反应以形成氨气，
工艺压缩机，其被构造为将压缩气体供气供至所述氨反应器，和
燃气涡轮发动机，其被构造为驱动所述工艺压缩机并且产生废气，其中所述燃气涡轮发动机包括涡轮压缩机、燃烧器和动力涡轮机，并且被构造为使得所述燃气涡轮发动机的一部分废气被提供至所述炉子以提供用于所述炉子的燃烧气体，所述方法包括：
使用增压压缩机，其被构造为将压缩气体提供至所述燃气涡轮发动机的涡轮压缩机。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括使用所述增压压缩机以将压缩气体供至所述工艺压缩机和所述炉子中的一者或多者。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中所述增压压缩机由电动机提供动力。
22.根据权利要求19或20所述的方法，其中所述增压压缩机由蒸汽涡轮机提供动力。
23.根据权利要求19-22中任一项所述的方法，还包括中冷器，其被构造为冷却由所述增压压缩机提供至所述燃气涡轮发动机的涡轮增压机的压缩气体。
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