CN1201896A - 空气低温分离装置/气体透平联合系统的控制方法和设备 - Google Patents

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Abstract

不管环境温度变化,保持最高功率输出的空气低温分离装置(ASU)/气体透平系统联合设备的控制方法。调节从补加空气源和透平压缩机流到ASU的空气比,补偿环境空气温度的变化和在产品能够生产的水平下保持空气流到ASU,控制燃料物流以保持燃烧器在最高的操作温度下的气体输出和使加到燃烧器的废N2与燃料的流比基本上不变。

Description

空气低温分离装置/气体透平联合 系统的控制方法和设备
本发明涉及使气体透平和所采用的空气低温分离装置(ASU)在一宽的环境空气温度范围内维持在其最高输出操作下的控制方法和设备，更具体地说，涉及在一宽的环境空气温度范围内，调节补加空气源，保持流到ASU所要求的空气量的控制方法。
用于能量产生的联合的气化组合循环系统是大大地增加了投资的，并要求最大的电能输出，以与能量输出的其它方法竞争。与非联合的系统相比较而言，ASU与气体透平系统联合显示出了增加费用和改进性能的潜在结果。
空气分离与气化组合循环系统的完全联合，通常包括从气体透平的空气压缩机为ASU提取原料空气、排除ASU对独立的空气压缩机的需要。部分联合通常包括使用补加空气压缩机为ASU提供所需的部分空气。
在气化系统所需要的O2和N2通过ASU从空气中已经分离后，使用返回N2的压缩机把废N2返回到气体透平以保持输出。废N2一般是在进入燃烧器之前与加入的燃料混合。然后在燃烧器中空气与N2/燃料混合物混合。来自燃烧器的热气体产品为部分气体透平的透平膨胀机提供原料物流。废N2原料对燃烧器内发生的氧化反应提供骤冷的作用，这有助于燃烧器内的温度保持在可接受的温限内，以便控制NOx的产生。
已知入口空气原料的温度(即环境空气温度)的变化可引起ASU/气体透平联合系统的输出的实质性改变。更具体地讲，气体透平的输出是与气体透平的空气入口温度直接有关，通常在冬季的冷空气温度能够提供更大质量的空气原料。反之例如在夏季，入口空气温度升高时，由于被压缩的空气质量显著地少，使系统的能量输出就降低。
为保持ASU/气体透平联合系统的输出，现有技术已经建议了各种各样的方法。Olszewski等的名称为“生产低纯O2的低温系统”的美国专利4224045号，描述了通过液化空气的分馏生产低纯O2的低温系统。来自ASU的废N2物流经压缩后，作为一部分气流加到透平膨胀机，能够提高能量的输出。Chrёtien等名称为“气体透平组的操作方法和至少一种空气产品的生产”的美国专利5386686号，公开了一种ASU/气体透平联合系统。Chrёtien等主张在气体透平最大输出时控制它的最好方法，是以低于环境温度的零流量到高于环境温度的最大流量这种方式操作N2返回压缩机。在这些条件下，燃料-N2混合物在燃烧器入口处的燃烧比热可以5-1这样高的因子改变。因此这种控制方法进行燃烧器设计和操作难以实现，这是由于这里的燃烧条件可能有很大的变化的缘故。
所以，本发明的目的是提供用于ASU/气体透平联合系统控制的改进方法，其中操作参数保持在系统的输出能够最佳的范围内，不受环境温度变化的影响。
空气分离装置(ASU)/气体透平联合系统的控制方法，可维持最高的能量输出，而与环境温度的变化无关。气体透平系统包括接收空气原料物流的透平压缩机、燃烧器和接收来自燃烧器的气体输出的透平膨胀机。ASU接收来自透平压缩机和补加空气源两方面的空气原料物流，并提供产品物流和废N2物流。该方法包括：(i)调节从补加空气源和透平压缩机流到ASU的空气比，补偿环境空气温度的改变和在产品能够生产的水平下保持空气流到ASU；(ii)向燃烧器提供燃料物流；(iii)把废N2物流的原料提供给燃烧器，和(iv)在保持废N2原料与燃料原料的比基本不变的情况下，控制燃料物流，以保持来自燃烧器的在最高温度的气体输出，与保持来自气体透平系统的最高能量输出相一致。
图1是引入本发明的ASU/气体透平联合系统的示意图。
图2是图1系统中采用的燃烧器的一个方案的示意图。
图1示出了ASU/气体透平部分联合系统。该系统包括气体透平组件10和ASU12。气体透平组件10包括一透平压缩机14，把环境温度的原料空气流15加入气体透平压缩机14。透平压缩机14经轴16连接到透平膨胀机18，透平膨胀器机18又经另一轴20连接发电机22。
来自透平压缩机14的压缩空气经流动部件24和26加到燃烧器28。流动部件24还将部分压缩空气经流动部件30和控制阀32进一步转移到ASU12。ASU12的补加空气源是从透平压缩机34，经流动部件36提供的。来自压缩机34的补加空气流量由它的导流叶片、流速控制部件，通过循环控制阀、或通过这些操作的组合来决定。组合转移和补加的空气流作为一混合的空气原料提供给ASU12。
ASU12的产品输出是O2、Ar和N2的一种或几种。ASU12内的组成装置，例如一个或几个低温精馏塔，都是本领域内的技术人员众所周知的，由于它们与本发明无关，因此将不作进一步描述。ASU12经流动部件38和阀40向排放装置42提供废N2物流。废物流主要包括N2(约98％)和少量的O2(约2％)。ASU12的一部分废N2物流经流动部件44加到压缩48。压缩机48压缩废N2物流，并经流动部件50，通过控制阀51把它供给燃烧器28。
燃料源52经控制阀54和流动部件56向流动部件50提供燃料物流，在此与压缩的废N2物流合并后，进入燃烧器28。燃料可以为任何流体燃料，其实例包括甲烷，天然气和煤气化的产品。燃烧的空气物流26a与燃料原料和燃烧器28中的废N2合并，并保证燃烧器28的加料端处的足量的氧提供适当的操作。空气经燃烧器28内的喷咀(多个)与燃料/N2混合物混合，空气流量由通过喷咀(多个)的压差来控制。
燃烧器28的热空气产品经流动部件62输送到透平膨胀机18使它旋转，驱动气体透平10和发电机22。
简单地参看图2，示意图示出了燃烧器28的环型结构。来自透平压缩机14的压缩空气经流动部件26后进入燃烧器28的环状空间。在此压缩空气物流被分成多股物流，经孔72作为冷空气进入燃烧室74。燃料/废N2混合物在其相对端经流动部件50进入燃烧室28与通过喷咀76进入的空气物流26a混合后，喷入室74的最初的燃烧区。在流动部件50内N2物流提供气体质量流量和用作温度控制的稀释剂这两个目的。
为保持气体透平10的最大输出，在流动部件62中的热气流的流量必须保持最高允许的温度和流量。气体透平的最高净输出通常由机械制约因素例如轴的转矩的限量来调整。在流动部件62的热气流的最大透平入口温度处达到了最大效率。透平入口温度受限于制造材料和透平膨胀机18的冷却技术。
在空气原料的低环境温度时，透平压缩机14比保持气体透平10在其最高输出需要更多的容量。所以，有过量的容量被ASU12使用。但是，当空气的环境温度升高时，透平压缩机14单位时间内压缩的空气质量减少，在一些温度下，在向ASU12提供充足的空气流量时，可用于保持气体透平10在其最大输出的气体质量不足。质量流量的不足通过来自压缩机34的补加空气流来补充。
图1描述的阀门和其它部件的必须的控制功能来自控制器80，控制器80操作控制各种气体物流的一种或几种，以达到必须的质量流量。控制器80在图1系统中的各种流动状态下操作，以使该系统操作在其最大输出水平下(例如按下表1给出的参数值)。这就是说控制器80用作(1)操作阀32以控制物流30，(2)控制导流叶片速度控制部件和/或压缩机34的循环控制阀以控制物流36，(3)操作阀门40和/或阀51以控制废N2物流50，和/或(4)操作阀54以控制燃料物流56。任何适宜的控制器都可用来实现本发明实施中所要求的控制功能。
表1列出了三种入口空气温度情况(即20°F，59°F和95°F)；和保持来自透平膨胀器18恒定净透平输出所要求的参数。
                  表1
                               环境温度
                         20F      59F      95F空气原料物流15，仟磅/小时    3,684    3,435    3,155转移空气物流30，仟磅/小时    737      464      263补加空气物流36，仟磅/小时    0        249      422添加的N2物流44，仟磅/小时   534      517      497燃料物流56，仟磅/小时        364      353      338流比，N2与燃料              1.47     1.47     1.47汽轮机净输出，MW             190      190      190
表1概括了通过图1系统的不同的部分的流量的实例，必须保持透平膨胀机18的恒定最大输出的流量与环境温度的函数关系。在这个实例中，燃料的流量是环境温度和物流62可允许温度的函数，而且燃料与废N2的比保持恒定不变。应当指出，由于控制系统的变化和在系统改变过程中变换条件，N2与燃料的比可稍微变化。N2与燃料比一般将基本上不变，即在±20％内，通常为±5％。稳态操作将保持N2与燃料的比基本不变。N2与燃料的比一般为1.22-1.77，优选为1.40-1.55。
来自压缩机34的补加空气原料的调节使ASU12在为气化系统提供所需氧的条件下操作，而不降低气体透平系统的能量。通过在给定的变化环境温度条件下，保持输入燃烧器28的N2与燃料的恒定的比率，将最高温度的气体以恒定流量输出供给透平膨胀机18，其结果是向发电机22输出最大功率。
应当理解，上述的描述仅是本发明的说明。本领域内的技术人员在不离开本发明的情况下，可以做出各种各样的修改和改进。因此，本发明打算包含这些修改，改进和改变，它们都落入附属的权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种低温空气分离装置(ASU)/气体透平联合系统的控制方法，所述的气体透平系统包括接收空气原料物流的透平压缩机，燃烧器和接收来自燃烧器的气体输出的透平膨胀机，所述的ASU接收上述的透平压缩机的空气原料物流和补加的空气源物流，以及提供产品物流和废N2物流，所述的方法包括步骤：
(a)调节从上述的补加空气源和上述透平压缩机流到ASU的空气比，以补偿空气环境温度的改变和使流向上述ASU的空气流保持在使上述产品能够生产的水平下。
(b)向上述燃烧器提供燃料物流的第一原料；
(c)向上述燃烧器提供废N2物流的第二原料；和
(d)在使上述第二原料和第一原料的比保持基本不变的情况下，控制上述燃料物流的第一原料，以保持从上述燃烧器在最高温度下的气体输出，与从上述气体透平系统保持最大功率输出相一致。
2.按权利要求1的方法，其中上述第二原料与第一原料的比通过调节上述第二原料保持不变。
3.按权利要求1的方法，其中步骤(d)通过考虑加到上述透平压缩机的空气环境温度来控制上述燃料物流的第一原料。
4.按权利要求1的方法，其中步骤(c)包括压缩上述废N2物流的子步骤。
5.一种在空气原料环境温度改变的条件下，使气体透平机提供最大能量输出的空气低温分离装置(ASU)/气体透平联合系统的控制系统，所述系统包括：
气体透平部件，包括接收空气原料的透平压缩机，燃烧器和连接接
收来自燃烧器的气体产品的透平膨胀机；
把燃料物流加到上述燃烧器的燃料源；
补加空气源；
连接接收来自上述透平压缩机和上述补加空气源的空气原料物流，
向上述燃烧器提供废N2物流的ASU；
控制部件用于：
(i)调节从上述的补加空气源和上述透平压缩机流到上述ASU的空
气流之比，以补偿环境空气温度的变化，以使流向ASU的混合空气
流保持在上述产品能够生产的水平下。
(ii)在使上述废N2物流与上述燃料物流之比保持不变的条件下，控
制上述燃料物流，保持上述燃烧器在最高温度下的气体输出与上述
气体透平保持最大的功率输出相一致。
6.按权利要求5的系统，其中控制部件通过调节上述废N2物流保持上述废N2物流与上述燃料的比不变。
7.按权利要求5的系统，其中控制部件通过考虑进入上述透平压缩机的空气原料的环境温度控制燃料物流。
8.按权利要求5的系统，进一步包括：
在上述的废N2物流加到上述燃烧器前，压缩上述废N2物流的压缩部件。
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