EA027439B1

EA027439B1 - Интегрированные системы для производства электроэнергии (варианты) и способ производства электроэнергии

Info

Publication number: EA027439B1
Application number: EA201390053A
Authority: EA
Inventors: Расселл Х. Элфке; Моузес Минта
Original assignee: Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2017-07-31
Also published as: CA2801476C; AU2011271632B2; TWI564473B; SG186083A1; WO2012003076A1; EP2588732B1; AR081304A1; CA2801476A1; CN103026031A; MY167118A; CN103026031B; EA201390053A1; US20130104562A1; EP2588732A4; SG10201505211UA; JP5913304B2; AU2011271632A1; JP2013535604A; MX2012014222A; MX340083B

Abstract

Представлены способы и системы для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов в процессах восстановления углеводородов. Одна из систем включает в себя газотурбинную систему, приспособленную для сжигания топлива и окислителя при наличии сжатого рециркулирующего потока для предоставления механической энергии и газообразного выхлопа. Сжатый рециркулирующий поток действует для сдерживания температуры процесса горения. Вспомогательный компрессор может увеличить давление газообразного выхлопа перед тем, как он сожмется в сжатый рециркулирующий поток. Поток продувки может быть выпущен из сжатого рециркулирующего потока и направлен в сепаратор CO, который выпускает COи обогащенный азотом газ, который может быть расширен в газовом расширителе для создания дополнительной механической энергии.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты осуществления изобретения относятся к производству электроэнергии с низким уровнем выбросов в энергетических системах комбинированного цикла. В частности, варианты осуществления изобретения относятся к способам и устройствам для сжигания топлива для улучшения производства и захвата СО₂.

Уровень техники

Данный раздел предназначен для представления различных аспектов уровня техники, которые могут быть связаны с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения. Предполагается, что данное обсуждение поможет в предоставлении основы для лучшего понимания конкретных аспектов настоящего изобретения. Соответственно, должно быть понятно, что данный раздел должен быть прочитан в этом свете и не обязательно в качестве допущений предшествующего уровня техники.

Многие нефтедобывающие страны испытывают сильный внутренний рост спроса электроэнергии и имеют интерес в добыче нефти вторичным методом (БОК) для улучшения нефтеотдачи из их резервуаров. Два наиболее распространенных способа ЕОК заключаются во впрыскивании азота (Ν₂) для управления давлением резервуара и впрыскивании двуокиси углерода (СО₂) для нагнетания в пласт смешивающихся с нефтью жидкостей для ЕОК. Существует также мировая проблема, касающаяся выброса парниковых газов (ОНО). Эта проблема в сочетании с исполнением политик ограничения и торговли выбросами во многих странах делает уменьшение выбросов СО2 приоритетом для этих и других стран, а также компаний, которые работают там с системами добычи углеводородов.

Некоторые подходы к уменьшению выбросов СО₂ включают в себя декарбонизацию топлива или захват после сгорания с использованием растворителей, таких как амины. Однако оба этих решения являются дорогими и уменьшают эффективность производства электроэнергии, приводя к меньшему производству электроэнергии, увеличенной потребности в топливе и увеличенной стоимости электричества для удовлетворения внутреннего спроса на электроэнергию. В частности, наличие кислорода, компонентов §Ох (сернокислые окислы) и NОx (окислы азота) делают использование впитывания аминного растворителя очень проблематичным. Другой подход представляет собой кислородно-топливную газовую турбину в комбинированном цикле (например, когда тепло выхлопных газов из газотурбинного цикла Брайтона захватывается для изготовления пара и генерирования дополнительной электроэнергии в цикле Ранкина). Однако не существует коммерчески доступных газовых турбин, которые могут работать в таком цикле, и мощность, необходимая для производства кислорода высокой чистоты, значительно снижает общую эффективность процесса. Несколько исследований сравнили эти процессы и показывают некоторые из преимуществ каждого подхода. См., например, НОЕЬАЫО, ОЬАУ и υΝΏΚυΜ, ΗΕΝΚΙΕΤΤΕ, Удаление СО₂ из Газотурбинных Силовых Установок: Оценка способов пред- и пост-горения, Группа 8ΙΝΤΕΡ, по адресу Ы1р://тетете.епег§у.8ш1е£.по/риЫ/хегд1/98/373аг1-8-епде18к.Ыт (1998).

Другие подходы к уменьшению выбросов СО₂ аключаются в стехиометрической рециркуляции выхлопных газов, например, комбинированные циклы со сжиганием природного газа (кССС). В традиционных системах NОСС только около 40% объема подаваемого воздуха требуется для обеспечения соответствующего стехиометрического горения топлива, тогда как оставшиеся 60% объема воздуха служат для сдерживания температуры и охлаждения выхлопного газа, для того чтобы он подходил для введения в последующий расширитель, но также неблагоприятным образом производят излишний кислородный побочный продукт, который трудно удалить. Типичный ΝΟίΥ производит выхлопной газ низкого давления, который требует части произведенной мощности для извлечения СО₂ для секвестрации или ЕОК, тем самым уменьшая тепловую эффективность NОСС. Кроме того, оборудование для СО₂ является большим и дорогим, и требуется несколько стадий сжатия для того, чтобы довести газ под давлением окружающей среды до давления, требуемого для ЕОК или секвестрации. Такие ограничения типичны для захвата углерода после горения из выхлопного газа низкого давления, связанного с горением других ископаемых видов топлива, таких как уголь.

Подразумевается, что предшествующее обсуждение потребности в уровне техники является больше

- 1 027439 репрезентативным, чем исчерпывающим. Технология, исследующая одну или более такую потребность или некоторые другие связанные недостатки в сфере, принесла бы пользу в производстве электроэнергии в энергетических системах комбинированного цикла.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предоставляет системы и способы для горения топлива, производства электроэнергии, обработки генерируемых углеводородов и/или произведенных инертных газов.

Системы могут быть реализованы в различных обстоятельствах, и продукты системы могут найти различные применения. Например, системы и способы могут быть приспособлены для генерирования потока двуокиси углерода и потока азота, каждый из которых может иметь множество возможных применений в операциях производства углеводородов. Подобным образом входное топливо может поступать из различных источников. Например, топливо может быть любым традиционным потоком топлива или может быть генерируемым потоком углеводородов, таким как поток, содержащий метан и более тяжелые углеводороды.

Одна из примерных систем в рамках настоящего изобретения включает в себя как газотурбинную систему, так и систему рециркуляции выхлопных газов. Газотурбинная система может включать в себя первый компрессор, выполненный с возможностью приема и сжатия потока охлажденного рециркулирующего газа в сжатый рециркулирующий поток. Газотурбинная система может дополнительно включать в себя второй компрессор, выполненный с возможностью приема и сжатия подаваемого окислителя в сжатый окислитель. Еще кроме того, газотурбинная система может включать в себя камеру сгорания, выполненную с возможностью приема сжатого рециркулирующего потока и сжатого окислителя и сжигания потока топлива, при этом сжатый рециркулирующий поток служит в качестве разбавителя для сдерживания температур горения. Газотурбинная система дополнительно включает в себя расширитель, соединенный с первым компрессором и выполненный с возможностью приема выпуска из камеры сгорания для генерирования газообразного выхлопного потока и, по меньшей мере, частичного приведения в действие первого компрессора. Газовая турбина может быть дополнительно приспособлена для генерирования резервной мощности для использования в других системах. Примерная система дополнительно включает в себя систему рециркуляции выхлопных газов, содержащую теплоутилизационный парогенератор и вспомогательный компрессор. Теплоутилизационный парогенератор может быть выполнен с возможностью приема газообразного выхлопного потока из расширителя и генерирования пара и охлажденного выхлопного потока. Охлажденный выхлопной поток может быть повторно использован в газотурбинной системе, становясь потоком охлажденного рециркулирующего газа. По пути к газотурбинной системе поток охлажденного рециркулирующего газа может проходить через вспомогательный компрессор, выполненный с возможностью приема и увеличения давления потока охлажденного рециркулирующего газа перед впрыскиванием в первый компрессор.

Краткое описание чертежей

Предшествующие и другие преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными при рассмотрении последующего подробного описания и чертежей неограничивающих примеров вариантов осуществления, на которых фиг. 1 изображает интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и повышенным извлечением СО₂ согласно одному или более вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и повышенным извлечением СО2 согласно одному или более вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3 изображает другую интегрированную систему для производства электроэнергии с низким уровнем выбросов и повышенным извлечением СО2 согласно одному или более вариантов осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

В последующем разделе подробного описания описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения в связи с предпочтительными вариантами осуществления. Однако поскольку последующее описание является специфичным для конкретного варианта осуществления или конкретного использования настоящего изобретения, оно предназначено только для примерных целей и просто предоставляет описание примерных вариантов осуществления. Соответственно, изобретение не ограничено специфическими вариантами осуществления, описанными ниже, но скорее включает в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты, подпадающие под истинную сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.

Различные термины, используемые в материалах настоящей заявки, определены ниже. В тех случаях, когда используемый в формуле изобретения термин не определен ниже, должно быть дано самое широкое определение, которое дали люди в области техники этому термину, как отражено, по меньшей мере, в одной печатной публикации или выданном патенте.

Как используется в материалах настоящей заявки, термин природный газ относится к многокомпонентному газу, полученному из буровой скважины сырой нефти (попутный газ) или из подземной га- 2 027439 зоносной формации (непопутный газ). Состав и давление природного газа может значительно колебаться. Типичный поток природного газа содержит метан (СН₄) в качестве основного компонента, т.е., больше чем 50 мол.% потока природного газа представляет собой метан. Поток природного газа может также содержать этан (С₂Н₆), углеводороды с более высоким молекулярным весом (например, углеводороды С₃-С₂₀), один или более кислый газ (например, сероводород, двуокись углерода) или любую их комбинацию. Природный газ может также содержать небольшие количества загрязняющих веществ, таких как вода, азот, сульфид железа, воск, сырая нефть или любую их комбинацию.

Как используется в материалах настоящей заявки, термин стехиометрическое горение относится к реакции горения, имеющей объем реагентов, содержащих топливо и окислитель, и объем продуктов, образованных сгоранием реагентов, при этом общий объем реагентов используется для образования продуктов. Как используется в материалах настоящей заявки, термин по существу стехиометрическое горение относится к реакции горения, имеющей молярное отношение топлива горения к кислороду, колеблющееся в пределах плюс или минус 10% от кислорода, требуемого для стехиометрического отношения или, более предпочтительно плюс или минус 5% от кислорода, требуемого для стехиометрического отношения. Например, стехиометрическое отношение топлива к кислороду для метана равно 1:2 (СН₄+2О₂>СО₂+2Н₂О). Пропан будет иметь стехиометрическое отношение топлива к кислороду, равное 1:5. Другой способ измерения, по существу, стехиометрического горения заключается в измерении отношения подаваемого кислорода к кислороду, требуемому для стехиометрического горения, такого как от около 0,9:1 до около 1,1:1 или более предпочтительно от около 0,95:1 до около 1,05:1.

Как используется в материалах настоящей заявки, термин поток относится к объему текучих сред, хотя использование термина поток типично означает движущийся объем текучих сред (например, имеющих скорость или массовый расход). Термин поток, однако, не требует скорости, массового расхода или определенного типа трубопровода для включения в себя потока.

Варианты осуществления раскрываемых в настоящее время систем и процессов могут использоваться для производства электроэнергии с ультранизким уровнем выбросов и СО2 для добычи нефти вторичным методом (БОК) или применений секвестрации. Согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки, смесь воздуха и топлива может быть стехиометрически или, по существу, стехиометрически сгорать и смешиваться с потоком рециркулирующих выхлопных газов. В некоторых реализациях камера сгорания может управляться в попытке получить стехиометрическое горение с некоторыми отклонениями в каждую из сторон стехиометрического горения. Дополнительно или альтернативно камера сгорания и газотурбинная система могут быть приспособлены с предпочтением к тому, чтобы стехиометрическое горение отступало или отклонялось в сторону лишения системы кислорода, а не подачи избыточного кислорода. Поток рециркулирующих выхлопных газов, как правило включающий в себя продукты горения, такие как СО2, может использоваться как разбавитель для управления или иным путем сдерживания температуры камеры сгорания и/или температуры выхлопного газа, поступающего в последующий расширитель.

Горение в условиях, близких к стехиометрическим (или слегка обогащенное горение) может оказаться выгодным для исключения затрат на удаление избыточного кислорода. Посредством охлаждения выхлопного газа и конденсации воды из потока может быть сгенерирован поток с относительно высоким содержанием СО₂. Тогда как часть рециркулирующего выхлопного газа может использоваться для сдерживания температуры в закрытом цикле Брайтона, оставшийся поток продувки может использоваться для применений ЕОК, а электроэнергия может быть произведена с небольшим или нулевым количеством 8Ох, ΝΟχ или СО₂, выбрасываемым в атмосферу.

Как показано на фигурах, фиг. 1 изображает схему иллюстративной интегрированной системы 100 для производства электроэнергии и извлечения СО2 с использованием установки комбинированного цикла согласно одному или более вариантов осуществления. По меньшей мере, в одном варианте осуществления система 100 производства электроэнергии может включать в себя газотурбинную систему 102, отличающуюся производящим электроэнергию, закрытым циклом Брайтона. Газотурбинная система 102 может иметь первый или основной компрессор 104, соединенный с расширителем 106 через вал 108. Вал 108 может быть любым механическим, электрическим или другим силовым сцеплением, тем самым позволяя части механической энергии, генерируемой расширителем 106, приводить в действие компрессор 104. По меньшей мере, в одном варианте осуществления газотурбинная система 102 может быть стандартной газовой турбиной, где основной компрессор 104 и расширитель 106 образуют окончания компрессора и расширителя соответственно. В других вариантах осуществления, однако, основной компрессор 104 и расширитель 106 могут быть отдельными компонентами в системе 102.

Газотурбинная система 102 может также включать в себя камеру 110 сгорания, выполненную с возможностью сгорания топлива в линии 112, смешанного со сжатым окислителем в линии 114. В одном или более вариантах осуществления топливо в линии 112 может включать в себя любой подходящий углеводородный газ или жидкость, такие как природный газ, метан, этан, лигроин, бутан, пропан, синтетический газ, дизельное топливо, керосин, авиационное топливо, угольное вторичное топливо, биотопливо, насыщенное кислородом углеводородное сырье или их комбинации. Сжатый окислитель в линии 114 может быть получен из второго или впускного компрессора 118, соединенного по текучей среде с

- 3 027439 камерой 110 сгорания и приспособленного для сжатия подаваемого окислителя 120. В одном или более вариантах осуществления подаваемый окислитель 120 может включать в себя любой подходящий газ, содержащий кислород, такой как воздух, насыщенный кислородом воздух, обедненный кислородом воздух, чистый кислород или их комбинации.

Как будет описано более подробно ниже, камера 110 сгорания может также получать сжатый рециркулирующий поток 114, включающий в себя выхлопной газ, содержащий преимущественно СО₂ и азотные компоненты. Сжатый рециркулирующий поток 144 может быть получен из основного компрессора 104 и приспособлен для того, чтобы способствовать стехиометрическому или по существу стехиометрическому горению сжатого окислителя в линии 114 и топлива в линии 112 и также увеличить концентрацию СО₂ в выхлопном газе. Выходящий поток 116, направленный на впуск расширителя 106, может быть сгенерирован как продукт горения топлива в линии 112 и сжатого окислителя 114 при наличии сжатого рециркулирующего потока 144. По меньшей мере, в одном варианте осуществления топливо в линии 112 может быть преимущественно природным газом, тем самым генерируя выпуск 116, включающий в себя объемные части испаренной воды, СО₂, азота, оксидов азота (ΝΟχ) и оксидов серы (§Ох). В некоторых вариантах осуществления малая часть несгоревшего топлива или других составляющих может также присутствовать в выпуске 116 вследствие ограничений равновесия горения. По мере того как выходящий поток 116 расширяется в расширителе 106, он генерирует механическую энергию для приведения в действие основного компрессора 104, электрического генератора или других устройств, и также производит газообразный выхлопной поток 122, имеющий повышенное содержание СО₂, являющееся результатом притока сжатого рециркулирующего газа в линии 144. Механическая энергия, генерируемая расширителем 106, может дополнительно или альтернативно использоваться в других целях, таких как предоставление электричества в местную сеть или приведение в действие других систем в устройстве или работе.

Система 100 производства электроэнергии может также включать в себя систему 124 рециркуляции выхлопных газов (ИСК). В одном или более вариантах осуществления система 124 БОК. может включать в себя теплоутилизационный парогенератор (НК8С) 126 или подобное устройство, соединенное по текучей среде с паровой газовой турбиной 128. По меньшей мере, в одном варианте осуществления комбинация НК8С 126 и паровая газовая турбина 128 могут быть охарактеризованы как закрытый цикл Ранкина. В сочетании с газотурбинной системой 102, НК8С 126 и паровая газовая турбина 128 могут формировать часть энергетической установки комбинированного цикла, такой как установка комбинированного цикла со сжиганием природного газа (ΝΟί','ί'.'). Газообразный выхлопной поток 122 может быть отправлен в НК8С 126 для того, чтобы генерировать поток пара в линии 130 и охлажденный выхлопной газ в линии 132. В одном из вариантов осуществления пар в линии 130 может быть отправлен в паровую газовую турбину 128 для генерирования дополнительной электрической энергии.

Охлажденный выхлопной газ в линии 132 может быть отправлен, по меньшей мере, в один охлаждающий блок 134, выполненный с возможностью уменьшения температуры охлажденного выхлопного газа в линии 132 и генерирования потока 140 охлажденного рециркулирующего газа. В одном или более вариантах осуществления охлаждающий блок 134 может быть охладителем прямого контакта, концевым охладителем, блоком механического охлаждения или их комбинацией. Охлаждающий блок 134 также может быть выполнен с возможностью удаления части сконденсированной воды через поток 138 удаления воды, который может, по меньшей мере, в одном варианте осуществления, быть направлен в НК8С 126 через линию 141 для предоставления источника воды для генерирования дополнительного пара в линии 130. В одном или более вариантах осуществления поток 140 охлажденного рециркулирующего газа может быть направлен во вспомогательный компрессор 142, соединенный по текучей среде с охлаждающим блоком 134. Охлаждение охлажденного выхлопного газа в линии 132 в охлаждающем блоке 134 может уменьшить энергию, необходимую для сжатия потока 140 охлажденного рециркулирующего газа во вспомогательном компрессоре 142.

Вспомогательный компрессор может быть выполнен с возможностью увеличения давления потока 140 охлажденного рециркулирующего газа до того, как он будет введен в основной компрессор 104. В отличие от традиционного вентилятора или системы вентиляции, вспомогательный компрессор 142 увеличивает общую плотность потока 140 охлажденного рециркулирующего газа, тем самым направляя увеличенный массовый расход для того же объемного потока к основному компрессору 104. Из-за того что основной компрессор 104 типично ограничен в объемном расходе, направление большего массового расхода через основной компрессор 104 может привести к более высокому выходному давлению из основного компрессора 104, тем самым обуславливая более высокий коэффициент давления в расширителе 106. Более высокий коэффициент давления, создаваемый в расширителе 106, может позволить более высокие входные температуры и, следовательно, увеличение мощности и эффективности расширителя 106. Это может оказаться выгодным, поскольку обогащенный СО₂ выпуск 116 обычно поддерживает более высокую удельную теплоемкость.

Основной компрессор 104 может быть выполнен с возможностью сжатия потока 140 охлажденного рециркулирующего газа, полученного из вспомогательного компрессора 142 до давления, номинально большего, чем давление камеры 110 сгорания, тем самым генерируя сжатый рециркулирующий поток

- 4 027439

144. По меньшей мере в одном варианте осуществления поток 146 продувки может быть отведен из сжатого рециркулирующего потока 144 и затем обработан в сепараторе 148 СО₂ для захвата СО₂ при повышенном давлении через линию 150. Отделенный СО₂ в линии 150 может использоваться для продажи, может использоваться в другом процессе, требующем двуокись углерода, и/или может быть сжат и впрыснут в подземный резервуар для добычи нефти вторичным методом (БОК), секвестрации или другой цели.

Остаточный поток 151, по существу, обедненный СО₂ и состоящий преимущественно из азота, может быть получен из сепаратора 148 СО₂. В некоторых реализациях обогащенный азотом остаточный поток 151 может быть выпущен наружу и/или использоваться непосредственно в одной или более операциях. В одном или более вариантах осуществления остаточный поток 151, который может быть под давлением, может быть расширен в газовом расширителе 152, таком как генерирующий энергию азотный расширитель, соединенный по текучей среде с сепаратором 148 СО₂. Как проиллюстрировано на фиг. 13, газовый расширитель 152 может быть опционально соединен с впускным компрессором 118 через общий вал 154 или другое механическое, электрическое или другое силовое сцепление, тем самым позволяя части мощности, генерируемой газовым расширителем 152, приводить в действие впускной компрессор 118. После расширения в газовом расширителе 152 выхлопной газ в линии 156, состоящий преимущественно из азота, может быть выпущен наружу в атмосферу или реализован в других применениях, известных в области техники. Например, поток расширенного азота может использоваться в процессе испарительного охлаждения, выполняемого с возможностью дополнительно уменьшить температуру выхлопного газа, как в целом описано в одновременно поданной заявке на патент США, озаглавленной Стехиометрическое горение с рециркуляцией выхлопных газов и охладителем прямого контакта, содержание которой включено в материалы настоящей заявки посредством ссылки в пределах, не противоречащих настоящему изобретению. По меньшей мере в одном варианте осуществления сочетание газового расширителя 152, впускного компрессора 118 и сепаратора СО2 может быть охарактеризовано как открытый цикл Брайтона, или третий генерирующий энергию компонент системы 100.

В других вариантах осуществления, однако, газовый расширитель 152 может использоваться для обеспечения энергией других применений, и не связанных непосредственно со стехиометрическим компрессором 118. Например, может быть существенное несоответствие между энергией, генерируемой расширителем 152, и требованиями компрессора 118. В таких случаях расширитель 152 мог бы быть приспособлен для приведения в действие меньшего компрессора (не показан), который требует меньше энергии. В других вариантах осуществления газовый расширитель 152 может быть заменен расположенным ниже по потоку компрессором (не показан), выполненным с возможностью сжатия остаточного потока 151 и генерирования сжатого выхлопного газа, подходящего для впрыскивания в резервуар для поддержания давления или применений ЕОК.

Система 124 ЕОК, как описано в материалах настоящей заявки, особенно вместе с добавлением вспомогательного компрессора 142, может быть реализована для достижения более высокой концентрации СО2 в выхлопном газе системы 100 производства электроэнергии, тем самым предусматривая более эффективное отделение СО₂ для последующей секвестрации, поддержания давления или применений ЕОК. Например, варианты осуществления, раскрытые в материалах настоящей заявки, могут эффективно увеличить концентрацию СО₂ в потоке выхлопного газа до 10 об.% или выше. Для достижения этого камера 110 сгорания может быть приспособлена для стехиометрического горения поступающей смеси топлива в линии 112 и сжатого окислителя в линии 114. Для того чтобы сдерживать температуру стехиометрического горения для удовлетворения требованиям впускной температуры расширителя 106 и охлаждения компонентов, часть выхлопного газа, полученная из сжатого рециркулирующего потока 144, может быть одновременно впрыснута в камеру 110 сгорания в качестве разбавителя. Таким образом, варианты осуществления изобретения могут существенно устранить любые излишки кислорода из выхлопного газа, одновременно увеличивая количество СО2. По существу, газообразный выхлопной поток 122 может иметь меньше чем около 3,0 об.% кислорода или меньше чем около 1,0 об.% кислорода, или меньше чем около 0,1 об.% кислорода, или даже меньше чем около 0,001 об.% кислорода.

Теперь будет обсуждена специфика примерной работы системы 100. Как можно понять, специфические температуры и давления, достигаемые или испытываемые в различных компонентах любого из вариантов осуществления, раскрытых в материалах настоящей заявки, могут меняться в зависимости от, помимо прочих факторов, чистоты используемого окислителя и специфических типов и/или моделей расширителей, компрессоров, охладителей и т.д. Соответственно должно быть понятно, что конкретные данные, описанные в материалах настоящей заявки, предназначены только для иллюстративных целей и не должны быть истолкованы как единственная их интерпретация. В варианте осуществления впускной компрессор 118 может быть выполнен с возможностью предоставления сжатого окислителя в линии 114 под давлениями, варьируемыми между примерно 19,69 кг/см² и примерно 21,09 кг/см². Однако в материалах настоящей заявки рассмотрена также технология газовой турбины на основе авиационного двигателя, которая может производить и потреблять давления вплоть до примерно 52,73 кг/см² и больше.

Основной компрессор 104 может быть выполнен с возможностью сжатия рециркулирующего выхлопного газа в сжатый рециркулирующий поток 144 при давлении, номинально большем или равном

- 5 027439 давлению в камере 110 сгорания, и использования части этого рециркулирующего выхлопного газа в качестве разбавителя в камере 110 сгорания. Из-за того что объемы разбавителя, требуемого в камере 110 сгорания, могут зависеть от чистоты окислителя, используемого для стехиометрического горения, или модели расширителя 106, кольцо термопар и/или кислородных датчиков (не показаны) может быть связано с камерой сгорания или газотурбинной системой, в основном, для определения с помощью непосредственного измерения или с помощью оценки и/или вычисления температуры и/или концентрации окислителя в одном или более потоках. Например, термопары и/или кислородные датчики могут быть расположены на выходе из камеры 110 сгорания, входе расширителя 106 и/или выходе из расширителя 106. При работе термопары и датчики могут быть приспособлены для регулирования и определения объема выхлопного газа, требуемого в качестве разбавителя для охлаждения продуктов горения до требуемой впускной температуры расширителя, а также регулирования количества окислителя, впрыскиваемого в камеру 110 сгорания. Таким образом, в ответ на тепловые требования, определяемые термопарами, и уровни кислорода, определяемые кислородными датчиками, можно манипулировать и управлять объемным массовым расходом сжатого рециркупирующего потока 144 и сжатым окислителем в линии 114 для соответствия потребности.

По меньшей мере в одном варианте осуществления перепад давления примерно в 0,84-0,91 кг/см²может существовать в камере 110 сгорания во время стехиометрического горения. Горение топлива в линии 112 и сжатого окислителя в линии 114 может создавать температуры между примерно 1093,33 и примерно 1648,89°С и давления, варьирующиеся от 17,58 до примерно 21,09 кг/см². Из-за увеличенного массового расхода и более высокой удельной теплоемкости обогащенного СО₂ выхлопного газа, полученного из сжатого рециркулирующего потока 144, более высокий коэффициент давления может быть достигнут в расширителе 106, тем самым создавая возможность для более высоких входных температур и увеличенной мощности расширителя 106.

Газообразный выхлопной поток 122, выходящий из расширителя 106, может иметь давление, равное или близкое к окружающей среде. По меньшей мере в одном варианте осуществления газообразный выхлопной поток 122 может иметь давление примерно 1,07 кг/см². Температура газообразного выхлопного потока 122 может варьироваться от примерно 637,78 до примерно 676,67°С перед прохождением через ΗΚδΟ 126 для генерирования пара в линии 130 и охлажденного выхлопного газа в линии 132. Охлажденный выхлопной газ в линии 132 может иметь температуру, варьирующуюся от примерно 87,78 до примерно 93,33°С. В одном или более вариантах осуществления охлаждающий блок 134 может уменьшать температуру охлажденного выхлопного газа в линии 132, тем самым генерируя поток 140 охлажденного рециркулирующего газа, имеющего температуру между примерно 0,00 и 48,89°С, зависящую преимущественно от температуры по влажному термометру в определенных местоположениях и во время определенных сезонов. В зависимости от степени охлаждения, обеспечиваемой охлаждающим блоком 134, охлаждающий блок может быть приспособлен для увеличения массового расхода потока охлажденного рециркулирующего газа.

Согласно одному или более вариантам осуществления вспомогательный компрессор 142 может быть выполнен с возможностью повышения давления потока 140 охлажденного рециркулирующего газа до давления, варьирующегося от примерно 1,20 до примерно 1,48 кг/см². Как результат, основной компрессор 104 получает и сжимает рециркулирующий выхлопной газ с большей плотностью и увеличенным массовым расходом, тем самым предусматривая существенно более высокое выходное давление при поддержании такого же или подобного коэффициента давления. По меньшей мере в одном варианте осуществления температура сжатого рециркулирующего потока 144, выпускаемого из основного компрессора 104, может составлять примерно 426,67°С при давлении около 19,69 кг/см².

Следующая таблица предоставляет результаты тестирования и оценки производительности, основанные на газовых турбинах комбинированного цикла, с учетом и без учета добавленного преимущества вспомогательного компрессора 142, как описано в материалах настоящей заявки.

- 6 027439

Таблица 1

Сравнение производительности тройного цикла
Мощность (МВт)	Цикл рециркуляции	Цикл рециркуляции
	без вспомогатель-	со вспомогательным
	ного компрессора	компрессором
Мощность	1055	1150
газотурбинного
расширителя
Основной компрессор	538	542
Вентиляторный или	13	27
в спомо г а т ель ный
компрессор
Впускной компрессор	283	315
Общая мощность	835	883
сжатия
Полезная мощность	216	261
газовой турбины
Полезная мощность	395	407
паровой турбины
Полезная мощность	611	668
стандартного
машинного
оборудования
Дополнительные	13	15
потери
Мощность азотного	156	181
расширителя
Мощно сть комбиниро-	598	653
ванного цикла
Эффективность
Расход топлива	5947	6322
(мБТЕ/час)
Удельный расход	9949	9680
тепла (БТЕ/кВт-ч)
Эффективность	34,3	35, 2
комбиниров анного
цикла (% низшей
теплоты сгорания)
Давление продувки	19, 69	21, 66
СО₂ (кг/см²)

Как должно быть понятно из табл. 1, варианты осуществления, включающие в себя вспомогательный компрессор 142, могут привести к увеличению мощности расширителя 106 (т.е., Мощности газотурбинного расширителя) вследствие увеличения коэффициентов давления. Хотя потребная мощность для основного компрессора 104 может увеличиться, это увеличение больше, чем сдвиг, вызванный увеличением выходной мощности расширителя 106, тем самым приводя к улучшению общей термодинамической эффективности на примерно 1% Шу (низшая теплота сгорания).

Кроме того, добавление вспомогательного компрессора 142 может также увеличить выходную мощность азотного расширителя 152, когда такой расширитель включен в состав. Более того, вспомогательный компрессор 142 может увеличить давление СО₂ в линии потока 146 продувки. Увеличение давления продувки потока 146 продувки может привести к улучшенной производительности обработки растворителя в сепараторе 148 СО₂ вследствие более высокого парциального давления СО₂. Такие улучшения могут включать в себя, но не ограничены ими, уменьшение общих капитальных затрат в виде уменьшенного размера оборудования для процесса извлечения растворителем.

Как показано на фиг. 2, изображен альтернативный вариант осуществления системы 100 производства электроэнергии, воплощенной и описанной как система 200. По существу, фиг. 2 может быть наилучшим образом понята со ссылкой на фиг. 1. Подобно системе 100 на фиг. 1 система 200 на фиг. 2 включает в себя газотурбинную систему 102, соединенную с или другим образом поддерживаемую системой 124 рециркуляции выхлопных газов (ИСК). Система 124 ИСК на фиг. 2, однако, может включать в себя вариант осуществления, в котором вспомогательный компрессор 142 следует за или другим образом соединен по текучей среде с НК8С 126. По существу, охлажденный выхлопной газ в линии 132 может быть сжат во вспомогательном компрессоре 142 перед тем, как его температура будет уменьшена в ох- 7 027439 лаждающем блоке 134. Таким образом, охлаждающий блок 134 может служить в качестве вторичного охладителя, приспособленного для удаления тепла сжатия, генерируемого вспомогательным компрессором 142. Как и с ранее раскрытыми вариантами осуществления, поток 138 удаления воды может быть или может не быть направлен в ΗΚ.8Ο 126 для генерирования дополнительного пара в линии 130.

Поток 140 охлажденного рециркулирующего газа может быть направлен в основной компрессор 104, где он дополнительно сжимается, как обсуждено выше, тем самым генерируя сжатый рециркулирующий поток 144. Как можно понять, охлаждение охлажденного выхлопного газа в линии 132 в охлаждающем блоке 134 после сжатия во вспомогательном компрессоре 142 может уменьшить количество энергии, необходимой для сжатия потока 140 охлажденного рециркулирующего газа до предо пределенного давления в последующем основном компрессоре 104.

Фиг. 3 изображает другой вариант осуществления системы 100 производства электроэнергии с низким уровнем выбросов, показанной на фиг. 1, воплощенный как система 300. По существу, фиг. 3 может быть наилучшим образом понята со ссылкой на фиг. 1 и 2. Подобно системам 100, 200, описанным на фиг. 1 и 2 соответственно, система 300 включает в себя газотурбинную систему 102, поддерживаемую или другим способом соединенную с системой 124 ЕСК. Система 124 ЕСК на фиг. 3, однако, может включать в себя первый охлаждающий блок 134 и второй охлаждающий блок 136, имея вспомогательный компрессор 142, соединенный по текучей среде между ними. Как и в предыдущих вариантах осуществления, каждый охлаждающий блок 134, 136 может быть охладителем прямого контакта, концевым охладителем или тому подобным, как известно в области техники.

В одном или более варианте осуществления охлажденный выхлопной газ в линии 132, выпущенный из ΗδΚΟ 126, может быть отправлен в первый охлаждающий блок 134 для генерирования потока 138 удаления конденсированной воды и потока 140 охлажденного рециркулирующего газа. Поток 140 охлажденного рециркулирующего газа может быть направлен во вспомогательный компрессор 142 в целях повышения давления потока 140 охлажденного рециркулирующего газа и затем направлен во второй охлаждающий блок 136. Второй охлаждающий блок 136 может служить в качестве вторичного охладителя, приспособленного для удаления тепла сжатия, генерируемого вспомогательным компрессором 142, и также для удаления дополнительно сконденсированной воды через поток 143 удаления воды. В одном или более вариантах осуществления каждый поток 138, 143 удаления воды может быть или может не быть направлен в ΗΚδΟ 126 для генерирования дополнительного пара в линии 130.

Поток 140 охлажденного рециркулирующего газа может затем быть введен в основной компрессор 104 для генерирования сжатого рециркулирующего потока 144 с давлением, номинально большим либо равным давлению камеры 110 сгорания. Как можно понять, охлаждение охлажденного выхлопного газа в линии 132 в первом охлаждающем блоке 134 может уменьшить количество энергии, требуемой для сжатия потока 140 охлажденного рециркупирующего газа во вспомогательном компрессоре 142. Кроме того, дополнительное охлаждение выхлопа во втором охлаждающем блоке 136 может уменьшить количество энергии, требуемой для сжатия потока 140 охлажденного рециркулирующего газа до предопределенного давления в последующем основном компрессоре 104.

Хотя настоящее изобретение может быть восприимчивым к различным модификациям и альтернативным формам, примерные варианты осуществления, обсужденные выше, были показаны только в качестве примера. Однако снова должно быть понятно, что не подразумевается ограничение изобретения конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в материалах настоящей заявки. Конечно, настоящее изобретение включает в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты, подпадающие под истинную сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Интегрированная система для производства электроэнергии, содержащая газотурбинную систему, содержащую первый компрессор (104), выполненный с возможностью приема и сжатия потока охлажденного рециркулирующего газа в сжатый рециркулирующий поток;

второй компрессор (118), выполненный с возможностью приема и сжатия подаваемого окислителя в сжатый окислитель;

камеру сгорания (110), выполненную с возможностью приема сжатого рециркулирующего потока и сжатого окислителя и, по существу, стехиометрического горения потока топлива, при этом сжатый рециркулирующий поток служит в качестве разбавителя для сдерживания температур горения; и расширитель (106), соединенный с первым компрессором и выполненный с возможностью приема продуктов сгорания из камеры сгорания для генерирования газообразного выхлопного потока, генерирования электроэнергии и, по меньшей мере, частичного приведения в действие первого компрессора;

систему рециркуляции выхлопных газов, содержащую теплоутилизационный парогенератор (126), выполненный с возможностью приема газообразного выхлопного потока из расширителя и генерирования пара и охлажденного выхлопного потока; и вспомогательный компрессор (142), выполненный с возможностью приема и увеличения давления

- 8 027439 охлажденного выхлопного потока для предоставления потока охлажденного рециркулирующего газа для впрыскивания в первый компрессор, по меньшей мере один охлаждающий блок (134), выполненный с возможностью приема по меньшей мере одного из охлажденного выхлопного потока и потока охлажденного рециркулирующего газа и генерирования потока удаления воды и потока охлажденного рециркулирующего газа, причем поток удаления воды соединен по текучей среде с теплоутилизационным парогенератором для генерирования дополнительного пара, и по меньшей мере один кислородный датчик, расположенный на выходе из расширителя и используемый для регулирования количества окислителя, впрыскиваемого в камеру сгорания.
2. Система по п.1, в которой система рециркуляции выхлопных газов дополнительно содержит паровую газовую турбину (128), выполненную с возможностью приема пара и дополнительного генерирования электрической энергии.
3. Система по п.1, в которой второй компрессор (118) выполнен с возможностью приема подаваемого окислителя, выбранного из воздуха, обогащенного кислородом воздуха или любой их комбинации.
4. Система по п.1, в которой камера сгорания (110) выполнена с возможностью сжигания потока топлива, выбранного из группы, состоящей из природного газа, метана, бутана, пропана, синтетического газа, дизельного топлива, керосина, авиационного топлива, угольного вторичного топлива, биотоплива, насыщенного кислородом углеводородного сырья и любой их комбинации.
5. Система по п.1, в которой расширитель (106) выполнен с возможностью обеспечения газообразного выхлопного потока в теплоутилизационный блок с давлением, большим атмосферного.
6. Система по п.1, в которой расширитель (106) выполнен с возможностью обеспечения газообразного выхлопного потока, выходящего из расширителя, с температурой, составляющей примерно 677°С.
7. Система по п.1, в которой вспомогательный компрессор выполнен с возможностью увеличивать давление потока охлажденного рециркулирующего газа до давления между примерно 1,20 и примерно 1,48 кг/см².
8. Система по п.1, выполненная с возможностью дополнительно создавать поток продувки, взятый из сжатого рециркулирующего потока.
9. Система по п.8, причем система дополнительно содержит сепаратор СО₂ (148) для обработки потока продувки для генерирования потока двуокиси углерода и остаточного потока, главным образом, содержащего азотный газ.
10. Система по п.8, причем система дополнительно выполнена с возможностью направлять по меньшей мере часть потока продувки в место для секвестрации двуокиси углерода, продажи двуокиси углерода, захвата углерода, выпуска наружу или их комбинаций.
11. Способ генерирования электрической энергии с использованием системы по любому из пп.1-10, заключающийся в том, что сжимают поток охлажденного рециркулирующего газа в первом компрессоре (104) для получения сжатого рециркулирующего потока;

сжимают подаваемый окислитель во втором компрессоре (118) для получения сжатого окислителя; по существу, стехиометрически сжигают поток топлива и сжатый окислитель при наличии сжатого рециркулирующего потока в камере сгорания (110), тем самым генерируя продукты сгорания, причем сжатый рециркулирующий поток приспособлен для регулирования температуры продуктов сгорания;

расширяют продукты сгорания в расширителе (106) для получения газообразного выхлопного потока и электрической энергии;

извлекают тепло из газообразного выхлопного потока в теплоутилизационном парогенераторе (126) для получения пара и охлажденного выхлопного потока и охлаждают по меньшей мере один из охлажденного выхлопного потока и потока охлажденного рециркулирующего газа в охлаждающем блоке (134) для удаления из них по меньшей мере части конденсированной воды;

направляют часть конденсированной воды из охлаждающего блока в теплоутилизационный парогенератор для генерирования дополнительного пара;

увеличивают давление охлажденного выхлопного потока во вспомогательном компрессоре (142) для предоставления потока охлажденного рециркулирующего газа для впрыскивания в первый компрессор, регулируют количество окислителя, впрыскиваемого в камеру сгорания, с использованием по меньшей мере одного кислородного датчика, расположенного на выходе из расширителя.
12. Способ по п.11, дополнительно состоящий в том, что дополнительно генерируют электрическую энергию из пара в паровой газовой турбине.
13. Способ по п.11, дополнительно состоящий в том, что удаляют часть сжатого рециркулирующего потока в качестве потока продувки; обрабатывают поток продувки в сепараторе СО2 и выпускают поток двуокиси углерода и остаточный поток, главным образом, содержащий азотный газ, из сепаратора СО2.
14. Интегрированная система для производства электроэнергии, содержащая

- 9 027439 газотурбинную систему, содержащую первый компрессор (104), выполненный с возможностью приема и сжатия потока охлажденного рециркулирующего газа в сжатый рециркулирующий поток;

второй компрессор (118), выполненный с возможностью приема и сжатия подаваемого окислителя в сжатый окислитель;

камеру сгорания (110), выполненную с возможностью приема сжатого рециркулирующего потока и сжатого окислителя и, по существу, стехиометрического горения потока топлива; и расширитель (106), соединенный с первым компрессором и выполненный с возможностью приема продуктов сгорания из камеры сгорания для генерирования газообразного выхлопного потока при температуре по меньшей мере 677°С и для генерирования электрической энергии; и систему рециркуляции выхлопных газов, содержащую теплоутилизационный парогенератор (126), выполненный с возможностью приема газообразного выхлопного потока из расширителя и генерирования пара и охлажденного выхлопного потока;

вспомогательный компрессор (142), выполненный с возможностью приема и увеличения давления охлажденного выхлопного потока до давления между примерно 1,20 и примерно 1,48 кг/см²; и первый охлаждающий блок (134), выполненный с возможностью приема охлажденного рециркулирующего потока из вспомогательного компрессора и генерирования из воды охлажденного рециркулирующего потока потока удаления воды, соединенного по текучей среде с теплоутилизационным парогенератором для генерирования дополнительного пара, и потока охлажденного рециркулирующего газа для впрыскивания в первый компрессор, и по меньшей мере один кислородный датчик, расположенный на выходе из расширителя и используемый для регулирования количества окислителя, впрыскиваемого в камеру сгорания.
15. Система по п.14, выполненная с возможностью дополнительно создавать поток продувки (146), взятый из сжатого рециркулирующего потока, и содержащая сепаратор СО₂ (148) для обработки потока продувки для генерирования потока двуокиси углерода и остаточного потока, главным образом, содержащего азотный газ.