ES2898863T3

ES2898863T3 - Sistema y método para la puesta en marcha de una planta de producción de energía

Info

Publication number: ES2898863T3
Application number: ES16738244T
Authority: ES
Inventors: Jeremy Eron Fetvedt; Brock Alan Forrest
Original assignee: 8 Rivers Capital LLC
Current assignee: 8 Rivers Capital LLC
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2022-03-09
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: AU2016277834B2; EA036619B1; AU2016277834A1; JP7149372B2; KR20180017176A; MX2017016478A; US20160363009A1; ZA201800183B; EP3308004B1; US10533461B2; CN107849976A; KR102602774B1; CN107849976B; BR112017027018B1; BR112017027018A2; JP2018522158A; EA201890029A1; WO2016205116A1; EP3308004A1; PL3308004T3

Abstract

Un sistema de producción de energía que comprende: una cámara de combustión (15); una turbina (20); un primer compresor (50) en un eje común con la turbina (20); un compresor (70) de oxidante; una línea (126, 128) de flujo de escape configurada para el paso de una corriente de escape de la turbina desde la turbina (20) al primer compresor (50); una línea (133) de flujo de reciclaje configurada para el paso de una corriente de CO2 de reciclaje desde el primer compresor (50) al cámara de combustión (15); una línea (140, 142, 144) de flujo de oxidante configurada para el paso de una corriente de oxidante desde el compresor (70) de oxidante a la cámara de combustión (15); una línea (141, 146) de derivación configurada para el paso controlable de al menos una parte de la corriente de oxidante desde la línea (140, 142, 144) de flujo de oxidante a la línea de flujo (133) de reciclaje; caracterizado por la turbina (20) que incluye un sello (21) de glándula y una entrada de aire; y un compresor (23) de sello de glándula configurado para recibir y comprimir una corriente de aire y escape de turbina desde el sello (21) de glándula.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método para la puesta en marcha de una planta de producción de energía

Campo de divulgación

La materia objeto de la presente divulgación se refiere a plantas de producción de energía. En particular, se proporcionan configuraciones y métodos del sistema para la puesta en marcha de una planta de producción de energía.

Antecedentes

El documento US 2014/000271 divulga un sistema para controlar la alimentación de oxidante en sistemas de turbinas de bajas emisiones para mantener condiciones de combustión estequiométricas o sustancialmente estequiométricas. Dicho control se logra desviando una parte del gas de escape recirculante y combinándolo con la alimentación de oxidante para mantener un nivel de oxígeno constante en la corriente combinada de oxidante-escape alimentada a través de la cámara de combustión.

El documento US 4,434,613 divulga un sistema de ciclo combinado para producir uno o más productos químicamente útiles, empleando dicho sistema de ciclo que emplea una turbina de gas. Los gases de escape seleccionados se devuelven al compresor de la turbina de gas para establecer una mezcla estable de constituyentes del fluido de trabajo para la turbina de gas.

El documento US 5,724,805 divulga una planta de energía que incluye una unidad de separación de aire dispuesta para separar el oxígeno del aire y producir una corriente de oxígeno líquido sustancialmente puro. Se dispone una turbina de gas para quemar un combustible en presencia de gas oxígeno sustancialmente puro y gas dióxido de carbono, y para producir un gas de escape que comprende agua y dióxido de carbono. Se proporciona una unidad de eliminación de dióxido de carbono para recuperar el gas de dióxido de carbono del gas de escape, reciclar una parte del gas de dióxido de carbono recuperado para que pase a través de la turbina de gas y licuar el resto del gas de dióxido de carbono recuperado para su eliminación de la planta.

El documento US 2013/0269356 A1 divulga un proceso S-EGR que produce una corriente de escape que incluye una concentración relativamente alta de un gas deseable y también está sustancialmente libre de oxígeno.

El documento US 2013/0269311 A1 divulga una planta de energía configurada para incluir un circuito de recirculación alrededor del cual se recircula un fluido de trabajo, el circuito de recirculación que comprende una pluralidad de componentes configurados para aceptar una salida de fluido de trabajo de un componente vecino de aguas arriba y proporcionar una entrada de fluido de trabajo a un componente vecino de aguas arriba.

Se conocen diversos sistemas y métodos para la producción de energía (p. ej., electricidad) mediante la combustión de un combustible. Por ejemplo, la patente de EE. UU. no. 8,596,075 de Allam et al. describe los ciclos de combustión en donde el CO²se utiliza como fluido de trabajo y todo el CO²producido de la combustión puede ser capturado (p. ej., para secuestro u otro uso). Estos sistemas, en particular, se benefician de la reconocida utilidad de calentar una corriente de CO2 de reciclaje. en un intercambiador de calor recuperativo que usa el calor del escape de la turbina y que añade más calor de una fuente distinta del escape de la turbina.

Aunque diversos sistemas y métodos de producción de energía pueden exhibir propiedades deseadas, las condiciones de funcionamiento de tales sistemas pueden no tener en cuenta ciertos requisitos durante fases específicas de funcionamiento. En particular, es posible que se requiera una consideración especial para las condiciones de funcionamiento al inicio de una planta de energía que pueden no estar incluidas en las condiciones generales de funcionamiento de la planta de energía en el modo de producción total. Por consiguiente, existe la necesidad de configuraciones que se puedan aplicar a las plantas de producción de energía que permitan una puesta en marcha eficiente y que permitan un cambio eficiente a las configuraciones de funcionamiento normales en el momento apropiado.

Compendio de la divulgación

La presente divulgación proporciona configuraciones que pueden aplicarse a una planta de producción de energía de modo que la puesta en marcha de la planta pueda proceder bajo un conjunto más amplio de condiciones que de otro modo serían posibles. En particular, la presente divulgación permite la puesta en marcha de una planta de energía de ciclo de combustión con la ignición de la cámara de combustión por debajo de una velocidad umbral de la turbina que de otro modo sería posible.

En algunas realizaciones, la presente divulgación se refiere a la puesta en marcha de plantas de energía que implementan un ciclo de combustión en donde el CO²se utiliza como fluido de trabajo y en donde el CO²formado en la combustión puede ser capturado. Se proporcionan ejemplos de sistemas y métodos para la producción de energía en tales condiciones en la patente de EE. UU. no. 8,596,075 de Allam et al., 8,776,532 de Allam et al., 8,869,889 de Palmer et al., 8,959,887 de Allam et al., y 8,986,002 de Palmer et al., al igual que la publicación de patente de Ee . UU. nos. 2012/0067056 de Palmer et al., 2012/0237881 de Allam et al., 2013/0104525 de Allam et al., y 2013/0118145 de Palmer et al.

En los métodos y sistemas de la presente divulgación se puede utilizar cualquier combinación de etapas del proceso y componentes del sistema, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

En algunas realizaciones, por ejemplo, la producción de energía se puede lograr utilizando un ciclo cerrado o un sistema de ciclo parcialmente cerrado en el que CO²se utiliza como fluido de trabajo. En tales sistemas, un combustible fósil o un combustible derivado de un combustible fósil (p. ej., gas de síntesis derivado del carbón u otro combustible carbonoso sólido) se quema completamente en una cámara de combustión con un oxidante (p. ej., oxígeno) para dar una corriente oxidada de predominantemente CO², H²O, exceso de O², y una cantidad de impurezas derivadas de componentes oxidados en el combustible u oxidante, como SO², NOx, Hg y HCl. El oxígeno se puede mezclar con CO². Como ejemplo no limitativo, la concentración molar de O²en la corriente de O²/CO²combinada puede ser de aproximadamente un 10% a aproximadamente un 50%, aproximadamente un 15% a aproximadamente un 40% o aproximadamente un 20% a aproximadamente un 30%. Los combustibles fósiles sólidos, como el carbón, el lignito o el coque de petróleo, que contienen cenizas no combustibles pueden convertirse en un combustible gaseoso mediante oxidación parcial en un sistema de una sola etapa o de varias etapas. Tal sistema, por ejemplo, puede comprender un reactor de oxidación parcial. Alternativamente, por ejemplo, tal sistema puede comprender un reactor de oxidación parcial y un sistema de eliminación de cenizas y componentes inorgánicos volátiles. Dichos sistemas comprenden además la combustión del gas combustible con oxígeno en la cámara de combustión del sistema de producción de energía. Un corriente de CO2 de reciclaje precalentada se mezcla en la cámara de combustión con los productos de combustión en el gas combustible formado. Se puede utilizar cualquier cámara de combustión adaptada para funcionar en las condiciones descritas de otro modo en el presente documento, y la corriente de CO²de reciclaje puede introducirse en la cámara de combustión por cualquier medio para ser calentada adicionalmente por la combustión y, si se desea, para templar y así controlar la temperatura de la corriente de salida. En algunas realizaciones, uno o ambos de un reactor oxidación parcial y la cámara de combustión pueden utilizar, solo con fines de ejemplo, una pared enfriada por transpiración que rodea el espacio de reacción o combustión, y la corriente de CO²de reciclaje precalentada. puede pasar a través de la pared tanto para enfriar la pared como para templar y así controlar la temperatura de la corriente de salida. El flujo de transpiración promueve una buena mezcla entre el CO²de reciclaje y las corrientes de gas combustible quemadas en caliente. Sin embargo, también se pueden usar otros tipos de cámaras de combustión, y la presente divulgación no se limita al uso de cámaras de combustión enfriadas por transpiración. Los productos de combustión combinados y el CO²de reciclaje precalentado que salen de la cámara de combustión están a la temperatura requerida para la entrada a una turbina generadora de energía. El escape caliente de la turbina se puede enfriar en un intercambiador de calor economizador, que a su vez precalienta la corriente de CO²de reciclaje de alta presión.

Los sistemas y métodos de producción de energía pueden funcionar bajo un conjunto combinado de condiciones que pueden caracterizarse como parámetros de funcionamiento "normales" o "estándar". Cada condición (p. ej., temperatura de combustión, velocidad de la turbina, relaciones de compresión, etc.) que componen el conjunto de parámetros puede estar dentro de su propio intervalo respectivo, y los parámetros de funcionamiento "normal" o "estándar" pueden definirse en relación con el funcionamiento del sistema o método de producción de energía en su estado de producción de energía.

Sin embargo, una planta de producción de energía no puede pasar instantáneamente de un estado inactivo al modo de funcionamiento completo. Más bien, los componentes de la planta de producción de energía deben ajustarse a los parámetros de funcionamiento normales según un algoritmo particular. Por ejemplo, en un sistema de producción de energía en donde se proporcionan una turbina y un compresor en un eje común, la salida del compresor está limitada por la velocidad de la turbina, y es posible que la combustión no comience hasta que el compresor proporcione suficiente flujo de corriente de CO²de reciclaje para mediar adecuadamente la temperatura de combustión. Por consiguiente, la ignición de la cámara de combustión puede no ser posible hasta que la turbina alcance un cierto umbral de velocidad. En algunas realizaciones, el compresor accionado por eje puede no ser capaz de generar el volumen de flujo y la presión de flujo requeridos por debajo de una velocidad del eje que es aproximadamente el 85% de la velocidad final del eje, es decir, la velocidad del eje cuando la turbina está funcionando a su parámetro de producción de energía normal. Según la presente divulgación, sin embargo, se proporcionan sistemas y métodos en donde la ignición de la cámara de combustión es posible por debajo del valor umbral de la turbina.

En algunas realizaciones, la presente divulgación proporciona así un sistema de producción de energía como se define en la reivindicación 1. Dicho sistema comprende: una cámara de combustión; una turbina que incluye un sello de glándula y una entrada de aire; un primer compresor, que es un compresor accionado por eje en un eje común con la turbina; un compresor oxidante, que puede ser un compresor accionado por motor; una línea de flujo de escape configurada para el paso de una corriente de escape de la turbina desde la turbina al primer compresor; una línea de flujo de reciclaje configurada para el paso de una corriente de CO²de reciclaje desde el primer compresor a la cámara de combustión; una línea de flujo de oxidante configurada para el paso de una corriente de oxidante desde el compresor de oxidante a la turbina; una línea de derivación configurada para el paso controlable de al menos una parte de la corriente oxidante desde las líneas de flujo de oxidante a las líneas de flujo de reciclaje; y un compresor de sello de glándula configurado para recibir y comprimir una corriente de aire y escape de turbina desde el sello de glándula. En realizaciones adicionales, el sistema puede definirse mediante una o más de las siguientes declaraciones, que pueden utilizarse en cualquier combinación y número.

La línea de derivación puede incluir una válvula.

La válvula de la línea de derivación se puede configurar para que se abra por debajo de la primera velocidad umbral de la turbina.

La válvula de la línea de derivación puede configurarse para cerrarse por encima de una segunda velocidad umbral de turbina.

El sistema de producción de energía puede comprender un intercambiador de calor recuperativo.

La línea de flujo de escape, la línea de flujo de reciclaje y la línea de flujo de oxidante pueden configurarse para el paso de sus respectivas corrientes a través del intercambiador de calor recuperativo.

El compresor de oxidante puede ser un compresor accionado por motor.

El sistema de producción de energía puede comprender además una ventilación en disposición con el compresor de sello de glándula y una línea de ventilación entre el compresor de sello de glándula y la ventilación.

La línea de ventilación entre el sello de la glándula y la ventilación puede estar en una disposición de flujo con la línea de flujo de escape, y la línea de ventilación y la línea de flujo de escape pueden disponerse en relación con la ventilación para un flujo preferencial hacia la ventilación desde las líneas respectivas.

En algunas realizaciones, la presente divulgación puede proporcionar métodos para la puesta en marcha de una planta de producción de energía. Por ejemplo, tal método según la invención y como se define en la reivindicación 9 puede comprender lo siguiente: presurizar una corriente de oxidante en un compresor de oxidante accionado por motor, el oxidante que entra en el compresor de oxidante que es aire; pasar oxidante presurizado desde el compresor de oxidante a una cámara de combustión a través de una línea de flujo de oxidante; quemar un combustible con el oxidante en la cámara de combustión; expandir una corriente de producto de combustión desde la cámara de combustión en una turbina que incluye un sello de glándula y entrada de aire, y un compresor de sello de glándula configurado para recibir y comprimir una corriente de aire y escape de la turbina desde el sello de glándula; enfriar una corriente de escape de turbina de la turbina en un intercambiador de calor recuperativo; eliminar el agua de la corriente de escape de la turbina para formar una corriente de CO²de reciclaje; y comprimir la corriente de CO²de reciclaje en un compresor accionado por eje en un eje común con la turbina para formar una corriente de CO²de reciclaje comprimida para su paso a la cámara de combustión en una línea de flujo de reciclaje; en donde l la corriente de CO²de reciclaje comprimida se agota y el oxidante del compresor de oxidante accionado por motor pasa a través de la línea de flujo de reciclaje hasta la cámara de combustión hasta que la turbina alcanza una velocidad umbral definida. En realizaciones adicionales, el método puede definirse mediante una o más de las siguientes declaraciones, que pueden utilizarse en cualquier combinación y número.

La velocidad umbral definida puede ser aproximadamente el 85% de la velocidad de funcionamiento normal.

El oxidante que entra en el compresor de oxidante puede ser una mezcla de O²y CO².

En algunas realizaciones, sustancialmente nada la corriente de CO2 de reciclaje comprimida se hace pasar a la cámara de combustión a través de la línea de flujo de reciclaje hasta que la turbina alcanza el umbral de velocidad definido. Sustancialmente nada específicamente puede significar completamente nada o solo un volumen de minimis.

Estas y otras características, aspectos y ventajas de la divulgación serán evidentes a partir de la lectura de la siguiente descripción detallada junto con el dibujo adjunto, que se describe brevemente a continuación.

Breve descripción de la figura

Habiendo descrito así la divulgación en los términos generales anteriores, ahora se hará referencia al dibujo adjunto, que no está necesariamente dibujado a escala, y en donde la FIGURA muestra un diagrama de flujo de un sistema y método de producción de energía según una realización de ejemplo de la presente divulgación que incluye una línea de derivación configurada para el paso de oxidante comprimido a la línea de flujo de reciclaje durante una etapa de inicio, dicho flujo que está configurado para su cierre una vez que se alcanzan los parámetros de funcionamiento deseados.

Descripción detallada

La presente materia objeto se describirá ahora con más detalle en lo sucesivo en el presente documento con referencia a realizaciones de ejemplo de este. Estas realizaciones de ejemplo se describen de modo que esta descripción sea minuciosa y completa, y transmita completamente el alcance del de la materia objeto a los expertos en la técnica. De hecho, la materia objeto en cuestión puede incorporarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas en el presente documento; más bien, estas realizaciones se proporcionan para que esta divulgación satisfaga los requisitos legales aplicables. Como se usa en la memoria descriptiva, y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una", "el", incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

La presente divulgación se refiere a sistemas y métodos que proporcionan generación de energía utilizando predominantemente CO2 como fluido de trabajo. En particular, el proceso utiliza una turbina de relación de alta/baja presión que expande una mezcla de corriente de CO2 de reciclaje a alta presión y productos de combustión que surgen de la combustión del combustible. Se puede usar cualquier combustible fósil, particularmente combustibles carbonosos. Los ejemplos no limitantes incluyen gas natural, gases comprimidos, gases combustibles (p. ej., que comprenden uno o más de H2, CO, CH4, H2S y NH3) y gases combustibles similares. También se pueden usar combustibles sólidos, p. ej., carbón, lignito, coque de petróleo, betún, biomasa y similares, o combustibles líquidos viscosos con la incorporación de los elementos necesarios del sistema. Por ejemplo, se puede usar una cámara de combustión de oxidación parcial para convertir el combustible líquido sólido o viscoso en un gas combustible que está sustancialmente libre de partículas sólidas. Todas las impurezas derivadas del combustible y la combustión, como compuestos de azufre, NO, NO2, CO2, H2O, Hg y similares pueden separarse para su eliminación sustancial o completamente sin emisiones a la atmósfera. El oxígeno puro se puede utilizar como oxidante en el proceso de combustión.

El escape caliente de la turbina se utiliza para precalentar parcialmente la corriente de CO²de reciclaje a alta presión. En combinación con este calentamiento, la corriente CO²de reciclaje se puede calentar aún más usando calentamiento aditivo que puede derivarse de una variedad de fuentes (p. ej., de una unidad de separación de aire o de la energía de compresión de un compresor de CO²).

Un método de producción de energía según la presente divulgación puede comprender hacer pasar una corriente de CO²de reciclaje calentada y comprimida a una cámara de combustión. La corriente de CO²de reciclaje calentada y comprimida se puede formar como se describe adicionalmente a continuación. En la cámara de combustión, un combustible puede quemarse con oxígeno (p. ej., al menos 98% o al menos 99% de O²puro) en presencia de la corriente de CO²de reciclaje para producir una corriente de que contiene CO². El CO²que contiene la corriente de la cámara de combustión puede tener una temperatura de aproximadamente 500 °C o más (p. ej., aproximadamente 500 °C a aproximadamente 1700 °C) y una presión de aproximadamente 150 bar (15 MPa) o más (p. ej., aproximadamente 150 bar (15 MPa) hasta aproximadamente 500 bar (50 MPa). El CO²que contiene la corriente se puede hacer pasar a través de una turbina para expandir el CO²que contiene la corriente, generar energía y formar una corriente de escape de turbina que comprende CO². La corriente que contiene CO²se puede expandir a través de la turbina a una relación de presión deseada.

La corriente de escape de la turbina se puede procesar para eliminar los productos de combustión y cualquier CO2 neto producido por la combustión del combustible. Con este fin, la corriente de escape de la turbina se puede enfriar pasándola a través de un intercambiador de calor. Puede utilizarse cualquier intercambiador de calor adecuado para su uso en las condiciones de temperatura y presión descritas en el presente documento. En algunas realizaciones, el intercambiador de calor puede comprender una serie de al menos dos, al menos tres o incluso más intercambiadores de calor economizadores. Se puede utilizar un solo intercambiador de calor con al menos dos secciones, al menos tres secciones (o incluso más secciones). Por ejemplo, se puede describir que el intercambiador de calor tiene al menos tres secciones de intercambio de calor que funcionan en diferentes intervalos de temperatura. El calor extraído de la corriente de escape de la turbina se puede utilizar para calentar la corriente de CO2 de reciclaje como se describe a continuación.

La corriente de escape de la turbina se puede dividir en dos o más partes. La primera parte puede comprender el 50% o más, el 70% o más, o el 90% o más (pero menos del 100%) del flujo másico total de la corriente de escape de la turbina. Todo o una parte de la corriente de escape de la turbina se puede hacer pasar a través de un separador para eliminar el agua y se puede tratar adicionalmente para eliminar otros productos de combustión o impurezas. La corriente resultante se puede describir como una corriente CO²de reciclaje principal. Una parte de la corriente de CO²de reciclaje principal se puede combinar con oxígeno para formar la corriente de oxidante, que se puede comprimir en una o más etapas a la presión de entrada deseada de la cámara de combustión. Una parte de la corriente de CO2 de reciclaje principal se puede comprimir, por ejemplo, en un compresor de varias etapas con enfriamiento intermedio entre las etapas. Preferiblemente, la corriente de CO2 de reciclaje principal (sola o combinada con el oxígeno) se comprime a una presión de aproximadamente 40 bar (4 MPa) a aproximadamente 400 bar (40 MPa), aproximadamente 80 bar (8 MPa) a aproximadamente 200 bar (20 MPa), o aproximadamente 100 bar (10 MPa) a aproximadamente 150 bar (15 MPa). La corriente de CO²de reciclaje comprimido, a continuación, pasa de regreso a través de los intercambiadores de calor para ser calentada. La corriente de CO²de reciclaje comprimida se calienta utilizando el calor extraído de la corriente de escape de la turbina (que se puede caracterizar como el calor de combustión que permanece en la corriente de escape de la turbina). Para lograr una aproximación de temperatura cercana entre la corriente de escape de la turbina y la corriente de CO²de reciclaje comprimida y calentada que sale del intercambiador de calor y entra en la cámara de combustión, se puede añadir calor adicional (p. ej., calor de compresión). El uso del calentamiento añadido puede ser beneficioso para reducir la diferencia de temperatura entre la corriente de escape de la turbina y la corriente de CO²de reciclaje comprimida y calentada que sale del intercambiador de calor y entra en la cámara de combustión a aproximadamente 30°C o menos, aproximadamente 25°C o menos, o aproximadamente 20°C o menos, tal como aproximadamente 2°C a aproximadamente 20°C, o aproximadamente 2°C a aproximadamente 10°C.

Si bien lo anterior se proporciona como un ejemplo de los parámetros de funcionamiento normales para diversos componentes y etapas del proceso del sistema y método de producción de energía, se deben implementar ciertas condiciones para pasar de un estado inactivo a un estado de funcionamiento normal en donde tales condiciones pueden ser aplicables a todos los componentes del sistema. La FIG. 1 ilustra un diagrama de flujo de un sistema y método de producción de energía según la presente divulgación en donde se incluye una línea de derivación. La línea de derivación proporciona el paso de oxidante comprimido a la línea de flujo de reciclaje, dicho flujo de derivación que es controlable a través de una o más válvulas de modo que el flujo se puede encender durante la puesta en marcha y apagar una vez que se alcanzan los parámetros de funcionamiento deseados. Cuando la línea de derivación está pasando oxidante activamente a la línea de reciclaje, el flujo de corriente CO²de reciclaje del compresor accionado por eje se puede apagar para que la corriente de CO²de reciclaje no pase a la línea de flujo de reciclaje. En particular, la corriente de CO²de reciclaje puede agotarse durante la puesta en marcha, o se puede permitir que este flujo se recicle alrededor del compresor accionado por eje para permitir que el compresor se mueva de inactivo a un punto dentro de su intervalo de funcionamiento. Tal configuración durante la puesta en marcha es deseable porque el compresor accionado por eje que se utiliza para comprimir la corriente de CO²de reciclaje no puede proporcionar el volumen de flujo y la presión de flujo requeridos para regular adecuadamente la temperatura de combustión en la cámara de combustión hasta que la velocidad del eje compartida por el compresor y la turbina esté funcionando a la velocidad umbral de la turbina o mayor. El compresor de oxidante, sin embargo, puede ser un compresor accionado por motor y, como tal, puede funcionar para proporcionar el volumen de flujo y la presión de flujo requeridos para la entrada a la cámara de combustión, incluso durante el tiempo de puesta en marcha en donde la velocidad del eje está por debajo de la velocidad umbral de la turbina. Se entiende que la química de combustión durante esta etapa de puesta en marcha sería diferente a la química de combustión durante el funcionamiento normal de producción de energía. Esto se debe a que se utiliza un mayor porcentaje de oxidante en la cámara de combustión que el que estaría presente si la corriente de CO²de reciclaje fluyese hacia la cámara de combustión. Dado que la etapa de puesta en marcha tiene una duración suficientemente corta, la diferencia en la química de combustión no es perjudicial para el sistema y los métodos en general. Además, esta química se diluye rápidamente una vez que el sistema está funcionando con los parámetros de funcionamiento normales.

Una vez que la turbina ha estado operativa durante un tiempo suficiente para alcanzar la velocidad umbral de la turbina, la línea de derivación se puede cerrar y la corriente de CO²de reciclaje puede comenzar a pasar a través de la línea de flujo de reciclaje hacia la cámara de combustión para su funcionamiento normal. En algunas realizaciones, la velocidad umbral de la turbina puede ser aproximadamente el 50% o más de la velocidad a la que funciona la turbina en el modo normal de producción de energía. En realizaciones adicionales, la velocidad umbral de la turbina puede ser aproximadamente 60% o más, aproximadamente 70% o más, aproximadamente 80% o más, aproximadamente 85% o más, o aproximadamente 90% o más de la velocidad a la que funciona la turbina en el modo normal, de producción de energía.

Una vez que se alcanza la velocidad umbral de la turbina, se puede cerrar la línea de derivación. Por ejemplo, una válvula en la línea puede estar cerrada. A medida que se cierra la válvula de la línea de derivación, el controlador de flujo para el compresor de corriente de CO²de reciclaje provocará que la corriente CO²de reciclaje comience a fluir hacia y a través de la línea de flujo de reciclaje y hacia la cámara de combustión. De esta manera, el flujo que regula la temperatura de combustión es continuo, aunque la química pueda estar cambiando a medida que la corriente oxidante es reemplazada por la corriente de CO²de reciclaje.

En las realizaciones de ejemplo ilustradas en la FIGURA, el combustible de gas natural (GN) pasa a través de la válvula 1 y la tubería 120 hacia la cámara de combustión 15 donde se quema con oxígeno en presencia de CO²para formar una corriente de producto de combustión que se expande en la turbina 20 para producir la corriente 126 de escape de la turbina. El aire de la fuente 22a de aire pasa a través del sello 21 de glándula para combinarse con el escape de la turbina que escapa alrededor del sello de glándula y forma la corriente 122, que se convierte en corriente 123, y que se comprime en el compresor 23 de sello de glándula para formar la corriente 124a. En algunos casos, la válvula 2 se abre y el aire de la fuente 22b de aire sale de la válvula 2 como corriente 121 de aire, corriente de aire que se mezcla con la corriente 122 para formar la corriente 123, que puede contener una gran fracción de aire. En algunas realizaciones, el sistema puede configurarse para un flujo preferencial de una o más corrientes a través de una o más válvulas. Por ejemplo, la línea 124a y la línea 126 (después de salir del intercambiador 30 de calor) se pueden configurar con relación a la válvula 3 de modo que la línea 124a esté más cerca de la válvula que la línea 126. Esto permite que el flujo de ventilación a través de la válvula 3 utilice preferentemente el flujo de línea 124a, en lugar del flujo de la línea 126. La configuración se puede ajustar para proporcionar las mezclas de flujo deseadas según se desee. Debido a esto, cualquier contaminante que entre en el sistema desde la entrada 22a o 22b de aire puede minimizarse ya que los contaminantes pueden enviarse preferentemente a la ventilación (válvula 3). Además, el funcionamiento del compresor 23 de sello de glándula también puede minimizar las fugas de aire y, por lo tanto, la entrada de contaminantes al sistema.

La corriente 126 de escape de la turbina se enfría en el intercambiador 30 de calor, y cualquier parte de la corriente 124a que no se ventile a través de la válvula 3 puede combinarse con la corriente 126 de escape de la turbina enfriada a través de la corriente 124b. El CO²de la fuente 115 de CO²pasa a través de la válvula 4 y la línea 127 y se combina con la corriente 126 de escape de la turbina enfriada antes de pasar a través del separador 40. La corriente 125 de agua del separador 40 puede extraerse a través de la válvula 6 y/o comprimirse en la bomba 90 para formar una corriente 147, que se enfría en el enfriador 101 de agua para formar la corriente 148 que se recicla al separador. El CO²sustancialmente puro sale del separador 40 como una corriente de reciclaje en la línea 128 y se comprime en el compresor 50 principal para formar la corriente 130 de CO²de reciclaje comprimida que se enfría en el enfriador 102 de agua para formar la corriente 131 que pasa a través de la bomba 60 principal y se dirige a la cámara de combustión 15 en la línea 133 de reciclaje que pasa a través de la válvula 13. Una parte de la corriente 130 puede pasar a través de la válvula 8 y la línea 135 para recirculación a través del compresor 50 principal. Una parte de la corriente de CO²de reciclaje comprimida de la línea 133 de reciclaje se puede extraer en la línea 134 aguas arriba de la válvula 13 y pasar a través de la válvula 9 para recirculación a través del enfriador 102 de agua. La corriente de CO2 de reciclaje en la línea 131 puede derivar la bomba 60 en la línea 132 de derivación de la bomba que incluye la válvula 12 de salida para el compresor 50 principal.

Una parte de la corriente de CO²de reciclaje de la línea 128 puede pasar a través de la válvula 7 a la línea 136 para combinarse con el oxígeno de la fuente 205 de oxígeno a través de la válvula 5 y la línea 137 para formar la corriente 138 de oxidante. La corriente 138 de oxidante (una mezcla de O²/CO²) pasa a través del intercambiador 103 de calor para formar la corriente 139, que se comprime en el compresor 70 de oxidante y sale por la línea 140. Una parte de la corriente de oxidante comprimido de la línea 140 puede pasar en la línea 141 a través de la válvula 10 para recirculación a través del intercambiador 103 de calor. En el intercambiador 103 de calor, la corriente 138 de oxidante puede calentarse o enfriarse. Por ejemplo, la entrada 201 puede ser una corriente de agua fría que sale como salida 202 calentada, de modo que la corriente 139 de oxidante se enfría en relación con la corriente 138. Alternativamente, la entrada 201 puede ser una corriente de agua caliente que sale como salida 202 enfriada de manera que la corriente 139 de oxidante se calienta en relación con la corriente 138. El oxidante comprimido en la línea 140 pasa a través del enfriador 104 de agua para formar la corriente 142, que pasa a través de la bomba 80 de O²/CO²y la válvula 16 antes de que el oxidante pase a través de la tubería 144 de oxidante a la cámara de combustión 15 para la combustión del combustible en el mismo. El oxidante puede derivar la bomba 80 en la línea 143 de derivación de oxidante a través de la válvula 17 de escape de oxidante. La línea 146 de derivación de puesta en marcha interconecta la línea 141 y la línea 132 de derivación de la bomba e incluye la válvula 14.

En funcionamiento, durante la puesta en marcha, la válvula 12 de salida para el compresor 50 principal se cierra (al igual que la válvula 9 en las líneas 134 y la válvula 13 en la línea 133 de reciclaje). Como tal, la corriente 128 de CO²de reciclaje no pasa para su reciclaje a la cámara de combustión 15. El oxígeno fluye a través de la válvula 5 y la línea 137 (y se mezcla con el CO²de reciclaje de la línea 136) se enfría (o calienta) en el intercambiador 103 de calor y se comprime en el compresor 70 de oxidante (que puede ser un compresor accionado por motor). Una parte del oxidante comprimido (mezcla de O²/CO²) de la línea 140 se enfría en el enfriador 104 y deriva la bomba 80 en la línea 143 de derivación de la bomba (con la válvula 17 abierta y la válvula 16 cerrada) para pasar a través de la línea 144 de oxidante hasta la cámara de combustión. Una parte del oxidante comprimido de la línea 140 también pasa a través de la línea 141 hacia la línea 146 de derivación de puesta en marcha. Dado que la válvula 12 de salida para el compresor principal está cerrada, el oxidante que de otro modo se combinaría con el CO²que pasa a través de la línea 132 de derivación de la bomba pasa a través de la línea 133 de reciclaje hasta la cámara de combustión 15. El funcionamiento prosigue de esta manera hasta que la turbina ha alcanzado el valor umbral de la turbina y el eje del compresor 50 accionado por eje está funcionando a una velocidad suficiente para el compresor 50 accionado por eje para proporcionar la corriente de CO²de reciclaje a un volumen de flujo y una presión de flujo suficientes. En ese momento, se cierra la válvula 14 de la línea de derivación y se abre la válvula 12 de salida del compresor principal. El oxidante ya no pasa a través de la línea 133 de reciclaje y solo pasa a través de la línea 144 de oxidante. Con la turbina funcionando a una velocidad por encima del umbral de velocidad, el compresor 50 proporciona la corriente de CO²de reciclaje a través de la línea 133 de reciclaje al volumen de flujo y la presión de flujo requeridos para la entrada a la cámara de combustión 15.

En algunas realizaciones, se pueden utilizar dos velocidades umbral de turbina diferentes para proporcionar un cambio gradual desde la etapa de arranque a la etapa de producción de energía normal. Puede utilizarse una primera velocidad umbral de la turbina para activar el cierre de la válvula de la línea de derivación (y por tanto la apertura de la válvula de escape del compresor principal). Es posible que el cierre y la apertura de las válvulas no sean inmediatos. A medida que la velocidad de la turbina continúa aumentando, se puede alcanzar un segundo umbral de la turbina en cuyo punto la válvula de la línea de derivación puede cerrarse completamente.

La configuración anterior se puede modificar en una o más realizaciones. Por ejemplo, el suministro de oxígeno al compresor 70 de oxidante se puede suministrar al compresor a través de la entrada de aire en la corriente 121 en lugar de a través del suministro de oxígeno en la corriente 137. En tales realizaciones, el compresor 23 de sello de glándula llenará efectivamente la planta con aire mientras las válvulas 4 y 5 están cerradas. El compresor 70 de oxidante seguirá suministrando a la turbina un flujo de oxidante (aire, en tales realizaciones) a través de la corriente 144 y a través de la derivación a través de la corriente 133. Alternativamente, CO²del suministro 115 de CO²que entra a través de la válvula 4 y la corriente 127 se puede conectar a la succión del compresor 23 de sello de glándula. En tales realizaciones, la válvula 4 estará abierta mientras que el aire pasará a través de la válvula 2. La planta se llenará con aire y mezcla de CO²con el compresor 70 de oxidante todavía controlando el suministro de fluidos a través de las corrientes 144 y 133.

A un experto en la técnica a la que pertenece esta materia objeto le vendrán a la mente muchas modificaciones y otras realizaciones de la materia objeto actualmente divulgada, teniendo el beneficio de las enseñanzas presentadas en las descripciones anteriores y los dibujos asociados. Por lo tanto, debe entenderse que la presente divulgación no debe limitarse a las realizaciones específicas descritas en el presente documento y que son posibles modificaciones y otras realizaciones, si quedan dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de producción de energía que comprende:

una cámara de combustión (15);

una turbina (20);

un primer compresor (50) en un eje común con la turbina (20);

un compresor (70) de oxidante;

una línea (126, 128) de flujo de escape configurada para el paso de una corriente de escape de la turbina desde la turbina (20) al primer compresor (50);

una línea (133) de flujo de reciclaje configurada para el paso de una corriente de CO²de reciclaje desde el primer compresor (50) al cámara de combustión (15);

una línea (140, 142, 144) de flujo de oxidante configurada para el paso de una corriente de oxidante desde el compresor (70) de oxidante a la cámara de combustión (15);

una línea (141, 146) de derivación configurada para el paso controlable de al menos una parte de la corriente de oxidante desde la línea (140, 142, 144) de flujo de oxidante a la línea de flujo (133) de reciclaje; caracterizado por la turbina (20) que incluye un sello (21) de glándula y una entrada de aire; y

un compresor (23) de sello de glándula configurado para recibir y comprimir una corriente de aire y escape de turbina desde el sello (21) de glándula.

2. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, en donde la línea (146) de derivación incluye una válvula (14).

3. El sistema de producción de energía según la reivindicación 2, en donde la válvula (14) de línea de derivación está configurada para abrirse por debajo de una primera velocidad umbral de turbina, o en donde la válvula (14) de línea de derivación está configurada para cerrarse por encima de una segunda velocidad umbral de turbina.

4. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, que comprende además un intercambiador (30) de calor recuperativo.

5. El sistema de producción de energía según la reivindicación 4, en donde la línea (126, 128) de flujo de escape, la línea (133) de flujo de reciclaje y la línea (140, 142, 144) de flujo de oxidante están configuradas para el paso de sus respectivas corrientes a través del intercambiador (30) de calor recuperativo.

6. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, en donde se cumple una o ambas de las siguientes condiciones:

el primer compresor (50) es un compresor accionado por eje;

el compresor (70) de oxidante es un compresor accionado por motor.

7. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, que comprende además una ventilación (3) en disposición con el compresor (23) de sello de glándula y una línea (124a) de ventilación entre el compresor (23) de sello de glándula y la ventilación (3).

8. El sistema de producción de energía según la reivindicación 7, en donde la línea (124a) de ventilación entre el compresor (23) de sello de glándula y la ventilación (3) está en una disposición de flujo con la línea (126, 128) de flujo de escape, y en donde la línea (124a) de ventilación y la línea (126, 128) de flujo de escape están dispuestas con relación a la ventilación (3) para un flujo preferencial a la ventilación (3) desde las líneas respectivas.

9. Un método para la puesta en marcha de una planta de producción de energía, el método que comprende: presurizar una corriente de oxidante en un compresor (70) de oxidante accionado por motor, siendo el oxidante que entra en el compresor (70) de oxidante aire;

hacer pasar oxidante presurizado desde el compresor (70) de oxidante a una cámara de combustión (15) a través de una línea (140, 142, 144) de flujo de oxidante;

quemar un combustible con el oxidante en la cámara de combustión (15);

expandir una corriente de producto de combustión desde la cámara de combustión (15) en una turbina (20) que incluye un sello (21) de glándula, una entrada (22a) de aire y un compresor (23) de sello de glándula configurado para recibir y comprimir una corriente de aire y escape de la turbina del sello (21) de glándula;

enfriar una corriente de escape de la turbina de la turbina (20) en un intercambiador (30) de calor recuperativo; eliminar el agua de la corriente de escape de la turbina para formar una corriente de CO²de reciclaje de reciclaje; y

comprimir la corriente CO²de reciclaje en un compresor (50) accionado por eje en un eje común con la turbina (20) para formar una corriente de CO²de reciclaje comprimida configurada para pasar a la cámara de combustión (15) en una línea (130, 131, 133) de flujo de reciclaje;

en donde la corriente de CO²de reciclaje comprimida se recircula y el oxidante del compresor (70) de oxidante accionado por motor se hace pasar a través de la línea (130, 131, 133) de flujo de reciclaje hasta la cámara (15) de combustión hasta que la turbina (20) alcanza una velocidad umbral definida.

10. El método según la reivindicación 9, en donde se cumple una o ambas de las siguientes condiciones:

la velocidad umbral definida es aproximadamente el 85% de la velocidad de funcionamiento normal; sustancialmente nada de la corriente de CO²de reciclaje comprimida se hace pasar a la cámara (15) de combustión a través de la línea (130, 131, 133) de flujo de reciclaje hasta que la turbina (20) alcanza la velocidad umbral definida.

11. El método según la reivindicación 9, en donde el oxidante que entra en el compresor (70) de oxidante es una mezcla de O²y CO².