ITMI941400A1

ITMI941400A1 - HIGH EFFICIENCY POWER GENERATION PROCEDURE THROUGH STAGE FUEL SUPPLY IN TWO COMBUSTERS

Info

Publication number: ITMI941400A1
Application number: IT001400A
Authority: IT
Inventors: Davide Pandolfi; Francesco Saviano
Original assignee: Snam Progetti
Priority date: 1994-07-06
Filing date: 1994-07-06
Publication date: 1996-01-06
Also published as: IT1271206B; ITMI941400A0

Description

Descrizione Description

La presente invenzione riguarda un procedimento di generazione di potenza ad alta efficienza in cui vengono utilizzati due combustori. The present invention relates to a high efficiency power generation process in which two combustors are used.

Attualmente i combustibili vengono bruciati in un solo combustore in cui viene inviata aria precedentemente compressa alla pressione massima del ciclo impiegato. Currently the fuels are burned in a single combustor in which previously compressed air is sent at the maximum pressure of the cycle used.

Si è trovato che può essere aumentata la resa del sistema di generazione di potenza sia in termini di aumento di rendimento sia di aumento di potenza prodotta mediante l'adozione di due combustori in un ciclo particolare. It has been found that the yield of the power generation system can be increased both in terms of increased efficiency and increased power produced by adopting two combustors in a particular cycle.

Il procedimento di generazione di potenza ad alta efficienza, oggetto della presente invenzione, è caratterizzato dal fatto di utilizzare due combustori e di comprendere i seguenti stadi: The high efficiency power generation process, object of the present invention, is characterized in that it uses two combustors and comprises the following stages:

- comprimere l'aria ad una pressione compresa fra 5 e 32 bar; - compress the air to a pressure between 5 and 32 bar;

- comprimere ulteriormente una parte, non superiore alla metà, dell'aria compressa ad una pressione fra 25 e 130 bar, - further compress a part, not more than half, of the compressed air to a pressure between 25 and 130 bar,

- alimentare la parte d'aria ulteriormente compressa ad un primo combustore sottostechiometrico in cui viene bruciato un combustibile avente una pressione leggermente superiore a quella dell'aria ulteriormente compressa, producendo un gas a basso potere calorifico; - feeding the further compressed air part to a first substoichiometric combustor in which a fuel having a pressure slightly higher than that of the further compressed air is burned, producing a gas with a low calorific value;

- alimentare la rimanente parte d'aria non ulteriormente compressa ad un secondo combustore in cui viene bruciato il gas prodotto dalla prima combustione sottostechiometrica, dopo essere stato espanso in una turbina ad una pressione leggermente superiore a quella di detta rimanente parte d'aria, in modo da produrre fumi ad una temperatura non superiore a quella del gas a basso potere calorifico, i quali vengono espansi in una seconda turbina fino a pressione atmosferica. - feed the remaining part of the air not further compressed to a second combustor in which the gas produced by the first substoichiometric combustion is burned, after having been expanded in a turbine at a pressure slightly higher than that of said remaining part of air, in so as to produce fumes at a temperature not higher than that of the low calorific gas, which are expanded in a second turbine up to atmospheric pressure.

La parte d'aria ulteriormente compressa è preferibilmente compresa nell'intervallo dal 30 al 50 % in volume di tutta l'aria compressa. The further compressed air portion is preferably comprised in the range from 30 to 50% by volume of all the compressed air.

Il combustibile bruciato nel primo combustore sottostechiometrico può essere un combustibile idrocarburico (in particolare metano o gas naturale o frazioni petrolifere). The fuel burned in the first substoichiometric combustor can be a hydrocarbon fuel (in particular methane or natural gas or petroleum fractions).

H procedimento rivendicato consente di utilizzare macchine che possono funzionare con due tipi di combustibili: ad esempio con metano, nella sua configurazione tipica, oppure con un gas a basso potere calorifico (gas di carbone, di tar, etc.) alimentato direttamente al combustore a bassa pressione nel caso in cui possa essere disponibile tale gas a basso potere calorifico. Ovviamente questo secondo caso non rientra nel procedimento oggetto della presente invenzione: tuttavia viene prospettata tale eventualità di variazione del procedimento per far notare la massima flessibilità delle macchine utilizzate nel procedimento rivendicato che può essere modificato quando si verifichino periodi di disponibilità di un gas a basso potere calorifico. The claimed process makes it possible to use machines that can operate with two types of fuels: for example with methane, in its typical configuration, or with a gas with a low calorific value (coal, tar, etc.) fed directly to the combustor. low pressure if such low calorific value gas may be available. Obviously, this second case does not fall within the process object of the present invention: however, this possibility of variation of the process is proposed to point out the maximum flexibility of the machines used in the claimed process which can be modified when there are periods of availability of a low power gas. calorific.

L'invenzione sarà ora meglio descritta avvalendoci degli schemi delle fig. 1-4 che rappresentano altrettanti tipi di realizzazione, ma che non devono considerarsi limitative dell'invenzione stessa. The invention will now be better described using the diagrams of figs. 1-4 which represent as many types of embodiment, but which must not be considered limitative of the invention itself.

In fig. 1 si utilizzano due turbine, mentre in fig. 2 si utilizza un'unica turbina a gas ad un asse, cioè le espansioni del gas prodotto dal primo combustore sottostechiometrico e dei fumi prodotti dal secondo combustore avvengono in macchine calettate sullo stesso asse. In fig. 1 two turbines are used, while in fig. 2 a single one-axis gas turbine is used, ie the expansions of the gas produced by the first substoichiometric combustor and of the fumes produced by the second combustor occur in machines keyed on the same axis.

L'aria comburente (1) viene compressa nel compressore CI ed è successivamente divisa (2) in due correnti: la prima (3) va ad un secondo compressore (C2) ed alimenta (4) poi un combustore sottostechiometrico (B2) a metano (5) che produce un gas a basso potere calorifico (6); la seconda corrente (7) va ad un combustore (Bl) dove viene bruciato il gas a basso potere calorifico (8), prodotto (6) dalla combustione in (B2), dopo essere stato espanso alla stessa pressione della corrente (7) in una turbina (T2). The combustion air (1) is compressed in the CI compressor and is subsequently divided (2) into two streams: the first (3) goes to a second compressor (C2) and feeds (4) then a substoichiometric methane combustor (B2) (5) which produces a gas with a low calorific value (6); the second stream (7) goes to a combustor (Bl) where the gas with low calorific value (8), produced (6) by combustion in (B2), is burned, after having been expanded at the same pressure as the stream (7) in a turbine (T2).

I fumi (9) prodotti da (Bl) vengono espansi in una seconda turbina (TI ), portandosi alla pressione atmosferica, prima di essere allontanati (10). The fumes (9) produced by (Bl) are expanded in a second turbine (T1), reaching atmospheric pressure, before being removed (10).

In fig.3 ed in fig.4 a differenza rispettivamente delle fig. 1 e 2 viene previsto anche un sistema di interrefrigerazione (£2) all'aspirazione del secondo compressore, raffreddando la parte d'aria da comprìmere ulteriormente (3), con la possibilità di recuperare altro calore da detta parte d'aria facendo avvenire parte del raffreddamento in un rigeneratore (E1) preriscaldando l'aria ulteriormente compressa (4) prima di essere alimentata al primo combustore sottostechiometrìco. In fig. 3 and in fig. 4, differently from figs. 1 and 2 an intercooling system (£ 2) is also provided for the intake of the second compressor, cooling the part of the air to be further compressed (3), with the possibility of recovering more heat from said part of the air by making cooling in a regenerator (E1) by preheating the further compressed air (4) before being fed to the first under-stoichiometric combustor.

Forniamo ora tre esempi, di cui uno comparativo, allo scopo di meglio illustrare l'invenzione senza con ciò limitarla. We now provide three examples, one of which is comparative, in order to better illustrate the invention without limiting it.

Esempio 1 -Comparativo Example 1 - Comparative

Viene presa , come riferimento comparativo, una turbina a gas del tipo PG9281 della General Electric, che ha le seguenti caratteristiche: A General Electric PG9281 type gas turbine is taken as a comparative reference, which has the following characteristics:

- Potenza ISO 212 MW - ISO 212 MW power

- Rapporto di compressione 13,3 - Compression ratio 13.3

- Portata di aria 601 Kg/s - Air flow 601 Kg / s

- Temperatura di ammissione alla turbina 1260°C - Turbine admission temperature 1260 ° C

Assumendo che il gas disponibile sia CH4 al 100 % a pressione atmosferica si ricava che, alimentando 13,7 Kg/s di gas, si ottengono 211 MW, con un rendimento pari al 30,7 % al netto del lavoro di compressione del metano dalla pressione atmosferica alla pressione massima del ciclo. Assuming that the available gas is 100% CH4 at atmospheric pressure, it is possible to obtain 211 MW by feeding 13.7 Kg / s of gas, with an efficiency equal to 30.7% net of the methane compression work from atmospheric pressure at maximum cycle pressure.

Esempio 2-Vogliamo ora incrementare la potenza della macchina adottando gli insegnamenti in accordo alla presente invenzione adottando lo schema di fig.1 : in questo caso alla macchina di base dovrà essere aggiunta una macchina supplementare costituita da: Example 2-We now want to increase the power of the machine by adopting the teachings in accordance with the present invention by adopting the scheme of fig. 1: in this case an additional machine must be added to the basic machine consisting of:

- un compressore per innalzare la pressione di parte dell'aria da 13,5 a 36 bar assolute; - a compressor to raise the pressure of part of the air from 13.5 to 36 absolute bar;

- un reattore di ossidazione parziale; - a partial oxidation reactor;

- una turbina per espandere il gas prodotto nel reattore da 36 a 13,5 bar assolute. - a turbine to expand the gas produced in the reactor from 36 to 13.5 absolute bars.

Ovviamente questa macchina deve essere tecnologicamente congruente con quella di base dell'esempio 1 : pertanto la temperatura ammissibile per i gas inviati alla turbina sarà ancora di 1260C. Obviously this machine must be technologically congruent with the basic one of example 1: therefore the admissible temperature for the gases sent to the turbine will still be 1260C.

Sulla base di queste premesse si ottiene: Based on these premises, we obtain:

- portata di aria inviata al compressore supplementare (3): 86,6 Kg/s - flow rate of air sent to the supplementary compressor (3): 86.6 Kg / s

- portata gas (assunta uguale a quella dell'esempio 1): 13,7 Kg/s - gas flow rate (assumed equal to that of example 1): 13.7 Kg / s

- temperatura di ammissione alla turbina supplementare( 6): 1260°C - admission temperature to the additional turbine (6): 1260 ° C

- temperatura di uscita dalla turbina supplementare (8): 970°C - outlet temperature from the additional turbine (8): 970 ° C

- temperatura di ammissione alla turbina base (9): 1230°C - admission temperature to the base turbine (9): 1230 ° C

- potenza globale erogata 225 MW - global power output 225 MW

- rendimento 32,7 % - yield 32.7%

Si vede pertanto che l'adozione del procedimento oggetto della presente invenzione consente di ottenere un incremento di 14 MW (6,6 %) rispetto all'esempio 1, con un incremento di rendimento di 2,03 punti percentuali (ancora 6,6 %). It can therefore be seen that the adoption of the process object of the present invention allows to obtain an increase of 14 MW (6.6%) with respect to example 1, with an increase in efficiency of 2.03 percentage points (again 6.6% ).

Esempio 3-Adottando lo stesso schema dell'esempio 2, volendo sfruttare appieno le caratteristiche tecnologiche della macchina di base, si deve operare in maniera tale da avere la stessa temperatura di 1260°C all'ingresso di entrambe le turbine di espansione; in questo caso si ottiene: Example 3-Adopting the same scheme of example 2, wanting to fully exploit the technological characteristics of the basic machine, it is necessary to operate in such a way as to have the same temperature of 1260 ° C at the inlet of both expansion turbines; in this case we obtain:

- portata di aria inviata al compressore supplementare (3): 90, 15 Kg/s - flow rate of air sent to the supplementary compressor (3): 90, 15 Kg / s

- portata gas: 14,26 Kg/s - gas flow rate: 14.26 Kg / s

- temperatura di ammissione alla turbina base (9); 1260°C - inlet temperature to the base turbine (9); 1260 ° C

- potenza globale erogata 235 MW - global power supplied 235 MW

- rendimento 32,8 % - yield 32.8%

In questo caso si ottiene un incremento rispetto al caso di riferimento di 24 MW (11,4 %), con un incremento di rendimento di 2, 15 punti percentuali (7 % ). In this case, an increase compared to the reference case of 24 MW (11.4%) is obtained, with an increase in efficiency of 2.15 percentage points (7%).

Inoltre si è notato, sia nell'esempio 2 sia nell'esempio 3, che la prima combustione sottostechiometrica impedisce la formazione di NOx: anche nel secondo combustore la produzione è limitata poiché il gas a basso potere calorifico contiene H2O e C02, prodotte dalle reazioni di gassificazione, che notoriamente hanno effetto benefico in tal senso. Furthermore, it has been noted, both in example 2 and in example 3, that the first substoichiometric combustion prevents the formation of NOx: also in the second combustor the production is limited since the gas with low calorific value contains H2O and C02, produced by the reactions of gasification, which are known to have a beneficial effect in this sense.

Claims

CLAIMS 1) High efficiency power generation process characterized by the use of two combustors and comprising the following stages: - compress the air to a pressure between 5 and 32 bar; - further compress a part, not more than half, of the compressed air to a pressure between 25 and 130 bar; - feeding the further compressed air part to a first substoichiometric combustor in which a fuel having a pressure slightly higher than that of the further compressed air is burned, producing a gas with a low calorific value; - feed the remaining part of the air not further compressed to a second combustor in which the gas produced by the first substoichiometric combustion is burned, after having been expanded in a turbine at a pressure slightly higher than that of said remaining part of air, in so as to produce fumes at a temperature no higher than that of the low calorific gas, which are expanded in a second turbine up to atmospheric pressure.

2) Process according to claim 1 where the part of the further compressed air ranges from 30 to SO% by volume of all the compressed air.

3) Process according to claim 1 where the fuel sent to the substoichiometric combustor is selected from methane, natural gas and petroleum fractions.

4) Process according to claim 1 where the expansions of the gas produced by the first substoichiometric combustor and of the fumes produced by the second combustor take place in machines keyed on the same axis.

5) Process according to claim 1 wherein the part of air to be further compressed is cooled by means of an intercooling system.

6) Process according to claim 5 where part of the cooling of the air to be further compressed takes place in a regenerator by preheating the further compressed air before being fed to the first substoichiometric combustor.