MX2013009834A - Sistemas de turbina de baja emision que incorporan un aparato de control de oxidante al compresor de entrada y metodos relacionados con los mismos. - Google Patents

Abstract

Se proporcionan sistemas, métodos y aparato para controlar la alimentación de oxidante en sistemas de turbina de baja emisión para mantener condiciones de combustión estequiométricas o sustancialmente estequiométricas. En una o más modalidades, tal control se logra a través de métodos o sistemas que aseguran el suministro de un gasto de flujo de masa consistente de oxidante a la cámara de combustión.

Description

SISTEMAS DE TURBINA DE BAJA EMISIÓN QUE INCORPORAN UN APARATO DE CONTROL DE OXIDANTE AL COMPRESOR DE ENTRADA Y MÉTODOS RELACIONADOS CON LOS MISMOS CAMPO DE LA DESCRIPCIÓN Las modalidades de la descripción se relacionan a la generación de potencia de baja emisión. Más particularmente, las modalidades de la descripción se relacionan a métodos y aparato para controlar el suministro de oxidante a la cámara de combustión de un sistema de turbina de baja emisión para lograr y mantener condiciones de combustión estequiométricas o sustancialmente estequiométricas .

ANTECEDENTES DE LA DESCRIPCIÓN Esta sección se propone para introducir varios aspectos de la técnica, que se pueden asociar con modalidades ejemplares de la presente descripción. Esta discusión se cree que ayuda a proporcionar una estructura para facilitar un mejor entendimiento de los aspectos particulares de la presente descripción. Por consiguiente, se debe entender que esta sección debe ser leída en esta perspectiva, y no necesariamente como admisiones de la técnica previa.

Muchos países productores de petróleo están experimentando fuerte crecimiento nacional en la demanda de potencia y tienen un interés en la recuperación de petróleo aumentada (EOR) para mejorar la recuperación de petróleo de sus depósitos. Dos técnicas de EOR comunes incluyen la inyección de nitrógeno (N2) para el mantenimiento de la presión del depósito y la inyección de dióxido de carbono (CO2) para la inundación miscible para EOR. Hay un problema global que considera las emisiones de gas de invernadero (GHG) . Este problema combinado con la implementación de políticas de intercambio en muchos países hace la reducción de emisiones de C02, una prioridad para estos y otros países así como las compañías que operan los sistemas de producción de hidrocarburo en los mismos.

Algunos procedimientos para disminuir las emisiones de CO2 incluyen la des-carbonización del combustible o la captura de post-combustión utilizando solventes, tales como aminas. Sin embargo, ambas de estas soluciones son costosas y reducen la eficiencia de generación de potencia, dando por resultado menor producción de potencia, demanda de combustible incrementada y costo incrementado de la electricidad para cumplir con la demanda de potencia nacional. En particular, la presencia de oxígeno, componentes de SOx, y de NOx hace el uso de la absorción con solvente de amina muy problemática. Otro procedimiento es una turbina de gas de oxicombustible en un ciclo combinado (por ejemplo, donde el calor de escape del ciclo Brayton de turbina de gas se captura para hacer vapor y producir potencia adicional en un ciclo Rankine) . Sin embargo, no hay turbinas de gas comercialmente disponibles que puedan operar en tal ciclo y la potencia requerida para producir oxígeno de alta pureza significantemente reduce la eficiencia global del proceso.

Por otra parte, con el problema creciente acerca del cambio de clima global y el impacto de las emisiones de dióxido de carbono, se ha puesto énfasis en minimizar las emisiones de dióxido de carbono de las plantas de potencia. Las plantas de potencia de ciclo combinado de turbina de gas son eficientes y tienen un menor costo comparado con las tecnologías de generación de potencia nucleares o con carbón mineral. La captura del dióxido de carbono del escape de una planta de potencia de ciclo combinado de turbina de gas es muy costosa por las siguientes razones: (a) la baja concentración de dióxido de carbono en la chimenea de escape, (b) el volumen grande de gas que necesita ser tratado, (c) la baja presión de la corriente de escape, y la gran cantidad de oxígeno que está presente en la corriente de escape. Todos estos factores dan' por resultado un alto costo de la captura de dióxido de carbono de las plantas de ciclo combinado.

Por consiguiente, hay todavía una necesidad sustancial por un proceso de generación de potencia de alta eficiencia, de baja emisión y de fabricación de captura de C02.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA DIVULGACIÓN En las plantas de potencia de ciclo combinado descritas en la presente, los gases de escape de las turbinas de gas de baja emisión, que se ventilan en una planta de ciclo combinado de gas natural (NGCC) típica, en cambio se enfrían y se reciclan a la entrada de compresor principal de turbina de gas. Los gases de escape reciclados, antes que el aire fresco comprimido en exceso, se utilizan para enfriar los productos de combustión debajo de las limitaciones del material del expansor. El presente aparato, sistemas y métodos permiten a las turbinas de baja emisión mantener un régimen de combustión preferido, por ejemplo, combustión estequiométrica, sobre un gran intervalo de condiciones ambientales. ?1 combinar la combustión estequiométrica con el reciclado de gas de escape, la concentración de C02 en los gases recirculantes se incrementan mientras que se minimiza la presencia de O2 en exceso, ambos de los cuales hacen la recuperación del C02 más fácil. En una o más modalidades, los sistemas de turbina de baja emisión descritos en la presente emplean aire como el oxidante.

La presente invención se dirige a sistemas, métodos y aparato para controlar la alimentación de oxidante en sistemas de turbina de baja emisión para mantener condiciones de combustiones estequiométricas o sustancialmente estequiométricas . En una o más modalidades, tal control se logra a través de métodos o sistemas que aseguran el suministro de un gasto de flujo de masa consistente de oxidante a la cámara de combustión. Ejemplos incluyen, pero no están limitados a, métodos y sistemas para enfriar la alimentación de oxidante para mantener una temperatura constante (y por lo tanto densidad y volumen) , utilizar un soplador con un impulsor de frecuencia variable para mantener una densidad constante de la alimentación de oxidante, y usar paletas de guia de entrada en el compresor de entrada para mantener un volumen constante de alimentación de oxidante a la cámara de combustión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Lo anterior y otras ventajas de la presente descripción pueden llegar a ser evidentes en la revisión de la siguiente descripción detallada y los dibujos de ejemplos no limitantes de modalidades en los cuales: La FIG. 1 representa un sistema integrado para la generación de potencia de baja emisión y la recuperación de CO2 aumentada.

La FIG. 2 representa un sistema integrado para la generación de potencia de baja emisión y la recuperación de C02 aumentada en la cual la alimentación de oxidante se enfria antes de entrar al compresor de entrada.

La FIG. 3 representa un sistema integrado para la generación de potencia de baja emisión y recuperación de C02 aumentada en la cual un soplador con un impulso de frecuencia variable se utiliza para mantener la densidad en la alimentación de oxidante al compresor de entrada.

La FIG. 4 representa un sistema integrado para la generación de potencia de baja emisión y la recuperación de C02 aumentada que incorpora paletas de guia de entrada y una válvula de soplado a fondo en el compresor de entrada.

DESCRIPCIÓN DETALLADA En la siguiente sección de descripción detallada, las modalidades especificas de la presente descripción se describen en conexión con modalidades preferidas. Sin embargo, al grado gue la siguiente descripción es especifica a una modalidad particular o un uso particular de la presente descripción, este se propone para ser para propósitos ejemplares únicamente y simplemente proporciona una descripción de las modalidades ejemplares. -Por consiguiente, la descripción no se limita a las modalidades específicas descritas enseguida, sino más bien, incluye .todas las alternativas, modificaciones y equivalentes que caen dentro del espíritu verdadero y alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Varios términos como se utilizan en la presente se definen enseguida. Al grado que un término utilizado en una reivindicación no se define enseguida, se le debe de dar la definición más amplia por las personas en la técnica pertinente que han dado a ese término como es reflejado en por lo menos una publicación impresa o patente expedida.

Como se utiliza en la presente, el término "gas natural" se refiere a un gas multi-componente obtenido de un pozo de petróleo crudo (gas asociado) o de una formación que lleva gas subterráneo (gas no asociado) . La composición y presión del gas natural pueden variar significativamente. Una corriente de gas natural típica contiene metano (CH4) como un componente mayor, es decir, mayor que 50% en mol de la corriente de gas natural es metano. La corriente de gas natural también puede contener etano (C2Hs) , hidrocarburos de más alto peso molecular (por ejemplo, hidrocarburos de C3-C20) uno o más gases ácidos (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno), o cualquier combinación de los mismos. El gas natural también puede contener cantidades menores de contaminantes tales como agua, nitrógeno, sulfuro de hierro, cera, petróleo crudo o cualquier combinación de los mismos.

Como se utiliza en la presente, el término "combustión estequiométrica" se' refiere a una reacción de combustión que tiene un volumen de reactivos que comprenden un combustible y un oxidante y un volumen de productos formados al quemar los reactivos donde el volumen completo de los reactivos se utiliza para formar los productos. Como se utiliza en la presente, el término combustión "sustancialmente estequiométrica" se refiere a una reacción de combustión que tiene una relación de equivalencia que varía de aproximadamente 0.9:1 a aproximadamente 1.1:1, o más de preferencia de aproximadamente 0.95:1 a aproximadamente 1.05:1. El uso del término "estequiométrico" en la presente se propone para abarcar las condiciones tanto estequiométricas como sustáncialmente estequiométricas a menos que se indique de otra manera.

Como se utiliza en la presente, el término "corriente" se refiere a un volumen de fluidos, aunque el uso del término corriente típicamente significa un volumen en movimiento, de fluidos (por ejemplo, que tiene una velocidad o gasto de flujo de masa) . El término "corriente", sin embargo, no requiere una velocidad, gasto de flujo de masa o un tipo particular de conducto para encerrar la corriente.

Las modalidades de los sistemas y procesos actualmente descritos se pueden utilizar para producir potencia eléctrica de ultra baja emisión y C02 para recuperación de petróleo aumentada (EOR) o aplicaciones de secuestración. De acuerdo con modalidades descritas en la presente, una mezcla de aire y combustible se puede quemar estequiométricamente y mezclar simultáneamente con una corriente de gas de escape reciclado. La corriente de gas de escape reciclado, que incluye generalmente productos de combustión tal como C02 se puede utilizar como un diluyente para controlar o de otra manera moderar la temperatura de la combustión estequiométrica y el gas de chimenea que entra al expansor subsecuente.

La combustión en condiciones casi estequiométricas (o combustión "ligeramente rica") puede probarse ventajosa con el fin de eliminar el costo de la remoción de oxigeno en exceso. Al enfriar el gas de chimenea y al condensar el agua fuera de la corriente, se puede producir una corriente de CO2 de contenido relativamente alto. Mientras que una porción del gas de escape reciclado se puede utilizar para la moderación de temperatura en un ciclo Brayton cerrado, la corriente de purga restante se puede utilizar para aplicaciones de EOR y la potencia eléctrica se puede producir con poco o nada de S0X, NOx o CO2 que son emitidos a la atmósfera. Por ejemplo, la corriente de purga se puede tratar en un separador de CO2 adaptado para descargar un gas rico en nitrógeno que subsecuentemente se puede expandir en un expansor de gas para generar potencia mecánica adicional. El resultado de los sistemas descritos en la presente es la producción de potencia y la fabricación o captura de CO2 adicional en un nivel más económicamente eficiente. Con el fin de evitar desviaciones de las condiciones estequiométricas, sin embargo, la cantidad de oxidante suministrada al combustor debe ser estrechamente controlada. La presente invención proporcionas sistemas y métodos para lograr tal control.

En una o más modalidades, la presente invención se dirige a sistemas integrados que comprenden el compresor de entrada, un sistema de turbina de gas y un sistema de recirculación de gas de escape. El sistema de turbina de gas comprende una cámara de combustión configurada para quemar uno o más oxidantes y uno o más combustibles en la presencia de una corriente reciclada comprimida. El compresor de entrada comprime el uno o más oxidantes y dirige una corriente de oxidante comprimida a la cámara de combustión, donde las condiciones de reacción para la combustión son estequiométricas o sustancialmente estequiométricas . La cámara de combustión dirige una primera corriente de descarga a un expansor para generar una corriente de escape gaseosa y por lo menos parcialmente impulsar un compresor principal, y el compresor principal comprime la corriente de escape gaseosa y de esta manera genera la corriente reciclada comprimida .

En una o más modalidades, el sistema además comprende uno o más dispositivos de enfriamiento configurados para enfriar el uno o más oxidantes antes de la introducción al compresor de entrada. Por ejemplo, el oxidante se puede enfriar a una temperatura que es por lo menos aproximadamente -15°C (5°F), o por lo menos aproximadamente -12°C (10°F), o por lo menos aproximadamente -9°C (15°F), o por lo menos aproximadamente -6.6°C (20°F), o por lo menos aproximadamente -3.8°C (25°F), o por lo menos aproximadamente -1.1°C (30°F), o por lo menos aproximadamente 1.6°C (35°F), o por lo menos aproximadamente 4.4°C (40 °F) menor que la temperatura del aire ambiental. En las mismas u otras modalidades, la diferencia de temperatura entre el oxidante que entra al dispositivo de enfriamiento y el oxidante que sale del dispositivo de enfriamiento es por lo menos aproximadamente -15°C (5°F), o por lo menos aproximadamente -12°C (10°F), o por lo menos aproximadamente -9°C (15°F), o por lo menos aproximadamente -6.6°C (20°F), o por lo menos aproximadamente -3.8°C (25°F) , o por lo menos aproximadamente -1.1°C (30°F), o por lo menos aproximadamente 1.6°C (35°F), o por lo menos aproximadamente 4.4°C (40°F) . En una o más modalidades, el dispositivo de enfriamiento puede ser uno o más intercambiadores de calor, unidades de refrigeración mecánica, enfriador de contacto directo, enfriadore s compensadores o dispositivos similares y combinaciones de los mismos. Adicionalmente, el dispositivo de enfriamiento puede emplear cualquier fluido de enfriamiento conocido adecuado para tales aplicaciones, tal como agua enfriada o agua de mar, o refrigerante tales como por ejemplo hidrocarbonos no halogenados, fluorocarbonos , hidrofluorocarbonos, clorofluorocarbonos, hidroclorofluorocarbonos , amoniaco anhidro, propano, dióxido de carbono, propileno y los similares. En ciertas modalidades, el sistema además puede comprender un separador configurado para recibir el oxidante enfriado del dispositivo de enfriamiento y remover cualquiera de las gotitas de agua de la corriente de oxidante antes de la introducción al compresor de entrada. El separador puede ser cualquier dispositivo adecuado para el uso propuesto, tal como, por ejemplo un empaque de paletas, almohadilla de malla u otro dispositivo desnebuli zante .

En las mismas u otras modalidades, los sistemas integrados de la presente invención pueden comprender un soplador configurado para incrementar la presión del uno o más oxidantes antes de la introducción al compresor de entrada. En ciertas modalidades, el soplador puede ser controlado mediante un impulsor de frecuencia variable.

En modalidades adicionales de la presente invención, el compresor de entrada comprende paletas de guia de entrada. Las paletas de guia de entrada püeden ser estacionarias o ajustables. En una o más modalidades, las paletas de guia de entrada son ajustables. En las mismas u otras modalidades, el compresor de entrada además puede comprender una corriente de ventilación configurada para liberar el oxidante en exceso del compresor de entrada. La corriente de ventilación puede incorporar una válvula u otro dispositivo configurado para permitir la variación de flujo de la corriente de ventilación, tal como por ejemplo una válvula del soplado a fondo.

En una o más modalidades, la presente invención proporciona métodos para . generar potencia. Los métodos comprenden comprimir uno o más oxidantes en un compresor de entrada para formar un oxidante comprimido; quemar el oxidante comprimido y por lo menos un combustible de una cámara de combustión en la presencia de un gas de escape reciclado comprimido y bajo condiciones estequiométricas o sustancialmente estequiométricas, para de esta manera generar una corriente de descarga; expandir la corriente de descarga en un expansor para por lo menos parcialmente impulsar un compresor principal y general una corriente de escape gaseosa; y dirigir la corriente de escape gaseosa a un sistema de recirculación de gas de escape. El compresor principal comprime la corriente de escape gaseosa y de esta manera genera la corriente reciclada comprimida.

En una o más modalidades, los métodos de la presente invención además comprenden el enfriamiento del uno o más oxidantes con el dispositivo de enfriamiento antes de la introducción del uno o más oxidantes al compresor de entrada. Por ejemplo, el oxidante se puede enfriar a una temperatura que es por lo menos aproximadamente -15°C (5°F), o por lo menos aproximadamente -12°C (10°F), o por lo menos aproximadamente -9°C (15°F), o por lo menos aproximadamente -6.6°C (20°F), o por lo menos aproximadamente -3.8°C (25°F), o por lo menos aproximadamente -1.1°C (30°F) , o por lo menos aproximadamente 1.6°C (35°F), o por lo menos aproximadamente 4.4°C (40°F) menor que la temperatura del aire ambiental. En las mismas u otras modalidades, la diferencia de temperatura entre el oxidante que entra al dispositivo de enfriamiento y el oxidante que sale del dispositivo de enfriamiento es por lo menos aproximadamente -15°C (5°F) , o por lo menos aproximadamente -12 °C (10°F)., o por lo menos aproximadamente -9°C (15°F) , o por lo menos aproximadamente -6.6°C (20°F) , o por lo menos aproximadamente -3.8°C (25°F) , o por lo menos aproximadamente -1.1°C (30°F), o por lo menos aproximadamente 1.6°C (35°F), o por lo menos aproximadamente 4.4°C (40°F). En las mismas u otras modalidades, los métodos de la invención además comprenden la recepción del oxidante enfriado del dispositivo de enfriamiento y la remoción de gotitas de agua del oxidante enfriado en un separador antes de la introducción del oxidante en el compresor de entrada.

En una o más modalidades, los métodos de la invención además comprenden incrementar la presión del uno o más oxidantes utilizando un soplador antes de la introducción del oxidante al compresor de entrada. El soplador se puede controlar mediante un impulsor de frecuencia variable.

En una o más modalidades, el compresor de entrada puede comprender paletas de guia de entrada. En las mismas u otras modalidades, los métodos de la invención además pueden comprender la ventilación del oxidante en exceso del compresor de entrada, tal como mediante una corriente de ventilación que comprende una válvula de soplado a fondo.

Con referencia ahora a las figuras, varias modalidades de la presente invención se pueden entender mejor con referencia a un caso base, mostrado en la FIG. 1. La FIG. 1 ilustra un sistema de generación de potencia 100 configurado para proporcionar un proceso de captura de CO2 de post-combustión mejorado. En por lo menos una modalidad, el sistema de generación de potencia 100 puede incluir un sistema de turbina de gas 102 que se puede caracterizar como un sitio Brayton cerrado. En una modalidad, el sistema de turbina de gas 102 pueden tener un primer o compresor principal 104 acoplado a un expansor 106 a través de un árbol común 108 u otro acoplamiento mecánico, eléctrico u otro acoplamiento de potencia, para de esta manera permitir que una porción de la energía mecánica generada por el expansor 106 impulse el compresor 104. El expansor 106 puede generar potencia para otros usos también, tal como para accionar un segundo o compresor de entrada 118. El sistema de turbina de gas 102 puede ser una turbina de gas estándar, donde el compresor principal 194 y el expansor 106 forman los extremos del compresor y el expansor, respectivamente, de la turbina de gas estándar. En otras modalidades, sin embargo, el compresor principal 104 y el expansor 106 pueden ser componentes individualizados en un sistema 102.

El sistema de turbina de gas 102 puede incluir una cámara de combustión 110 configurada para quemar una corriente de combustible 112 mezclada con un oxidante comprimido 114, en una o más modalidades, la corriente de combustible 112 se puede incluir cualquier gas o liquido de hidrocarburo adecuado, tal como gas natural, metano, nafta, butano, propano, singas, diesel, queroseno, combustible de aviación, combustible derivado de carbón mineral, bio-combustible, material de alimentación de hidrocarburo oxigenado o combinaciones de los mismos. El oxidante comprimido 114 se puede derivar de un segundo o compresor de entrada 118 fluidamente acoplado a la cámara de combustión 110 y adaptado para comprimir un oxidante de alimentación 120. Mientras que la discusión en la presente supone que el oxidante de alimentación 120 es aire ambiental, el oxidante puede comprender cualquier gas adecuado que contiene oxigeno, tal como aire, aire rico en oxigeno, o combinaciones de los mismos .

Como será descrito en más detalle enseguida, la cámara de combustión 110 también puede recibir una corriente reciclada comprimida 144, que incluye un gas de combustible que tiene principalmente C02 y componentes de nitrógeno. La corriente reciclada comprimida 144 se puede derivar del compresor principal 104 y adaptar para ayudar a facilitar la combustión del oxidante comprimido 114 y el combustible 112 y también incrementar la concentración de CO2 en el fluido de trabajo. Una corriente de descarga 116 dirigida a la entrada del expansor 116 se puede generar como un producto de la combustión de la corriente de combustión 112 y el oxidante comprimido 114 en la presencia de la corriente reciclada comprimida 144. En por lo menos una modalidad, la corriente de combustible 112 puede ser principalmente gas natural, para de esta manera generar una descarga 116 que incluye porciones volumétricas de agua vaporizada, CO2, nitrógeno, óxidos de nitrógeno (N0X) y óxidos de azufre (S0X) . En algunas modalidades, una porción pequeña del combustible no quemado 112 u otros compuestos también se pueden presentar en la descarga 116 debido a las limitaciones del equilibrio de combustión. Como la corriente de descarga 116 se expande a través del expansor 106 esta genera potencia mecánica para impulsar el compresor principal 104 u otras instalaciones, y también produce una corriente de escape gaseosa 122 que tiene un contenido de C02 aumentado.

El sistema de generación de potencia 110 también puede incluir un sistema de recirculación de gas de escape (EGR) 124. Mientras que el sistema EGR 124 ilustrado en las figuras incorpora varios aparatos, las configuraciones ilustradas son representativas únicamente y cualquier sistema que recircula el gas de escape 122 nuevamente al compresor principal para lograr los objetivos establecidos en la presente puede ser utilizado. En una o más modalidades, el sistema EGR 124 puede incluir un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) 126 o dispositivo similar. La corriente de escape gaseosa 122 se puede enviar al HRSG 126 con el fin de generar una corriente de vapor 130 y un gas de escape enfriado 132. El vapor 130 opcionalmente se puede enviar a una turbina de gas de vapor (no mostrado) para generar potencia eléctrica adicional. En tales configuraciones, la combinación del HRSG 126 y la turbina de gas de vapor se puede caracterizar como un ciclo Rankine cerrado. En combinación con el sistema de turbina de gas 102, el HRSG 126 y la turbina de gas de vapor pueden formar parte de una planta de generación de potencia de ciclo combinado, tal como una planta de ciclo combinado de gas natural (NGCC) .

En una o más modalidades, el gas de escape enfriado 132 que sale del HRSG 126 se puede enviar a por lo menos una unidad de enfriamiento 134 configurada para reducir la temperatura del gas de escape enfriado 132 y generar una corriente de gas reciclada enfriada 140. En una o más modalidades, la unidad de enfriamiento 134 se considera en la presente que es un enfriador de contacto directo (DCC) , pero puede ser cualquier dispositivo de enfriamiento adecuado tal como un enfriador de contacto directo, enfriador compensador, una unidad de refrigeración mecánica, o combinaciones de los mismos. La unidad de enfriamiento 134 también se puede configurar para remover una porción del agua condensada por la via de una corriente de calda de agua (no mostrado) . En una o más modalidades, la corriente de gas de escape enfriada 132 se puede dirigir a un soplador o compresor de refuerzo 142 fluidamente acoplado a la unidad de enfriamiento 134. En tales modalidades, la corriente de gas de escape comprimida 136 sale del soplador 142 y se dirige a la unidad de enfriamiento 134.

El soplador 142 se puede configurar para incrementar la presión de la corriente de gas de escape enfriada 132 antes de que se introduzca en el compresor principal 104. En una o más modalidades, el soplador 142 incrementa la densidad total de la corriente de gas de escape enfriada 132, para de esta manera dirigir un gasto de flujo de masa incrementado para el mismo flujo volumétrico al compresor principal 104. Debido a que el compresor principal 104 es típicamente limitado en flujo de volumen, la dirección de más flujo de masa a través del compresor principal 104 puede dar por resultado una presión de descarga más alta del compresor principal 104, para de esta manera traducirse en una relación de presión más alta a través del expansor 106. Una relación de presión más alta generada a través del expansor 106 puede permitir temperaturas de entradas más altas y, por lo tanto, un incremento en la potencia y eficiencia del expansor 106. Esto se puede probar ventajoso puesto que la descarga rica en C02 116 generalmente mantiene una capacidad calorífica específica más alta. Por consiguiente, la unidad de enfriamiento 134 y el soplador 142, cuando se incorporan, cada uno se puedé adaptar para optimizar o mejorar la operación del sistema de turbina de gas 102.

El compresor principal 104 se puede configurar para comprimir la corriente de gas reciclada enfriada 140 recibida del sistema EGR 124 a una presión nominalmente arriba de la presión de la cámara de combustión 110, para de esta manera generar la corriente reciclada comprimida 144. En por lo menos una modalidad, una corriente de purga 146 puede ser enviada de la corriente reciclada comprimida 144 y subsecuentemente tratada en un separador de C02 u otro aparato (no mostrado) para capturar CO2. El CO2 separado se puede utilizar para ventas, utilizado en otros procesos gue requieren de un dióxido de carbono y/o comprimir e inyectar en un depósito terrestre para la recuperación de petróleo aumentado (EOR), secuestración, u otro propósito.

El sistema EGR 124 como es descrito en la presente se puede implementar para lograr una concentración más alta de C02 en el fluido de trabajo del sistema de generación de potencia 100 para de esta manera permitir la separación de C02 más efectiva para la secuestración subsecuente, mantenimiento de presión, o aplicaciones de EOR. Por ejemplo, las modalidades descritas en la presente pueden incrementar efectivamente la concentración de CO2 en la corriente de escape de gas de chimenea a aproximadamente 10% en peso o más alto. Para realizar esto, la cámara de combustión 110 se adapta para quemar estequiométricamente la mezcla entrante de combustible 112 y el oxidante comprimido 114. Con el fin de moderar la temperatura de la combustión estequiométrica para cumplir con los requerimientos de temperatura de entrada del expansor 106 y de enfriamiento del componente, una porción del gas de escape derivado de la corriente reciclada comprimida 144 se puede inyectar en la cámara de combustión 110 como un diluyente. Asi, las modalidades de la descripción pueden eliminar esencialmente cualquier oxigeno en exceso del fluido de trabajo mientras que simultáneamente incrementa su composición de CO2. Como tal, la corriente de escape gaseosa 122 puede tener menor que aproximadamente 3.0% en volumen de oxigeno, o menor que aproximadamente 1.0% en volumen de oxigeno, o menor que aproximadamente 0.1% en volumen de oxigeno, o aún menor que aproximadamente 0.001% en volumen de oxigeno .

En algunas modalidades no representadas en la presente, el vapor de alta presión también se puede emplear como un diluyente en la cámara de combustión, ya sea en lugar de o además del gas de escape reciclado. En tales modalidades, la adición de vapor reducirla los requerimientos de potencia y tamaño en el sistema EGR ' (o eliminaría el' sistema EGR conjuntamente), pero requeriría la adición de un circuito de reciclado de agua.

Adicionalmente, en modalidades adicionales no representadas en la presente, la alimentación de oxidante comprimida a la cámara de combustión puede comprender argón. Por ejemplo, el oxidante puede comprender de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 5.0% en vol de argón, o de aproximadamente 1.0 a aproximadamente 4.5% en vol de argón, o de aproximadamente 2.0 a aproximadamente 4.0% en vol de argón, o de aproximadamente 2.5 a aproximadamente 3.5% en vol de argón, o aproximadamente 3.0% en vol de argón. Como será apreciado por aquellos expertos en la técnica, la incorporación de argón en la alimentación del oxidante comprimida puede requerir la adición de un intercambiador cruzado o dispositivo similar entre el compresor principal y la cámara de combustión configurada para remover el C02 en exceso de la corriente reciclada y regresar el argón a la cámara de combustión en la temperatura apropiada para la combustión .

Las FIGs. 2 hasta 5 ilustran modificaciones al sistema de referencia 100 representado en la FIG. 1, que se proponen para permitir el control más preciso sobre la cantidad de alimentación de oxidante a la cámara de combustión 110. El control incrementado sobre la alimentación de oxidante permite el mantenimiento consistente de las condiciones de combustión estequiométricas sin considerar las variaciones en otras partes en el sistema o en el ambiente exterior .

Con referencia ahora a la FIG. 2, se representa una modalidad alternativa del sistema de generación de potencia 100 de la FIG. 1, incorporado y descrito como sistema 200. Como tal, la FIG. 2 se puede entender mejor con referencia a la FIG . 1. En el sistema 200 de la FIG. 2, el oxidante de alimentación 120 se enfria antes de ser alimentado al compresor de entrada 118. La masa del oxidante que sale del compresor de entrada 118 se determina grandemente por la densidad de alimentación de oxidante que entra al compresor de entrada 118. Con una geometría de entrada fija, del compresor de entrada 118 generalmente extrae un volumen fijado de gas. Al controlar la temperatura de la alimentación de oxidante 120 su densidad se puede controlar, que a su vez significa que en un volumen constante el gasto de flujo de masa de la alimentación de oxidante también se controla. Cuando el gasto de flujo de masa de la alimentación de oxidante 120 a la cámara de combustión 110 es constante, las condiciones estequiométricas se pueden mantener más fácilmente. Como se muestra en la FIG. 2, la alimentación de oxidante 120 se enfría en un intercambiador de calor 210 corriente arriba del compresor de entrada 118. El enfriamiento de la alimentación de oxidante 120 se realiza mediante un refrigerante, proporcionado en la corriente 214. Mientras que un intercambiador de calor que tiene un refrigerante se representa en la presente, cualquier tipo de dispositivo de enfriamiento se puede emplear para enfriar el oxidante a la temperatura deseada. Por ejemplo, otros métodos de enfriamiento incluyen uno o más intercambiadores de calor utilizando agua enfriada o agua de mar como el fluido de enfriamiento, unidades de refrigeración mecánica, enfriadores de contacto directo, enfriadores compensadores y combinaciones de los mismos. Adicionalmente, cualquier refrigerante conocido adecuado para el uso propuesto se puede emplear, tal como por ejemplo hidrocarbonos no halogenados, fluorocarbonos , hidrofluorocarbonos, clorofluorocarbonos , hidroclorofluorocarbonos , amoniaco anhidro, propano, dióxido de carbono, propileno y los similares. Además, aunque un intercambiador de calor 210 se representa en la FIG. 2, dos o más intercambiadores de calor u otros dispositivos de enfriamiento se pueden emplear (no mostrados), particularmente en conjunción con compresores de multi-etapa. En tales modalidades, puede ser deseable incorporar uno o más dispositivos de enfriamiento entre cada etapa del compresor.

En una o más modalidades de la presente invención, la alimentación de oxidante enfriada 120 que sale del intercambiador de calor 210 opcionalmente se puede dirigir a un separador 212 para remover cualquiera de las gotitas de agua condensadas que pueden ser arrastradas en el mismo. El separador 212 puede ser cualquier dispositivo adecuado para la remoción de gotitas de agua, tal como por ejemplo un empaque de paletas, almohadilla de malla u otro dispositivo desnebulizante . Del separador ¦ 212, la corriente de alimentación de oxidante 120 se dirige al compresor de entrada 118, y el resto del sistema 220 opera en el mismo aspecto como el sistema 100 de la FIG. 1 descrito previamente .

Con referencia ahora a la FIG. 3, se representa una configuración alternativa del sistema de generación de potencia 100 de la FIG. 1, incorporado y descrito como sistema 300. Como tal, la FIG. 3 se puede entender mejor con referencia a la FIG. 1. En el sistema 300 de la FIG. 3, la presión del oxidante de alimentación 120 se refuerza por un soplador 310 antes de ser alimentado al compresor de entrada 118. La presión, y por lo tanto la densidad, de la alimentación de oxidante presurizado 312 que sale del soplador 310 se mantiene a un nivel constante mediante un impulsor de frecuencia variable 314 utilizado en conjunción con el soplador 310. De esta manera, el soplador 310 proporciona grados variantes de compresión dependiendo de las condiciones del oxidante de alimentación 120 con el fin de lograr la densidad constante deseada de la alimentación de oxidante presurizada 312. Por ejemplo, en días calientes o cuando la alimentación de oxidante 120 está de otra manera a una temperatura comparativamente alta, el impulsor de frecuencia variable 314 se puede ajustar de modo que el soplador 310 proporciona más compresión que en los días fríos o cuando la alimentación de oxidante 120 está en una temperatura comparativamente baja. El impulsor de frecuencia variable 314 se puede ajustar manualmente o automáticamente. Será evidente para aquellos expertos en la técnica que sensores u otros dispositivos (no mostrados) se pueden requerir para inspeccionar las condiciones cambiantes y las propiedades de la alimentación de oxidante 120 de modo que el impulsor de frecuencia variable se puede ajustar por consiguiente. En la salida del soplador 310, la alimentación de oxidante presurizado 312 se dirige al compresor de entrada 118, y el resto del sistema 300 opera en el mismo aspecto como el sistema 100 de la FIG. 1 descrito previamente.

Con referencia ahora a la FIG. 4, se representa una configuración alternativa del sistema de generación de potencia 100 de la FIG. 1, incorporado y descrito como sistema 400. Como tal, la FIG. 4 se püede entender mejor con referencia a la FIG. 1. En el sistema 400 de la FIG. 4, paletas de guía de entrada 410 se adicionan a la primera etapa del compresor de entrada 118 para controlar el gasto de flujo de masa del oxidante a través del compresor de entrada 118. Las paletas de guía de entrada 410 pueden ser estacionarias o variables, pero de preferencia son variables de modo que se pueden ajustar para tener en cuenta las variaciones en la alimentación de oxidante 120. Las paletas de guia de entrada 410 permiten el control bruto del gasto de flujo de masa a través del compresor de entrada 118, y el punto de operación del compresor de entrada 118 debe ser diseñado de modo que el extremo inferior de la precisión de control de las paletas de guia de entrada 410 proporcionará suficiente aire a la cámara de combustión 110. Por ejemplo, si las paletas de guia de entrada son precisas dentro de 2%, entonces 2% de oxidante adicional debe ser comprimido. En una o más modalidades, el control fino sobre el flujo de oxidante se puede ejercer al incorporar una corriente de ventilación 412 del compresor que emplea una válvula de soplado a fondo 414 para ventilar el oxidante en exceso, si lo hay, antes de que el oxidante comprimido 414 se alimente a la cámara de combustión 110. En tales modalidades, el oxidante en exceso opcionalmente puede ser ventilado a una presión que es menor que la presión de descarga en el compresor de entrada 118. El resto del sistema 400 opera en el mismo aspecto como el sistema 100 de la FIG. 1 descrito previamente. Mientras que es preferido que la corriente de ventilación 412 y la válvula de soplado 414 se utilicen en conjunción con las paletas de guia de entrada 410 para proporcionar una cantidad máxima de control, en una o más modalidades alternas la corriente de ventilación 412 y la válvula de soplado a fondo 414 opcionalmente se pueden emplear en lugar de las paletas de guia de entrada como el único método de control de flujo en el compresor de entrada 118.

Además de las modalidades descritas en lo anterior e ilustradas por las FIGs. 2 hasta 4, sistemas y métodos adicionales para controlar el suministro de oxidante a la cámara de combustión para mantener condiciones de combustión estequiométricas también se contemplan en la presente, y una ' o más de tales opciones se pueden implementar por separado o en combinación con uno o más de las modalidades previamente descritas. Por ejemplo, en una manera similar a aquella descrita en lo anterior con respecto a la FIG. 2, la alimentación de oxidante se puede calentar antes que enfriar para mantener una densidad constante. En las mismas u otras modalidades, orificios de aire dentro del sistema pueden tener geometría variable para ajustar el flujo de aire. En modalidades adicionales, uno o más enfriadores de descarga con control de desviación opcional se pueden emplear para controlar la temperatura de la alimentación de oxidante que sale del compresor de entrada y que entra al combustor.

En una o más modalidades adicionales, el sistema se puede diseñar para correr oxígeno ligeramente rico, de modo que una disminución en la densidad del aire ambiental, se puede ajustar. En tales diseños cuando el aire ambiental es más denso, el quemado del conducto, un catalizador u otra opción similar puede ser necesario para remover el oxígeno en exceso del sistema.

En las mismas u otras modalidades, impulsores variables se pueden emplear por todo el sistema de una manera similar a aquella descrita en la FIG. 3. Por ejemplo, un impulsor variable se puede emplear en conjunción con el soplador EGR 142, o en el compresor de entrada 118 mismo. En una o más modalidades, un impulsor de vapor se puede utilizar para operar el compresor de entrada 118 de modo que la velocidad del compresor se puede variar, para permitir de esta manera el control directo del compresor.

Mientras que la presente descripción puede ser susceptible a varias modificaciones y formas alternativas, las modalidades ejemplares discutidas en lo anterior se han mostrado únicamente a manera de ejemplo. Cualquiera de las características o configuraciones de cualquier modalidad descrita en la presente se pueden combinar con cualquier otra modalidad o con múltiples de otras modalidades (al grado factible) y todas de tales combinaciones se proponen para estar dentro del alcance de la presente invención. Adicionalmente, se debe entender que la descripción no se propone para ser limitada a las modalidades particulares descritas en la presente. En realidad, la presente descripción incluye todas las alternativas, modificaciones y equivalentes que caen dentro del espíritu verdadero y alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (24)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema integrado, caracterizado porque comprende : un sistema de turbina de gas que comprende una cámara de combustión configurada para quemar uno o más oxidantes y uno o más combustibles en la presencia de una corriente reciclada comprimida, en donde la cámara de combustión dirige una primera corriente de descarga a un expansor para generar una corriente de escape gaseosa y por lo menos parcialmente impulsar un compresor principal; un compresor de entrada configurado para comprimir uno o más oxidantes y dirigir una corriente de oxidante comprimida a la cámara de combustión; y un sistema de recirculación de gas de escape, en donde el compresor principal comprime la corriente de escape gaseosa y de esta manera genera la corriente reciclada comprimida; en donde las condiciones de reacción en la cámara de combustión son estequiométricas o sustancialmente estequiométricas .

2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende uno o más dispositivos de enfriamiento configurados para enfriar uno o más oxidantes antes de la introducción al compresor de entrada .

3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el uno o más oxidantes se enfrían a una temperatura por lo menos aproximadamente -6.6°C (20°F) menor que las condiciones ambientales.

4. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque además comprende un separador configurado para recibir el oxidante enfriado del dispositivo de enfriamiento y remover las gotitas de agua de la corriente de oxidante antes de la introducción al compresor de entrada.

5. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el dispositivo de enfriamiento es un intercambiador de calor que utiliza un refrigerante como un fluido de enfriamiento.

6. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un soplador configurado para incrementar la presión del uno . o más oxidantes antes de la introducción al compresor de entrada.

7. El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el soplador se controla mediante un impulsor de frecuencia variable.

8. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el compresor de entrada comprende paletas de guía de entrada.

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el compresor de entrada además comprende una corriente de ventilación con una válvula configurada para liberar el oxidante en exceso del compresor de entrada.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la válvula se configura para liberar el oxidante en exceso del compresor de entrada a una presión que es menor que la presión de descarga del compresor de entrada .

11. Un método para generar potencia, caracterizado porque comprende: comprimir uno o más oxidantes en un. compresor de entrada para formar un oxidante comprimido; quemar el oxidante comprimido y por lo menos un combustible en una cámara de combustión en la presencia de un gas de escape reciclado comprimido, para de esta manera generar una corriente de descarga; expandir la corriente de descarga en un expansor para por lo menos parcialmente impulsar un compresor principal y generar una corriente de escape gaseosa; y dirigir la corriente de escape gaseosa a un sistema de recirculación de gas de escape, en donde el compresor principal comprime la corriente de escape gaseosa y de esta manera genera la corriente reciclada comprimida; en donde las condiciones de reacción en la cámara de combustión son estequiométricas o sustancialmente estequiométricas .

12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además comprende enfriar el uno o más oxidantes en un dispositivo de enfriamiento antes de la introducción del uno o más oxidantes al compresor de entrada.

13. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el uno o más oxidantes se enfrian a una temperatura por lo menos aproximadamente -6.6°C (20 °F) menor que las condiciones ambientales.

14. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque además comprende recibir el oxidante enfriado del dispositivo de enfriamiento y remover las gotitas de agua del oxidante enfriado en un separador antes de la introducción del oxidante al compresor de entrada.

15. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el dispositivo de enfriamiento es un intercambiador de calor que utiliza un refrigerante como un fluido de enfriamiento.

16. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además comprende incrementar la presión del uno o más oxidantes utilizando un soplador antes de la introducción del oxidante al compresor de entrada.'

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el soplador se controla mediante un impulsor de frecuencia variable.

18. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el compresor de entrada comprende paletas de guia de entrada.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque además comprende ventilar el oxidante en exceso del compresor de entrada.

20. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el oxidante en exceso se ventila del compresor, de entrada a una presión que es menor que la presión de descarga del compresor de entrada.

21. El sistema de conformidad con la reivindicación I, caracterizado porque la corriente reciclada comprimida incluye un refrigerante de vapor, que suplementa o reemplaza la corriente de escape gaseosa.

22. El sistema de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque además comprende un circuito de reciclado de agua para proporcionar el refrigerante de vapor.

23. El método de conformidad con la reivindicación II, caracterizado porque además comprende adicionar un refrigerante de vapor a la corriente reciclada comprimida para suplementar o reemplazar la corriente de escape gaseosa.

24. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque además comprende un circuito de reciclado de agua para proporcionar el refrigerante de vapor.