NO325913B1 - Kraftverk og fremgangsmate for kombinert kraft- og varmegenerering. - Google Patents

Abstract

Det beskrives et kraftverk og en fremgangsmåte for elektrisk og termisk energiproduksjon omfattende en delvis våt luftkomprimering, varmeveksling, forbrenning og ekspansjon i en gassturbin.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et kraftverk og en fremgangsmåte for produksjon av elektrisk energi og varme.

Et velkjent kraftverkkonsept for fremstilling av elektrisk energi omfatter et brennkammer og en kompressor, en gassturbin og en generator koblet til en felles aksel. Luft føres inn i kompressoren, komprimeres og anvendes til forbrenning av brennstoff i brennkammeret. Avgassen fra forbrenningen ekspanderes i gassturbinen genererende energi.

I løpet av årene er det brukt mye tid og lagt mye innsats i optimalisering av energieffektiviteten og mengden av generert elektrisk energi. En måte å generere mer elektrisk energi fra systemet er å anvende varmen som er tilstede i den ekspanderte avgassen for å danne damp som igjen kan generere elektrisk energi i en dampturbin. Investeringene som er nødvendige for å inkludere et slikt varmegjenvinningsdampgenereirngssystem ("heat recovery steam generating" -HRSG) er betydelige.

Noen optimaliserte prosesser involverer mellomkjøling av delvis komprimert luft før luften komprimeres ytterligere. Dette reduserer mengden av energi som kreves til kompressorarbeid.

Andre optimaliseringer omfatter tilsetning av damp eller vann på forskjellige steder under eller etter kompresjonen for å endre de fysikalske egenskapene til de forskjellige strømmene. Komprimering av luft med full metning med vann i hvert trinn krever en ny type av kompressorer som enda ikke er fullt utviklet og utgjør en ikke løst utfordring for kompressoirndustrien.

WO 2004/083615 angir en fuktig luftturbinrfemgangsmåte hvor en komprimert luft-strøm fuktes før den føres inn i et brennkammer. Etter å være ekspandert i turbinen, tørkes minst en del av avgassen og returneres til kompressoren. Karbondioksid fjernes fra den komprimerte strømmen før den fuktes.

US 5,644,911 beskriver tilsetning av vanndråper til mettet damp før dampen føres inn i en dampkompressor.

EP 1149998 A2 angir tilsetning av vann ved inngangen til en kompressor til en gassturbin og halvveis i komprimeringsprosessen.

A.D. Rao et al. i "Energy Convers. Mgmt", vol. 37, nr. 6-8, s. 909-914,1996, sammen-ligner et fuktet luftturbin ("humid air turbine" -HAT) kraftverk omfattende karbondioksidfangst med et kombinert syklisk kraftverk omfattende karbondioksidfangst. I den beskrevne HAT-syklus fuktes luften etter at kompresjonsprosessen er avsluttet.

Formålet med disse beskrevne optimaliseringskonsepter har vært å optimere mengden av elektrisk energi som fremstilles og senke mengden av arbeid som konsumeres av prosessen og energi som etterlates i form av varme i avfall/avgasstrømmer.

I mange tilfeller drives en gassturbinkraftverk i forbindelse med andre prosesser slik som oljeraffinering, eller kraftverket omfatter anlegg for CCVfangst for å minske den miljømessige effekten av kraftproduksjonen. Noen av disse andre prosesser krever betydelige mengder av termisk energi.

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et kraftverk som samtidig er optimert for kraftgenerering og varmegenerering. Videre bør kraftverket ikke kreve betydelige ekstra investeringer i ytterligere utstyr eller kreve betydelig utvikling av nytt utstyr. Overraskende ble det funnet at dette kunne oppnås ved tilsetning av vann og/eller damp i den første delen av komprimeringen.

I et aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen et kraftverk for kombinert kraft-og varmegenerering omfattende en kompressor med flere trinn for komprimering av luft, en rekuperator, et brennkammer og en gassturbin, kjennetegnet ved at kompressoren omfatter et eller flere innløp for vann og/eller damp anordnet mellom trinnene i kompressoren og at innløpene kun er anordnet i den første delen av kompressoren.

I et annet aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen en fremgangsmåte for produksjon av elektrisk energi og varme kjennetegnet ved at fremgangsmåten omfatter å tilføre luft til en kompressor omfattende flere trinn,

å komprimere luften,

å tilsette vann og/eller damp mellom de første komprimeirngstrinn, dannende

fuktet komprimert luft,

å videre komprimere den fuktede komprimerte luften,

å varmeveksle den komprimerte fuktede luften i en rekuperator,

å brenne et brennstoff med den varmevekslede, komprimerte fuktede luften,

dannende en avgasstrøm,

å ekspandere avgasstrømmen i en gassturbin dannende elektrisk energi,

å føre den ekspanderte avgassen gjennom rekuperatoren for kjøling av den ekspanderte avgassen og oppvarme den komprimerte fuktede luften, derved dannende en varmeholdig avgasstrøm.

Andre aspekter ved den foreliggende oppfinnelsen er beskrevet i underkravene.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer detaljert med referanse til de vedlagte figurene hvor: fig. 1 viser et simplifisert flytskjema for en utførelsesform av kraftverket ifølge den

foreliggende oppfinnelsen, og

fig. 2 viser et simplifisert flytskjema av et kraftverk ifølge den foreliggende

oppfinnelsen kombinert med et anlegg for C02-fangst.

Betegnelsen "vann og/eller damp" og lignende uttrykk som anvendes her, omfatter alle mulige former av H2O fluid ved forskjellige temperaturer og trykk, inklusivt vann, vanndråper, mikrodråper, vannaerosol, overopphetet vann, damp, mettet damp, overmettet damp osv. og en hvilken som helst blanding derav.

Fig. 1 viser en kompressor 1, en gassturbin 4 og en generator 5 koblet til en felles aksel. Videre viser figuren en rekuperator 2 og et brennkammer 3. Luft føres inn i kompressoren 1 gjennom ledning 10 og komprimeres. Under den første delen av komprimeringen tilsettes demineralisert vann og/eller damp et eller flere steder gjennom rørledning 11. Når vann og/eller damp tilsettes, reduseres mengden av arbeid som kreves for å komprimere luften, og temperaturen til strømmen ut av kompressoren reduseres. Når vann og/eller damp tilsettes, kjøles luftstrømmen inne i kompressoren. Det tilsatte H2O fluid er fortrinnsvis damp, da dette har den beste kjølende effekten. I det minste hoveddelen 13 av den oppnådde fuktede komprimerte luftstrømmen føres gjennom rekuperatoren 2 for å varme strømmen før den føres inn i brennkammeret 3 som strøm 14. Brennstoff tilføres gjennom rørledning 15. Brennstoffet kan være naturgass, biogass, hydrogen, syntesegass, olje, diesel, bensin og/eller nafta. Forbrenningen i brennkammeret 3 genererer en avgasstrøm 16 som føres inn i gassturbinen 4. Kjøling av bladene i turbinen kan gjøres med en hvilken som helst tilgjengelig teknologi. En strøm 12 kan føres fra kompressoren 1 til gassturbinen 4 som bladkjøling. Strømmen 12 kan være fullstendig eller delvis oppvarmet i rekuperatoren 2, ikke vist. Bladkjølingen er ikke begrenset og kan utføres på en hvilken som helst mulig måte. Den ekspanderte avgassen forlater turbinen 4 gjennom rørledning 17 og føres inn i rekuperatoren for å føre noe av dens varme over til strømmen 13. Avgasstrømmen 18 som forlater rekuperatoren 2 inneholder betydelige mengder av varme og er varm nok til å oppvarme for eksempel en koker/fordamper for oljeraffinering, produsere en varm strøm i en varmeveksler eller produserer lavtrykksdamp for et CO2 tankanlegg. Under utnyttelse av varme i strøm 18 kan vann kondenseres og separeres ut fra resten av avgassen. Etter en renseprosedyre kan dette vannet gjenbrukes som damp og/eller vann i kompressoren 1. Derved kan prosessen bli selvforsynende med vann.

Tilsetning av vann/damp kun i den første delen av kompressoren senker mengden av arbeidet som kreves for å kjøre komprimeringen, fortrinnsvis med 15-20%. Videre er temperaturen til strømmen som forlater kompressoren lavere enn hvis ingen vann/damp tilsettes, men ikke så lav som hvis strømmen var blitt fullstendig mettet med vann i hvert trinn. Derfor er mengden av energi som kreves for å øke temperaturen i strømmen 14 inn i brennkammeret redusert sammenlignet med en mettet strøm, hvilket reduserer størrelsen av rekuperatoren. Derved blir temperaturen i avgassen 18 økt.

Hvis vann skulle tilsettes under hele komprimeringsprosessen, ville dette senke arbeidet som kreves for å utføre komprimeringen enda mer, men temperaturen til den komprimerte luften ville også være lav. Dette ville derfor kreve at mer varmeenergi overføres i rekuperatoren 2 til den komprimerte luftstrømmen 13. Som et resultat ville avgassen 18 inneholde mindre varmeenergi.

Som nevnt over, eksisterer en våt kompressor for generering av mettet eller nesten mettet komprimert luft ikke på markedet i dag, og en tradisjonell tørr kompressor kan ikke lett omdannes til denne type våtkompressor. I foreliggende oppfinnelse tilsettes vann kun i begynnelsen av komprimeringsprosessen, fortrinnsvis i løpet av den første halvdelen, mer foretrukket de første 30% av det totale antallet av trinn. På dette tidspunktet har trykket nådd ca. 20-40% av dets sluttverdi, mer foretrukket 35% av dets sluttverdi. Modifikasjonene på den konvensjonelle kompressoren som må gjøres for å oppnå dette er små, idet en konvensjonell kompressor anses å tolerere denne mengden av vann i den siste delen av komprimeringsprosessen. Videre omfatter noen konvensjonelle kompressorer allerede noen vann-/dampinnløp tilføyd for rengjøringsformål.

I den foreliggende oppfinnelsen tilføres vann og/eller damp i de første trinnene av komprimeringen. I hvert trinn hvor vann og/eller damp tilføres blir den komprimerte luften fortrinnsvis omtrentlig mettet med vann.

En ytterligere effekt av tilsetning av vann/damp er at forbrenningen genererer mindre nitrogenoksider (NOx). NOx er kjent for å være skadelig for miljøet og i mange land er tillatt utslipp av NOx begrenset.

Energieffektiviteten til fremgangsmåten drar fordel av det faktum at all elektrisk energi produseres i en generator sammenlignet med tradisjonelle kraftverk med HRSG.

Fig. 2 illustrerer kombinasjonen av kraftverket ifølge oppfinnelsen med et CC^-fangst-anlegg. Kraftverkdelen tilsvarer anlegget på fig. 1. Avgassen 18 fra rekuperatoren 2 først føres gjennom en varm vann/damprfemstiller 20 for fremstilling av vann og/eller damp som skal injiseres inn i kompressoren gjennom rørledningen 11. Varm vann/- dampfremstilleren 20 er valgfri og kan være en hvilken som helst enhet i stand til å produsere en vann- og/eller dampstrøm 11 som kan føres inn i kompressoren 1. Frem-stilleren 20 kan være en mikrodråpeproduserende enhet kjent fra kjent teknikk. Avgassen forlater varm vann/dampfremstilleren 20 som strøm 30 og tilføres en lavtrykks dampfremstiller 21. Derfra føres avgasstrømmen 31 inn i en kondensator 22. Her separeres vann 42 fra og kan resirkuleres som en vannstrøm 32. Vannet må kanskje renses og/eller demineraliseres i en rense- og/eller lagringsenhet 26 før vannet resirkuleres gjennom ledning 33 til varm vann/dampfremstilleren 20. Avhengig av driftsbetingelsene er det mulig å inkludere en forvarmeenhet nedstrøms fra dampfremstilleren 21 å ekstrahere mer varmeenergi før vannet kondenseres, ikke vist. En tørket restavgasstrøm 34 kan føres til en blåser 23 før strømmen 35 føres inn i en CO2 fangst-enhet 24 hvor CO2 absorberes fortrinnsvis ved anvendelse av en aminløsning resul-terende i en CO2 fri avgasstrøm 36 som kan frigis til det omkringliggende miljøet. Inne i fangsenheten 24 desorberes CO2 fra aminløsningen ved anvendelse av varme fra lav-trykksdampstrøm 39 fra dampfremstilleren 21. En kondensatstrøm 40 kan resirkuleres til dampfremstilleren 21 som strøm 41 eller anvendes et annet sted. Desorpsjonen danner en CO2 rik strøm 37, som kan trykksettes og/eller gjøres flytende i enhet 25 for å oppnå en CO2 produktstrøm 38 som kan lagres, injiseres i undergrunnen for å lette oljeutvinning eller anvendes på annen måte.

Alternativt er det mulig å varmeveksle avgassen 30 med den CO2 rike absorbenten, ikke vist.

De optimaliserte driftsbetingelsene for et kraftverk ifølge den foreliggende oppfinnelsen vil i ethvert tilfelle avhenge av utstyret som benyttes. De følgende eksemplene viser betingelsene og resultatene for et system. Det vil være innlysende for en teknisk fagperson innen fagfeltet at disse kan variere betydelig innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelsen. Eksemplene skal ikke anses som begrensende for den foreliggende oppfinnelsen.

Eksempel 1

I en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er driftsbetingelsene for kraftverket illustrert på fig. 1 som følger: Vann/damp 200°C/100 bar tilsettes til kompressoren inntil den komprimerte luften når 5-6 bar. På dette tidspunkt var vanninnholdet 9,6 mol-%. Deretter komprimeres den fuktede luften ytterligere og forlater kompressoren ved 230°C/17 bar. Rekuperatoren oppvarmer luftstrømmen til 575°C før den føres inn i brennkammeret. Avgassen som tilføres gassturbinen vil ha en temperatur på omtrent 1239°C og forlater turbinen ved 600°C/> 1 bar. Etter at avgasstrømmen har passert rekuperatoren vil den ha en temperatur på 280°C.

Eksempel 2

I dette eksempelet er utførelsesformen til eksempel 1 kombinert med et CO2-fangstanlegg som illustrert på fig. 2. Betingelsene var som følger: Etter at avgasstrømmen har passert vann/dampfremstilleren har den en temperatur på 270°C. I lavtrykks dampfremstilleren og den mulige forvarmeren reduseres denne til 110 °C. Etter å ha blitt tørket i kondensatoren har avgassen en temperatur på 40 °C og et CO2 innhold på ca. 3,5 mol-%. Betingelsene av den produserte lavtrykksdamp er 150 °C/3,5 bar og kondensatet vil være ved 130 °C.

Den lavere varmeverdienergieffektivitet i dette eksempelet er 51 %, inklusivt CO2 komprimering og interne tap.

Claims (10)

1. Kraftverk for kombinert kraft- og varmegenerering omfattende en kompressor (1) med flere trinn for komprimering av luft, en rekuperator (2), et brennkammer (3) og en gassturbin (4), karakterisert ved at kompressoren omfatter et eller flere innløp for vann og/eller damp anordnet mellom trinnene i kompressoren og at innløpene kun er anordnet i den første delen av kompressoren.

2. Kraftverk ifølge krav 1, karakterisert ved at et eller flere innløp for vann og/eller damp er anordnet mellom de første 50% av det totale antall trinn i kompressoren.

3. Kraftverk ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at et eller flere innløp for vann og/eller damp er anordnet mellom de første 30% av det totale antall trinn i kompressoren.

4. Fremgangsmåte for produksjon av elektrisk energi og varme, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å tilføre luft til en kompressor (1) omfattende flere trinn, å komprimere luften (10), å tilsette vann og/eller damp (11) mellom de første komprimeirngstrinn, dannende fuktet komprimert luft, å videre komprimere den fuktede komprimerte luften, å varmeveksle den komprimerte fuktede luften (13) i en rekuperator (2), å brenne et brennstoff (15) med den varmevekslede, komprimerte fuktede luften (14), dannende en avgasstrøm (16), å ekspandere avgasstrømmen (16) i en gassturbin (4) dannende elektrisk energi, å føre den ekspanderte avgassen (17) gjennom rekuperatoren (2) for kjøling av den ekspanderte avgassen (17) og oppvarme den komprimerte fuktede luften (13), derved dannende en varmeholdig avgasstrøm (18).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at vann tilsettes i løpet av de første 50% av det totale antall av trinn i komprimeringen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at vann tilsettes inntil trykket til den komprimerte fuktede luften når ca. 35% av dets sluttverdi.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 4-6, karakterisert ved at fremgangsmåten videre omfatter å føre den varmeholdige avgassen (18) gjennom en lavtrykks dampfremstiller (21).

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 4-6, karakterisert ved at fremgangsmåten videre omfatter å føre den varmeholdige avgassen (18) gjennom en varmeveksler for å produsere en varm strøm.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at fremgangsmåten videre omfatter å fjerne vann fra den kjølte avgasstrømmen (31) etter at den har passert dampfremstilleren (21) for å danne en tørr avgasstrøm (34, 35), å absorbere CO2 fra den tørre avgasstrømmen (34, 35) i en aminløsning for å fange CO2, å desorbere CO2 fra aminløsningen ved å oppvarme denne med den genererte lavtrykksdampen (39) for å danne en CO2 rik strøm (38).

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 4-8, karakterisert ved at vann inneholdt i den avkjølte avgassen (18,31) ekstraheres og resirkuleres til komprimeringsprosessen.