TW394820B - High efficiency reformed methanol gas turbine power plants - Google Patents

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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 B7 五、發明説明（1 ) 發明範園 本發明係關於將已重整甲醇用做爲氣體渦輪機之燃料 的組合式氣體/氣體渦輪機電廠。來自反壓蒸氣渦輪機之 廢氣則用於甲醇重整器中。 發明背景 吾人對使用氣體渦輪機之電廠效能的改良存在著相當 的興趣。在簡易循環之氣體渦輪機中，來自渦輪機廢氣之 熱會被消耗掉，進而產生較低的總循環效能。 再生（使燃料預熱）係一增加電廠效能的簡易方法； 然而，增加的效能卻是在犠牲了減低系統電力輸出之成本 下得到的。減低的電力輸出，與增加的預熱設備費用結合 時，會加大操作電廠的固定成本，最後，成本將加到消費 者身上。 熟諳此藝者將可從氣體渦輪機排氣中回收某些廢熱。 舉例之’目前已經使用了藉由蒸氣（其係經由氣體渦輪機 之氣體燃燒所得之熱來產生）所驅動之冷凝式蒸氣渦輪機 )。此種類之密閉迴路（結合式循環）硏究可相當地改良 電廠效能，但由於需要供蒸氣渦輪機用之冷凝器及冷卻水 迴線（可能還需要冷卻ί合），所以花費很昂貴。 其他從廢氣中回收熱的方法有使用化學上同流換熱氣 體渦輪機（''CRGT// )。在CRGT循環中，來自氣 體渦輪機之廢熱可在化學重整器回收。此C R G T循環比 蒸氣射入式氣體渦輪機（S T I G 〃）循環更佔優勢， | "]/裝 訂 , ^ 'J. (.請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2H)X297公t ) -4-

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（2 ) 在減低氮氧化物類之放出上，氣體渦輪機是無需蒸氣射入 。使用天然氣時，對重整而言係需要7 0 0〜9 0 0°C之 溫度，然而.，對醇類而言，以既存之氣體渦輪機技術及回 收裝置可在較低溫度下進行廢熱之化學回收。特定言之’ 由於甲醇做爲燃料時的內在特性（優異的燃燒特性，低環 境污染，低重整溫度），及可從任何化石燃料及任何可更 新之有機物質中製造的可行性，皆使之更爲人所喜愛。 對電廠在不犠牲其總電力輸出下，仍具有簡易的渦輪 機設計及增加效能和低資金成本，還存著需求。電廠較佳 地應該在相當低溫下操作，並應使用現成可得之燃料，如 甲醇。本發明即符合此一需求。 發明摘述 本發明係關於一高效能電廠，彼包括：第一渦輪機， 其可供應已重整燃料以驅動發動機並卸出一具有第一種溫 度之氣體；熱回收蒸氣發電機（HRS G)，供應有該具 有第一種溫度之氣體以產生具有第一種壓力之蒸氣並卸出 一具有第二種溫度（比該第一種溫度小）之氣體；第二渦 輪機，供應有該具有第一種壓力之蒸氣以驅動該發電機並 卸出具有比該第一種壓力小之第二種壓力的蒸氣；及一重 整器，其內一旦供應燃料時，該具有第二種壓力之蒸氣， 及該具有第二種溫度之氣體將使該燃料重整，進而將該已 重整燃料供應至該第一渦輪機中。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Θ 、τ 本紙悵尺度適用中國國家標準（CNS ) A4权格（21〇χ 297公犮） -5- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 ^__^_____ 五、發明説明@ ) 〜'~~~ 簡略說明 _1係表示使用天然氣渦輪機及冷凝式蒸氣渦輪 典型電廠的解說圖。 圖2係表示使用一藉由合成氣（其係從已重整甲醇中 ^得）來燃燒之氣體渦輪機的電廠圖示。 圖3係表示如本發明之電廠的解說圖。 元件對照表 1 氣體渦輪機_ 2 蒸氣渦輪機 3 熱回收蒸氣發電機 4 冷凝器 5 冷卻塔 6 泵 7 天然氣 8 進入空氣 Θ 廢氣排出 11 發電機 1 2 補充冷卻水 1 3 高壓蒸氣（HP蒸氣） 1 5 .冷卻水 2 5 重整器 2 1 氣體渦輪機 23 熱回收蒸氣發電機 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x 297公婕） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 袭· 訂 [ 五、發明説明（4 ) 30 輸入空氣 3 1 廢氣 2 7 汽化器 2 9 發電機 醇及過剩之蒸氣 水 出 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3 3 已重 整 之 甲 3 5 進入 之 新 鮮 3 9 殘餘 熱 被 排 4 2 廢氣 4 3 低壓 蒸 氣 4 1 氣·體 渦 輪 機 4 1 a 吸 入 通 氣 4 1 b 燃 燒 室 4 1 c 廢 氣 通 氣 4 7 空 氣 4 9 甲 醇 5 3 水 5 5 汽 化 器 5 7 重 整 器 5 9 熱 回 收 蒸 6 1 筒 壓 m / \ w 氣 6 5 汽化 甲 醇 4 3 反 壓 蒸 氣 6 7 含有 過 剩 □ P 氣發電機 渦輪機 蒸氣之已重整甲醇。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 Μ _ Β7 五、發明説明（5 ) 發明說明 本發明係如圖3所解說，可藉由將本發明特性與兩個 典型電廠之相對應特性加以比較而使本發明更易於明瞭。 圖1係顯示一使用天然氣做爲燃料之典型電廠。氣體渦輪 機1令消耗做爲燃料之天然氣7及進入空氣8。僅只基於 解說，由 General Electric Company 製造之 G E 7 F A 渦輪 機可用做爲標準型參考用氣體渦輪機，其天然氣之燃料消 耗率可視爲7 9 0噸（8 0 3公噸）每天。氣體渦輪機會 驅動發電機1 1 ，氣體渦輪機之輸出是1 6 6MW。且該 渦輪機之廢氣會進入熱回收蒸氣發電機（HRSG) 3內 ，而HRSG之廢氣則在9處排出。HRSG3內，在每 小時550，000磅（249，500公斤）下可產生 高壓蒸氣（HP蒸氣）1 3。此高壓蒸氣可用來輸入蒸氣 渦輪機2中，進而產生額外之7 7MW以驅動該發電機。 來自蒸氣渦輪機之廢氣將進入冷凝器4中，其內該蒸氣將 被冷凝並再循環至HRSG。 此冷凝器需要由泵提供之冷卻水1 5 :用過之冷卻水 將依次地在冷卻塔5中冷卻。其自冷卻塔之水會經由泵6 而再循環至冷凝器中。若需要的話，可在1 2處補充冷卻 水。 以慣用之電腦程式模擬操作爲基礎時，圖1之電廠具 有237MW (淨）之輸出，及5 2%之低熱値（LHV 效能），而高熱値（HHV)效能爲47%。在擁有昂貴 之冷凝式蒸氣渦輪機及冷卻水迴路的較高資金成本下會得 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -8 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 Λ 7 __________Β7 五、發明説明（6 ) 到高的效能。 圖2係解說以已重整甲醇爲基之電廠。氣體渦輪機是 使用輸入空氣3 0及來自重整器2 5之已重整甲醇33。 已重整甲醇係在重整器內藉由兩步驟方法並使用氣態甲醇 及蒸氣而製造。在第一步驟中，氣態甲醇係根據下列反應 而被催化分解成一氧化碳及氫 CH3〇H^CO+2H2 (1) 加入具有化學計量特性之蒸氣時，一氧化碳可根據下 列平衡移動反應而轉化成二氧化碳，並進一步產生氫 CO + H2〇-^C〇2+H2 (2) 整個甲醇重整法可視爲兩個不同程序的合成，根據反 應式（1 )第一個係吸熱分解，而第二個係放熱的一氧化 碳轉化反應（2)。在一適度設計之反應器內，兩個程序 會同時發生。 氣體渦輪機之廢氣3 1係用於HR S G 2 3以便從進 入之新鮮水3 5中製造低壓蒸氣4 3。HRS G之廢氣 4 2中的殘餘熱在3 9處被排出前將依次地用來加熱重整 器25，預熱汽化器27內的甲醇。甲醇及低壓蒸氣（ L P )將射入重整器2 5，而重整器之輸出物中含有已重 整之甲醇及過剩的蒸氣3 3，則可用來驅動渦輪機2 1。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. 、va 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 29?公釐） -9- 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 Λ7 B7 五、發明説明（7 ) 依序地，渦輪機會再驅動發電機2 9以產生電力。相對照 於圖1所示之裝置，水並沒有再循環。水係以廢氣中的一 部份而消失掉，由於回收水的昂貴成本，所以其並不回收 0 電腦模擬顯示出和圖1例子所示之相同的氣體渦輪機 ，其可用來產生約2 2 5MW (淨）的電力，且在圖2之 表面配置中具有約4 6%LHV效能。雖然此效能比圖1 之表面配置低，但由於少了蒸氣渦輪機，冷凝器及冷卻塔 ，所以資金成本則相當地減小了。 圖3係解說如本發明之電廠。氣體渦輪機41供應有 來自吸入通氣口 4 1.a之空氣4 7，及來自重整器5 7之 含有過剩蒸氣的已重整甲醇6 7。此已重整甲醇將在氣體 渦輪機之燃燒室4 1 b中燃燒’然後其廢氣將經由廢氣通 氣口 4 1 c離開該渦輪機。來自渦輪機之廢氣其溫度係在 約1 1 0 0°F (〜5 9 5 °C)。來自渦輪機之廢氣可依次 地（1 )加熱HRSG5 9內之水5 3以產生高壓蒸氣 6 1； ( 2 )加熱重整器5 7以製造已重整甲醇；及（3 )預熱汽化器55中之甲醇49以產生汽化甲醇。從 H R S G中卸下氣態卸出物的溫度雖比與氣體渦輪機之廢 氣溫度低，但仍熱到足以加熱重整器。在一替代性具體實 施例中，廢氣可經由使用熱傳移流體/介質而間接地加熱 重整器或汽化器。 H R S G 5 9供應有水5 3。此水有時候是稱之爲 單程水〃，由於其不再循環之故。HR S G可產生高壓蒸 丨 ~：---i.---1 裝 — -----訂 J--^---J (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公t ) -10- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ___—_B7 _____ 五、發明説明（8 ) 氣。此高壓蒸氣係用來推進一反壓蒸氣渦輪機4 3。 B P T係不同於冷凝式蒸氣渦輪機，因B P T之出口氣體 係爲低壓蒸氣形態，且仍有相當的溫度及壓力。在Β Ρ Τ 出口處之蒸氣的典型溫度係約6 0 0°F (〜3 1 5°C) ° 在本發明中，此低壓蒸氣可連同汽化甲醇6 5 —起輸入重 整器5 7物。在一替代性具體實施例中，渦輪機4 1係一 S Τ I G，而低壓蒸氣係用於重整及蒸氣射入，以使渦輪 機內之電力增大。此低壓蒸氣也可用在其他程序上，如重 整器之熱輸入，熱轉移流體/介質，重整蒸氣等。 在一較佳具體實施例中，重整器係用於從甲醇及蒸氣 中製造已菫整甲醇。此重整作用可經由如上述之反應式（ 1 )及（2 )的反應而以兩步驟方法操作；然而，在較佳 具體實施例中，已重整甲醇.係藉使用由銅，鋅，鋁，或彼 等之混合物所組成的觸媒而以單一步驟方法製得。使用上 述之標準型參考用渦輪機等，電腦模擬顯示圖1之排列在 5 ◦ % L Η V效能下能產生2 4 2 M W,(淨）。從氣體渦 輪機到發電機之電力輸出量係2 2 8MW，而從Β Ρ Τ到 發電機之電力輸出量是18MW。 在一替代性具體實施例中是使用二甲基醚（DME) 替代甲醇做爲燃料以產生合成氣。只要不違反本發明之範 圍也可使用甲_院或液化石油氣體（L P G )。 相較於圖1及圖2之電廠，本發明有若干優點。第一 ，與結合式循環電廠比較時，由於少了蒸氣渦輪機冷凝器 及冷卻水線圈，因而可減低資金成本。第二，大部份之電 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ¥ 裝. 、?τ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公t ) 「11 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印敢 A 7 B7 五、發明説明（9 ) 力輸出（2 2 8MW)係來自氣體渦輪機（相較下，其係 一件較不昂貴的設備），而相對地較昂貴之蒸氣渦輪機的 輸出量是1 8MW。對照下，在圖1之電廠中，蒸氣渦輪 機輸出是量係約一半的氣體渦輪機之輸出量。由於蒸氣渦 輪機相對地具高成本，所以圖1電廠中各渦輪機的結合資 金成本要比本發明之渦輪機的結合資金成本還要高。因此 ’在效能只有少量損失下.使用B P T渦輪機便可減低資金 成本。 當與使用天然氣燃燒之氣體渦輪機（具有或無需 S T I G渦輪機）比較時，合成氣在氣體渦輪機之電力輸 出（具有或無需ST I G)上的物理特性會使電力輸出量 昇高。此一推昇係導源於同時符合氣體渦輪機之輸出限度 的能力，並且在相同時間下藉由甲醇重整及高壓蒸氣之產 生便能從氣體渦輪機廢氣中達成完全的熱回收。經由氣體 渦輪機之廢氣溫度所設定的高壓及高溫下，擁有充份的蒸 氣產生及熱回收係可行的。 由於氣體渦輪機係在最大速率下操作，所以在 ST I G方法中所有可用之高壓蒸氣就不能用來送進氣體 渦輪機中。該經由產生增大性電力且同時將高壓蒸氣減低 至低壓蒸氣的B P T，便能從廢氣中有充份的熱回收’ B P T也可配合已重整甲醇之流程一起使用，以產生供用 於蒸氣射入式氣體渦輪機之程序蒸氣（Process steam )。 最低壓力値係由特定之氣體渦輪機平面配置來設定。典型 地，此最低壓力値係在約3 0 0至約4 0 0 p s i ( 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -12- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T .1 I· Λ 7 _____ Β7 五、發明説明（1〇 ) 2 . 07 — 2 · 76MPa)範圍內，其係氣體渦輪機之 燃燒壓力。 熟諳此藝者應明瞭的是，只要不違背本發明之精神， 本文中所述之具體實施例都可進行許多的條正。據此，本 文中所述之具體實施例只是解說而已’並不意圖限制本發 明之範圍。 1， 聞 it 背 之 注 意 項 寫 頁 裝 η - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙乐又度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（2丨〇'乂297公釐） -13-

Claims (1)

1. 394820六、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 1 · 一種電廠，彼包括： (a )第一渦輪，其供應有已重整燃料以驅動發電機 並卸出一具有第一種溫度之氣體； (b )熱回收蒸氣發電機（HRS G)，其供應有該 具有第一種溫度之 卸出一具第二種溫 (c )第二渦 氣以驅動該發電機 壓力還小）之蒸氣 (d )重整器 力之蒸氣及該具有 將該·已重整燃料供 製造一具有第一種壓力之蒸氣並 該第一種溫度小）之氣體； 有第一種壓力之蒸 壓力（比該第一種 氣體以 度（比 輪機，其供應有該具 並卸出一具有第二種 ;以及 請 先 閱 讀 背 ιέ 之 注 意 事 項 再 % 本 頁 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 第二種 應至該第一渦輪機中 2 ·如申請專利範圍第1項之電廠 卸出一廢氣，且該電廠可進一步包括預 供應有該廢氣以預熱及汽化該燃料，再 供應至該重整器中。 3 ·如申請專利範圍第1項之電廠 醇。 4，如申請專利範圍第1項之電廠 甲基醚。 5 _如申請專利範圍第1項之電廠 質烴。 6 ·如申請專利範圍第1項之電廠 使用觸媒以便將該燃料轉化成該已重整 其一旦供應燃料時，該具有第二種壓 溫度之氣體將使該燃料重整，並 ’其中該重整器將 熱器/汽化器，其 將相當汽化之燃料 ，其中該燃料係甲 ，其中該燃料係二 ，其中該燃料係輕 ，其中該重整器係 燃料，其中該觸媒 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） -14- A8 B8 C8 D8 394820 射入式氣體渦輪機。 電廠，其中該具有第二 用之熱源。 六、申請專利範圍 係選自銅，鋅，鋁，及彼等 7 ·如申請專利範圍第 一由該具有第二種壓力驅動 8 ·如申請專利範圍第 種壓力之蒸氣可.進一步包含 9 ·. 一種電廠，彼包括 (a )第一氣體渦輪機 及一具有第一種壓力之蒸氣 第一種溫度之氣體； 之混合物。 1項之電廠，彼可進一步包括 之蒸氣 1項之 供程序 其供應有已重整之氣態燃料 以驅動發電機並卸出一具有 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 具有第一種 一種壓力大 溫度小）之 (C ) 力之蒸氣及 將該已重整 (d ) ，以驅動該 1〇· 輪機可卸出 11 · 器將卸出一 ，其供應有 燃料供應至 b )熱回收蒸氣發電機（HRSG)，其供應有該 有第二種壓力（比該第 溫度之氣體以製 ).之蒸氣並卸出 氣體； 重整器 該具有 燃料供 第二渦 發電機 如申請 該具有 如申請 廢氣， 該廢氣 該重整 ’其一旦 第二種溫 應至該S 輪機，其 〇 專利範圍 第一種壓 專利範圍 且該電廠 以預熱及 器中。 造一具 一具第二種溫度（比該第一種 供應燃料時.，該具有第一種壓 度之氣體將使該燃料重整，並 TIG； 供應爲該具有第二壓力之蒸氣 第9項 力之蒸 第1 0 可進一 汽化該 之電廠，其中該蒸氣渦 氣。 項之電廠，其中.該重整 步包括預熱器/汽化器 燃料’再將相當汽化之 訂- 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15 ABCD 394820 々、申請專利範圍 1 2 ·如申請專利範圍第9項之電廠，其中該燃料係 甲醇。 1 3 .如申請專利範圍第9項之電廠’其中該燃料係 二甲基醚。 1 4 .如申.g靑專利範圍第9項之電廠，其中該燃料係 輕質烴。 1 5 ·如申BF3專利fe圍第9項之電廠.，其中該重整器 係使用觸媒以便將該燃料轉化成該已重整燃料，其中該觸 媒係選自銅，鈴’銘，及彼等之混合物。 1 6 ·—種從燃料中發生電的方法，彼包括·· (a )操作一供應有已重整燃料之第一渦輪機，以驅 動發電機並卸出一具有第一種溫度之氣體； (b )操作一供應有該具有第一種溫度之氣體的熱回 收蒸氣發電機（HR S G )，以便產生具有第一種.壓力之 蒸氣並卸出一具有第二種溫度（比該第一種溫度小）之氣 體； 經濟部4-央標隼局員工消費合作社印製 (c)將該具有第一種壓力之蒸氣供應至第二渦輪機 中使驅動該發電機並卸出一具有第二種壓力（比該第一種 壓力小）之蒸氣；以及 (d )—旦供應燃料時即操作重整器，該具有第二種 壓力之蒸氣及該具有第二種溫度之氣體會重整該燃料·並 將該已重整燃料供應至該第一渦輪機中。 1 7 .如申請專利範圍第1 6項之方法’其中該重整 器將卸出一廢氣，且該電廠可進一步包括預熱器/汽化器 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A8 B8 C8 D8 394820 A、申請專利範圍 ’其供應有該廢氣以預熱及汽化該燃料，再將相當汽化之 燃料供應至該重整器中。 1 8 ·如申請專利範圍第1 6項之方法，其中該燃料 係甲醇。 1 9 ·如申請專利範圍第1 6項之方法，其中該燃料 係二甲基醚。 2 〇 ·如申請專利範圍第1 6項之方法，彼可進一步 包含在該重整器中使用觸媒以便將該燃料轉化成該已重整 燃料，其中該觸媒係選自銅，鋅，銘，及彼等之混合物_。 2 1 ·如申請專利範圍第1 6項之方法，彼可進一步 包含使用該在第二種壓力下之蒸氣以驅動一蒸氣射入式氣 體渦輪機。 2 2 ·如申請專利範圍第1 6項之方法，彼可進一步 包含使用該在第二種壓力下之蒸氣以做爲供方法程序用之 熱源。 ,A . -/. / (請先閱讀背面之注意事咦再填寫本頁) 、言 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）