CN1155619A - 以部分负荷操作联合气化循环动力产生系统 - Google Patents

Abstract

联合燃气轮机/空气分离系统是在或低于全系统负荷下通过用来自专用的空气进料压缩机的空气并且任选来自燃气轮机空气压缩机的抽出的气对空气分离设备进料。当燃气轮机空气压缩机排出物在部分负荷条件下降到低于所选压力时，进入到空气分离设备中的抽出的气的流量不连续，并且空气分离设备在仅由空气进料压缩机提供的恒定的压力下操作。这种操作模式在联合气化循环(IGCC)动力产生系统中尤其有用，并可设计氧气和氮气产品压缩机，所以所述压缩机在全负荷IGCC操作中，以高效率操作。

Description

以部分负荷操作联合气化循环动力产生系统

本发明涉及联合气化循环动力产生系统的操作，具体地讲，涉及当动力产生系统以小于设计负荷操作时，用于操作燃气轮机和空气分离设备的方法。

用先进的联合气化循环压力产生系统发电比用标准的煤力发电厂发电更具有降低的动力成本和较低的环境影响的潜力。在所述先进系统中，将煤或其他碳质材料用氧气气化，净化所产生的气体，以得到低硫可燃气体。利用这种可燃气体在燃气轮机产生系统中产生电力，具有降低的环境影响。用于联合气化循环(integrated gasificationcombined cycle)(IGCC)系统的先进的燃气轮机、煤气化工艺、和空气分离系统的较高的效率和所证明的可靠性激起了人们近年来对联合气化循环(gasification combined cycle)(GCC)技术的越来越大的兴趣。IGCC系统的这三个主要组成部分的适当联合对实现最大操作效率和最小动力成本是必要的。

本领域对GCC和IGCC动力产生系统的一般性综述由D.M.Todd在GE Turbine State-of-the-Art Technology学术会议上以题为“CleanCoal Technologies for Gas Turbines”的文章(1993年7月，P1-18)提出。A.K.Anand等人提供了涉及IGCC系统的设计因素的综述，论文题为“New Technology Trends for Improved IGCC System Performance”，该论文在1995年6月5-8日在德克萨斯休斯顿举办的Intemational GasTurbine and Aeroengine Congress and Exposition上发表。有关各种联合技术及其对GCC经济的影响的综述由A.D.Rao等人以题为“Intergation of Texaco TQ Gasification with Elevated Pressure ASU”的论文给出，该论文在1994年10月19-21日在CA旧金山举行的第13届EPRI Conference on Gasification Power Plants会议上发表。

在于1994年10月19-21日在CA旧金山举行的第13届EPRIConference on Gasification Power Plants会议上发表的题为“ImprovedIGCC Power Output and Economics Incorporating a Supplementary GasTurbine”的论文中，A.R.Smith等人综述了燃气轮机和空气分离设备在IGCC工艺中的几种联合模式。在一种模式中，空气分离设备进料空气是由分立的压缩机提供的，而来自空气分离设备的部分氮气产品则被压缩并引入到燃气轮机燃烧室中。这种联合氮气的模式可以允许在增加的燃气轮机动力输出和降低的NOx形成的条件下操作IGCC系统。在另一种操作模式中，联合氮气与联合空气结合在一起，其中进入到空气分离设备中的部分进料空气由来自于燃气轮机压缩机的抽出的气提供。该另一种模式，被定义为空气和氮气联合，它可以有较大的操作弹性，并可以在以部分负荷和其他非设计条件下操作IGCC系统过程中有较高的最佳化程度。

空气和氮气联合燃气轮机/空气分离系统描述于下述有代表性的美国专利中：

                  美国专利US 3,731,495，4,019,314，4,224,045，4,557,735，4,697,415，5,081,845，5,386,686，5,406,786和5,410,869，和英国专利申请UK 2067668A。

包括IGCC系统的基于燃烧的动力产生系统受制于低于系统设计容量的各个操作时期，这是由于在环境空气温度和/或对电力的循环需求的变化所造成的。在这些操作时期中，所述系统以低于设计效率来操作。因而设备的选择和对IGCC系统的工艺设计必须要保证在设计容量下的稳定状态操作，以及在非设计条件、部分负荷、或关闭(turndown)条件下的操作。上述空气和氮气联合IGCC系统是优选的，因为所述系统具有在最大总效率、特别是当所述系统还必须在非设计、部分负荷、或关闭条件下操作时的操作的潜力。

下面所公开的并由所附权利要求书所限定的本发明阐述了对操作先进动力产生系统的改进方法的需求，并具体描述了对在部分负荷或关闭条件下对空气和氮气联合燃气轮机和空气分离系统的改进操作。

本发明涉及以部分负荷操作联合燃气轮机/空气分离系统的方法，所述方法包含在燃气轮机空气压缩机中压缩空气，使至少一部分所得压缩空气与燃料在燃气轮机燃烧室中燃烧，以形成热燃烧产品，在燃气轮机骤冷器中膨胀该热燃烧产品，所述骤冷器驱动压缩机并任选驱动发电机。将空气在低温空气分离设备中分离成富氮和富氧产品，其中，进入到空气分离设备中的进料空气是由主空气压缩机提供的，并任选由来自燃气轮机空气压缩机的附加的压缩空气提供。联合燃气轮机/空气分离系统是以部分负荷操作的，以便：

(a)当燃气轮机空气压缩机以大于最小空气分离设备进料压力的给定操作压力提供压缩空气时，空气分离设备以与给定操作压力基本相同的进料压力操作，并且进料空气由主空气压缩机与来自燃气涡轮机空气压缩机的附加部分压缩空气提供到空气分离设备；或

(b)当燃气轮机空气压缩机以基本等于或小于最小空气分离设备进料压力的给定操作压力提供压缩空气时，空气分离设备以基本上等于最小空气分离设备进料压力的进料压力进行操作，并且进料到空气分离设备中的进料空气由主空气压缩机提供，没有来自燃气轮机空气压缩机的附加压缩空气。

最小空气分离设备进料压力为80-500磅/平方英寸。

主空气压缩机以两种模式之一操作，以便

(a)当主空气压缩机以大于最小空气分离设备进料压力的排出压力操作时，主空气压缩机以大于其最小设计总相对压缩比和低于其最大设计相对吸入体积流动进行操作；或

(b)当主空气压缩机以基本上等于最小空气分离设备进料压力的排出压力操作时，主空气压缩机基本上以其最小设计总相对压缩比和在或低于其最大设计相对吸入体积流动进行操作。

主空气压缩机的最小设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动主要在最小空气分离设备进料压力时产生。主空气压缩机在排出压力为80-600磅/平方英寸下操作。

富氧产品在氧气压缩机中压缩，该压缩机以两种模式中之任一种操作，以便：

(a)当主空气压缩机在大于最小空气分离设备进料压力的排出压力下操作时，氧气压缩机在低于其最大设计总相对压缩比和低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；或

(b)当主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作时，氧气压缩机基本上在其最大设计总相对压缩比和在或低于其最大设计相对吸入体积流动下操作。

氧气压缩机的最大设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动发生在主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作的情形中。氧气压缩机在120-2000磅/平方英寸的排出压力下操作。

用于燃气轮机燃烧室的可燃气体可以在用于用来自空气分离设备的被压缩的富氧产品气化碳质原料的工艺中产生。

至少部分富氮产品可以在氮气压缩机中压缩以用于气化碳质原料的工艺。该氮气压缩机以两种模式之任一种操作，以便：

(a)当主空气压缩机在大于最小空气分离设备进料压力的排出压力下操作时，氮气压缩机在低于其最大设计总相对压缩比和低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；或

(b)当主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作时，氮气压缩机基本上在其最大设计总相对压缩比和在或低于其最大设计相对吸入体积流动下操作。

氮气压缩机的最大设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动发生在主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作时的情形中。氮气压缩机在50-2000磅/平方英寸的排出压力下操作。

至少部分富氮产品可以在氮气压缩机中被压缩，并且被引入到燃气轮机燃烧室中。在此种选择下，氮气压缩机以两种模式之任一种操作，以便：

(a)当主空气压缩机在大于最小空气分离设备进料压力的排出压力下操作时，氮气压缩机在低于其最大设计总相对压缩比和低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；或

(b)当主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作时，氮气压缩机基本上在其最大设计总相对压缩比和在或低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；

氮气压缩机的最大设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动发生在主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相同的排出压力下操作的情形中。氮气压缩机在排出压力为120-2000磅/平方英寸下操作。

通过按本发明所述方法设计空气分离设备进料和产品压缩机，可以使燃气轮机系统在部分负荷下操作，而仅对空气分离设备的总动力消耗有微小的不利影响。然而，因为主空气压缩机、氧气产品压缩机、和氮气产品压缩机被设计成在相对窄范围的压缩比和吸入体积流动下操作，因而在燃气轮机系统全负荷设计容量(此时系统绝大部分时间在操作)时的压缩机效率最大，并且空气分离设备的总动力消耗最小。

图1是空气和氮气联合的联合气化循环动力产生系统的流程图。

图2是在或低于设计容量下操作图1的联合气化循环动力产生系统的操作性能图。

图3是按照常规实践操作的压缩机操作全过程的空气分离主空气压缩机的压缩机操作曲线。

图4是按照常规实践操作的压缩机操作全过程的空气分离产品氧气压缩机的压缩机操作曲线。

图5是在本发明范围内操作的空气分离主空气压缩机的压缩机操作曲线。

图6是在本发明范围内操作的空气分离产品氧气压缩机的压缩机操作曲线。

本发明涉及联合燃气轮机/空气分离系统，其中燃气轮机和空气分离设备是通过至少一个气流的输送管而将一个系统与其他系统连接起来的。例如，在一空气联合燃气轮机/空气分离系统中，某些或所有的进料到空气分离设备中的压缩空气进料是由燃气轮机压缩机在至少部分系统操作时间期间内提供的。在氮气联合燃气轮机/空气分离系统中，某些或所有来自空气分离设备的氮气产品在至少部分系统操作时间的期间内被引入到燃气轮机燃烧室中。

在许多应用场合中，空气和氮气联合优选用于联合气化循环(IGCC)系统中，这是因为其具有在最大总容量下操作的潜力，特别在系统在部分负荷或关闭条件下操作一定时间时尤为如此。空气和氮气联合IGCC工艺在图1中加以说明，其中将环境空气1在燃气轮机空气压缩机3中在600°F～900°F下从150磅/平方英寸压缩到450磅/平方英寸，该燃气轮机压缩机3是典型的轴流绝热压缩机。压缩空气5的一部分7与燃料9在燃气轮机燃烧室11中燃烧，以得到燃烧产品物流13，一般所述燃烧在2000～2800°F下进行。燃料9优选为气态燃料，例如合成气或天然气，尽管也可以使用液体燃料。燃烧产品物流13在燃气轮机骤冷器15中膨胀，以产生轴动力，该轴动力驱动压缩机3和发电机17。任选地，气轮机排气19在0.2-2磅/平方英寸和900～1100°F下用锅炉给水21在热回收区23处冷却，以产生蒸汽25，该蒸汽25在蒸汽机27中膨胀，以驱动附加的发电机29。发电机17和29可以在一个设备中联合。最后排气31被排放到大气中。

作为压缩空气5的剩余部分的抽出的气33用氮气物流69(定义见下文)在热交换区35被冷却到300-900°F，并提供进料空气37至空气分离设备39中。剩余的进料空气由在主空气压缩机43中的压缩空气41提供，以将进料空气45提供到空气分离设备39中。主空气压缩机43是内冷离心机，它在40-120°F和基本上在与冷却的抽出的气37相同的压力下提供进料空气45。

在通常的设计实践中，抽出的气33的量作为全部空气分离设备进料需求的量的百分数在给定的环境空气温度下是固定的。例如，术语50％抽出的气是指抽出的气33向空气分离设备39提供全部进料空气的50％，而剩余的50％由主空气压缩机33提供。100％抽出的气是指用于空气分离设备39的所有进料空气由燃气轮机压缩机3提供，而来自主空气压缩机43的空气则不需要。

抽出的气37和进料空气45流向低温空气分离设备39，其中杂质被从空气中除去，空气被冷却，浓缩，并蒸馏得到氧气产品47，该氧气产品一般含有80-99.9％(体积)氧气，并得到氮气产品49，该氮气产品49一般含有96-99.9％(体积)氮气。氧气产品47在氧气压缩机51中被压缩至200-1200磅/平方英寸，以向气化系统53提供氧气，该气化系统53将碳质原料55转化为可燃气体57，该可燃气体主要包含氢气和一氧化碳。

用于ICGG系统的低温空气分离工艺是公知的，代表性的工艺描述于美国专利US 4,224,045、5,081,845和5,224,336中。用于这种应用的市售气化系统由Texaco，Shell，BG-Lurgi，Prenfio，HTW和Destec开发出。所述原料包括煤、焦炭、减压渣油、和其他重质烃类。氮气产品49的一部分59在氮气压缩机61中被压缩至50-2000磅/平方英寸，以得到压缩氮气63，该压缩氮气63用于在气化系统53中进行清洗、烟灰吹除、和运煤。

本发明并不限于上述的IGCC系统，而是可以用于在低于设计容量下操作一定时间的任何空气联合燃气轮机/空气分离系统。在另一种操作模式中，参见图1，不使用气化系统53，而压缩氧气产品52以用于外用的压力提供。任选地，将氮气59在氮气压缩机61中压缩，以产生用于外用的产品氮气63。任选及优选地，将氮气65与燃料57混合，并作为燃料-氮气混合物9引入燃烧室11中，或者在氮气压缩机67中压缩，并直接引入燃烧室11(未示出)中。燃料57由外源例如作为天燃气提供。任选地，不用发电机17和29，操作联合系统仅为产生氧气52和/或氮气63。此时，压缩机3、燃烧室11、膨胀涡轮15、和蒸汽机27要进行尺寸限定，以仅提供空气分离系统所需的动力。对于上述选择之任一种，在以部分负荷或关闭条件下操作燃气轮机系统时，空气分离设备39将按上述方式操作。

可燃气体57提供压力为200-600磅/平方英寸的、一般由气化器53产生时热值为150-450BTU/SCF或作为天燃气提供时热值为约1000BTU/SCF的燃料9。氮气产品49的另一部分65在氮气压缩机67中被压缩至150-600磅/平方英寸，由抽出的气33在热交换区35中加热，并与可燃气体57混合，以产生用于引入燃气轮机燃烧室11的燃料-氮气混合物。另一种可选择的方式是，可将热的压缩氮气71直接引入燃烧室11中，在燃气轮机中使用热的压缩氮气71减少了在燃烧室11中形成氮氧化物，并增加了膨胀涡轮15的动力输出。

设计使用上述工艺的商业用IGCC动力厂是一个重复的过程，其涉及对燃气轮机、空气分离、和气化系统的最佳选择，以满足产生动力所需的操作需求。这些需求包括作为用于实际工厂位置的环境温度、设计最大环境温度、设计最大动力输出、最大燃气轮机着火温度、抽出的气的量、每日和季节性动力需求曲线、相对于项目操作成本的投资的相对重要性及其他需求。

本发明的目的就是决定抽气的适宜量、空气分离设备的优选操作模式、和用于空气分离设备进料和产品压缩机所需的设计点，这使得作为较低动力需求和/或环境空气温度变化的结果，在燃气轮机输出的变化过程中，有最佳的燃气轮机/空气分离设备操作。

在本发明中，将在小于设计动力输出的条件下操作燃气轮机定义为部分负荷或关闭操作。在图1的IGCC工艺中，两个操作变量可以减少燃气轮机的动力输出。上述变量中第一个是环境空气温度的增加，该温度的增加降低进料空气1的密度，并反之减少压缩空气5的质量流量和压缩空气33的量，其可用于向空气分离设备39进料。为了在低于燃气轮机骤冷器15的最大温度极限下操作，燃烧室11的加热速度必须通过降低燃料9的流量来降低。这反过来又降低了燃烧产品13的质量流量和骤冷器15的动力输出。结果，环境空气温度上升10℃可以使典型IGCC系统的动力输出降低4％。

降低IGCC系统的燃气轮机动力输出的第二个操作变量是动力需求的下降，这发生于典型的每日动力需求循环中。例如，对典型的IGCC工厂的夜间动力需求可以是白天需求的50-75％。也可以发生动力需求的季节性变化。在降低动力需求期间，工厂必须通过降低燃气轮机燃烧室的空气和燃料流量进行在部分负荷(即“关闭”)下操作。燃气轮机空气压缩机3可以通过使用在压缩机3入口处的导叶节流入口空气1来关闭、或通过在压缩机系统中再循环空气来关闭。结果，压缩机卸料5的质量流量和压力均降低，这降低了进入空气分离设备39的抽出的气37的压力。这反过来又需要主空气压缩机43必须在降低的排出压力下操作，因此空气分离设备39必须在较低压力下操作，这降低了氧气产品47和氮气产品49的压力。然而，气化系统53一般在固定压力下操作，所以氧气压缩机51和氮气压缩机61必须在较高压缩机和关闭条件下操作。因为在关闭时需要较少的燃料57，所以气化系统53需要较少的氧气47，因而空气分离设备39需要较少的进料空气。

正如前面所陈述的那样，目前的设计实践是对于给定的环境空气温度和设计负荷固定抽气速率。在关闭过程中，空气分离设备39的进料继续由抽出的气37和压缩进料空气45提供。因此，主空气压缩机43必须设计成在宽范围的气流和压缩比下操作，以便覆盖在全设计容量至最大关闭之间的全部IGCC操作范围。随着空气分离设备39的操作压力在该宽范围内变化，氧气和氮气压缩机51、61和67的吸入压力也变化；既然这些压缩机的排出压力基本上恒定，所以压缩比大幅度变化。此外，随着关闭的发生，由这些压缩机控制的质量流量降低。在某些低环境温度和IGCC关闭的组合下的某些操作情况下，可能有必要关闭主空气压缩机43，并完全通过抽出的气37对空气分离设备进料。

图2说明了对于在恒定环境温度下典型IGCC操作的IGCC系统控制容量、在全负荷和部分负荷条件下燃气轮机操作、和空气分离设备操作之间的关系。在该操作性能图中，将燃气轮机(GT)设计可燃气体容量的％、燃气轮机(GT)空气压缩机排出压力和空气分离设备(ASU)操作压力对燃气轮机(GT)系统设计负荷的％作图。这些操作线的斜率是特殊的燃气轮机系统设计和环境条件的特征。在A点，其中A点代表设计IGCC系统燃气轮机动力输出，燃气轮机压缩机3在排出压力为190磅/平方英寸下操作，而空气分离设备39在同样压力下操作，这意味着主空气压缩机43的排出压力也为190磅/平方英寸。随着燃气轮机的关闭，和在图2的上面图中由B、C和D点所定义的依次降低的输出下操作，燃气轮机空气压缩机排出压力将按中间图的B、C和D点而降低，结果，空气分离设备必须按在下面的图中的点B、C和D点所示相同的降低的压力水平下操作。既然抽气速率是按照通常的设计实践来确定的，并且既然进入到空气分离设备的全部空气进料因较低的氧气需求而降低，所以通过主空气压缩机43的空气的物料通过量和抽出的气37的质量流量将下降。

因此，在全部燃气轮机操作范围内改变压力和抽出的气33的流量的标准实践需要将与空气分离设备39相关的压缩机43、51、61和67设计成在相应于图2中的操作点A到D的体积流动和压缩比的宽范围内操作。这在图3中进行了说明，图3给出了在相应于图2所述A至D点的联合IGCC系统操作的流量和压缩比的全范围内下操作的主空气压缩机43的压缩机操作曲线。

在本发明说明书和所附权利要求书中，如果两个压力之差在5磅/平方英寸之内，则认为它们基本上相等，并且如果压力变化按绝对压力为准计小于约1％，则认为该压力基本上恒定。术语“相对压缩比”意指在任何操作点的压缩机的压缩比除以在所选择设计点的压缩比。术语“相对吸入体积流动”定义为在任何操作点的在压缩机入口处的实际体积流动除以在所选择的设计点在压缩机入口处的实际体积流动。对于恒定环境温度的图3-6的压缩机操作曲线是指恒定相对效率线，而恒定相对效率被定义作实际压缩效率除以在固定参比条件下的效率，n/n_ref。效率曲线在较高压缩比时受压缩脉冲曲线的约束，如图所示。在低的相对吸入体积流动时，效率曲线受最小流动曲线的约束，最小流动曲线代表在压缩机导叶关闭到尽可能最大程度时的压缩机操作。在较高的相对吸入体积流动时，效率曲线受最大流动曲线约束，该最大流动曲线代表当导叶在最大流动物构型时反转时的压缩机操作性能。如图所示的中性(neutral)导叶打开曲线通过参比点，在该点相对吸入体积流动与总相对压缩比之比为1.0。

再参见图3，在燃气轮机系统的设计操作容量处，主空气压缩机43在A点在最大物料通过量且入口导叶处于最大流动位置处操作。A点的相对压缩机效率为约0.985。随着IGCC系统在因降低的动力需求而下降的容量下操作时，空气压缩机操作随如前所述的相对吸入体积流动和总相对压缩比的下降而移至B点。随着进一步关闭的发生，压缩机操作条件移至C点，并最终移至D点，这是压缩机最小操作容量，其中压缩机导叶尽机械上最大可能关闭。因此，压缩机效率在A点所代表的最大容量时是高的，而在C和D点所代表的极限关闭关件下是低的。

图4给出了在相对应于上面图3所述的燃气轮机系统操作范围的流动和压缩比的全范围内操作时的氧气产品压缩机51的压缩机操作曲线。在该系统的设计操作容量，氧气产品压缩机在A点操作。随着关闭增加，氧气压缩机操作依次从B点移至C点，并最终在最大关闭时移至D点，在该点压缩机在最大体积物料通过量下操作，其中压缩机导叶在最大流动位置。为了使压缩机在全部关闭范围内具有可操作性，压缩机必须在燃气轮机系统设计操作容量在低的相对效率区域内在A点操作。

作为该所需的宽设计范围的结果，氧气产品压缩机51在高效率在最大关闭下操作，及在低效率在正常系统设计容量下操作。这是一种所不希望的操作情况，因为压缩机将在低效率下运行相当一段部分的连续开工期限。类似的问题也存在于氮气产品压缩机61和67，其具有与图3类似的操作曲线。

本发明通过限制抽出的气的使用在图2的A点(燃气轮机容量或全负荷)与B点之间所定义的关闭区域的部分内、以及仅通过在B点之下的燃气轮机操作负荷的主空气压缩机43将空气提供给空气分离设备来阐述这种所不希望的操作情况。空气分离设备在B点之下的关闭区域中在相对恒定的压力下操作，例如在所示的160～165磅/平方英寸范围内操作，而对于空气分离设备进料不使用抽出的气。因为在这种操作模式中来自燃气轮机空气压空缩机3的所有空气将通过燃烧室11，所以加热温度(firing temperature)可能降低，因为在关闭时有少量燃料9被燃烧；然而，通过燃气轮机15的质量流量可能较高，并且膨胀涡轮的效率可能不受明显影响。

因此，在本发明中，空气分离设备在图2下面的图中的A与B点之间、在降低的压力下、在进料空气由主空气压缩机排出物45和抽出的气37所提供的情况下操作。在B点D^*(最大关闭)点之间，空气分离设备39和主空气压缩机43在基本上恒定的压力下操作。燃气轮机空气压缩机3仍然在图2中间图的A与D点之间操作，但在B与D点之间，抽出的气37的流量为0，并且所有压缩空气5将流过燃烧室11。B点表示空气分离设备39的优选最小操作压力，对于图2的实例而言为160-165磅/平方英寸。该最小压力随燃气轮机和空气分离设备设计需要而改变，一般为120～260磅/平方英寸。

在关闭期间，通过在或高于所选择的最小操作压力下操作空气分离设备，可使本发明氧气和氮气产品47和49的压力高于B与D点(图2)之间典型操作实践的压力。在本发明B、C^*与D^*点(图2)操作期间，氧气和氮气产品压力及空气分离进料压力基本上恒定，这与在典型操作实践中B、C与D操作点之间压力逐渐降低正相反。本发明的该特征允许在很窄的压缩比范围内操作主空气压缩机43和产品压缩机51、61和67。这反过来又使压缩机的操作效率更高，正如下面所述的那样。

图5给出了设计成按照本发明操作的主空气压缩机43的压缩机操作曲线。在全设计燃气轮机操作容量下，压缩机在A点操作，同时随着关闭的发生，压缩机在A与B点之间操作(这些点相应于图2中的A点和B点)。在B、C^*与D^*点之间，压缩机以恒定的排出压力和压缩比操作。最小设计总压缩比定义为当压缩机在B、C^*与D^*点之间操作时的压缩比。最大设计相对吸入压力由B点表示。

图6给出了设计成按本发明操作的氧气产品压缩机51的压缩机操作曲线。在全设计IGCC操作容量下，压缩机在A点操作，并且当关闭进行时，压缩机在A点与B点之间操作(这些点相应于图2中的A和B点)。在B、C^*与D^*点之间，压缩机以恒定的排出压力和压缩比操作。最大设计总相对压缩比定义为在B、C^*与D^*点之间操作时的比率。B点表示最大设计相对吸入体积流动。本发明的A点的相对操作效率(存在于绝大部分IGCC操作时间内)约为0.99。相反，在图4中相应的A点的相对效率仅约为0.85，该A点描述了不使用本发明时在设计燃气轮机容量下的典型操作。因此，本发明方法可以在较窄的总相对压缩比和相对吸入体积流动范围内设计和操作氧气产品压缩机，这反过来又使得压缩机的整个操作效率更高。

当按照通常实践，在燃气轮机和空气分离系统关闭的整个范围内采用抽气时，氮气产品压缩机61和67将具有与图4所示氧气产品压缩机51的操作特性相类似的操作特性。当空气分离设备39按本发明进行操作时，氮气产品压缩机61和67可以按照与图6所示氧气产品压缩机51相同的方式进行设计和操作。因此，当燃气轮机系统在设计容量下操作时，按照本发明可以对所有三个产品压缩机51、61和67实现较高的操作效率。对于氮气压缩机61和67的最大设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动的定义与上面对氧气产品压缩机51所给出的定义相同。

改善IGCC系统中的燃气轮机和空气分离设备的效率的先有技术方法有很多，但是人们没有认识到，在关闭期间限制从燃气轮机压缩机到空气分离设备的抽气、和增加空气分离设备主空气压缩机的作用可以改善总效率和降低电的成本。根据现有技术，这是一种预料不到的结论，因为按照本发明，在关闭期间，燃气轮机可能操作效率不高(抽出的气可以被排空，或者可能发生较低的燃烧室加热温度)，并且独立空气分离压缩机必须具有更大的负荷。按照本发明，空气分离设备产品压缩机的操作却不那么严格；因为关闭操作决定着压缩机的选择，所以这些压缩机可以设计成更有效率的全负荷操作。

实施例

模仿图1的IGCC系统，用以比较按照(1)现有实践的空气分离工厂操作的总效率，其中进入到空气分离设备39中的进料包括在整个空气分离设备操作范围内某些抽出的气37，和用以比较按照(2)本发明的操作的总效率，其中抽气仅在高于147磅/平方英寸的空气分离设备进料压力时才使用。在该实施例中，因为环境温度的变化，关闭存在于绝大多数情况中，正如下为将看到的那样。在设计容量(类似于图3-6的A点)下，平均实际压缩比如下：对于氧气燃气轮机压缩机3为13.0，对于主空气压缩机43为13.0；对于氧气压缩机51为10.0，及对于回流氮气压缩机67为5.0。与图2中D点类似，在最大关闭或最小流动时，平均实际压缩比如下：对燃气轮机压缩机3为9.0；对主空气压缩机43为9.0，对氧气压缩机51为18.0，对回流氮气压缩机67为6.5。这些压缩比是“F”技术燃气轮机的代表性压缩比。对空气分离设备39限定尺寸以产生对IGCC系统所需的氧气和氮气，而不流出产品氧或氮。IGCC系统在环境温度为23、41、59、75和95°F下操作，对主空气压缩机43、氧气产品压缩机51和回流氮气压缩机67在每一上述温度下在全负荷下和对所选择的温度在部分负荷下计算压缩机效率。

表1中给出了按照现有实践操作(在整个燃气轮机操作范围内向空气分离设备抽气)的计算结果，表2给出了按照本发明操作(仅在高于147磅/平方英寸的空气分离设备进料压力时向空气分离设备抽气)的计算结果。对上两种情况和三种压缩机的相对压缩机效率在全负荷在41、59和95°F下进行比较，结果归纳于表3中。可以看出，主空气压缩机的相对效率在本发明中比在现有设计实践中稍低些，但是氧气和氮气压缩机的相对效率在本发明中却比在现有设计实践中明显高。

对于每个压缩机在全负荷下的相对效率在环境温度为41、59和95°F时进行平均，用这些平均效率计算每一压缩机的平均效率比。该平均效率比被定义为本发明方法的平均相对效率除以现有实践的平均相对效率。对于其中压缩机被设计成按照在整个IGCC操作范围内向空气分离设备抽气的现有实践操作的情况，计算三种空气分离设备压缩机之每一种的总功率消耗，将结果归一化以得到每种压缩机的相对功率消耗。其次，用上述确定的平均效率比与相对功率消耗一起计算按照本发明设计的每一压缩机的相对功率消耗。结果在表4中给出，这些结果表明，在全负荷IGCC设计容量时，本发明空气分离设备所消耗的总功率为3.3％，低于按照现有实践操作的设备的相应的功率消耗。

                        表  1

            现有实践的压缩机操作数据

压缩机(图1)	IGCC负荷	环境温度(°F)	相对总压缩比	相对吸入体积流动	相对效率
						主空气压缩机(43)	全	95	1.000	1.200	96.0
全	59	1.034	0.919	99.5
					全		41	1.023	0.815	98.2
全	23	1.000	0.805	98.1
					部分		75	0.739	0.814	92.0
部分	41	(1)	(1)	(1)
					氧气产品压缩机(51)		全	95	0.639	0.850	85.0
全	59	0.612	0.848	85.0
						全	41	0.621	0.862	85.0
全	23	0.639	0.846	85.0
						部分	75	0.942	1.006	99.5
部分	41	1.100	1.100	99.0
						氮气产品压缩机(67)	全	95	0.819	0.839	95.0
全	59	0.801	0.837	95.0
					全		41	0.807	0.851	95.0
全	23	0.819	0.835	95.0
					部分		75	1.007	1.002	100.0
部分	41	1.100	1.100	99.0

(1)主空气压缩机关闭，且所有空气原料得自燃气轮机

                           表  2

                   本发明的压缩机操作数据

压缩机(图1)	IGCC负荷	环境温度(°F)	相对总压缩比	相对吸入体积流动	相对效率
						主空气压缩机(43)	全	95	1.000	1.200	96.0
全	59	0.944	0.883	99.0
					全		41	0.903	0.790	97.0
全	75	1.000	1.202	96.0
					部分		41	0.754	0.631	85.0
氧气产品压缩机(51)	全	95	0.794	0.844							95.0
					全	59	0.876	0.953	96.0
	全	41	0.920	1.010						99.4
					全	75	0.810	0.872	97.0
	部分	41	1.100	1.100						99.0
					氮气产品压缩机(67)	全	95	0.949	0.845		96.0
全	59	1.008	0.954	99.7
						全	41	1.056	1.010	99.6
全	75	0.949	0.872	97.0
						部分	41	1.100	1.100	97.0

                        表  3

         在IGCC全负荷时吹离设备相对总功率消耗

压缩机(图1)	相对总功率，现有实践(％)	平均效率比	相对总功率，本发明(％)
				主空气压缩机(43)	37.6	1.006	37.8
氧气产品压缩机(51)	15.6	0.878	13.7
				氮气产品压缩机(67)	46.8	0.966	45.2
总数	100		96.7

相对总功率＝相对总功率×平均效率比

(本发明)    (现有实践)正如从表1的相对效率可以看出的那样，采用本发明方法时总功率消耗在部分负荷条件下稍高，但是由于部分负荷存在于少部分时间内，所以在大多数时间内全负荷所经历的效率较高。

在上述实施例中，用本发明操作的IGCC系统与现有实践相比，在全负荷条件下空气分离功率下降3.3％。对于其中空气分离设备消耗50MW的400MW发电厂，空气分离工厂功率下降3.3％为1.65MW，这在能量成本为$0.05/KWH时相当于每年节省$723,000。

因此，与按现有实践操作相比，本发明使得IGCC动力产生系统的空气分离设备以更有效的方式操作。因为空气分离设备压缩机设计成在较窄的压缩比范围操作，所以实现更有效的总操作主要是因为当IGCC系统在全设计负荷下操作时，氧气和氮气产品压缩机以高效率操作。当产品压缩机必须设计成在宽的压缩比范内操作时，即当在整个IGCC操作范围内利用抽出的气时的情况，当IGCC系统在全负荷下操作时，这些压缩机以明显较低的效率操作。此外，通过在IGCC负荷的全部范围内连续操作空气分离设备，可以避免与空气分离设备的主空气压缩机的起动和关闭有关的低效率。

在前面的公开内容中充分描述了本发明的基本特性。本领域普通技术人员可以理解本发明，并且作出各种改良，而不偏离本发明的基本精神实质，和不偏离所附权利要求书的范围和相同物。

Claims (13)

1.一种在部分负荷下操作联合燃气轮机/空气分离系统的方法，该方法包含在燃气轮机空气压缩机中压缩空气，使至少一部分所得压缩空气与燃料在燃气轮机燃烧室中燃烧，以形成热燃烧产品，在燃气轮机骤冷器中膨胀该热燃烧产品，所述骤冷器驱动压缩机并任选驱动发电机，将空气在低温空气分离设备中分离成富氮和富氧产品，其中，进入到空气分离设备中的进料空气是由主空气压缩机提供的，并任选由来自燃气轮机空气压缩机的附加部分压缩空气提供的，其中联合燃气轮机/空气分离系统是以部分负荷操作的，以便：

(a)当燃气轮机空气压缩机以大于最小空气分离设备进料压力的给定操作压力提供压缩空气时，空气分离设备以与给定操作压力基本相同的进料压力操作，并且进料空气由主空气压缩机与来自燃气涡轮机空气压缩机的附加部分压缩空气提供到空气分离设备；或

(b)当燃气轮机空气压缩机以基本上等于或小于最小空气分离设备进料压力的给定操作压力提供压缩空气时，空气分离设备以基本上等于最小空气分离设备进料压力的进料压力进行操作，并且进料到空气分离设备中的进料空气由主空气压缩机提供，没有来自燃气轮机空气压缩机的附加压缩空气。

2.根据权利要求1的方法，其中最小空气分离设备进料压力为80～500磅/平方英寸。

3.根据权利要求1的方法，其中主空气压缩机以两种模式之一操作，以便

(a)当主空气压缩机以大于最小空气分离设备进料压力的排出压力操作时，主空气压缩机以大于其最小设计总相对压缩比和低于其最大设计相对吸入体积流动进行操作；或

(b)当主空气压缩机以基本上等于最小空气分离设备进料压力的排出压力操作时，主空气压缩机基本上以其最小设计总相对压缩比和在或低于其最大设计相对吸入体积流动进行操作；

其中主空气压缩机的最小设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动主要在最小空气分离设备进料压力时产生。

4.根据权利要求3的方法，其中主空气压缩机在排出压力为80～600磅/平方英寸下操作。

5.根据权利要求1的方法，该方法进一步包含将富氧产品在氧气压缩机中压缩，该压缩机以两种模式中之任一种操作，以便：

(a)当主空气压缩机在大于最小空气分离设备进料压力的排出压力下操作时，氧气压缩机在低于其最大设计总相对压缩比和低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；或

(b)当主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作时，氧气压缩机基本上在其最大设计总相对压缩比和在或低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；

其中氧气压缩机的最大设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动发生在主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作的情形中。

6.根据权利要求5的方法，其中氧气压缩机在排出压力为120～2000磅/平方英寸下操作。

7.根据权利要求5的方法，该方法进一步包含通过用来自空气分离设备的被压缩的富氧产品气化碳质原料来产生用于燃气轮机燃烧室的燃料。

8.根据权利要求7的方法，该方法进一步包含将至少部分富氮产品在氮气压缩机中压缩，以用于气化碳质原料的工艺中。

9.根据权利要求8的方法，其中该氮气压缩机以两种模式之任一种操作，以便：

(a)当主空气压缩机在大于最小空气分离设备进料压力的排出压力下操作时，氮气压缩机在低于其最大设计总相对压缩比和低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；或

(b)当主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作时，氮气压缩机基本上在其最大设计总相对压缩比和在或低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；

其中氮气压缩机的最大设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动发生在主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作时的情形中。

10.根据权利要求9的方法，其中氮气压缩机在排出压力为50～2000磅/平方英寸下操作。

11.根据权利要求1的方法，该方法进一步包含将至少部分富氮产品在氮气压缩机中压缩，并将所得被压缩的氮气引入到燃气轮机燃烧室中。

12.根据权利要求11的方法，其中氮气压缩机以两种模式之任一种操作，以便：

(a)当主空气压缩机在大于最小空气分离设备进料压力的排出压力下操作时，氮气压缩机在低于其最大设计总相对压缩比和低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；或

(b)当主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相等的排出压力下操作时，氮气压缩机基本上在其最大设计总相对压缩比和在或低于其最大设计相对吸入体积流动下操作；

其中氮气压缩机的最大设计总相对压缩比和最大设计相对吸入体积流动发生在主空气压缩机在基本上与最小空气分离设备进料压力相同的排出压力下操作的情形中。

13.根据权利要求12的方法，其中氮气压缩机在排出压力为120～2000磅/平方英寸下操作。

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