具有CO2捕集设备的联合循环发电设备 |
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| 申请号 | CN201280007313.9 | 申请日 | 2012-01-26 | 公开(公告)号 | CN103459784A | 公开(公告)日 | 2013-12-18 |
| 申请人 | 阿尔斯通技术有限公司; | 发明人 | M.沃森; C.鲁奇蒂; H.李; F.德鲁; F.Z.科札克; A.札戈斯基; | ||||
| 摘要 | 联合循环发电设备(10)包含与 液化 天然气 LNG再 气化 系统(20)操作集成的CO2捕集系统(5A，5B)，其中来自再气化过程的冷能被用于CO2捕集系统或与其相关的过程中的冷却过程。这些冷却系统包括用于冷却CO2捕集所用的贫或富吸收溶液或冷却 烟道气 的系统。LNG再气化系统(20)按照具有(21-23)的一个或多个热交换阶段以及一个或多个冷储存单元(24，35，36)来布置。具有CO2捕集(10)的发电设备可在改进的总体效率下操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 联合循环发电设备(10)，所述设备(10)包含气体涡轮(GT)、蒸汽涡轮(ST)、热量回收蒸汽发生器(HRSG)、液化天然气(LNG)再气化系统(20)，和 |
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| 说明书全文 | 具有CO2捕集设备的联合循环发电设备技术领域[0001] 本发明涉及一种用于发电的联合循环发电设备，所述联合循环发电设备具有气体涡轮、蒸汽涡轮和热量回收蒸汽发生器，还涉及一种用于捕集和压缩二氧化碳的设备。具体地，本发明涉及液化天然气加工系统与发电设备的集成。 背景技术[0002] 已知用于发电的联合循环发电设备包括气体涡轮、蒸汽涡轮和热量回收蒸汽发生器，该热量回收蒸汽发生器利用气体涡轮排放的热烟道气产生蒸汽以驱动蒸汽涡轮。为了降低引起温室效应的排放，已提出各种措施来尽可能减少排放到大气中的二氧化碳的量。这些措施包括在发电设备中布置系统，其捕集和处理由热量回收蒸汽发生器HRSG或燃煤锅炉排放的烟道气中包含的CO2。这样的CO2捕集过程基于例如冷氨或胺吸收方法进行操作。为了有效地工作，这两种方法均需要将烟道气冷却至低于10℃的温度。此外，为了经济地输送和储存捕集的CO2，将其纯化、与水分离、冷冻、压缩和液化。为此，还需要在经济条件下提供足够冷的热交换介质。这种类型的CO2捕集设备需要给定量的能量，由此将降低发电设备的总体效率。为了设计在能量利用上更为有效的具有CO2捕集的联合循环发电设备，已提出对于一些发电设备过程使用来自LNG再气化的冷能。 [0003] JP2000024454公开了使用LNG的汽化热来冷却废气和固化在废气中包含的二氧化碳。JP60636999公开了使用在蒸发LNG以从废气将二氧化碳回收为液化二氧化碳时产生的冷热量。WO 2008/009930公开了在空气分离单元中使用这样的冷能来生产氮和氧。 [0004] US 6,367,258公开了将液化天然气汽化用于联合循环发电设备，其中利用汽化的冷能来冷冻气体涡轮吸入空气、蒸汽涡轮冷凝器冷却水或用于冷却气体涡轮的部件的第一传热流体。 [0005] Velautham等人，使用LNG冷却的零排放联合发电循环)»，JSME International Journal，Series B，第44卷，第4期，2001，公开了使用液化天然气的冷能，通过与空气热交换来冷却空气，期望从空气分离氧以进一步用于联合循环发电设备。使用液化天然气冷能降低氧-空气分离过程的能耗。还公开了使用液化天然气冷能与CO2热交换用于CO2液化。 [0006] WO2007/148984公开了一种LNG再气化设备，其中天然气在纯氧中燃烧。该设备还包含锅炉和蒸汽涡轮，以由热的燃烧气体发电。通过冷凝水蒸汽，由所得到的烟道气分离CO2。此外，CO2被LNG冷却而液化。 [0007] US5467722公开了一种具有随后的CO2捕集系统和LNG再气化设备的联合循环发电设备。CO2捕集系统包含换热器，其使用液体LNG作为热沉来冷却烟道气以捕集低温CO2。 [0008] 发明概述本发明的一个目的是提供一种连带CO2捕集设备一起操作的联合循环发电设备，比起已知的这种类型的发电设备，本发明的联合循环发电设备具有提高的发电设备效率。 [0009] 联合循环发电设备包含气体涡轮、蒸汽涡轮和热量回收蒸汽发生器(HRSG)，其中两种涡轮驱动发电器。此外，发电设备包含CO2捕集系统，其基于冷氨或胺吸收方法进行操作并且布置用于处理来自HRSG的废气。 [0010] 根据本发明，联合循环发电设备包含液化天然气再气化系统，其包含与CO2捕集系统内的一个或多个换热器操作连接的换热器。 [0011] 液化天然气LNG的再气化提供在CO2捕集系统中进行冷却过程所必需的冷能。该冷却过程中的热交换介质得到的热量进而用于支持LNG的再气化过程。CO2捕集系统的LNG再气化系统和冷却系统集成为闭合的回路系统。该集成降低操作CO2捕集系统和LNG系统所需的能量，否则所述能量要通过其它方式提供，例如通过蒸汽提取和发电设备的电力提供。因此，其减轻由于CO2捕集过程和LNG再气化过程造成的效率降低。 [0012] 在本发明的一个实施方案中，LNG再气化系统包含一个或多个换热器，级联排列，经设置以在天然气的特定温度范围(从LNG入口温度到环境温度)下操作，用于在换热器的冷流侧的LNG和热流侧的热交换介质之间热交换。在换热器的输出处，热流侧的热交换介质具有低温(cryogenic temperature)或冷冻温度(chilling temperature)，取决于过程的冷能要求。 [0013] 冷冻温度(chilling temperature)可例如在以下范围内：从高于低温温度(cryogenic temperature)(低温温度为低于-150℃的温度)到10℃或甚至到环境温度，或者在一个实施方案中，对于冷氨吸收方法应用，在5℃-2℃范围。 [0014] 在另一实施方案中，布置CO2捕集系统用于冷氨吸收方法。为了支持该方法，发电设备包含管线，以将热交换介质从产生具有低温或冷冻温度的介质的该再气化换热器引向CO2捕集系统内的一个或多个致冷系统，其中致冷系统为- 在烟道气直接接触冷却器的冷却回路中的冷却器， - 设置在烟道气水洗涤设备之前的水冷却器， - 用于冷却一部分富吸收溶液流的冷却器，用于调节所述富吸收溶液流的温度。 [0015] 在本发明的另一实施方案中，CO2吸收系统为采用胺吸收方法用于从烟道气除去CO2的系统，并且用于LNG再气化的系统与在该CO2吸收系统内的冷却系统操作连接。该采用胺吸收方法的系统需要热交换介质，用于冷却贫吸收溶液至约45℃的温度。如在以上实施方案的情况，使用来自LNG系统的冷却能减轻了由于CO2捕集过程造成的效率降低。在本发明的一个具体实施方案中，管线从LNG系统的换热器通向胺吸收方法的贫溶液的冷却器，并且返回至换热器。 [0016] 换热器以级联方式布置(热交换的天然气输出温度为随后的换热器的输入温度，并且将天然气加热，从LNG入口低温温度到-10℃或更高，优选到0℃或到环境温度)，并且基于对经方法集成优化的冷却设施(cold utilities)的载荷和温度要求(例如空气分离单元、CO2液化过程、冷氨CO2捕集过程、联合循环发电设备中的冷却要求等)，LNG再气化系统的每一个换热器经设置和布置以在特定的温度范围内热交换。更具体地，在一个示例性实施方案中，第一换热器中的天然气温度范围由LNG的低温入口温度以及冷却设施的要求和在该第一换热器的热流侧的热交换介质限定。在再气化压力下，LNG的沸腾温度可用作该第一换热器的天然气出口设计温度。为了降低设备尺寸，第一范围的天然气出口温度可更高，通常比LNG沸腾温度高10℃-50℃。该第一换热器将为冷却设施提供低温冷却能或超低温冷冻能，所述冷却设施需要极低温冷却，例如空气分离单元等。 [0017] 第二温度范围的天然气入口温度为第一范围的出口温度，而第二范围的输出温度为第三范围的入口温度。该换热器可设计为在高于第一换热器的温度下提供超低温冷冻能。 [0018] 第三温度范围的天然气入口温度为第二范围的出口温度。该换热器可设计为提供冷冻能，其具有比第二换热器高的温度。 [0019] 在这样的级联布置中，当向不同的冷却设施提供冷却时，最大可能地减少了LNG冷冻能的可用能损失。 [0020] 具体地，在一个示例性实施方案中，使用以下温度范围：第一天然气温度范围：-165℃至-120℃，第二温度范围：-120℃至-80℃，和第三温度范围：-80℃至0℃。 [0022] 在本发明的另一实施方案中，LNG再气化系统包含用于储存LNG的冷储存单元，其布置用于向发电设备内的上述冷却系统提供冷的热交换介质。在不运行LNG再气化或再气化的情况下，包含在这些冷储存单元中的冷能可用于CO2液化过程，从而能够降低CO2吸收系统的功耗。 [0023] 在本发明的另一实施方案中，LNG再气化系统，具体是布置为用热交换介质操作的换热器（热交换介质在换热器输出处具有冷冻温度），还与用于冷却通向联合循环发电设备的气体涡轮的入口空气的系统操作连接。介质的冷冻温度可在10℃或更低的范围，或者在5℃-2℃的范围。 [0024] 在本发明的另一示例性实施方案中，LNG再气化系统还与一个或多个以下系统操作连接，所述系统与从来自联合循环发电设备的烟道气捕集CO2的过程关联： - 在烟道气进入CO2捕集系统之前用于其冷却和/或冷冻(cooling and/or chilling)的系统，以满足CO2捕集过程的温度要求，- 用于冷却在HRSG之后再循环返回气体涡轮入口的烟道气的系统， - 用于冷冻在HRSG之后再循环返回气体涡轮入口的烟道气的系统， - 用于冷却CO2捕集系统所提取的CO2的系统， - 用于通过冷冻来干燥CO2的系统。 [0025] 烟道气的再循环提高烟道气中的CO2浓度，从而提高CO2捕集过程效率。 [0026] 在本发明的另一示例性实施方案中，LNG再气化系统还与用于蒸汽涡轮冷凝器的冷却水系统操作连接。通过有效地利用可得的冷能用于冷却，并且进而利用可得自LNG再气化过程的冷凝的低水平热量，这进一步提高总体效率。 [0027] 由所有上述冷却系统，将返回热交换介质引回LNG再气化系统内的换热器。 [0028] LNG再气化系统从而可使用联合循环发电设备的冷却器和冷冻器系统提供的热量来操作。反过来，冷却器和冷冻器系统可使用LNG提供的冷能来操作。 [0029] 由于这些冷却系统不再需要使用由发电设备的其它来源提取的能量来操作，使用可得自以上任何冷却系统中的LNG再气化系统的冷能提高总体发电设备效率。另一方面，由上述冷却系统取回的热量提供用于LNG再气化的热量来源。因此，不需要或需要较少的来自联合循环发电设备的蒸汽提取来操作LNG 再气化。可改进发电设备的性能(效率和功率输出)。 [0030] 在本发明的另一示例性实施方案中，用于LNG再气化的系统包含换热器，其经设置和布置用于液化CO2捕集系统所提取的CO2。具有这样的LNG系统的发电设备不需要或需要较少用于液化CO2的压缩机。此外，来自CO2液化过程的热量被提供给LNG再气化系统的换热器。 [0031] 在另一实施方案中，发电设备包含管线，以将热交换介质从液化天然气再气化系统的第一换热器引向空气分离单元。在换热器的输出处，热交换介质具有低温温度(温度低于-150℃)，并且用于空气分离过程的操作，从而降低操作该单元所需的能量。用于来自空气分离单元的返回热交换介质的其它管线通回该第一换热器，并且为液化天然气再气化过程提供其热量。 [0032] 在一个备选的实施方案中，来自液化天然气再气化系统的第一换热器的冷冻能交换到空气分离单元的入口空气，并且来自液化天然气再气化系统的第二换热器的冷冻能用于冷却空气分离单元的第一压缩机的出口空气。 [0034] 图2显示CO2捕集系统的详细示意图，特别是冷氨吸收系统和在LNG系统与该CO2捕集系统之间的操作连接。 [0035] 图3显示CO2捕集系统的详细示意图，特别是基于胺吸收方法的系统和在LNG系统与该CO2捕集系统之间的操作连接。 [0036] 图4显示根据本发明的另一实施方案，具有CO2捕集系统的联合循环发电设备的示意图，特别是LNG再气化系统与在发电设备内的冷却系统之间的操作连接。 [0037] 实施本发明的最佳方式图1描述用于发电的联合循环发电设备10，其具有提供有环境空气A的气体涡轮GT、使用来自气体涡轮的热废气产生蒸汽的热量回收蒸汽发生器HRSG，和通过HRSG中产生的蒸汽驱动的蒸汽涡轮ST。冷凝器1冷凝膨胀的蒸汽，并且将冷凝物作为进料水引向HRSG，从而完成蒸汽涡轮的水/蒸汽循环。此外，发电设备包含CO2捕集系统5A、5B，它们可为基于冷氨吸收方法而进行操作的系统(如在图2中所示的5A)或基于胺吸收方法的系统(如在图3中所示的5B)。 [0038] 发电设备10的气体涡轮使用液化天然气LNG再气化设备20供应的天然气进行操作。发电设备10与具有一个或多个阶段的LNG加工系统20操作连接，系统20使低温液化天然气LNG汽化，用于气体涡轮燃烧室CC。根据本发明，系统20中的LNG再气化过程与发电设备10内的一个或多个冷却和冷冻系统集成，以优化总体发电设备效率。为此，LNG系统20包含数个阶段21-23，它们串联布置，其中每一个阶段与在大致的特定温度水平范围内再气化LNG相关。特别是，CO2捕集系统内的冷却或冷冻系统在闭合的热交换回路中与LNG再气化系统20集成。 [0039] 第一实施方案包含具有CO2捕集系统5a的发电设备，其为基于冷氨吸收方法而进行操作的系统，如图2所示。在直接接触冷却器DCC之后，系统5a包含CO2吸收塔A，直接接触冷却器DCC将经由管线G1来自于HRSG的烟道气从120℃-80℃的温度范围冷却降至10℃或更低的温度，这是成功操作冷氨吸收方法所需的。冷却器31布置在直接接触冷却器DCC的冷却回路中并且经设置以使用来自LNG再气化系统20的换热器23的冷能。换热器 23产生10℃或更低(例如2-5℃)的冷冻流动介质，其用于冷却器33，以冷却烟道气至低于10℃的温度。 [0040] 不含CO2的气体经由管线G5离开塔A，并且引向水洗涤WW，由该水洗涤WW，清洁的烟道气所用的气体管线G6延伸至直接接触冷却器DCC2。最后，清洁的烟道气从直接接触冷却器DCC经由管线G7引向烟道S和大气。 [0041] 水洗涤W W经由水管线W与汽提塔St和水冷却器32操作连接。用于纯CO2流的管线从汽提塔St通向再生器RG。 [0042] 由烟道气捕集的CO2最后在再生器RG的顶部释放，由此将其引向进一步处理，例如压缩、干燥或冷冻。 [0043] CO2吸收塔A与用于再生冷氨（CO2的吸收溶液）的系统连接。借助再生器RG再加热富CO2的吸收溶液RS，以释放CO2和产生贫CO2的溶液LS，以再用于吸收塔A。吸收溶液再生系统另外包含富溶液RS的冷却器33。 [0044] 在冷氨CO2捕集系统5A内的每一个上述冷却器31、32、33需要冷冻水作为温度低于10℃的冷却介质，其可通过LNG系统20的换热器23提供。这些冷却器中的每一个借助管线25和26在闭合回路中与换热器23连接。 [0045] 根据本发明的另一实施方案，CO2捕集系统还可为基于胺吸收方法的系统5B，如图3所示。系统5B包括CO2吸收器B，其经由管线W提供有水流并且提供有贫吸收剂流LS’。 将来自HRSG的烟道气引向吸收器B的底部，并且上升通过设备，与贫溶液LS’成逆流。清洁的烟道气在设备顶部离开，并且经由烟道S引向大气。将得自吸收过程的富溶液经由管线RS’和换热器LRX引向胺再生器塔ARC。在此从溶液释放CO2并且经由冷凝器C’引导至设备以进一步处理或储存。吸收塔ARC与含有再沸器RB的回路进一步连接，由再沸器RB将贫溶液流经由管线LS’引向换热器LRX，其中贫溶液LS’与富溶液RS’交换热量，从而在其进入胺再生塔ARC之前预热富溶液。在贫溶液LS’用于吸收器塔B之前，需要将其进一步冷却。为此，其通过换热器LSC引导，该换热器LSC设置为借助在管线25中的来自LNG系统的阶段23的冷冻水来冷却贫溶液。将来自换热器LSC的已加热的水引回至阶段23，以在阶段23中再次冷冻，从而闭合回路。 [0046] 从烟道气提取的CO2从再生塔ARC离开，并且被引向进一步处理，例如压缩、干燥或冷冻。 [0047] 取决于安装的CO2捕集系统的类型，来自HRSG的烟道气应在其在该系统内处理之前冷却至特定的温度范围。在冷氨吸收方法的情况下，在进入吸收器之前，烟道气的优选温度低于10℃。在胺吸收方法的情况下，烟道气的温度应为约50℃，以确保最佳操作。对于这样的烟道气冷却，发电设备包含烟道气冷却器3A，或者如果需要，在烟道气管线中另外布置烟道气冷冻器3B，用于在CO2捕集处理中处理烟道气之前冷却或冷冻烟道气。因此，可从LNG系统完全取出冷能。冷却器/冷冻器系统3A、3B进而用热量支持LNG系统，所述热量从烟道气获得并且经由管线26引向LNG系统。 [0048] 发电设备包含数个与CO2捕集系统连接或相关的其它冷却系统，除了CO2捕集系统的冷却系统自身以外，它们可与LNG系统集成。 [0049] CO2捕集系统5A、5B与CO2干燥和冷却系统6连接，用于处理捕集的CO2，其在CO2捕集系统中已与烟道气分离。在冷却系统6之后，可布置任选的压缩机，用于CO2压缩。 [0050] 为了通过提高烟道气中的CO2浓度来提高CO2捕集过程的效率，发电设备10可另外包含烟道气再循环系统，其可包括从HRSG的排放管线分出的管线，其将未经处理的烟道气经由烟道气冷却器4a以及随后任选的烟道气冷冻器4b引回气体涡轮入口。将从烟道气冷却器或烟道气冷冻器离开的已冷却或冷冻的烟道气分别引导至预期用于气体涡轮压缩机的入口空气流A并且与之混合。 [0051] 为了进一步提高发电设备容量，发电设备可包含入口空气冷冻系统2，其使用经由管线25来自换热器23的冷冻介质，来冷却例如在高环境空气温度情况下的入口气体。已加热的介质经由管线26返回换热器23。 [0052] 发电设备与液化天然气加工系统20操作连接，系统20将低温液化天然气LNG汽化用于气体涡轮燃烧室CC和/或经由气体管线输出。再气化过程和在发电设备10内的多个冷却和冷冻系统采用优化总体发电设备效率的方式集成。LNG系统20包含例如数个阶段21-23，它们串联布置，其中每一个阶段汽化LNG至不同的温度水平。第一阶段21经设置和布置以气化LNG，并且在闭合的回路中经由管线27和28与发电设备10内的空气分离单元ASU操作连接。管线27经由流动介质引导低温冷冻，以操作ASU，其中管线28将在ASU中产生的热量引回至气化器阶段21，以气化LNG。 [0053] 空气分离单元ASU布置在环境空气的管线中，其从用于气体涡轮压缩机的入口空气流管线A分出。将从环境空气提取的纯氧引回环境空气管线至压缩机，和/或气体涡轮的燃烧室CC，和/或热量回收蒸汽发生器HRSG，以支持补充燃烧。 [0054] 如图1所示，LNG系统20的第二换热器22与CO2干燥和冷却系统6操作连接。在压缩机37中充分压缩CO2之后，LNG换热器22的冷能用于液化从气体涡轮废气捕集的CO2。可将液化的CO2引向输送设备T或任何其它设备，用于处理或储存CO2。 [0055] 在发电设备的CO2处理中集成LNG气化器的第二换热器22使得可以液化CO2，而无需另外的CO2压缩机和中间冷却器来将CO2压缩至更高的压力。该布置允许显著节约投资和操作成本以及设备效率。 [0056] LNG再气化系统20的第三换热器23借助管线25和26与CO2捕集系统5A或5B的冷却器系统操作连接。为了额外优化总体发电设备效率，在发电设备10内的其它冷却系统可采用类似的方式集成。这些系统包括例如冷却系统，用于蒸汽涡轮冷凝器1。 [0057] 换热器21-23中的每一个本身可包含一个或多个气化器单元，其中在数个单元的情况下，所述单元可串联或并联布置。这样的布置使得可以灵活地控制LNG和热交换流和相应温度。 [0058] 另外，最后的换热器23可与冷储存单元24组合，冷储存单元24也通过管线与管线25和26连接。换热器22也可与冷储存单元35连接，冷储存单元35通过管线与压缩机37和输送设备T连接。类似地，换热器21可与冷储存单元36组合，冷储存单元36经由管线与管线27和28连接。该设置使得可以在LNG再气化过程的停车或没有足够的可得自过程的冷冻时，操作发电设备内的冷却和冷冻系统。 [0059] 图4显示发电设备10的另一示例性实施方案，具有LNG再气化设备20’的变化方案。该变化方案包含两个换热器21和23用于LNG再气化，具有任选的冷储存单元24和36。发电设备不具有用于CO2液化的换热器22，而是包含压缩机37的系统，压缩机37具有在干燥和冷冻系统6之后布置的中间冷却器34。经由管线25由换热器23对中间冷却器供应冷却。 [0060] 图中使用的附图标记 1 蒸汽涡轮冷凝器 2 入口空气冷冻系统 3A/3B 烟道气冷却器/冷冻器 4A/4B 再循环的烟道气冷却器/冷冻器 5A CO2捕集系统-冷氨吸收系统 5B CO2捕集系统-胺吸收方法 6 CO2干燥和冷却系统 10 联合循环发电设备 20，20’ 液化天然气再气化系统 21 在低温温度下的第一换热器 22 在冷冻温度下的第二换热器 23 第三换热器 24 冷储存单元 25 用于从第三换热器到发电设备的热交换介质的管线 26 用于从发电设备返回LNG再气化换热器的热交换介质的返回管线 27 用于从第一LNG再气化换热器到空气分离单元的低温热交换介质的管线 28 用于从空气分离单元返回LNG再气化换热器的热交换介质的返回管线 31-33 在冷氨CO2捕集系统内的致冷系统 31 在冷氨CO2捕集系统内的DCC冷却回路中的冷却器 32 在冷氨CO2捕集系统内的水冷却器 33 在冷氨CO2捕集系统内的富溶液冷却器 34 CO2中间冷却器 35，36 冷储存单元 37 CO2压缩机 GT 气体涡轮 ST 蒸汽涡轮 HRSG 热量回收蒸汽发生器 A 入口空气 ASU 空气分离单元 LNG 液化天然气 NG 气化天然气 DCC 直接接触冷却器 A CO2吸收器 RG CO2吸收溶液再生器 RS 用于CO2吸收富溶液的管线 LS 用于CO2吸收贫溶液的管线 W 水管线 WW 水洗涤设备 G1，G2，G5，G6，G7 烟道气管线 B CO2吸收器 RS’ 用于CO2吸收富溶液的管线 LS’ 用于CO2吸收贫溶液的管线 ARC 胺再生器塔 RB 再沸器 C’ 贫溶液冷却系统 S 烟道 T 液化CO2输送系统 |
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