空氣分離、功率生成的集成的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于分離空氣和生成電功率的方法及設(shè)備。在主空氣壓縮機(jī)中產(chǎn)生的壓縮空氣流被引入到空氣分離單元中，空氣分離單元將空氣低溫精餾成組分產(chǎn)物。在空氣分離單元的調(diào)低條件期間，由壓縮空氣流的全部或部分形成的燃燒空氣流被引入到燃燒器中，在燃燒器中燃燒燃料以產(chǎn)生加熱和加壓燃燒流。此類(lèi)流被引入到連接到發(fā)電機(jī)上的渦輪上以生成電功率。燃燒空氣流可以用水分來(lái)飽和以便增大功率輸出。此外，還可用燃?xì)鉁u輪的排出物來(lái)預(yù)加熱燃燒空氣流。
【專(zhuān)利說(shuō)明】空氣分離、功率生成的集成
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空氣分離和功率生成(power generat1n)的方法及設(shè)備,其中在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，壓縮空氣流被引入到空氣分離單元中并且通過(guò)低溫精懼(cryogenicrectificat1n)而分離以產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物,而且在調(diào)低(turn-down)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，由壓縮空氣流的一部分形成的燃燒空氣蒸汽(combust1n air steam)被引入到燃燒器中以支持燃料的燃燒，并且生成了加熱和加壓燃燒流(combust1n stream),該加熱和加壓燃燒流在渦輪中膨脹以生成電功率。
【背景技術(shù)】
[0002]在空氣分離單元的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命期間，有時(shí)并未利用裝置(plant)的全部生產(chǎn)力來(lái)制造產(chǎn)物。例如，當(dāng)電功率處于峰值時(shí)的時(shí)段期間(例如，在夏季期間工作日午后)，通過(guò)調(diào)低裝置的生產(chǎn)率來(lái)減少(shed)至空氣分離單元(“ASU”)的功率負(fù)荷(power load)可能是經(jīng)濟(jì)的。從ASU至客戶的產(chǎn)物的總流量通過(guò)使儲(chǔ)存的液體產(chǎn)物氣化并使其與來(lái)自ASU的產(chǎn)物相混合而保持。在減少負(fù)荷(loadshedding)期間所使用的液體通過(guò)在電功率具有相對(duì)較低價(jià)值時(shí)的時(shí)段期間(例如，工作日傍晚和周末)增大液體生產(chǎn)率而再生。減少負(fù)荷是經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樵诟叻鍟r(shí)段期間出售(或節(jié)省)的增量功率(incremental power)的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消了與在傍晚期間所需的附加功率相關(guān)聯(lián)的成本以及重制液體的生產(chǎn)力所需的額外資金。
[0003]除了減少負(fù)荷之外，存在若干其它方案，其中可能存在未充分利用的過(guò)剩的ASU生產(chǎn)力。例如，可 能存在向?qū)Ξa(chǎn)物有多變需求的客戶供應(yīng)的設(shè)施(facility)，而ASU生產(chǎn)率將響應(yīng)于該需求而升高或降低?；蛘?，可能存在若干獨(dú)立裝置的包體(enclave)，其中整個(gè)ASU或多個(gè)ASU可開(kāi)啟或關(guān)閉以滿足客戶需求。
[0004]如將要討論的，本發(fā)明提供了一種方法及設(shè)備，其中不同于現(xiàn)有技術(shù)，主空氣壓縮機(jī)在ASU被調(diào)低的時(shí)段期間并未調(diào)低，以便允許使用來(lái)自主空氣壓縮機(jī)的過(guò)剩壓縮空氣，用以支持燃料的燃燒并由此產(chǎn)生了加熱燃燒產(chǎn)物，該加熱燃燒產(chǎn)物在連接到發(fā)電機(jī)上的渦輪中膨脹以生成電功率。電功率可供應(yīng)至電網(wǎng)或用來(lái)向主空氣壓縮機(jī)供能，從而通過(guò)將這些功率供應(yīng)至電網(wǎng)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，或降低向主空氣壓縮機(jī)供能所涉及的電功率成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一方面,本發(fā)明提供了一種分離空氣和生成電功率的方法，其中空氣在主空氣壓縮機(jī)中被壓縮以產(chǎn)生壓縮空氣流。在壓縮空氣流被預(yù)純化之前或之后，燃燒空氣流(combust1n air stream)由壓縮空氣流的至少一部分形成。在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，壓縮空氣流被引入到空氣分離單元中，并且空氣通過(guò)低溫精餾而被分離以產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物。在不產(chǎn)生或以較小的速率產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物的調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，燃燒空氣流和燃料流被引入到燃燒器中。燃料借助于燃燒空氣流在燃燒器中燃燒，從而產(chǎn)生了加熱和加壓燃燒流，該加熱和加壓燃燒流在連接到發(fā)電機(jī)上的渦輪中膨脹以生成電功率。主空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使得壓縮機(jī)產(chǎn)生了壓縮空氣流，由此使得在調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間可獲得過(guò)剩的壓縮空氣以產(chǎn)生壓縮空氣流的至少一部分,并且生成電功率。
[0006]渦輪產(chǎn)生排出流，并且在將燃燒空氣流引入到燃燒器中之前，排出流可將熱量間接地傳遞至燃燒空氣流。進(jìn)一步地，燃燒器可以是燃?xì)鉂?rùn)輪(gas turbine)的燃燒器,而膨脹器可以是燃?xì)鉁u輪的膨脹器。燃燒空氣流進(jìn)一步被壓縮，并且被引入到燃燒器中。
[0007]在排出流將熱量間接地傳遞至燃燒空氣流之前，燃燒空氣流可以用水分(moisture)來(lái)飽和(saturate)。在特定實(shí)施例中，蒸汽流在冷凝器中被冷凝以產(chǎn)生冷凝流。冷凝流在泵中被泵送，以產(chǎn)生第一加壓水流，第一加壓水流與第二加壓水流結(jié)合以產(chǎn)生結(jié)合水流。該結(jié)合水流在冷凝器中通過(guò)與蒸汽流的間接熱交換而被加熱，以產(chǎn)生加熱水流。加熱水流在飽和器(saturator)中與燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體(bottoms liquid)來(lái)飽和的燃燒空氣流。底產(chǎn)物液體的至少一部分被再循環(huán)以形成第二加壓水流。
[0008]在用水分使該燃燒空氣流飽和的另一個(gè)特定實(shí)施例中，水流在泵中被泵送以產(chǎn)生加壓水流。加壓水流在定位于渦輪與同流換熱器之間的水加熱器中用排出流而被加熱，以至少部分地產(chǎn)生加熱水流，同流換熱器在從排出流至燃燒空氣流的間接熱量傳遞中使用。加熱水流在飽和器中與燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體來(lái)飽和的燃燒空氣流。水流通過(guò)使底產(chǎn)物液體與補(bǔ)充水流結(jié)合而形成。
[0009]在另外一個(gè)飽和方法中，由飽和器的底產(chǎn)物液體構(gòu)成的水流在泵中被泵送以產(chǎn)生加壓水流。加壓水流在定位于渦輪與同流換熱器之間的水加熱器中用排出流而被加熱，同流換熱器在從排出流至燃燒空氣流的間接熱量傳遞中使用。沸騰器供給水流被泵送，并且與在水加熱器中被加熱之后的加壓水流結(jié)合以形成加熱水流。加熱水流在飽和器中與燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體來(lái)飽和的燃燒空氣流。 [0010]用于使燃燒空氣流飽和的又一個(gè)實(shí)施例涉及在泵中泵送水流以產(chǎn)生加壓水流。加壓水流在水加熱器中用排出流來(lái)加熱，以便產(chǎn)生加熱水流。壓縮空氣流在預(yù)純化單元中被預(yù)純化之前或之后，通過(guò)在增壓壓縮機(jī)中進(jìn)一步壓縮該壓縮空氣流的至少一部分來(lái)形成燃燒空氣流。加熱水流在飽和器中與燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體來(lái)飽和的燃燒空氣流。水流至少部分地由底產(chǎn)物液體形成。通過(guò)與用來(lái)生成附加電功率的燃?xì)鉁u輪排出物的間接熱交換來(lái)加熱由水分飽和之后的燃燒空氣流。
[0011]在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于分離空氣和生成電功率的設(shè)備。根據(jù)此方面，主空氣壓縮機(jī)被設(shè)置成壓縮空氣，并由此產(chǎn)生了壓縮空氣流。一種機(jī)構(gòu)(means)被設(shè)置用于在預(yù)純化單元中在該壓縮空氣流被預(yù)純化之前或之后通過(guò)壓縮空氣流的至少一部分來(lái)產(chǎn)生燃燒空氣流?？諝夥蛛x單元設(shè)置成與主空氣壓縮機(jī)流動(dòng)連通。空氣分離單元構(gòu)造成在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件和調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件中選擇性地運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使得在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，壓縮空氣流內(nèi)的空氣通過(guò)低溫精餾而被分離，以產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物，并且在調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，未產(chǎn)生或以比設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間更小的速率產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物。燃燒器與主空氣壓縮機(jī)流動(dòng)連通，從而使得在調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，燃料流在燃燒器中通過(guò)由燃燒空氣流所支持的燃燒而被燃燒，并且加熱和加壓燃燒流通過(guò)該燃燒而產(chǎn)生。渦輪與燃燒器流動(dòng)連通，從而使加熱和加壓燃燒流膨脹以產(chǎn)生排出流，并且發(fā)電機(jī)連接到渦輪上以生成電功率。主空氣壓縮機(jī)具有足夠的生產(chǎn)力以允許在調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間可獲得燃燒空氣流，以支持燃料流的燃燒用于生成電功率。[0012]同流換熱器可定位在渦輪與主空氣壓縮機(jī)之間，使得在將燃燒空氣流引入到燃燒器中之前，由渦輪產(chǎn)生的排出流將熱量間接地傳遞至燃燒空氣流。
[0013]用于將水分添加至燃燒空氣流的涉及熱交換器的機(jī)構(gòu)，其可定位在同流換熱器與主空氣壓縮機(jī)之間，從而使得在排出流將熱量間接地傳遞至燃燒空氣流之前，燃燒空氣流包含水分。在特定的實(shí)施例中，用于添加水分的機(jī)構(gòu)包括用于使蒸汽流在冷凝器中冷凝以產(chǎn)生冷凝流的冷凝器。泵連接到冷凝器上以泵送該冷凝流，并由此產(chǎn)生第一加壓水流。飽和器構(gòu)造成使加熱水流與燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生具有水分和底產(chǎn)物液體的燃燒空氣流。再循環(huán)流動(dòng)通路連接泵、冷凝器和飽和器，而且被構(gòu)造成:使第一加壓水流與第二加壓水流結(jié)合以產(chǎn)生結(jié)合水流；在冷凝器中通過(guò)與蒸汽流的間接熱交換來(lái)加熱結(jié)合水流，以產(chǎn)生加熱水流；并且具有再循環(huán)泵，該再循環(huán)泵定位成使底產(chǎn)物液體的至少一部分再循環(huán)以形成第二加壓水流。
[0014]在替換實(shí)施例中，用于添加水分的機(jī)構(gòu)可包括泵，用以加壓水流并由此產(chǎn)生加壓水流。水加熱器連接到泵上并且定位在渦輪與同流換熱器之間，以便用排出流來(lái)間接地加熱該加壓水流，以至少部分地產(chǎn)生加熱水流。飽和器設(shè)置成與水加熱器流動(dòng)連通，并且構(gòu)造成使加熱水流與燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生具有水分和底產(chǎn)物液體的燃燒空氣流。泵與飽和器和用于引入補(bǔ)充水流的補(bǔ)充水入口流動(dòng)連通，從而使得水流由底產(chǎn)物液體和補(bǔ)充水流形成。
[0015]在又一個(gè)實(shí)施例中，用于添加水分的機(jī)構(gòu)包括泵，用以加壓由飽和器的底產(chǎn)物液體形成的水流，并由此產(chǎn)生了加壓水流。水加熱器連接到泵上，并且定位在渦輪與同流換熱器之間，以便用排出流來(lái)間接地加熱該加壓水流，從而至少部分地產(chǎn)生加熱水流。供給水泵定位在水加熱器與飽和器之間，使得加熱水流通過(guò)泵送沸騰器供給水流而形成，并且沸騰器供給水流在被泵送 之后與在水加熱器中被加熱之后的加壓水流結(jié)合。飽和器與水加熱器流動(dòng)連通，并且構(gòu)造成使加熱水流與燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生具有水分和底產(chǎn)物液體的燃燒空氣流。
[0016]在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，泵泵送水流以產(chǎn)生加壓水流。水加熱器定位在泵與渦輪之間，以便用由渦輪產(chǎn)生的排出流來(lái)加熱該加壓水流，從而產(chǎn)生加熱水流。燃燒空氣流產(chǎn)生機(jī)構(gòu)包括在預(yù)純化單元之前或之后與主空氣壓縮機(jī)流動(dòng)連通的增壓壓縮機(jī)，從而使得壓縮空氣流的至少一部分進(jìn)一步被壓縮以產(chǎn)生燃燒空氣流。飽和器連接在水加熱器與增壓壓縮機(jī)之間，并且構(gòu)造成使加熱水流與燃燒空氣流逆流地接觸，從而產(chǎn)生具有水分和底產(chǎn)物液體的燃燒空氣流。泵與飽和器流動(dòng)連通，使得水流至少部分地由底產(chǎn)物液體形成。空氣預(yù)加熱器定位在飽和器與燃燒器之間，從而使得被添加水分之后的燃燒空氣流在被引入到燃燒器中之前在空氣預(yù)加熱器中預(yù)加熱。燃?xì)鉁u輪被連接到另一個(gè)發(fā)電機(jī)上以生成附加電功率并產(chǎn)生燃?xì)鉁u輪排出物，并且燃?xì)鉁u輪被連接到空氣預(yù)加熱器上，使得燃燒空氣流在空氣預(yù)加熱器中通過(guò)與燃?xì)鉁u輪排出物的間接熱交換而被預(yù)加熱。
[0017]在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器可以是燃?xì)鉁u輪的燃燒器，并且因此膨脹器是燃?xì)鉁u輪的膨脹器。燃燒空氣流產(chǎn)生機(jī)構(gòu)包括在預(yù)純化單元之前或之后與主空氣壓縮機(jī)流動(dòng)連通的增壓壓縮機(jī)，從而使得壓縮空氣流的至少一部分進(jìn)一步被壓縮以產(chǎn)生燃燒空氣流。
[0018]如本文中和權(quán)利要求中所使用的，術(shù)語(yǔ)“空氣分離單元”意指一種設(shè)備，該設(shè)備具有用以將空氣冷卻至適合用于其蒸餾的溫度的主熱交換器和一個(gè)或多個(gè)蒸餾塔以及相關(guān)聯(lián)的裝備和熱交換器，以便將空氣分離成一種或多種產(chǎn)物。預(yù)純化單元可包括在空氣分離單元中以純化較高沸點(diǎn)雜質(zhì)的空氣。此類(lèi)預(yù)純化單元還可與將空氣供給至包體中的一個(gè)以上的空氣分離單元的壓縮機(jī)共同使用，并且因此可不與特定的空氣分離單元相關(guān)聯(lián)。在此方面，應(yīng)理解的是，本發(fā)明和所附權(quán)利要求意指覆蓋本發(fā)明的應(yīng)用，其中一個(gè)主空氣壓縮機(jī)向包體的若干裝置供給，或主空氣壓縮機(jī)與預(yù)純化單元一同是空氣分離設(shè)備的一部分。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]盡管說(shuō)明書(shū)以清楚地指出了 申請(qǐng)人:視為其發(fā)明的主題的權(quán)利要求來(lái)結(jié)束，但相信在結(jié)合附圖時(shí)將更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
圖1為用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備的示意圖；
圖2為圖1的替換實(shí)施例的局部視圖(fragmentary view)；
圖3為圖1的替換實(shí)施例的局部視圖；
圖4為圖2和圖3中所示出的實(shí)施例之間的示例性比較的圖示(graphicalrepresentat1n)；
圖5為圖1的替換實(shí)施例的局部視圖；
圖6為圖1的替換實(shí)施例的局部視圖；以及 圖7為圖1的替換實(shí)施例的局部視圖。 [0020]在使用了共有元件的各種圖中，保持相同的參考標(biāo)號(hào)以避免重復(fù)解釋。
【具體實(shí)施方式】
[0021]參考圖1，圖示了集成空氣分離和功率生成的設(shè)備I。在設(shè)備I中，主空氣壓縮機(jī)10產(chǎn)生了壓縮空氣流12。主空氣壓縮機(jī)10可以是多級(jí)中間冷卻的集成齒輪壓縮機(jī)，并且還可在這些級(jí)之間并入冷凝物去除。在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，該壓縮空氣流12作為空氣分離流14穿過(guò)后冷卻器16以去除壓縮熱量。此后，空氣分離流14進(jìn)入空氣分離單元18中，在空氣分離單元18中空氣通過(guò)低溫精餾而分離成氧產(chǎn)物20和氮產(chǎn)物22。還可產(chǎn)生出諸如氬等其它產(chǎn)物。
[0022]盡管未圖示，但如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的，空氣分離單元18包括預(yù)純化單元，預(yù)純化單元設(shè)計(jì)成從空氣去除較高沸點(diǎn)的雜質(zhì)，諸如水蒸汽、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏龋⑶翌A(yù)純化單元可并入在異相(out of phase)循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)的吸附床(absorbent bed),異相循環(huán)為溫度變動(dòng)吸附循環(huán)，或壓力變動(dòng)吸附循環(huán)或它們的組合。盡管未圖示出，但要注意的是，燃燒空氣流28可在此類(lèi)預(yù)純化單元之后形成。隨后，壓縮和純化空氣的至少一部分在主熱交換器內(nèi)被冷卻至適合用于其低溫精餾的溫度，然后在一個(gè)或多個(gè)蒸餾塔中被分離以產(chǎn)生氧產(chǎn)物流20和氮產(chǎn)物流22。例如，蒸餾塔可以是以熱量傳遞的關(guān)系彼此連接的較高壓力塔和較低壓力塔，以便在此類(lèi)較高壓力塔和較低壓力塔中產(chǎn)生富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物(column overhead)。又稱(chēng)為爸液(kettle liquid)的粗液氧作為較高壓力塔的塔底產(chǎn)物(column bottoms)而產(chǎn)生,并且此類(lèi)液體在較低壓力塔中進(jìn)一步被精煉以產(chǎn)生富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物。在富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物中的一股流在主熱交換器中被加熱之后，氧產(chǎn)物流20由此類(lèi)富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物而形成。此類(lèi)氧產(chǎn)物流可通過(guò)泵送而加壓，并且正因如此可以是超臨界流體。氮產(chǎn)物流22由從較低壓力塔獲得的富氮蒸氣流形成，它也在主熱交換器中被加溫(warm)。通過(guò)進(jìn)一步使壓縮空氣的一部分壓縮，隨后在被引入到較高壓力塔中之前將該壓縮空氣的一部分潤(rùn)輪膨脹(turboexpand),可將制冷添加至空氣分離單元。壓縮空氣的另一部分在進(jìn)一步壓縮之后能夠在主熱交換器中被液化，在主熱交換器中氧產(chǎn)物流20期望作為超臨界流體。前述內(nèi)容僅為示例性的，而且如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的，在需要低純度氧的情況下，存在于空氣分離中使用的其它蒸餾塔系統(tǒng)。在需要?dú)瀹a(chǎn)物的情況下，出于此類(lèi)目的，氬塔可被連接到較低壓力塔上。
[0023]在調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，在例如減小了氧產(chǎn)物流20需求的情況下，控制閥24被調(diào)整以降低空氣分離流14的流量，并且閥26被打開(kāi)以產(chǎn)生來(lái)自壓縮空氣流12的一部分的燃燒空氣流28。燃燒空氣流28隨后穿過(guò)同流換熱器29，并由此針對(duì)熱排出氣體流(hot exhaustgas stream) 38而被加熱以回收能量。在加熱之后，燃燒空氣流28與作為燃料流30而引入到燃燒器32中的燃料燃燒，在燃燒器32中該燃料燃燒以產(chǎn)生加熱和加壓燃燒流34。出于準(zhǔn)許燃料流30進(jìn)入的目的，控制閥31設(shè)置成打開(kāi)位置。膨脹器36連接到燃燒器32上，以便使該加熱和加壓燃燒流34膨脹，由此產(chǎn)生熱排出氣體流38。膨脹器36連接到同流換熱器29上，從而使得燃燒空氣流通過(guò)與熱排出氣體流38的間接熱交換而被加熱，該熱排出氣體流38繼而作為排出流40被排放。由膨脹器36產(chǎn)生的膨脹功在發(fā)電機(jī)42中消耗，從而生成了電功率。
[0024]如上文已描述的那樣，在電功率處于峰值時(shí)的時(shí)段期間，通過(guò)調(diào)低裝置生產(chǎn)率來(lái)減少至空氣分離單元18的功率負(fù)荷可能是經(jīng)濟(jì)的。在對(duì)于空氣分離單元18的此類(lèi)調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，從空氣分離單元至客戶的產(chǎn)物的總流量通過(guò)使儲(chǔ)存的液體產(chǎn)物氣化并且使其與來(lái)自空氣分離單元18的產(chǎn)物(例如液態(tài)氧產(chǎn)物20)混合而保持。在減少負(fù)荷期間使用的液體通過(guò)在電功率具有相對(duì)較低價(jià)值時(shí)的時(shí)段期間(例如，工作日傍晚和周末)增大液體生產(chǎn)率而再生。減 少負(fù)荷是經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樵诟叻鍟r(shí)段期間出售(或節(jié)省)的增量功率的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消了與在傍晚期間所需的附加功率相關(guān)聯(lián)的成本以及重制液體的生產(chǎn)力所需的額外資金。
[0025]在現(xiàn)有技術(shù)中，在減少負(fù)荷時(shí)段期間，由于來(lái)自空氣分離單元18的生產(chǎn)率的降低，主空氣壓縮機(jī)10排放空氣的流動(dòng)速率降低。然而，根據(jù)本發(fā)明，在減少負(fù)荷時(shí)段期間，來(lái)自主空氣壓縮機(jī)10的排放空氣流動(dòng)速率未降低；而事實(shí)上可增大至其最大速率或可保持其最大速率。從主空氣壓縮機(jī)10的排放可獲得的增量空氣流，作為未在空氣分離裝置18內(nèi)使用的燃燒空氣流28，如上文所描述的那樣被轉(zhuǎn)移至燃燒器32、膨脹器36以便由發(fā)電機(jī)42生成功率。盡管未示出，但流28可被分開(kāi)從而使得流28的第一部分進(jìn)入燃燒器32，而第二部分繞過(guò)燃燒器并且在單元36中膨脹之前與流34混合。在此情形下，空氣分離單元18以降低的速率生成產(chǎn)物，例如氧20和氮22。然而，本發(fā)明還構(gòu)想出了空氣分離單元18在此類(lèi)調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間關(guān)閉而沒(méi)有產(chǎn)生產(chǎn)物的運(yùn)轉(zhuǎn)。在此情形下，出于功率生成的目的，來(lái)自主空氣壓縮機(jī)10的全部壓縮空氣流12都可獲得用于渦輪36中的膨脹。
[0026]另一種可能性在于連同未充分利用生產(chǎn)力的主空氣壓縮機(jī)來(lái)使用本發(fā)明，以便產(chǎn)生補(bǔ)充功率。潛在的應(yīng)用可以是在具有多變的氧需求的氣化設(shè)施中、在帶有具有過(guò)?；蛭词褂玫膲嚎s機(jī)生產(chǎn)力的多個(gè)冷卻箱的大型空氣分離設(shè)施中，或在其生產(chǎn)率響應(yīng)于電網(wǎng)電價(jià)而上上下下(up and down)循環(huán)的大型空氣分離設(shè)施中。在這些情形的任何一種中，存在從主空氣壓縮機(jī)(例如主空氣壓縮機(jī)10)的排放中可獲得的過(guò)?？諝?，該過(guò)剩的空氣并不需要用來(lái)通過(guò)空氣分離單元18產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物，它反而可用來(lái)生成功率，如本文中所描述的那樣。然而，在本發(fā)明的應(yīng)用的所有情形下，主空氣壓縮機(jī)具有足夠的生產(chǎn)力以允許在調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間可獲得過(guò)?？諝?，以支持燃料流的燃燒用于電功率的生成。
[0027]在膨脹器36中生成的總功率可通過(guò)在將這些空氣供給至燃燒器32之前將水分添加至燃燒空氣流28而增大?？諝庵械乃痔砑恿肆鲃?dòng)通過(guò)膨脹器的氣體的質(zhì)量，這增大了功率輸出。用于添加這些水分的設(shè)備在圖2中示出，圖2圖示了圖1在閥26下游的改型。在此類(lèi)改型中，蒸汽流44在冷凝器46中冷凝以產(chǎn)生冷凝流48。冷凝流48由泵50泵送以產(chǎn)生第一加壓水流52。第一加壓水流52與第二加壓水流54結(jié)合以便產(chǎn)生結(jié)合水流56。結(jié)合水流在冷凝器46中通過(guò)與蒸汽流44的間接熱交換而被加熱以產(chǎn)生加熱水流58。加熱水流58與以圖1中相同的方式所形成的燃燒空氣流28在飽和器60內(nèi)逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體來(lái)飽和的包含高水分含量(elevated moisture level)的燃燒空氣流28’。如本領(lǐng)域所熟知的，飽和器60為包含填料(packing)的塔，用以產(chǎn)生燃燒空氣流28與加熱水流58的逆流接觸。在任何情形下，底產(chǎn)物液體作為底產(chǎn)物水流62從飽和器60中去除。底產(chǎn)物水流的一部分64通過(guò)泵66而被泵送以產(chǎn)生第二加壓水流54。底產(chǎn)物水流的另一部分68可作為排泄流(blowdown stream) 68而被排放。這種排放可以是連續(xù)的或間斷的，以防止雜質(zhì)積聚在圖示的設(shè)備內(nèi)。
[0028]包含高水分的燃燒空氣流28’隨后穿過(guò)同流換熱器29，然后在燃燒器32內(nèi)的燃料流30的燃燒中使用，以便在膨脹器36內(nèi)生成功率。電功率由發(fā)電機(jī)42得到。如圖1中，熱排出流38穿過(guò)同流換熱器29，從而在燃燒之前加熱包含高水分的燃燒空氣流28’，并且此后作為排出流40被排放。
[0029]最經(jīng)濟(jì)的是使用在形成蒸汽流44時(shí)的低壓飽和蒸汽，其既充當(dāng)加熱源又充當(dāng)水分源。例如，飽和90psig的蒸汽(331° F)可在冷凝交換器46中以30° F的設(shè)計(jì)夾點(diǎn)(design pinch)將飽和器水加熱至300° F。要注意的是,將水分添加至燃燒空氣流28的最直接方式涉及在處于或高于水分待被添加的給定流的壓力的壓力下將蒸汽添加至用作燃料流30的空氣或天然氣流。然而，使用低水平蒸汽(處于低于燃燒空氣流28或燃料流30的壓力的壓力下的蒸汽)具有這樣的優(yōu)勢(shì):低壓蒸汽的價(jià)值小于高壓蒸汽的價(jià)值，即在蒸汽渦輪中每磅低壓蒸汽比每磅高壓蒸汽產(chǎn)生更少的功率。
[0030] 圖3圖示了將水分添加至燃燒空氣流28的替換方式，并且圖示了圖1的閥26下游的改型。在圖3中，補(bǔ)充水流70是用于燃燒空氣流28的水分源，而熱排出氣體流38是用于加熱供給至飽和器60的水的能量源。如圖2中，燃燒空氣流28供給至飽和器60，在飽和器60中燃燒空氣流28接觸加熱和加壓水流72。滿載水分或包含水分的燃燒空氣流28’與由燃料流30提供的燃料在燃燒器32中燃燒，以生成加熱和加壓燃燒流34，該加熱和加壓燃燒流34隨后通過(guò)渦輪膨脹器36傳送，以生成功率。熱排出流38中的能量在水加熱器74中回收。水加熱器74連接到泵78上，而且定位在渦輪36與同流換熱器29之間，以將熱量間接地傳遞至由泵78加壓的水流80，從而形成供給至飽和器60的加熱和加壓水流72。如所圖示的，取決于設(shè)計(jì)，在水加熱器74內(nèi)加熱水之后，可存在留在熱排出流38中的附加熱量，該附加熱量可在燃燒空氣流28’燃燒和膨脹之前被傳遞至在同流換熱器29中的濕潤(rùn)的燃燒空氣流28’。[0031]由離開(kāi)飽和器底部的底產(chǎn)物液體形成的冷卻冷凝物的小部分可連續(xù)或以間斷的基準(zhǔn)被傳送至作為排泄流68的排泄物，從而防止雜質(zhì)的積聚。底產(chǎn)物水流62的其余部分與補(bǔ)充水流70結(jié)合以形成前文所討論的水流80。水流80由泵78加壓并由此被加壓。在水加熱器74中被加熱之后，產(chǎn)生的加熱和加壓水流72被供給至飽和器60的頂部。
[0032]以下實(shí)例比較了上文所描述的三種處理選擇的相對(duì)利潤(rùn)率(profitability)。表中列出了用來(lái)計(jì)算本發(fā)明的三個(gè)實(shí)施例的利潤(rùn)率的參數(shù)。用于該實(shí)例的空氣分離單元18設(shè)計(jì)用于3000tpd的氧。冷卻箱在減少負(fù)荷期間調(diào)低至70%的生產(chǎn)力，但主空氣壓縮機(jī)10仍然以百分之100的生產(chǎn)力運(yùn)行。在空氣分離單元18中未使用的過(guò)剩壓縮空氣形成了燃燒空氣流28，該燃燒空氣流28具有大約337klb/hr的流動(dòng)速率，并且消耗11.7MW的附加功率以便壓縮過(guò)?？諝?。從主空氣壓縮機(jī)10排放的空氣的壓力和溫度分別為151psig和250° F。燃料流30的燃料流動(dòng)速率設(shè)置成使得燃燒器32的出口溫度為1500° F，而且空氣中的水分含量在小于0.5摩爾百分比與0.3摩爾百分之間變化。燃料、天然氣和補(bǔ)充水的價(jià)值也在下表中列出。連同圖2中所示出的實(shí)施例的評(píng)估，當(dāng)使空氣濕潤(rùn)所需的蒸汽流從渦輪中去除時(shí)，通過(guò)計(jì)算來(lái)自蒸汽渦輪的功率損失，蒸汽的價(jià)值也被包括。隨后，來(lái)自蒸汽渦輪的功率損失從膨脹器的總功率輸出中被減去。燃燒器/膨脹器裝備將僅在減少負(fù)荷時(shí)段期間運(yùn)轉(zhuǎn)。這估計(jì)為8hr/日、5日/周以及18周/yr (或8%/yr)。在該分析中使用的功率值來(lái)自California公共事業(yè)部門(mén)在2010年11月的超級(jí)高峰功率價(jià)格的估計(jì)。
表1
【權(quán)利要求】
1.一種分離空氣和生成電功率的方法,其包括: 在主空氣壓縮機(jī)中壓縮空氣以產(chǎn)生壓縮空氣流； 在所述壓縮空氣流被預(yù)純化之前或之后，由所述壓縮空氣流的至少一部分形成燃燒空氣流； 在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，將所述壓縮空氣流引入到空氣分離單元中，并且通過(guò)低溫精餾使所述空氣分離以產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物， 在不產(chǎn)生或以較小速率產(chǎn)生所述一種或多種產(chǎn)物的調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，將所述燃燒空氣流和燃料流引入到燃燒器中，燃燒燃料以產(chǎn)生加熱和加壓燃燒流，并且在連接到發(fā)電機(jī)上的渦輪中使所述加熱和加壓燃燒流膨脹以生成電功率；以及 使所述主空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使得所述壓縮機(jī)產(chǎn)生所述壓縮空氣流，以允許在所述調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間可獲得所述燃燒空氣流，以支持所述燃料流的燃燒用于生成電功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述渦輪產(chǎn)生排出流，并且在將所述燃燒空氣流引入到所述燃燒器中之前，所述排出流將熱量間接地傳遞至所述燃燒空氣流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在所述排出流將熱量間接地傳遞至所述燃燒空氣流之前，所述燃燒空氣流用水分來(lái)飽和。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述燃燒空氣流通過(guò)下述用水分來(lái)飽和: 在冷凝器中使蒸汽流冷凝以產(chǎn)生冷凝流； 在泵中泵送所述冷凝流以產(chǎn)生第一加壓水流； 使所述第一加壓水流與第二加壓水流結(jié)合以產(chǎn)生結(jié)合水流； 在所述冷凝器中通過(guò)與所述蒸汽流的間接熱交換而加熱所述結(jié)合水流，以產(chǎn)生加熱水流； 使所述加熱水流與所述燃燒空氣流在飽和器中逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體來(lái)飽和的燃燒空氣流；以及 使所述底產(chǎn)物液體的至少一部分再循環(huán)以形成所述第二加壓水流。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述燃燒空氣流通過(guò)下述用水分來(lái)飽和: 在泵中泵送水流以產(chǎn)生加壓水流； 在定位于所述渦輪與同流換熱器之間的水加熱器中用所述排出流來(lái)加熱所述加壓水流，以至少部分地產(chǎn)生加熱水流，所述同流換熱器在從所述排出流到所述燃燒空氣流的間接熱量傳遞中使用； 使所述加熱水流與所述燃燒空氣流在飽和器中逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體來(lái)飽和的燃燒空氣流；以及 通過(guò)使所述底產(chǎn)物液體與補(bǔ)充水流結(jié)合而形成所述水流。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述燃燒空氣流通過(guò)下述用水分來(lái)飽和: 在泵中泵送由飽和器的底產(chǎn)物液體構(gòu)成的水流以產(chǎn)生加壓水流； 在定位于所述渦輪與同流換熱器之間的水加熱器中用所述排出流來(lái)加熱所述加壓水流，所述同流換熱器在從所述排出流至所述燃燒空氣流的間接熱量傳遞中使用； 泵送沸騰器供給水流，并且使所述沸騰器供給水流與在所述水加熱器中被加熱之后的所述加壓水流結(jié)合以形成加熱水流；以及 使所述加熱水流與所述燃燒空氣流在飽和器中逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體來(lái)飽和的燃燒空氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述燃燒空氣流通過(guò)下述用水分來(lái)飽和: 在泵中泵送水流以產(chǎn)生加壓水流； 在水加熱器中用所述排出流來(lái)加熱所述加壓水流以產(chǎn)生加熱水流； 所述壓縮空氣流在預(yù)純化單元中被預(yù)純化之前或之后，通過(guò)在增壓壓縮機(jī)中進(jìn)一步壓縮所述壓縮空氣流的至少一部分來(lái)形成所述燃燒空氣流； 使所述加熱水流與所述燃燒空氣流在飽和器中逆流地接觸，以產(chǎn)生用水分和底產(chǎn)物液體來(lái)飽和的燃燒空氣流；以及 至少部分地由所述底產(chǎn)物液體形成所述水流；以及 通過(guò)與用來(lái)生成附加電功率的燃?xì)鉁u輪排出物的間接熱交換來(lái)加熱由水分飽和之后的燃燒空氣流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述燃燒器是燃?xì)鉁u輪的燃燒器，而所述膨脹器是所述燃?xì)鉁u輪的膨脹器；以及 所述燃燒空氣流進(jìn)一步被壓縮且被引入到所述燃燒器中。
9.一種用于分離空氣和生成電功率的設(shè)備，其包括: 主空氣壓縮機(jī),其用以壓縮空氣并由此產(chǎn)生壓縮空氣流； 空氣分離單元，其與所述主空氣壓縮機(jī)流動(dòng)連通； 所述空氣分離單元構(gòu)造成在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件和調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件中選擇性地運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使得在所述設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，所述壓縮空氣流內(nèi)的空氣通過(guò)低溫精餾而被分離，以產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物，并且在所述調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，未產(chǎn)生或以比設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間更小的速率產(chǎn)生所述一種或多種產(chǎn)物； 機(jī)構(gòu)，其用于在預(yù)純化單元中在所述壓縮空氣流被預(yù)純化之前或之后，由所述壓縮空氣流的至少一部分來(lái)產(chǎn)生燃燒空氣流； 燃燒器，其與燃燒空氣流產(chǎn)生機(jī)構(gòu)流動(dòng)連通，從而使得在所述調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間，燃料流在所述燃燒器中通過(guò)由所述燃燒空氣流支持的燃燒而被燃燒，并且加熱和加壓燃燒流由所述燃燒而產(chǎn)生； 渦輪，其與所述燃燒器流動(dòng)連通，從而使所述加熱和加壓燃燒流膨脹以產(chǎn)生排出流； 發(fā)電機(jī)，其連接到所述渦輪上以生成電功率； 所述主空氣壓縮機(jī)具有足夠的生產(chǎn)力以允許在所述調(diào)低運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間可獲得所述燃燒空氣流，以支持所述燃料流的燃燒用于生成所述電功率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，同流換熱器定位在所述渦輪與所述主空氣壓縮機(jī)之間，使得在將所述燃燒空氣流引入到所述燃燒器中之前，由渦輪產(chǎn)生的排出流將熱量間接地傳遞至所述燃燒空氣流。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，用于將水分加至所述燃燒空氣流的機(jī)構(gòu)定位在所述同流換熱器與所述主空氣壓縮機(jī)之間，使得在所述排出流間接地將熱量傳遞至所述燃燒空氣流之前，所述燃燒空氣流包含水分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，用于添加水分的機(jī)構(gòu)包括: 冷凝器，其用于使蒸汽流在冷凝器中冷凝以產(chǎn)生冷凝流；泵，其連接到所述冷凝器上以泵送所述冷凝流，并由此產(chǎn)生第一加壓水流； 飽和器，其構(gòu)造成使加熱水流與所述燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生具有水分和底產(chǎn)物液體的燃燒空氣流；以及 再循環(huán)流動(dòng)通路，其連接到所述泵、所述冷凝器和所述飽和器上，并且構(gòu)造成使所述第一加壓水流與第二加壓水流結(jié)合以產(chǎn)生結(jié)合水流，從而在所述冷凝器中通過(guò)與所述蒸汽流的間接熱交換來(lái)加熱所述結(jié)合水流以產(chǎn)生所述加熱水流，并且具有再循環(huán)泵，所述再循環(huán)泵定位成使所述底產(chǎn)物液體的至少一部分再循環(huán)以形成所述第二加壓水流。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，用于添加水分的機(jī)構(gòu)包括: 泵，其用以加壓水流并由此產(chǎn)生加壓水流； 水加熱器，其連接到所述泵上，并且定位在所述渦輪與所述同流換熱器之間，以便用所述排出流間接地加熱所述加壓水流，從而至少部分地產(chǎn)生加熱水流； 飽和器，其與所述水加熱器流動(dòng)連通，并且構(gòu)造成使所述加熱水流與所述燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生具有水分和底產(chǎn)物液體的燃燒空氣流；以及 所述泵與所述飽和器和用于引入補(bǔ)充水流的補(bǔ)充水入口流動(dòng)連通，從而使得所述水流由所述底產(chǎn)物液體和所述補(bǔ)充水流形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，用于添加水分的機(jī)構(gòu)包括: 泵，其用以加壓由飽和 器的底產(chǎn)物液體形成的水流，并由此產(chǎn)生了加壓水流； 水加熱器，其連接到所述泵上，并且定位在所述渦輪與所述同流換熱器之間，以便用所述排出流間接地加熱所述加壓水流，以至少部分地產(chǎn)生加熱水流； 供給水泵，其定位在所述水加熱器與所述飽和器之間，使得加熱水流通過(guò)泵送沸騰器供給水流而形成，并且所述沸騰器供給水流在被泵送之后與在所述水加熱器中被加熱之后的所述加壓水流結(jié)合；以及 所述飽和器與所述水加熱器流動(dòng)連通，并且構(gòu)造成使所述加熱水流與所述燃燒空氣流逆流地接觸，以產(chǎn)生具有水分和所述底產(chǎn)物液體的燃燒空氣流。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中: 泵泵送水流以產(chǎn)生加壓水流； 水加熱器定位在所述泵與所述渦輪之間，以便用由所述渦輪產(chǎn)生的排出流來(lái)加熱所述加壓水流，從而產(chǎn)生加熱水流； 所述燃燒空氣流產(chǎn)生機(jī)構(gòu)包括在所述預(yù)純化單元之前或之后與所述主空氣壓縮機(jī)流動(dòng)連通的增壓壓縮機(jī)，從而使得所述壓縮空氣流的至少一部分進(jìn)一步被壓縮以產(chǎn)生所述燃燒空氣流， 飽和器連接在所述水加熱器與所述增壓壓縮機(jī)之間，并且構(gòu)造成使所述加熱水流與所述燃燒空氣流逆流地接觸，從而產(chǎn)生具有水分和底產(chǎn)物液體的燃燒空氣流； 所述泵與所述飽和器流動(dòng)連通，使得所述水流至少部分地由所述底產(chǎn)物液體形成； 空氣預(yù)加熱器定位在所述燃燒器與所述飽和器之間，使得添加水分之后的燃燒空氣流在被引入到所述燃燒器中之前在所述空氣預(yù)加熱器中被預(yù)加熱； 燃?xì)鉁u輪連接到另一個(gè)發(fā)電機(jī)上以生成附加電功率并且產(chǎn)生燃?xì)鉁u輪排出物；以及所述燃?xì)鉁u輪連接到所述空氣預(yù)加熱器上，使得所述燃燒空氣流在所述空氣預(yù)加熱器中通過(guò)與所述燃?xì)鉁u輪排出物的間接熱交換而被預(yù)加熱。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中: 所述燃燒器是燃?xì)鉁u輪的燃燒器，并且所述膨脹器是所述燃?xì)鉁u輪的膨脹器；以及所述燃燒 空氣流產(chǎn)生機(jī)構(gòu)包括在所述預(yù)純化單元之前和之后與所述主空氣壓縮機(jī)流動(dòng)連通的增壓壓縮機(jī)，從而使得所述壓縮空氣流的至少一部分進(jìn)一步被壓縮以產(chǎn)生所述燃燒空氣流。
【文檔編號(hào)】F25J3/04GK104040274SQ201280025392
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月26日
【發(fā)明者】G.J.帕努焦, R.F.德?tīng)杻?nèi)維奇, M.M.沙 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司