CN102803663A - 发电设备以及产生电能的方法 - Google Patents
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Abstract
发电设备以及在将蒸汽用作能量传递手段的工业过程期间从回收热来产生电能的方法。该方法包括：在由第一回收热源加热的第一热交换器中产生第一饱和蒸汽；将该第一饱和蒸汽馈送入第一蒸汽涡轮发电机，其中该第一蒸汽涡轮发电机输出排出蒸汽；用水分分离器从该排出蒸汽中去除水分；用热源使来自主热交换器的水分减少的排出蒸汽过热；以及，将过热的排出蒸汽馈送入第二蒸汽涡轮发电机。该发电设备包括第一饱和蒸汽源、第一蒸汽涡轮发电机、水分分离器、第二饱和蒸汽源、热交换器以及第二蒸汽涡轮发电机。
Description
技术领域
本发明总体涉及诸如用于煤制油生产(coal-to-liquidproduction)的那些设备和过程中的能量回收(energy recovery)领域。
背景技术
能源信息署在其2008年的国际能源展望中预测了全球能源消耗在2005与2030年之间将增长50％。全球运输燃料产品预期到2020年将达到每天93百万桶油(MMbbl/d)。预期煤制油(CTL)将变得愈加必要，以补偿石油(oil)消耗的增加。非常规资源(煤制油、气制油(gas-to-liquid)等)的世界产量在2005年总计仅2.5MMbbl/d，然而预期到2030年将增加到至少9.7MMbbl/d，在油当量基础上占全世界油(liquid)供应的9％。
对于其他工业气化过程也预见了良好的应用前景，包括将全世界的煤、油砂、废煤和石油焦炭(petcoke)储备转化成一系列较高价值产品，诸如电力、液体燃料、SNG、肥料及其他化学原料。高昂的石油和天然气价格使得上述实际上是极为诱人的选择。
因为这些工业过程中的许多都使用大量能量从而成本高昂，所以致力于回收尽可能多的废能量，所述废能量常常为热的形式。因而，已知在这些工业过程期间使用发电设备(power generation plant)来回收废能量。
例如，具有气流床气化炉(entrained flow gasifier)或其他放热反应器的过程通常特征在于产生大量废热，所述废热可以根据在该过程中的位置以不同的压力被至少部分地传递到饱和蒸汽。在一个使用气化炉并生产40000bbl/d的典型CTL设备中，废热锅炉和费托(Fischer-Tropsch，F-T)反应器各自生产约1000公吨/h的可被用于发电的饱和蒸汽。
在一个常规发电设备中，使每个饱和蒸汽源在其自身的燃烧式过热器(fired superheater)中过热，之后被馈送至常规蒸汽涡轮机。用来点燃过热器的燃料通常是从该工业过程的合成回路吹扫(purge)的燃料气体。然而，燃烧式过热器是昂贵的装置，它们的效率低，且它们是空气污染排放物的源头。
考虑到在CTL及多种其他工业过程中涉及的废能量的量，应清楚的是，提高发电过程或其步骤之一的效率可导致显著的额外能量回收。此外，鉴于日益增加的环境考量，发电过程和设备的效率的提高显然是有利的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在工业过程期间从废热来产生电能的方法，其克服了或减小了已知方法的一个或多个缺点，或至少提供了一种有用的替代。
本发明的另一个目的是提供一种用于从废热来生产饱和蒸汽的工业过程设备的发电设备，其克服了或减小了已知的用于从废热来生产饱和蒸汽的工业过程设备的发电设备的一个或多个缺点。
本发明提供了如下优点：提供更有效率的发电设备，其使用更有效率的方法产生电能，这实现了可以比类似的已知工业设备更廉价的工业设备安装。此外，改进的工业设备回收了更多的废能量且具有更少的空气排放物。因为该工业设备的生产和建造较廉价，且因为在工业过程期间废能量被更有效率地回收，所以可以改善该工业设备的经济性。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种在将蒸汽用作传递能量的手段的工业过程(诸如CTL过程)期间从回收热来产生电能的方法。所述方法包括下列步骤：a)在由第一回收热源(source of recoveredheat)加热的第一热交换器中产生第一饱和蒸汽；b)将所述第一饱和蒸汽馈送入第一蒸汽涡轮发电机，其中所述第一蒸汽涡轮发电机输出排出蒸汽；c)用水分分离器从该排出蒸汽中去除水分；d)用热源在主热交换器中使来自步骤c的水分减少的所述排出蒸汽过热；以及，e)将过热的所述排出蒸汽馈送入第二蒸汽涡轮发电机。
根据本发明的另一个实施方案，提供了一种用于从回收热生产饱和蒸汽的工业过程设备(诸如CTL设备)的发电设备。所述发电设备包括：第一饱和蒸汽源、第一蒸汽涡轮发电机、水分分离器、第二饱和蒸汽源、热交换器以及第二蒸汽涡轮发电机。所述蒸汽涡轮发电机具有第一入口和第一出口。所述第一入口连接到所述第一饱和蒸汽源。所述水分分离器连接到所述第一蒸汽涡轮发电机的所述第一出口。所述水分分离器适于从来自所述第一出口的排出蒸汽中去除水分从而生产已干燥的排出蒸汽。所述热交换器连接到所述水分分离器且连接到所述第二饱和蒸汽源。所述热交换器适于接收已干燥的所述排出蒸汽，并用来自所述第二源的所述饱和蒸汽使已干燥的所述排出蒸汽过热。所述热交换器具有热交换器出口以排出过热的已干燥的所述排出蒸汽。所述第二蒸汽涡轮发电机连接到所述热交换器出口，从而接收过热的已干燥的所述排出蒸汽。
附图说明
从下文参照附图的描述将更明了本发明的这些及其他特征，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方案的煤制油设备的示意图；且
图2是用在图1的煤制油设备中的发电设备的详细视图的示意图。
具体实施方式
发电设备常用在工业过程中以回收废能量并将其转化成可用能量，诸如电。典型的已知发电设备被用来从该工业过程中回收副产品热，通过使用该热来将水转化成用于驱动发电机的蒸汽。这些发电设备通常使用过热器来加热饱和蒸汽，然后使用该蒸汽为蒸汽涡轮机提供动力，所述蒸汽涡轮机进而产生电。过热器被用来去除过热蒸汽中的多余湿度，否则该多余湿度通过侵蚀涡轮的叶片及通过降低其膨胀效率而不利于蒸汽涡轮机。该工业过程中的副产品吹扫气体被用来点燃过热器，且也在一个组合循环单元中。
在本发明的发电设备中，过热器被替换成水分分离器和再加热器。此外，吹扫气体被单独用在该组合循环单元中。这样使得可以从等量吹扫气体生产更多能量，因为该组合循环比兰金(Rankine)循环具有更好的效率，所述过热器的兰金循环被用在典型的已知发电设备中。
尽管本发明的发电设备及关联的生产电能的方法可以被用在不同类型的工业设备中，但将参照煤制油(CTL)气化设备来描述本实施方案。
图1描绘了根据本发明的一个实施方案的CTL设备10的图。该CTL设备由下列设备区域构成：煤准备12(干燥、粉碎和馈送)、空气分离单元(ASU)14、气化16、用于热恢复(heat recuperation)的废热锅炉18、合成气清洁和净化20、费托(F-T)气制油合成反应器22、精炼24以及发电设备26。图2示出了发电设备26的细节。
在一些实施例中，发电设备26由第一蒸汽涡轮发电机28和第二涡轮发电机29以及组合循环单元32组成，所述第一蒸汽涡轮发电机28和第二涡轮发电机29通过水分分离器和再加热器(MSR)30连接。馈送水源34(其中来自冷凝器的冷凝物被加热和脱气(de-aerated))供应馈送水36。馈送水36的第一部分进入废热锅炉18，并蒸发成废热锅炉饱和蒸汽38。废热锅炉饱和蒸汽38的第一部分进入第一蒸汽涡轮发电机28，该第一蒸汽涡轮发电机28从包含在加压的废热锅炉饱和蒸汽38中的能量来生产电。
废热锅炉饱和蒸汽38可以处在65bar的压力、约280℃的温度和约0％的水分。废热锅炉饱和蒸汽38通过第一蒸汽涡轮发电机28(其属于湿蒸汽型)的入口进入第一蒸汽涡轮发电机28，并在该涡轮机内部膨胀，从而做功。废热锅炉饱和蒸汽38以排出蒸汽40的形式离开该第一蒸汽涡轮发电机。排出蒸汽40可以处在18.5bar的压力、约208℃的温度和约12％的水分。第一蒸汽涡轮发电机28可以配备有其自身的水分分离器。
进而，排出蒸汽40进入MSR 30。MSR 30的一些实例由两部分组成：第一部分是水分分离器42，第二部分是热交换器44。水分分离器42可以包括折流板(baffle)，从而该排出蒸汽须绕所述折流板行进，这排放了排出蒸汽40中的一些湿度。水分分离器42可以在水分分离器出口处将排出蒸汽40的水分含量降低至约5％。
在已干燥的排出蒸汽40进入热交换器44之前，来自F-T反应器22的饱和蒸汽46与已干燥的排出蒸汽40混合。这一混合排出蒸汽48继而进入热交换器44以待被再加热。
MSR 30的热交换器44可以接收来自多个源的饱和蒸汽：例如第一饱和蒸汽源是废热锅炉18。如所提及的，由该废热锅炉提供的废热锅炉饱和蒸汽38的一部分为第一蒸汽涡轮机28提供动力。废热锅炉饱和蒸汽38的第二部分被引导到热交换器44，以再加热所述混合排出蒸汽48。MSR 30内的热交换器44也可以接收来自热回收蒸汽发电机(HRSG)52的饱和蒸汽50。HRSG饱和蒸汽50以约314℃的温度和约104bar的压力进入热交换器44。HRSG饱和蒸汽50和来自该废热锅炉的饱和蒸汽38的第二部分将混合排出蒸汽48再加热到过热状态，所述过热状态处在约304℃的温度和约17bar的压力。
MSR 30可以具有不同级。例如，第一级可以是水分分离器42，第二级可以是热交换器44的第一部分(在这里废热锅炉饱和蒸汽38的第二部分再加热所述混合排出蒸汽48)，而第三级可以是热交换器44的第二部分(在这里HSRG饱和蒸汽50进一步再加热所述混合排出蒸汽48)。在MSR 30的一个级或多个级且可选地在所有级，排放水54被收集。排放水54要么来自从排出蒸汽40分离的水分，要么来自进入热交换器44以再加热所述混合排出蒸汽48的废热锅炉饱和蒸汽38的第二部分和HSRG饱和蒸汽50的冷凝水。排放水54可以在该发电设备26中被再循环。
过热的混合排出蒸汽48继而进入第二蒸汽涡轮发电机29，在这里它膨胀以进一步做功。这允许第二蒸汽涡轮发电机29生产电。
用在该发电设备26中的组合循环单元32具有与已知发电设备相似的布置，除了：首先，它接收更多吹扫气体56，其是在CTL设备10中使用的工业过程的副产品；其次，如所提及的，来自HSRG 52的饱和蒸汽50的一部分被引导至MSR 30。
优选地，所有或基本所有副产品吹扫气体56被引导至组合循环单元32。在组合循环单元32中，吹扫气体56的第一部分被用来为燃气涡轮发电机58提供动力，所述燃气涡轮发电机58生产电。
燃气涡轮发电机58生产高温(hot)排出气体60。这些高温排出气体60的热也可以在HSRG 52中被回收，且被用来使进入HRSG 52的馈送水36的第二部分加热、蒸发及过热。高温排出气体60(它们的热的一部分已传递)可以作为冷却的废气(flue gases)62离开HSRG52去往大气。
吹扫气体56的第二部分在HSRG 52内的管燃烧器(duct burner)中被点燃，以将额外的热传递到馈送水36，并生产过热的饱和蒸汽50。
并非所有饱和蒸汽50a都被引导至MSR 30。饱和蒸汽50的第二部分被过热并馈送至第三蒸汽涡轮发电机64，在这里它膨胀并做功，从而允许第三蒸汽涡轮发电机64产生电。
有利地，本发明的功率设备26更高效，即，对于使用给定量的能量它比已知发电设备产生更多电。这是因为该工业过程的副产品中的所有吹扫气体都被用在组合循环中，而不是部分地用在组合循环中以及像在已知发电设备过程中那样部分地用在兰金循环中。该组合循环的效率是约50％，而兰金循环的效率仅是约30％。
本发明的发电设备配置可以根据所述过程被应用至单个饱和蒸汽源或应用至多个饱和蒸汽源。使用不同的饱和蒸汽源和参数，可以通过使用水分分离功率循环概念开发出不同的发电配置。
本发明的发电设备配置应用至多种工业过程，尤其是生产饱和蒸汽的气化过程，诸如CTL、氨、甲醇、氢和SNG生产。
本发明的发电设备配置也可以应用至如下的工业过程，诸如钢铁制造、铝矾土(bauxite)和氧化铝生产，其中存在具有不同压力的共用蒸汽联管箱(header of steam)。
图1和图2中示出的发明的实施方案的CTL气化过程以及常规的CTL气化过程两者在计算机上使用Aspen PlusTM和GTPro/GTMasterTM软件应用进行模拟，以作为案例A和案例B进行比较。用于案例A和案例B的关键蒸汽参数分别在表A和表B中被示出。(馈送水系统被简化以反映发电设备的蒸汽产生的质量平衡。)模拟了一个具有40,000bbl/d的产能(capacity)的CTL气化设备，其中使用了干馈送气流床气化炉和钴催化剂F-T合成反应器。
案例A：常规的发电
根据可用的吹扫气体的总量(其对案例A和案例B是相同的)，为案例A选择一个GE 7EA燃气涡轮机。由于受到低热值(Btu)气体应用的限制，该燃气涡轮机以94％负载运行。在该HRSG中不存在补充点燃。使用了从HRSG引入蒸汽的凝汽式涡轮机。
表A：计算机模拟的用于常规发电的蒸汽参数
对于常规的已知发电设备配置，这些结果指示：
·总热输入，HHV：571.4MWth
·总功率输出：643.6MWe
注意，总热输入没有包括用于在气化岛的废热锅炉中和在F-T反应器中生产饱和蒸汽的热。
案例B：根据本发明的发电
基于根据本发明的用于发电的配置，同样模拟了40,000bbl/d CTL气化设备。因为本发明的方法比已知方法向燃气涡轮机提供了更多吹扫气体，所以选择了一个GE 7FA燃气涡轮机。该燃气涡轮机也以94％负载运行。为了处理吹扫气体的总量，其一小部分被用作HRSG中的补充点燃。
表B：计算机模拟的用于根据本发明的发电的蒸汽参数
对于本发明的发电设备，这些结果显示：
·总热输入，HHV：571.4MWth
·总功率输出：693.8MWe
通过比较案例A和案例B的结果，可以看到，对于由该工业过程提供的等量的热和吹扫气体，本发明的发电设备的输出多了50.2MWe，或7.8％。
这50.2MW的功率增加不仅归功于从兰金循环到组合循环的燃料气体利用的转换(其占35.0MW)，而且归功于使用更先进的燃气涡轮机(7FA对7EA)(其占15.2MW)。
当选择92％的操作有效性(operational availability)因子和0.07$/kWh的电费费率时，这一额外发电的年度经济效益可以达到28M$。此外，通过去除用在已知发电设备中的两个点燃式过热器，可以降低该CTL气化设备的资金成本。而且，注意，也可以降低生产每千兆焦耳(GJ)能量的具体温室气体(GHG)排放物。通过使用根据本发明的发电设备配置，可以改善CTL设备或其他工业设备的总体经济性。
已通过优选实施方案描述了本发明。这些描述及附图旨在帮助理解本发明，而不是限制它的范围。本领域技术人员应明了，在不违背本文描述的发明的范围的前提下，可以对本发明做出多种改型，且这样的改型旨在被本说明书所涵盖。本发明由所附权利要求书限定。
Claims (19)
1.一种在将蒸汽用作能量传递手段的工业过程期间从回收热来产生电能的方法，包括下列步骤：
a.在由第一回收热源加热的第一热交换器中产生第一饱和蒸汽；
b.将所述第一饱和蒸汽馈送入第一蒸汽涡轮发电机，所述第一蒸汽涡轮发电机输出排出蒸汽；
c.用水分分离器从该排出蒸汽中去除水分；
d.在主热交换器中用热源使来自步骤c的已干燥的所述排出蒸汽过热；以及
e.将过热的所述排出蒸汽馈送入第二蒸汽涡轮发电机。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述热源包括所述第一饱和蒸汽的一部分。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在由第二回收热源加热的第二热交换器中产生第二饱和蒸汽，并且其中所述热源包括所述第二饱和蒸汽。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括在由第三回收热源加热的第三热交换器中产生第三饱和蒸汽，并将所述第三饱和蒸汽与已干燥的所述排出蒸汽混合，从而生产混合排出蒸汽，所述过热包括使所述混合排出蒸汽过热，且所述馈送包括将过热的所述混合排出蒸汽馈送入所述第二蒸汽涡轮发电机。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一热交换器是废热锅炉的一部分，所述第二热交换器是组合循环单元的一部分，且所述第三热交换器是费托反应器的一部分。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述水分分离器和所述主热交换器被组合成一个水分分离器和再加热器，所述水分去除发生在所述水分分离器和再加热器的第一级中，所述混合发生在所述水分分离器和再加热器的第二级中，且所述过热发生在所述水分分离器和再加热器的第三级中。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括使从所述第一饱和蒸汽、第二饱和蒸汽和第三饱和蒸汽及所述排出蒸汽中的至少一个排放的水再循环。
8.根据权利要求3所述的方法，还包括将来自所述工业过程的副产品吹扫气体单独馈送至组合循环单元。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述馈送所述吹扫气体包括将所述吹扫气体的第一部分馈送至所述组合循环单元的燃气涡轮发电机。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括用所述吹扫气体的第二部分加热所述第二饱和蒸汽。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述馈送至所述第一蒸汽涡轮发电机之前从所述第一饱和蒸汽中去除水分。
12.根据权利要求1所述的过程用于气化工业过程。
13.根据权利要求12所述的过程用于煤气化工业过程。
14.一种用于从回收热生产饱和蒸汽的工业过程设备的发电设备，所述发电设备包括：
第一饱和蒸汽源；
第一蒸汽涡轮发电机，所述第一蒸汽涡轮发电机具有第一入口和第一出口，所述第一入口连接到所述第一饱和蒸汽源；
水分分离器，其连接到所述第一蒸汽涡轮发电机的所述第一出口，所述水分分离器适于从来自所述第一出口的排出蒸汽中去除水分从而生产已干燥的排出蒸汽；
第二饱和蒸汽源；
热交换器，其连接到所述水分分离器且连接到所述第二饱和蒸汽源，所述热交换器适于接收已干燥的所述排出蒸汽，并用来自所述第二源的所述饱和蒸汽使已干燥的所述排出蒸汽过热，所述热交换器具有热交换器出口以排出过热的已干燥的所述排出蒸汽；以及
第二蒸汽涡轮发电机，其连接到所述热交换器出口，从而接收过热的已干燥的所述排出蒸汽。
15.根据权利要求14所述的发电设备，还包括第三饱和蒸汽源，所述第三饱和蒸汽源被连接在所述水分分离器与所述热交换器之间，以将来自所述第三源的所述饱和蒸汽引入已干燥的所述排出蒸汽中，从而生产混合蒸汽，所述热交换器适于接收所述混合蒸汽并使所述混合蒸汽过热，所述第二涡轮发电机适于接收过热的所述混合蒸汽。
16.根据权利要求15所述的发电设备，其中所述第三源是费托反应器。
17.根据权利要求14所述的发电设备，还包括具有燃气涡轮发电机的组合循环单元以及副产品吹扫气体源，所述吹扫气体源被单独连接到所述组合循环单元，所述吹扫气体源连接到所述组合循环单元内的所述燃气涡轮发电机。
18.根据权利要求17所述的发电设备，其中所述副产品吹扫气体源连接到所述组合循环单元内的加热器，所述加热器适于加热来自所述第二源的所述饱和蒸汽。
19.根据权利要求18所述的发电设备，其中所述第二源是所述组合循环单元。
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