專利名稱：二氧化碳捕集和壓縮單元與蒸汽或者聯合循環發電廠的熱集成的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于操作包括生成電力的發電廠、二氧化碳捕集和壓縮系統以及外部熱循環系統的發電廠系統的方法，所述發電廠特別是聯合循環發電廠或者使用礦物燃料操作的蒸汽發電廠。本發明進一步涉及使用所述方法的發電廠系統。
背景技術：
在使用燃氣渦輪的情況下，在與燃氣渦輪結合的所謂聯合循環發電廠中，傳統的燃燒礦物燃料的發電廠使用蒸汽循環用于電力生成。在諸如整體煤氣化聯合循環(IGCC) 發電廠或者天然氣聯合循環(NGCC)發電廠之類的較新發電廠中也使用蒸汽循環。在燃燒煤的蒸汽循環發電廠中，礦物燃料中包含的熱能的大約40%被轉換為電力。這使得大部分能量浪費在水冷卻塔或者其它水冷卻設施中。水冷卻設施經過冷卻水的汽化將低壓排放蒸汽中的全部廢熱傳輸到環境中。聯合發電廠具有可至59%的稍高一些的整體效率。另一方面，從燃燒后的廢氣(flue gas)中分離CO2需要大量熱量(蒸汽形式)。例如，現有技術的單乙醇胺(MEA)吸收工藝對于每千克所捕集的(X)2需要大約4MJ的總熱量。因此，CO2分離工藝是能量密集的。所需要的能量通過發電廠中的蒸汽來提供。從蒸汽渦輪中提取蒸汽會降低電力生成(輸出、整體效率)。對于相同量的蒸汽，所提取的蒸汽壓力(因而以及溫度)越高，電力的損失將越高。現有技術的基于胺的吸收工藝降低了電力輸出。該能量成本以及相關聯的財務成本妨礙了采取CO2分離。利用傳統的基于MEA的吸收工藝，從燃燒后廢氣中分離(X)2的成本占到總體(X)2隔離成本的主要部分。高分離成本是延遲(X)2排放控制的主要原因。高(X)2分離成本也妨礙了對基于(X)2的提高采收率(EOR) 技術的接受。在聯合循環或者蒸汽發電廠中實施CO2捕集&壓縮系統導致其整體效率的下降。 該(X)2捕集工藝需要分別由蒸汽提取和主冷卻水或者另一冷卻源提供的加熱和冷卻設施。 CO2壓縮器在由電動機驅動時需要電力，或者在由輔助蒸汽渦輪驅動時需要蒸汽。CO2壓縮還需要冷卻ω2的能力。如在以下的公開出版物中所反映的，在關于CO2捕集的領域中進行了廣泛研究US2007/0256559.US2007/0213415 以及 US2006/0032377 描述了(X)2 捕集工藝。具體地說，US2007/0256559教導了將來自胺再沸器(aminereboiler)的冷凝物直接發送回到主冷凝物線路(line)。US2006/0032377提出了快速移動(flash)來自胺再沸器的冷凝物， 并且在“半貧蓄熱器(semi-leanregenerator) ”中使用蒸汽相。現有技術教導了使用來自冷卻塔或者另一冷卻源的主冷卻水來消耗(dump)來自 CO2捕集和壓縮系統的熱量。空氣也可以是替代的冷卻介質。由于到壓縮器的低入口溫度， 冷卻概念提高了(X)2壓縮單元的效率。對于具有發電廠的發電廠系統的已知概念，CO2捕集系統和區域(district)加熱包括使用提取自發電廠蒸汽渦輪或者沸騰器的蒸汽，如圖1所示意性示出的。圖1示出了具有發電廠6的發電廠系統，該發電廠6可以是蒸汽發電廠或者聯合循環發電廠，并且該發電廠將其包含二氧化碳的排放氣體經由線路27引導到二氧化碳捕集廠5。在該二氧化碳捕集廠5中，胺溶液作為吸收器液體循環，其中在第一循環階段中該吸收器溶液與排放氣體接觸并且吸收二氧化碳。然后，該吸收器溶液通過泵16經過線路沈饋送并且經過胺再沸器4饋送，其中加熱該吸收器溶液以使得其釋放高濃縮形式的二氧化碳。隨后將該濃縮的二氧化碳經由線路20饋送到壓縮和冷卻單元13。最終將壓縮的CO2 帶入到存儲設施10。在該示例中，提供一種具有由電機M驅動的順序壓縮器15的順序壓縮系統，其中在壓縮器15之間設置中間冷卻器7并且在第一壓縮器的上游設置預冷卻器12。 將用于中間冷卻器7的冷卻介質經由冷卻水線路8引導到冷卻塔9，其中將冷卻介質的熱量耗散到大氣中。通過在發電廠6的水蒸汽循環中生成的蒸汽有利于胺再沸器4中的加熱。來自發電廠6的水蒸汽循環的第一蒸汽提取線路23導致熱交換器或者胺再沸器4加熱(X)2吸收器溶液。將來自再沸器4的返回流經過線路25和M引導到發電廠6，其中該冷凝物返回線路通常包括饋送水槽、各種預加熱器以及泵16。另一蒸汽提取線路17從發電廠6的水蒸汽循環引導到傳統的熱交換器CHEX，其中將來自蒸汽提取的熱量傳輸到客戶網絡的循環線路觀或者諸如區域加熱系統的外部熱循環系統中的加熱介質。該系統包括來自單元11的入流以及到單元19的出流。
發明內容
本發明的目的在于提供一種改善的并且特別是更加有效的操作發電廠系統的方法以及用于執行所述方法的發電廠系統。更具體地說，本發明涉及用于操作包括用于生成電力的發電廠的發電廠系統的方法，所述發電廠具體是具有燃氣渦輪和蒸汽渦輪的聯合循環發電廠，或者是利用礦物燃料操作的蒸汽發電廠。所述發電廠系統集成有外部熱循環系統。所述發電廠系統還包括具有二氧化碳捕集廠和二氧化碳壓縮單元的系統。所述二氧化碳捕集系統包括二氧化碳捕集廠，其中利用吸收器溶液來吸收所述發電廠的排放氣體中的二氧化碳并且通過引導該吸收器溶液經過再沸器(4)來增加所述吸收器溶液的溫度，以從所述吸收溶液中釋放二氧化碳氣體。所述具有碳捕集和壓縮的發電廠系統的操作還包括利用主傳統熱交換器將所述發電廠的蒸汽流的熱量傳輸到諸如區域加熱系統或者需要熱量流的市政或工業系統的外部熱循環系統的流介質。可以將外部熱循環系統理解為不是所述發電廠或者二氧化碳捕集和壓縮系統的一部分的系統。為此，引導從所述發電廠的蒸汽渦輪提取的蒸汽質量流經過所述主熱交換器，其中將所述蒸汽質量流的熱量傳輸到所述外部熱循環系統的流介質。將來自所述主熱交換器的返回流或者冷凝物(condensate)引導回到所述發電廠的所述水蒸汽循環。根據本發明，利用至少一個附加的熱交換器將來自所述二氧化碳捕集和壓縮系統的熱量傳輸到所述外部熱循環系統的所述流介質并且將來自所述至少一個附加的熱交換器的返回流引導到所述發電廠或者二氧化碳捕集和壓縮系統。
來自所述二氧化碳捕集和壓縮系統并且傳輸到外部熱循環系統的熱量是將利用諸如冷卻塔之類的冷卻設施耗散到發電廠系統外部的環境中的多余熱量。根據本發明的發電廠系統的操作使得從蒸汽渦輪提取的蒸汽質量流降低，因此提高了發電廠的效率。典型地，必須控制本發明的諸如主熱交換器之類的熱交換器，以使得其能夠向外部熱循環系統的加熱介質供應給定的溫度和熱量負載。除了由主熱交換器提供的熱量，從CO2捕集和壓縮系統傳輸的熱量也向外部循環系統的加熱介質提供熱量。從而，能夠降低在主熱交換器中交換的熱量并且也能夠降低必需的蒸汽提取。在根據本發明的第一實施例中，將來自再沸器的用于CO2吸收器溶液的返回冷凝物流引導到用于與外部熱循環系統的流介質進行熱交換的第一熱交換器。所述再沸器是在從發電廠的水蒸汽循環的HRSG或者沸騰器提取的蒸汽與(X)2捕集廠的(X)2吸收器溶液之間交換熱量的熱交換器。將來自第一熱交換器的返回流作為冷凝物流引導到發電廠的水蒸汽流。通過該操作，被引導回到發電廠的水蒸汽流的來自第一熱交換器的返回流有利于將發電廠的饋送水槽中的饋送水的溫度保持在可最有效地利用HRSG或者沸騰器中可獲得的熱量的溫度水平。更具體地說，能夠將饋送水的溫度保持在當CO2捕集廠和第一熱交換器未操作時饋送水槽中的饋送水將具有的溫度。因此，根據本發明的發電廠操作實現了來自(X)2捕集廠的熱量的有效使用以及發電廠的HRSG或者沸騰器的最優化的有效操作。本發明的第二實施例包括操作用于冷卻(X)2壓縮單元中的(X)2的一個或者多個熱交換器并且將來自所述一個或者多個熱交換器的返回流引導到被操作以將熱量傳輸到外部熱循環系統的流介質的第二熱交換器。將來自所述第二熱交換器的返回流引導到可操作地連接到(X)2捕集系統的(X)2壓縮單元的冷卻循環。通過該操作，以與該創造性操作的第一實施例類似的方式提高了發電廠的整體效率。根據來自熱交換器或者(X)2壓縮單元的冷卻器的返回流使用的熱量是將被耗散到環境中的多余熱量。或者，通過該創造性方法，使用該熱量以加熱外部熱循環系統的流介質。除了主熱交換器的加熱，流介質的加熱實現了用于外部加熱系統的主熱交換器能夠以較低負載操作并且因此能夠減少來自發電廠的水蒸汽循環的蒸汽提取的質量流。從而能夠在發電廠中使用更多的蒸汽質量流用于驅動渦輪，因而提高了發電廠的效率。在本發明的第三實施例中，利用第三熱交換器通過將由二氧化碳捕集廠生成的二氧化碳流引導到該第三熱交換器，將來自二氧化碳捕集和壓縮系統的熱量傳輸到外部熱循環系統的流介質，操作該第三熱交換器以將來自CO2流的熱量傳輸到外部熱循環系統的流介質。將從所述第三熱交換器返回的二氧化碳流引導到二氧化碳壓縮單元。通過該操作，利用由(X)2捕集廠生成的(X)2流提供的多余熱量來加熱外部熱循環系統的加熱介質。可以再次以較大負載操作用于外部加熱循環系統的主熱交換器，以使得能夠減少來自發電廠的水蒸汽循環的蒸汽提取并且因此提高發電廠的效率。如果所述第一、第二和/或第三熱交換器與主熱交換器串行設置，則它們優選設置在(相對于外部熱循環系統中的流的方向)主熱交換器的上游。由于該主熱交換器基于純冷凝工藝(固定溫度)工作，而所述第一、第二和第三熱交換器基于再冷卻工藝(降低溫度)操作，所以這樣的設置有利于減少主熱交換器中的能量損失。本發明的又一實施例包括通過組合上述至外部熱循環系統的加熱介質的熱量傳輸的一個或者多個來操作所述發電廠，其中所述熱量是來自所述CO2捕集和壓縮系統的多
余熱量。可以通過操作第一和第二，或者第一和第三，或者第二和第三熱交換器或者操作第一和第二以及第三熱交換器來執行利用兩個或者更多的上述方法的至外部熱循環系統的流介質的熱量傳輸。可以以相對于外部熱循環系統的流的串行設置來操作所述熱交換器，其中若干熱交換器可以按照具體確定的順序來設置。可以基于例如包括熱量傳輸介質的溫度和單獨熱交換器的操作負載，或者空間和成本的廠操作和設計的各種參數，來確定所述順序。也可以按照并行或者按照并行和串行設置的組合來操作所述兩個或者更多熱交換器。結合附圖描述本發明的示例性實施例。在每一個發電廠、CO2捕集廠和外部熱循環系統的不同操作模式的情況下，所述第一、第二和第三熱交換器的組合實現了在發電廠、二氧化碳恢復和壓縮系統與外部熱循環系統之間的特別通用的熱交換。根據本發明的又一示例性操作方法包括代替所述第一、第二和/或第三熱交換器中的每一個的若干熱交換器的操作。可以按照并行和/或串行結構操作所述若干熱交換器。這樣的操作方法能夠實現對于廠的每一個操作模式的集成發電廠的優化操作。根據本發明的示例性實施例，除了使用第三熱交換器的實施例之外，操作發電廠系統的方法還包括利用備份熱交換器或者冷卻器來傳輸熱量，該備份熱交換器或冷卻器將來自所提取的CO2的流的熱量在所述(X)2的壓縮之前傳輸到(X)2冷卻介質。這確保了即使在外部熱循環系統未操作或者其不需要利用在第三熱交換器中的(X)2流的任何加熱時也可冷卻CO2流。如上所述，典型地，所述吸收器溶液是胺溶液，優選地在單乙醇胺工藝中使用。而且本發明涉及用于使用和實施上述方法的發電廠系統。具體地說，本發明涉及具有用于生成電力的發電廠的發電廠系統，所述發電廠具體是聯合循環發電廠或者利用礦物燃料操作的蒸汽發電廠。所述系統還包括二氧化碳捕集和壓縮系統，其中所述二氧化碳捕集和壓縮系統包括具有用于吸收來自所述發電廠的排放氣體的二氧化碳的吸收器溶液的循環的二氧化碳捕集廠以及用于增加所述吸收器溶液的溫度以釋放所吸收的二氧化碳的再沸器。所述碳捕集和壓縮系統還包括用于在從吸收器溶液釋放之后壓縮和冷卻二氧化碳的二氧化碳壓縮單元。所述發電廠系統還包括用于加熱外部熱循環系統的流介質的主熱交換器。配置和設置所述主熱交換器以利用從所述發電廠的水蒸汽循環提取的蒸汽來加熱所述外部熱循環系統的流介質。所述外部熱循環系統可以是區域加熱系統或者需要熱量的任何市政或工業系統。具體地說，所提出的發電廠系統的特征在于配置和設置至少一個附加的熱交換器以利用由所述二氧化碳捕集和壓縮系統生成的至少一個熱量流來加熱所述外部熱循環系統的所述流介質并且進一步配置和設置所述至少一個附加的熱交換器以將其返回流引導到所述發電廠或者引導到所述二氧化碳捕集和壓縮系統。為此，對于該熱量合適的一條或者多條線路從二氧化碳捕集和壓縮系統通往所述至少一個熱交換器并且另一線路從所述至少一個熱交換器通往所述發電廠或者所述二氧化碳捕集和壓縮系統。在第一實施例中，配置和設置第一熱交換器以利用所述再沸器的返回冷凝物加熱所述外部熱循環系統的流介質。為此，用于引導來自用于CO2吸收器溶液的返回冷凝物的線路從再沸器通往所述第一熱交換器。而且，用于第一熱交換器的冷凝物的返回流的線路從所述第一熱交換器通往所述發電廠的所述水蒸汽循環。根據本發明的發電廠系統的第二實施例包括第二熱交換器，其配置和設置為利用來自CO2壓縮單元的熱量加熱所述外部熱循環系統的流介質。為此，用于將二氧化碳壓縮和冷卻單元的冷卻介質引導到第二熱交換器的線路。用于第二熱交換器的返回流的線路從第二熱交換器通往可操作地連接到(X)2壓縮單元的冷卻循環。根據本發明的發電廠系統的第三實施例包括第三熱交換器，其配置和設置為利用由所述(X)2捕集廠生成的(X)2流加熱所述外部熱循環系統的所述流介質。為此，所述系統包括用于將由所述(X)2捕集廠從所述廢氣提取的(X)2流引導到所述第三熱交換器的線路以及用于將返回(X)2流從所述第三熱交換器引導到所述(X)2壓縮單元的另一線路。為了加熱所述外部熱循環系統的流介質，可以按照串行或者并行結構或者按照串行和并行結構的組合設置所公開的第一、第二和第三熱交換器中的兩個或者三個。優選地，在所述主熱交換器的上游，在所述外部熱循環系統的流中設置所述三個熱交換器中的一個或者多個。而且，考慮對于由(X)2捕集和壓縮及冷卻單元可獲得的熱量的優化使用，優選將第一熱交換器設置在所述第二和第三熱交換器的下游，所述外部熱循環系統的介質流中，而將所述第三熱交換器設置在所述第二熱交換器的下游。可選地，在所述第三和第二熱交換器的上游，在所述外部熱循環系統的介質流中設置所述第一熱交換器，并且所述第三熱交換器設置在所述第二熱交換器的上游。所述外部熱循環系統通常可以是上述的本地加熱系統，優選可以是外部熱循環系統或者客戶網絡，諸如區域加熱系統、溫室加熱系統或者用于獨立于發電廠和/ 二氧化碳捕集和壓縮系統的具有關閉或者打開的加熱液體/加熱流體循環介質的工業應用的加熱系統。而且，本發明涉及來自二氧化碳捕集廠的過量熱量的應用，用于加熱外部熱循環系統，優選用于本地加熱系統，優選的是區域加熱系統、溫室加熱系統或者用于工業應用的加熱系統。在所附權利要求中公開了本發明的進一步實施例。
下面參照附圖描述本發明的優選實施例，
了本發明的示例性實施例并且不應認為其限制本發明的范圍。在附圖中，圖1示出了根據現有技術的包括蒸汽發電廠或者聯合循環發電廠、二氧化碳捕集和壓縮廠以及外部熱循環系統的發電廠。圖2示出了根據本發明第一實施例的包括具有利用第一熱交換器與外部熱循環系統熱集成的二氧化碳捕集和壓縮系統的蒸汽發電廠或者聯合循環發電廠的發電廠；圖3示出了根據本發明第二實施例的包括具有利用第二熱交換器與外部熱循環系統熱集成的二氧化碳捕集和壓縮系統的蒸汽發電廠或者聯合循環發電廠的發電廠；圖4示出了根據本發明第三實施例的包括具有利用第三熱交換器與外部熱循環系統熱集成的二氧化碳捕集和壓縮系統的蒸汽發電廠或者聯合循環發電廠的發電廠；圖5示出了根據本發明又一實施例的包括利用熱交換器的組合與外部熱循環系統熱集成的二氧化碳捕集和壓縮系統的蒸汽發電廠或者聯合循環發電廠的發電廠；圖6示出了根據本發明又一實施例的包括具有利用熱交換器的又一組合與外部熱循環系統熱集成的二氧化碳捕集和壓縮系統的蒸汽發電廠或者聯合循環發電廠的發電在附圖中，除非以其它方式描述，具有相同附圖標記的元件指代實現相同功能的相同元件。
具體實施例方式圖2示出了具有(X)2捕集廠5的發電廠6，包括用于將廢氣從發電廠引導到(X)2捕集廠5的線路27、將提取的(X)2引導遠離捕集廠5的線路20、以及釋放沒有(X)2的廢氣的線路四。吸收器溶液循環包括用于將吸收器溶液從捕集廠引導到用于吸收器溶液的再沸器4 的線路26。蒸汽提取線路23引導來自發電廠的水蒸汽循環的用于操作再沸器4的蒸汽，例如來自熱恢復蒸汽發生器的蒸汽，并且線路25引導返回冷凝物遠離再沸器4。用于所提取的(X)2的線路20從(X)2捕集廠延伸到預冷卻器12，該預冷卻器12設置在(X)2壓縮單元13
> . 、r -根據本發明，圖2的發電廠包括發電廠和(X)2捕集和壓縮以及冷卻系統與外部熱循環系統的集成。熱循環系統包括用于待加熱的介質，例如水，的循環線路觀、源單元11以及用戶19，將該循環的所加熱的出流引導到用戶19。根據圖2的實施例包括將返回冷凝物流從胺再沸器4引導到配置且設置為用于加熱外部熱循環系統的線路觀中的流介質的第一熱交換器1的線路25'。在熱交換器1中，可以將包含在冷凝物中的熱量傳輸到線路觀中的流介質。經由線路25"將熱交換器1的返回流引導到線路M，該線路M將饋送水引導到發電廠6。由胺再沸器4生成的冷凝物流的典型溫度范圍為160°C -IOO0C。根據本發明該實施例的配置以多重方式提高發電廠的整體效率。與圖1中的發電廠配置相比較，降低了回到水蒸汽循環的返回流的溫度水平。從而，可以更加有效地使用在 HRSG或者沸騰器中可獲得的熱量并且提高了發電廠和外部熱循環系統的整體熱效率。由于 CO2捕集廠利用熱交換器1與外部熱循環系統的集成，來自再沸器4的剩余熱量被用于促成 (contribute)熱量到外部循環系統。通常以期望水平給出出流處線路觀中的至循環系統的用戶19的流的溫度。為了達到在用戶19處線路18中的所需溫度水平，圖2中的主熱交換器CHEX必須比圖1的配置中的熱交換器HEX促成更少。從而，能夠降低用于主熱交換器 CHEX的蒸汽提取17的質量流。結果，發電廠6經歷較少的能量損失并且能夠以較高效率操作。圖3示出了具有CO2捕集和壓縮系統以及集成的外部熱循環系統的又一發電廠。 由主熱交換器CHEX加熱外部熱循環系統的流介質，其由來自發電廠的水蒸汽循環的蒸汽提取17來提供。此外，利用設置在主熱交換器上游的熱循環中的熱交換器2來加熱該流介質。熱交換器2提供有來自用于冷卻由捕集系統5提取的(X)2的流的熱量。將用于預冷卻器12并且來自設置在數個CO2壓縮器15之間的數個中間冷卻器7的冷卻介質的返回流經由線路18引導到熱交換器2。線路8中的流溫度可以是大約100°C。因而二氧化碳壓縮單元13的冷卻循環被有效地用于至客戶網絡11的熱量傳輸。如圖3所說明的，這是通過使用基本上位于冷卻塔9上游的冷卻水線路8最有效地進行的，因此循環8中的冷卻介質具有最高溫度，用于在熱交換器2中與客戶網絡的線路觀中的水進行熱交換。優選地將熱交換器2相對于循環8中的冷卻介質的流設置在傳統熱交換器CHEX的上游。然后，將來自該熱交換器2的返回流引導到冷卻設施9。將從CO2冷卻獲取的熱量投入到熱循環系統中使用。熱交換器2將熱量傳輸到循環系統并且由此支持主熱交換器 CHEX0為了達到用于用戶19的線路觀中流介質的所需溫度，與圖1的發電廠中所示的主熱交換器相比較，圖3中的熱交換器CHEX需要更少的熱量。通過熱交換器2的設置，可以降低線路17中蒸汽提取的質量流并且增加發電廠的效率。圖4示出了根據本發明的發電廠的另一實施例，其中在外部熱循環系統中，在主熱交換器CHEX的上游設置熱交換器3。來自由碳捕集廠5提取的二氧化碳流的熱量被用于外部循環系統的加熱目的。為此，將二氧化碳捕集廠5和二氧化碳壓縮單元13之間的傳輸高溫二氧化碳的二氧化碳線路20在被引導到預冷卻器12和壓縮器單元13之前引導到熱交換器3。在熱交換器3中，將來自CO2流的熱量傳輸到客戶網絡的線路觀中的流。在熱交換器3的下游，為了考慮到不同的操作狀況，在經由線路22饋送到壓縮器15的第一級之前，線路21耦合到預冷卻器12。預冷卻器12用作CO2的備份冷卻器。通過耦合到壓縮器單元13的冷卻電路8，在備份冷卻器12中發生熱交換。因而，根據如圖4所說明的實施例的構思再次依賴使用來自CO2捕集和壓縮系統 (CCS)的熱量以提高整體發電廠效率。CCS與發電廠的熱集成包括利用位于(X)2捕集廠5 (更精確地位于蓄熱器列的下游)和CO2壓縮器單元13 (在第一壓縮級之前)的CO2冷凝器或者熱交換器3，從CCS到需要熱量的客戶網絡11的熱量的集成以及直接或者間接的傳輸。 客戶網絡11是需要熱量的發電廠的外部消費者，例如區域加熱、溫室加熱、生物量或者任何工業應用。在(X)2冷凝器或者熱交換器3的下游需要熱交換器CHEX。對于典型的熱量出口 (heat exportation)，熱交換器CHEX基本上由從主蒸汽渦輪提取的線路17中的蒸汽來饋送。可以以不同的壓力水平提取蒸汽，這將需要一系列不同的熱交換器。如果由CO2冷凝器 3集成的熱量不足以滿足客戶網絡11的要求(在溫度和/或熱量負載方面)或者如果CO2 捕集&壓縮單元完全未操作，則將該熱交換器CHEX用作加熱器。集成的(X)2冷凝器3應該設計成在其未操作時也可滿足客戶網絡11的要求。客戶網絡11所需的熱量負載以及傳輸到客戶網絡的水的溫度通過來自低壓蒸汽渦輪蒸汽提取、中壓-低壓交叉管道或者熱恢復蒸汽生成器的低壓蒸汽的蒸汽提取來控制。該蒸汽可以具有從1巴到5巴的壓力水平。熱交換器CHEX可以是由一個壓力水平供應的一個熱交換器，或者可以是具有兩個不同的蒸汽供應壓力水平的兩個順序熱交換器，其中可以根據來自客戶網絡和廠操作的熱量需求，例如在部分負載操作期間，來控制兩個加熱器的負載分布。可以將提供有主冷卻水8的另一備份冷卻器12安裝在熱交換器3和(X)2壓縮器 13之間。該附加的冷卻器12在網絡未操作或者在其最低水溫度太高而不能確保CO2足夠低以滿足(X)2壓縮器單元13的溫度要求時確保了(X)2的冷卻。在CCS捕集的(X)2冷凝器3的上游處CO2的典型溫度范圍可以是80 V到150°C。在(X)2冷凝器3的下游處外部熱量系統或者客戶網絡的流的典型溫度范圍可以是70°C到 140 "C。CO2冷凝器3的熱量負載是冷卻水8的溫度、發電廠6的負載、以及CO2捕集廠5的負載的函數。對于聯合循環廠，典型是大約5麗th到8(MWth并且對于蒸汽廠是大約5麗th 到!350MWth。熱交換器3、主熱交換器CHEX以及熱交換器12的組合實現了具有CO2捕集的發電廠的操作上極大的通用性，即關于分別在發電廠6、二氧化碳恢復5以及客戶網絡11的不同負載條件下的不同操作模式。通過根據圖4的設置并且通常在使用熱交換器3、主熱交換器CHEX和熱交換器或者預冷卻器12的情況下有利于對于CCS捕集的(X)2冷凝器3和主熱交換器CHEX的下面操作概念。a)發電廠6和二氧化碳捕集5以全負載操作，客戶網絡11以全負載或者部分負載 CO2冷凝器或者熱交換器3對于客戶的網絡熱交換器處于全負載，利用備份冷凝器 12在CCS捕集的CO2冷凝器3的下游冷卻所捕集的(X)2蒸汽，取決于客戶網絡11的加熱負載需求，蒸汽饋送的加熱器CHEX將在全負載或者部分負載下工作(例如具有降低的蒸汽提取)。b)發電廠6和二氧化碳捕集5以部分負載操作，客戶網絡11以全負載或者部分負載CO2冷凝器或者熱交換器3以全負載操作，利用用作備份熱交換器的熱交換器或者預冷卻器12在熱交換器3的下游進一步冷卻所捕集的(X)2流，取決于外部熱循環系統11的加熱負載需求，蒸汽饋送的熱交換器CHEX以全負載或者部分負載工作(例如具有降低的蒸汽提取質量流)。C)發電廠6以全負載或者部分負載下操作，而二氧化碳捕集廠5關閉，并且客戶網絡11以全負載或者部分負載操作將由熱交換器CHEX滿足外部熱循環系統的負載。如果熱交換器CHEX是具有兩個不同的蒸汽壓力水平的兩級熱交換器系統，則熱量負載在兩個加熱器之間的分布將取決于發電廠負載6和外部熱循環系統11的熱量負載，以及由于來自發電廠的蒸汽提取而引起的最小化的能量損失。d)發電廠6和二氧化碳捕集5以全負載或者部分負載操作，而客戶網絡11關閉將(X)2冷凝器或者熱交換器3旁路，備份冷凝器或者預冷卻器12操作以在單元13 中的壓縮之前充分提供(X)2的完全預冷卻。圖5中說明了發電廠和(X)2捕集廠與外部熱循環系統的熱集成的另一示例。其包括第一熱交換器1和第三熱交換器或者CO2冷凝器3連同預冷卻器12的集成，與利用來自發電廠的蒸汽提取而操作的傳統熱交換器CHEX的組合。這四個熱交換器1、3、12以及CHEX的特定組合提供到客戶網絡11的更加有效并且更加通用的來自發電廠的熱量以及通過二氧化碳捕集和壓縮工藝生成的熱量的傳輸。 通過(X)2冷凝器3以及傳輸來自由胺再沸器4產生的冷凝的熱量的熱交換器1提供加熱外部熱循環系統的線路28中的流所需的熱量。這使得對于從用于傳統熱交換器CHEX的發電廠提取的蒸汽的溫度和壓力的要求更低。在胺再沸器4中產生的冷凝物將是再冷卻 (sub-cooled)的熱交換器2。來自熱交換器2的返回流連同來自傳統熱交換器CHEX的返回流在經由線路18進入回到發電廠6的HRSG或者沸騰器時將具有更低的溫度水平。從而， 在重新加熱線路18的流中會更加有效地再次使用HRSG中可獲得的熱量。可以串行設置熱交換器CHEX、1和3，其中熱交換器1和3設置在熱交換器CHEX的上游，如圖5所示。它們也可以設置為并行，或者是并行和串行設置的組合。對于例如設置在根據圖5的發電廠中的CO2冷凝器3、熱交換器1以及傳統的熱交換器CHEX或者任何其可能的變型，若干操作概念是可能的。a)發電廠6和二氧化碳捕集5以全負載操作，客戶網絡11以全負載或者部分負載操作CO2冷凝器或者熱交換器3以全負載操作，由備份熱交換器或者預冷卻器12提供在CO2冷凝器3下游所捕集的CO2流的進一步冷卻。如果客戶網絡11的熱量負載降低，則首先傳統熱交換器CHEX的熱量負載將降低直到關閉；如果客戶網絡11的熱量負載進一步降低，則來自熱交換器1的熱量負載將降低。b)發電廠6和二氧化碳捕集廠5以部分負載操作，客戶網絡11以全部或者部分負載操作對于客戶網絡11，熱交換器3以全負載操作。利用備份冷凝器或者預冷卻器12進一步冷卻來自CO2捕集廠5的CO2流。如果來自網絡11的熱量負載降低，則來自傳統熱交換器CHEX的熱量負載將首先降低直到關閉；如果來自客戶網絡11的熱量負載進一步降低， 則熱交換器1的熱量負載將降低。c)發電廠6以全負載或者部分負載操作，二氧化碳廠5關閉，客戶網絡11以全負載或者部分負載操作將由傳統加熱器CHEX提供客戶的熱量負載。如果加熱器CHEX是具有不同蒸汽壓力的兩級熱交換器設計，則取決于發電廠負載6和客戶網絡11的熱量負載以及由于來自發電廠6的蒸汽提取導致的最小化能量損失，熱量負載將在CHEX的兩個加熱器之間分布。d)發電廠6和二氧化碳恢復5均以全負載或者部分負載操作，客戶網絡11關閉熱交換器3和熱交換器1將被旁路，由備份熱交換器或者預冷卻器12執行100% 的(X)2冷卻。來自胺再沸器4的返回冷凝物直接回到發電廠6。在圖6的示意圖中示出了 CO2捕集廠5與發電廠6和外部熱循環系統11的集成的又一實施例。該發電廠系統除了包括設置為加熱外部熱循環系統的流并且從而將來自C02捕集和壓縮以及冷卻系統可獲得的熱量集成的所有可能性應用到外部熱循環系統的傳統熱交換器CHEX之外，還包括所有第一、第二和第三熱交換器1、2和3。從而將圖2、3和4的設置集成在一個發電廠中。通過這一集成，將來自胺再沸器4的返回冷凝物的熱量連同來自 CO2冷凝器3的熱量以及來自(X)2預冷卻器12和(X)2中間冷卻器7的線路8中的冷卻介質的熱量全部用于加熱熱循環系統11的流介質。從而，減少線路17中的蒸汽提取質量流的益處能夠提高并且使HRSG的操作更加有效。如圖2-6所示的熱交換器取決于其流介質的特定的相對溫度水平可以被設置在客戶網絡線路觀中，以實現單獨的循環熱交換器之間最有效的熱量傳輸。在圖2-6中，可以按照不同的串行結構以及不同的并行結構設置熱交換器。而且可以由并行或者串行設置的若干單獨的熱交換器裝置實現熱交換器CHEX、1、2、3。代替僅集成熱交換器3的熱量，也可以利用熱交換器2和冷卻水的中間環路8將 CO2中間冷卻器和后冷卻器7直接或者間接集成到客戶網絡11中。需要中間環路8以確保避免主冷凝物在(X)2中間冷卻器或者后冷卻器處的(X)2泄漏。還需要冷卻塔9 (或者另一冷卻設備)以在客戶網絡11的入口溫度太高或者區域加熱未操作時完成冷卻。這將確保CO2 壓縮器單元13的良好效率。可以串行或者并行設置熱交換器2和3。取決于入口溫度以及冷卻器的結構，在(X)2中間冷卻器和后冷卻器7的上游，(X)2 的典型溫度范圍是100°c -230°c。在根據圖3的設置中，熱交換器2的以下操作概念是可能的a)發電廠6和二氧化碳恢復5處于全負載或者部分負載，客戶網絡11處于全負載或者部分負載由熱交換器2集成某一比率(rate)，其余的到備份冷卻設備9。b)發電廠6和二氧化碳恢復5處于全負載或者部分負載，客戶網絡11關閉熱交換器2被旁路，100%在備份冷卻設備9上。對于根據圖6的這樣設置的(X)2冷凝器3和加熱器CHEX的操作概念與參照其它圖討論的類似。附圖標記列表CHEX使用來自用于外部熱循環系統的蒸汽發電廠的蒸汽提取的傳統熱交換器1使用來自碳捕集廠的胺再沸器的熱量的第一熱交換器2使用來自(X)2壓縮和冷卻單元的熱量的第二熱交換器3使用來自碳捕集廠的熱量的第三熱交換器4胺再沸器5 二氧化碳捕集廠6發電廠7C02壓縮單元中的中間冷卻器8用于(X)2壓縮和冷卻單元的冷卻水線路9冷卻塔10 二氧化碳存儲設施11來自客戶網絡12備份冷卻器13 二氧化碳壓縮和冷卻單元15壓縮器16 泵17來自發電廠的蒸汽渦輪的蒸汽提取18再循環線路，冷凝物返回19至客戶網絡20用于從二氧化碳捕集廠到二氧化碳壓縮器單元的(X)2流的線路
21用于到(X)2預冷卻器的(X)2流的線路22用于從(X)2預冷卻器到(X)2壓縮器的(X)2流的線路23到胺再沸器的蒸汽提取線路M用于來自胺再沸器的返回冷凝物的線路25用于來自胺再沸器的返回冷凝物的線路25'用于到第一熱交換器的返回冷凝物的線路25"從第一熱交換器到饋送水泵的線路沈用于胺溶液的線路27廢氣線路28用于外部熱循環系統，例如區域加熱水，的線路四不包括CO2的廢氣M 電機
權利要求
1.一種用于操作發電廠系統的方法，所述發電廠系統包括用于生成電力的發電廠(6) 和外部熱循環系統(11，19，28)并且所述發電廠系統還包括具有二氧化碳捕集廠( 和二氧化碳壓縮單元(1 的系統，所述發電廠(6)具體是聯合循環發電廠或者利用礦物燃料操作的蒸汽發電廠，所述方法包括操作所述二氧化碳捕集廠(5)，所述二氧化碳捕集廠( 利用吸收器溶液來吸收所述發電廠(6)的排放氣體(XT)中的二氧化碳并且通過引導所述吸收器溶液經過再沸器(4) 從吸收溶液中釋放所吸收的二氧化碳，而且通過壓縮和冷卻所述二氧化碳來操作所述二氧化碳壓縮單元(13)， 而且操作主熱交換器(CHEX)，所述主熱交換器(CHEX)將來自從所述發電廠(6)提取的蒸汽流的熱量傳輸到所述外部熱循環系統(11，19，28)的流介質并且將來自所述主熱交換器(CHEX)的返回流引導到所述發電廠(6)的水蒸汽循環， 其特征在于利用至少一個附加的熱交換器(1，2，；3)將來自所述二氧化碳捕集和壓縮系統(5，13) 的熱量傳輸到所述外部熱循環系統(11，19，28)的所述流介質，并且將來自所述至少一個附加的熱交換器(1，2，3)的返回流引導到所述發電廠(6)或者引導到用于二氧化碳捕集和壓縮的所述系統(5，13)。
2.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于將來自所述再沸器的返回冷凝物流引導到用于與所述外部熱循環系統(11，19， 28)的所述流介質進行熱交換的第一熱交換器(1)并且將來自所述第一熱交換器(1)的返回流作為冷凝物流引導到所述發電廠(6)的所述水蒸汽循環。
3.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于所述方法包括操作所述CO2壓縮單元(1 中用于冷卻CO2的一個或者多個熱交換器 (7)并且將來自所述一個或者多個熱交換器(7)的返回流引導到第二熱交換器0)，并且將來自所述第二熱交換器⑵的返回流引導到可操作地連接到所述CO2壓縮單元(13)的冷卻循環，其中操作所述第二熱交換器O)以將熱量傳輸到所述外部熱循環系統(11，19，28) 的所述流介質。
4.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于所述方法包括將由所述二氧化碳捕集廠( 生成的二氧化碳流OO)引導到第三熱交換器C3)并且將從所述第三熱交換器C3)返回的二氧化碳流引導到所述二氧化碳壓縮單元(13)，其中操作所述第三熱交換器C3)以將來自所述二氧化碳流OO)的熱量傳輸到所述外部熱循環系統(11，19，28)的所述流介質。
5.根據權利要求2、3或者4所述的方法， 其特征在于所述方法包括操作與所述主熱交換器(CHEX)串行的所述第一熱交換器(1)，或者操作與所述主熱交換器(CHEX)串行的所述第二熱交換器O)，或者操作與所述主熱交換器 (CHEX)串行的所述第三熱交換器(3)，其中在所述第一或者第二或者第三熱交換器(1，2，3)的下游沿所述外部熱循環系統(19，11，28)的所述流介質的方向操作所述主熱交換器 (CHEX)。
6.根據權利要求2和3所述的方法， 其特征在于所述第一熱交換器(1)和所述第二熱交換器O)串行操作。
7.根據權利要求2和4所述的方法， 其特征在于所述第一熱交換器(1)和所述第三熱交換器(3)串行操作。
8.根據權利要求3和4所述的方法， 其特征在于所述第二熱交換器( 和所述第三熱交換器(3)串行操作。
9.根據權利要求2到4所述的方法， 其特征在于所述第一熱交換器(1)和所述第二熱交換器O)以及所述第三熱交換器(3)串行操作。
10.根據任一前述權利要求所述的方法， 其特征在于優選在單乙醇胺工藝中，將胺溶液用于所述二氧化碳吸收器溶液。
11.一種用于執行根據權利要求1-10中的任一項所述的方法的發電廠系統，所述系統包括用于生成電力的發電廠，所述發電廠具體是聯合循環發電廠或者利用礦物燃料操作的蒸汽發電廠，所述系統還包括二氧化碳捕集和壓縮系統(5，13)，其中所述二氧化碳捕集和壓縮系統(5，1；3)包括二氧化碳捕集廠(5)以及再沸器G)，所述二氧化碳捕集廠( 具有用于吸收所述發電廠的排放氣體(XT)中的二氧化碳的吸收器溶液06)的循環，并且所述再沸器(4)用于加熱所述吸收器溶液并且釋放所吸收的二氧化碳，并且其中所述發電廠(6)利用來自所述發電廠(6)的蒸汽提取(17)以及主熱交換器 (CHEX)可操作地連接到外部熱循環系統(1，19二8)，所述主熱交換器(CHEX)用于加熱所述外部熱循環系統(1，19，觀)的流介質， 其特征在于至少一個附加的熱交換器(1，2，；3)被配置并設置為利用由所述二氧化碳捕集和壓縮系統(5，13)生成的至少一個熱量流來加熱所述外部熱循環系統(11，19，28)的所述流介質，并且所述至少一個附加的熱交換器(1，2，3)被配置并設置為將其返回流引導到所述發電廠(6)或者引導到所述二氧化碳捕集和壓縮系統(5，13)。
12.根據權利要求11所述的發電廠系統， 其特征在于用于來自所述再沸器(4)的返回冷凝物的線路)通往第一熱交換器(1)，其中所述第一熱交換器(1)被設置為用于加熱所述外部熱循環系統(11，19，28)的所述流介質，并且用于來自所述第一熱交換器(1)的返回冷凝物的線路)從所述第一熱交換器 (1)通往所述發電廠(6)的所述水蒸汽循環。
13.根據權利要求11所述的發電廠系統，其特征在于所述發電廠系統包括第二熱交換器O)，其中所述第二熱交換器( 被配置并設置為加熱所述外部熱循環系統(11，19，28)的所述流介質，并且所述發電廠系統還包括用于引導二氧化碳壓縮和冷卻單元(1 的所述冷卻介質的線路(8)，其中線路(8)從CO2冷卻單元(7)通往所述第二熱交換器O)，并且用于來自所述第二熱交換器( 的返回流的線路從所述第二熱交換器( 通往可操作地連接到所述CO2壓縮單元(1 的冷卻循環。
14.根據權利要求11所述的發電廠系統，其特征在于第三熱交換器C3)被配置并設置為利用由所述CO2捕集廠( 生成的CO2流來加熱所述外部熱循環系統(11，19，28)的所述流介質，并且線路00)從所述CO2捕集廠(5)通往所述第三熱交換器(3)，而且另一線路從所述第三熱交換器C3)通往所述(X)2壓縮單元(13)。
15.根據權利要求11，12或者13所述的發電廠系統，其特征在于所述第一熱交換器(1)與所述主熱交換器(CHEX)串行設置，或者所述第二熱交換器 (2)與所述主熱交換器(CHEX)串行設置，或者所述第三熱交換器C3)與所述主熱交換器 (CHEX)串行設置，其中在所述第一或者第二或者第三熱交換器(1，2，；3)的下游沿所述外部熱循環系統(19，11，28)的所述流介質的方向設置所述主熱交換器(CHEX)。
16.根據權利要求12和13所述的發電廠系統，其特征在于所述第一熱交換器(1)和所述第二熱交換器( 相對于所述外部熱循環系統(11，19， 28)的所述流介質串行設置。
17.根據權利要求12和14所述的發電廠系統，其特征在于所述第一熱交換器(1)和所述第三熱交換器C3)相對于所述外部熱循環系統(11，19， 28)的所述流介質串行設置。
18.根據權利要求13和14所述的發電廠系統，其特征在于所述第二熱交換器( 和所述第三熱交換器C3)相對于所述外部熱循環系統(11，19， 28)的所述流介質串行設置。
19.根據任一前述權利要求11-18所述的發電廠系統，其中所述外部熱循環系統(11，19，28)是區域加熱系統、溫室加熱系統或者用于工業應用的加熱系統。
20.一種來自二氧化碳捕集廠( 的熱量流的應用，用于利用熱交換器(1，2，；3)來加熱外部熱循環系統(11，19，28)的流介質，以及一種在發電廠中或者CO2捕集和壓縮系統(5， 13)中對來自所述熱交換器(1，2，3)的返回熱量流中的熱量的應用。
全文摘要
本發明涉及一種包括用于生成電力的燃燒礦物燃料的發電廠(6)、二氧化碳捕集和壓縮系統(5，13)以及外部熱循環系統的發電廠系統，所述發電廠系統包括用于加熱所述外部熱循環系統的流介質的至少一個熱交換器(1，2，3)，其中熱交換器(1，2，3)連接到來自所述CO2捕集廠(5)或者CO2壓縮單元(13)的熱量流。將來自熱交換器(1，2，3)的返回流引導到所述CO2捕集和壓縮系統(5，13)或者引導到所述發電廠(6)。所述發電廠系統實現了所述系統的整體效率提高。本發明還包括用于操作所述發電廠系統的方法。
文檔編號F01K27/02GK102287244SQ201110113419
公開日2011年12月21日 申請日期2011年4月27日 優先權日2010年4月28日
發明者J·迪茨曼, P·德魯沃, 李洪濤 申請人:阿爾斯通技術有限公司