專利名稱：高效的轉化甲醇燃氣渦輪機發電廠的制作方法
技術領域：
本發明涉及聯合燃氣/蒸汽的渦輪機發電廠，其中轉化甲醇是燃氣渦輪機的燃料。從背壓式蒸汽渦輪機排出的蒸汽用于甲醇轉化器。
背景技術：
提高使用燃氣渦輪機組的發電廠的效率具有相當大的意義。在簡單循環的燃氣渦輪機組中，由于從渦輪機組排出的廢氣所帶的熱量被白白地浪費掉了，因而整個循環效率是很低的。
回收熱量(預熱燃料)是提高發電廠效率的一種簡單方法，然而，提高的效率是要以降低系統電能輸出為代價的。電能輸出的降低加上外加預熱設備所需費用，會增加發電廠運行的固定成本，最后這些費用都會轉嫁給消費者。
在該技術領域中，已在回收燃氣渦輪機排放廢氣的余熱方面做了一些工作，例如，已經采用了將燃氣渦輪機的燃燒氣體的熱量產生的水蒸汽來驅動凝汽式汽輪機的方法。這類閉路循環(聯合循環)方法大大地提高了發電廠的效率，但要為蒸汽渦輪機提供冷凝器和冷卻水環路設備，可能還需要冷卻塔，因而費用很高。
回收廢氣熱量的其它方法是采用以化學方法利用余熱的燃氣渦輪機組(Chemically Recuperated Gas Turbines，″CRGT″)。在CRGT循環中，燃氣渦輪機的廢氣余熱是以化學轉化器回收的。CRGT循環具有蒸汽噴射式燃氣渦輪機(“STIG”)循環所沒有的若干優點，而且沒有蒸汽噴射，因而氮氧化物排放量低。在采用天然氣的情況下，轉化所需溫度為700-900℃，而在利用現有的燃氣渦輪機技術和回收裝置以醇類來化學回收余熱時，可在較低的溫度下進行。尤其是由于甲醇作為燃料的固有特性(優良的燃燒性質，排放環境污染物少，轉化溫度低)并且從任何礦物燃料和任何可再生的有機物質制造的可能性，因而甲醇是特別符合要求的。
需要建立一座渦輪機設計簡單、投資費用低、高效又不會損害電廠總電能輸出的發電廠。該發電廠應該在較低溫度下運行并使用容易獲得的燃料如甲醇。本發明符合這項要求。
發明概述本發明涉及高效發電廠，該發電廠包括利用轉化燃料的第一級渦輪機，該渦輪機驅動一臺發電機并排出溫度為第一溫度的氣體；一臺利用溫度為第一溫度的所述氣體的熱回收蒸汽發生器(HRSG)，該蒸汽發生器產生壓力為第一壓力的蒸汽并排出溫度為第二溫度(低于第一溫度)的氣體；利用壓力為第一壓力的所述蒸汽的第二級渦輪機，該渦輪機驅動所述發電機并排出壓力為第二壓力(低于第一壓力)的蒸汽；以及供有燃料、壓力為第二壓力的所述蒸汽和溫度為第二溫度的所述氣體的轉化器，該轉化器轉化所述燃料并將所述轉化燃料供給所述第一渦輪機。
附圖的簡要說明
圖1圖示了采用天然氣渦輪機和凝汽式渦輪機的常規發電廠。
圖2圖示了用燃燒由轉化甲醇制得的合成氣體的燃氣渦輪機的發電廠。
圖3圖示了根據本發明的發電廠。
本發明的詳細說明通過將本發明的特征與兩個常規發電廠的相應特征相比較就可很好地了解本發明(如圖3所示)。圖1圖示的是采用天然氣作燃料的常規發電廠。燃氣渦輪機1消耗作為燃料的天然氣7和通入的空氣8。為了說明起見，以General Electric Company制造的GE7FA渦輪機作為標準參照燃氣渦輪機，該渦輪機每天消耗天然氣790噸(803公噸)。該燃氣渦輪機驅動發電機11，其輸出功率為166兆瓦。從渦輪機排出的廢氣進入熱回收蒸汽發生器(HRSG)3，而從HRSG的廢氣從9排出，HRSG3每小時可產生550000磅(249500千克)高壓蒸汽(HP蒸汽)13，該高壓蒸汽用作蒸汽渦輪機2的輸入汽源，從而可使該渦輪機產生附加的77兆瓦的動力來推動發電機。從蒸汽渦輪機排出的廢汽進入冷凝器4，該蒸汽在該冷凝器中冷凝后再循環返回到HRSG。
冷凝器所需的冷卻水15是由泵泵入的，而所用的冷卻水是在冷卻塔5中冷卻的，從冷卻塔流出的水再借助泵6循環回到冷凝器。如果需要可在12處供入補充冷卻水。
根據通用的計算機程序實施的模擬，圖1所示發電廠的輸出電能為237兆瓦(凈)，并具有52％的低熱值(Low Heat Value)(LHV效率)，而高熱值(High Heat Value)(HHV效率)為47％。這種高效率是以昂貴的凝汽式渦輪機和冷卻水循環的較高投資為代價的。
圖2圖示了采用轉化甲醇為燃料的發電廠。燃氣渦輪機使用輸入空氣30和來自轉化器25的轉化甲醇33，轉化甲醇是由氣態甲醇和蒸汽在轉化器中通過二步法工藝而產生的。第一步，氣態甲醇經催化按下列反應式分解為一氧化碳和氫(1)按化學計量比例添加水蒸汽，一氧化碳可轉變為二氧化碳，并根據平衡移動，反應產生氫(2)甲醇的整個轉化過程可認為是兩個不同過程的加合，第一個是根據方程(1)的吸熱分解，而第二個是一氧化碳轉變的放熱反應(2)。在設計合理的反應器中兩個反應過程會同時發生。
從燃氣渦輪機排出的廢氣31用于HRSG23中以使供入的外加水35產生低壓蒸汽43，而從HRSG排出的廢氣42中的余熱用來加熱轉化器25和預熱蒸發器27中的甲醇，然后從39放空。甲醇和低壓蒸汽(LP)注入轉化器25中，而轉化器輸出的轉化甲醇和過量蒸汽33用于驅動渦輪機21，而渦輪機又驅動發電機29發出電力。與圖1所示的裝置不同，水是不循環使用的，因為水的回收成本過高而沒有加以回收，水作為排放氣體部分而損耗掉。
計算機模擬表明，與圖1實例中相同的燃氣渦輪機按圖2配置的發電廠的輸出電能為約225兆瓦(凈)功率，LHV效率約46％。雖然效率低于圖1配置的發電廠，但因沒有采用蒸汽渦輪機、冷凝器和冷卻塔而大大降低了投資費用。
圖3圖示了根據本發明的發電廠。從進口41a向燃氣渦輪機41供給空氣47，將轉化器57的含有過量水蒸汽的轉化甲醇67供入燃氣渦輪機41中并且轉化甲醇在燃氣渦輪機的燃燒室41b中燃燒，廢氣通過排氣口41c排出渦輪機。排出渦輪機廢氣的溫度為約1100°F(～595℃)。從該燃氣渦輪機排出的廢氣依次用于(1)加熱HRSG59中的水53以產生高壓蒸汽61，(2)加熱轉化器57來產生轉化甲醇以及(3)預熱蒸發器55中甲醇49以產生甲醇蒸汽。從HRSG排出的廢氣溫度低于燃氣渦輪機排出的溫度，但仍足以加熱轉化器。在另一個實施方案中，使用排出的廢氣通過換熱流體/介質間接加熱轉化器或蒸發器。
向HRSG59供水53，該供入的水有時稱為“單程水”，因為它不是循環使用的。HRSG產生HP蒸汽，該HP蒸汽用于驅動背壓式蒸汽渦輪機(BPT)43。BPT與凝汽式渦輪機的不同之處在于BPT的排放氣仍基本上處在LP蒸汽狀態的溫度和壓力。在BPT出口的蒸汽溫度一般為約600°F(～315℃)。在本發明中，該LP蒸汽與已蒸發的甲醇蒸汽65一起作為轉化器57的輸入。在另一實施方案中，渦輪機41是STIG，LP蒸汽可用于甲醇轉化和蒸汽噴入渦輪機中以增加渦輪機的功率。LP蒸汽也可用于其它過程中如用作轉化器的輸入熱源、換熱流體/介質和轉化蒸汽等。
在一個優選的實施方案中，轉化器57用來從甲醇和蒸汽產生轉化甲醇。轉化過程可按上述方程式(1)和(2)的化學反應的兩步工藝進行，但在優選的實施方案中，轉化甲醇是在銅、鋅、鋁或它們的混合物制成的催化劑存在下，以一步法制造的。在采用上述標準參照渦輪機情況下，計算機模擬結果表明，按圖1配置的發電廠在50％LHV效率下的輸出功率為242兆瓦(凈)，燃氣渦輪機供給發電機的功率為228兆瓦而BPT提供的功率為18兆瓦。
在另一實施方案中，以二甲醚(DME)代替甲醇生產合成氣作為燃料。在不背離本發明范圍的前提下也可采用甲烷或液化石油氣(LPG)。
本發明與圖1和圖2所示的發電廠相比有許多優點第一，與聯合循環的發電廠相比，因沒有采用蒸汽渦輪機冷凝器和冷卻水環路，降低了投資成本；第二，發電廠輸出電能的大部分(228兆瓦)來自設備價格較低的燃氣渦輪機，而較貴的蒸汽渦輪機的輸出為18兆瓦。與此不同的是，在圖1所示的發電廠中，蒸汽渦輪機輸出是燃氣渦輪機輸出的約二分之一。由于蒸汽渦輪機的成本較高，圖1所示發電廠的聯合渦輪機組的投資成本就遠高于本發明的發電廠。因此采用BPT渦輪機，只是在損失少許效率的情況下降低了投資成本。
與燃燒天然氣的燃氣渦輪機相比，無論在有或沒有STIG的情況下，使用合成氣的燃氣渦輪機由于合成氣的物理特性而具有高的功率輸出特性。功率輸出的提高源自在達到燃氣渦輪機輸出極限的能力的同時又通過轉化甲醇和產生的HP蒸汽從燃氣渦輪機排放廢氣中充分回收了熱量。在高壓和由燃氣渦輪機廢氣溫度確定的溫度下，有可能達到高效地產生蒸汽和回收熱量。
由于燃氣渦輪機是以最大額定功率運行的，因此，在采用STIG情況中并不是所有可獲得的高壓蒸汽都可用來供給燃氣渦輪機的。借助高壓蒸汽降壓至低壓蒸汽時產生增量功率的BPT能有效地回收廢氣的熱量。在設有轉化甲醇的設計方案中，BPT也可用來產生供給蒸汽噴射式燃氣渦輪機的過程蒸汽。最低壓力水平是由具體燃氣渦輪機構型所確定的。通常，該最低壓力水平為約300-約400磅/英寸2(2.07-2.76兆帕)，這是燃氣渦輪機的燃燒壓力。
普通技術熟練人員都知道，在不違背本發明宗旨的前提下，本文所述的實施方案可以有許多種變體。因此，本文所述的實施方案只是說明性的，而不是對本發明范圍的限制。
權利要求
1.一座發電廠，它包括(a)一臺利用轉化燃料的第一級渦輪機，該渦輪機驅動發電機并排出溫度為第一溫度的氣體；(b)一臺利用溫度為第一溫度的所述氣體的熱回收蒸汽發生器(HRSG)，該發生器產生壓力為第一壓力的蒸汽并排出溫度為第二溫度(低于所述第一溫度)的氣體；(c)一臺利用壓力為第一壓力的所述蒸汽的第二級渦輪機，該渦輪機驅動所述發電機并排出壓力為低于所述第一壓力的第二壓力的蒸汽；以及(d)一臺供有燃料、壓力為第二壓力的所述蒸汽和溫度為第二溫度的所述氣體的轉化器，該轉化器轉化所述燃料并將所述轉化燃料供給所述第一級渦輪機。
2.權利要求1的發電廠，其中所述轉化器排放廢氣，所述發電廠還包括一個利用所述廢氣的預熱器/蒸發器，該預熱器/蒸發器預熱和蒸發所述燃料并向所述轉化器供給基本蒸發燃料。
3.權利要求1的發電廠，其中所述燃料是甲醇。
4.權利要求1的發電廠，其中所述燃料是二甲醚。
5.權利要求1的發電廠，其中所述燃料是輕質烴。
6.權利要求1的發電廠，其中所述轉化器使用一種催化劑，以使所述燃料轉化成所述轉化燃料，其中所述催化劑選自銅、鋅、鋁以及它們的混合物。
7.權利要求1的發電廠，它還包括一臺由壓力為第二壓力的所述蒸汽驅動的蒸汽噴射式燃氣渦輪機。
8.權利要求1的發電廠，其中所述壓力為第二壓力的所述蒸汽還包括用于一個過程的熱源。
9.一座發電廠，它包括(a)一臺利用轉化氣態燃料和壓力為第一壓力的蒸汽的第一級燃氣渦輪機，該渦輪機驅動發電機并排出溫度為第一溫度的氣體；(b)一臺利用溫度為第一溫度的所述氣體的熱回收蒸汽發生器(HRSG)，該發生器產生壓力為高于所述第一壓力的第二壓力的蒸汽并排出溫度為低于所述第一溫度的第二溫度的氣體；(c)一臺供有燃料、壓力為第一壓力的蒸汽和溫度為第二溫度的氣體的轉化器，該轉化器轉化所述燃料并將所述轉化燃料供給所述STIG；以及(d)一臺利用壓力為第二壓力的所述蒸汽的第二級渦輪機，該渦輪機驅動所述發電機。
10.權利要求9的發電廠，其中所述蒸汽渦輪機排出壓力為第一壓力的所述蒸汽。
11.權利要求10的發電廠，其中所述轉化器排放廢氣，所述發電廠還包括一臺利用所述廢氣的預熱器/蒸發器，該預熱器/蒸發器預熱和蒸發所述燃料并將基本蒸發的燃料供給所述轉化器。
12.權利要求9的發電廠，其中所述燃料是甲醇。
13.權利要求9的發電廠，其中所述燃料是二甲醚。
14.權利要求9的發電廠，其中所述燃料是輕質烴。
15.權利要求9的發電廠，其中所述轉化器使用一種催化劑，以使所述燃料轉化成所述轉化燃料，其中該催化劑選自銅、鋅、鋁以及它們的混合物。
16.一種由燃料發電的方法，該方法包括(a)使利用轉化燃料的第一級渦輪機運行，該渦輪機驅動發電機并排出溫度為第一溫度的氣體；(b)使利用溫度為第一溫度的所述氣體的熱回收蒸汽發生器(HRSG)運行，該發生器產生壓力為第一壓力的蒸汽并排出溫度為低于所述第一溫度的第二溫度的氣體；(c)將壓力為第一壓力的所述蒸汽供給第二級渦輪機，該渦輪機驅動所述發電機并排出壓力為低于所述第一壓力的第二壓力的蒸汽；以及(d)使供有燃料、壓力為第二壓力的所述蒸汽和溫度為第二溫度的所述氣體的轉化器運行，該轉化器轉化所述燃料并將所述轉化燃料供給所述第一級渦輪機。
17.權利要求16的方法，其中所述轉化器排放廢氣，所述發電廠還包括一臺利用所述廢氣的預熱器/蒸發器，該預熱器/蒸發器預熱和蒸發所述燃料并將基本蒸發的燃料供給所述轉化器。
18.權利要求16的方法，其中所述燃料是甲醇。
19.權利要求16的方法，其中所述燃料是二甲醚。
20.權利要求16的方法還包括所述轉化器中采用一種催化劑，以使所述燃料轉化成所述轉化燃料，其中所述催化劑選自銅、鋅、鋁以及它們的混合物。
21.權利要求16的方法還包括采用壓力為第二壓力的所述蒸汽來驅動蒸汽噴射式燃氣渦輪機。
22.權利要求16的方法還包括采用壓力為第二壓力的所述蒸汽作為一個過程的熱源。
全文摘要
本發明是一座高效的轉化甲醇(合成氣)燃氣渦輪機發電廠。本發明采用背壓式蒸汽渦輪機(BPT)來最大限度地發揮轉化甲醇燃氣渦輪機發電系統的熱效率和最大限度地提高其電能輸出。甲醇原料在進入BPT中燃燒前被轉化合成氣(H
文檔編號F01K21/04GK1267356SQ9880827
公開日2000年9月20日 申請日期1998年8月19日 優先權日1997年8月19日
發明者G·F·占達, K·H·庫弛勒, J·J·蓋德, F·F·米特里克, F·R·羅伯托 申請人:埃克森化學專利公司