高效的转化甲醇燃气涡轮机发电厂

发明领域

本发明涉及联合燃气/蒸汽的涡轮机发电厂，其中转化甲醇是燃气 涡轮机的燃料。从背压式蒸汽涡轮机排出的蒸汽用于甲醇转化器。

发明背景

提高使用燃气涡轮机组的发电厂的效率具有相当大的意义。在简单 循环的燃气涡轮机组中，由于从涡轮机组排出的废气所带的热量被白白 地浪费掉了，因而整个循环效率是很低的。

回收热量(预热燃料)是提高发电厂效率的一种简单方法，然而， 提高的效率是要以降低系统电能输出为代价的。电能输出的降低加上外 加预热设备所需费用，会增加发电厂运行的固定成本，最后这些费用都 会转嫁给消费者。

在该技术领域中，已在回收燃气涡轮机排放废气的余热方面做了一 些工作，例如，已经采用了将燃气涡轮机的燃烧气体的热量产生的水蒸 汽来驱动凝汽式汽轮机的方法。这类闭路循环(联合循环)方法大大地 提高了发电厂的效率，但要为蒸汽涡轮机提供冷凝器和冷却水环路设 备，可能还需要冷却塔，因而费用很高。

回收废气热量的其它方法是采用以化学方法利用余热的燃气涡轮机 组(Chemically Recuperated Gas Turbines，″CRGT″)。在CRGT循 环中，燃气涡轮机的废气余热是以化学转化器回收的。CRGT循环具有 蒸汽喷射式燃气涡轮机(“STIG”)循环所没有的若干优点，而且没有 蒸汽喷射，因而氮氧化物排放量低。在采用天然气地情况下，转化所需 温度为700-900℃，而在利用现有的燃气涡轮机技术和回收装置以醇类 来化学回收余热时，可在较低的温度下进行。尤其是由于甲醇作为燃料 的固有特性(优良的燃烧性质，排放环境污染物少，转化温度低)并且 从任何矿物燃料和任何可再生的有机物质制造的可能性，因而甲醇是特 别符合要求的。

需要建立一座涡轮机设计简单、投资费用低、高效又不会损害电厂 总电能输出的发电厂。该发电厂应该在较低温度下运行并使用容易获得 的燃料如甲醇。本发明符合这项要求。

发明概述

本发明涉及高效发电厂，该发电厂包括：利用转化燃料的第一级涡 轮机，该涡轮机驱动一台发电机并排出温度为第一温度的气体；一台利 用温度为第一温度的所述气体的热回收蒸汽发生器(HRSG)，该蒸汽 发生器产生压力为第一压力的蒸汽并排出温度为第二温度(低于第一温 度)的气体；利用压力为第一压力的所述蒸汽的第二级涡轮机，该涡轮 机驱动所述发电机并排出压力为第二压力(低于第一压力)的蒸汽；以 及供有燃料、压力为第二压力的所述蒸汽和温度为第二温度的所述气体 的转化器，该转化器转化所述燃料并将所述转化燃料供给所述第一涡轮 机。

附图的简要说明

图1图示了采用天然气涡轮机和凝汽式涡轮机的常规发电厂。

图2图示了用燃烧由转化甲醇制得的合成气体的燃气涡轮机的发电 厂。

图3图示了根据本发明的发电厂。

本发明的详细说明

通过将本发明的特征与两个常规发电厂的相应特征相比较就可很好 地了解本发明(如图3所示)。图1图示的是采用天然气作燃料的常规 发电厂。燃气涡轮机1消耗作为燃料的天然气7和通入的空气8。为了 说明起见，以General Electric Company制造的GE7FA涡轮机作为标 准参照燃气涡轮机，该涡轮机每天消耗天然气790吨(803公吨)。该 燃气涡轮机驱动发电机11，其输出功率为166兆瓦。从涡轮机排出的废 气进入热回收蒸汽发生器(HRSG)3，而从HRSG的废气从9排出， HRSG3每小时可产生550000磅(249500千克)高压蒸汽(HP蒸汽) 13，该高压蒸汽用作蒸汽涡轮机2的输入汽源，从而可使该涡轮机产生 附加的77兆瓦的动力来推动发电机。从蒸汽涡轮机排出的废汽进入冷 凝器4，该蒸汽在该冷凝器中冷凝后再循环返回到HRSG。

冷凝器所需的冷却水15是由泵泵入的，而所用的冷却水是在冷却 塔5中冷却的，从冷却塔流出的水再借助泵6循环回到冷凝器。如果需 要可在12处供入补充冷却水。

根据通用的计算机程序实施的模拟，图1所示发电厂的输出电能为 237兆瓦(净)，并具有52％的低热值(Low Heat Value)(LHV效 率)，而高热值(High Heat Value)(HHV效率)为47％。这种高效 率是以昂贵的凝汽式涡轮机和冷却水循环的较高投资为代价的。

图2图示了采用转化甲醇为燃料的发电厂。燃气涡轮机使用输入空 气30和来自转化器25的转化甲醇33，转化甲醇是由气态甲醇和蒸汽在 转化器中通过二步法工艺而产生的。第一步，气态甲醇经催化按下列反 应式分解为一氧化碳和氢：

                              (1)

按化学计量比例添加水蒸汽，一氧化碳可转变为二氧化碳，并根据 平衡移动，反应产生氢：

                            (2)

甲醇的整个转化过程可认为是两个不同过程的加合，第一个是根据 方程(1)的吸热分解，而第二个是一氧化碳转变的放热反应(2)。在 设计合理的反应器中两个反应过程会同时发生。

从燃气涡轮机排出的废气31用于HRSG23中以使供入的外加水35 产生低压蒸汽43，而从HRSG排出的废气42中的余热用来加热转化器 25和预热蒸发器27中的甲醇，然后从39放空。甲醇和低压蒸汽(LP) 注入转化器25中，而转化器输出的转化甲醇和过量蒸汽33用于驱动涡 轮机21，而涡轮机又驱动发电机29发出电力。与图1所示的装置不同， 水是不循环使用的，因为水的回收成本过高而没有加以回收，水作为排 放气体部分而损耗掉。

计算机模拟表明，与图1实例中相同的燃气涡轮机按图2配置的发 电厂的输出电能为约225兆瓦(净)功率，LHV效率约46％。虽然效 率低于图1配置的发电厂，但因没有采用蒸汽涡轮机、冷凝器和冷却塔 而大大降低了投资费用。

图3图示了根据本发明的发电厂。从进口41a向燃气涡轮机41供 给空气47，将转化器57的含有过量水蒸汽的转化甲醇67供入燃气涡轮 机41中并且转化甲醇在燃气涡轮机的燃烧室41b中燃烧，废气通过排 气口41c排出涡轮机。排出涡轮机废气的温度为约1100°F(～595℃)。 从该燃气涡轮机排出的废气依次用于(1)加热HRSG59中的水53以产 生高压蒸汽61，(2)加热转化器57来产生转化甲醇以及(3)预热蒸 发器55中甲醇49以产生甲醇蒸汽。从HRSG排出的废气温度低于燃气 涡轮机排出的温度，但仍足以加热转化器。在另一个实施方案中，使用 排出的废气通过换热流体/介质间接加热转化器或蒸发器。

向HRSG59供水53，该供入的水有时称为“单程水”，因为它不 是循环使用的。HRSG产生HP蒸汽，该HP蒸汽用于驱动背压式蒸汽 涡轮机(BPT)43。BPT与凝汽式涡轮机的不同之处在于BPT的排放 气仍基本上处在LP蒸汽状态的温度和压力。在BPT出口的蒸汽温度一 般为约600°F(～315℃)。在本发明中，该LP蒸汽与已蒸发的甲醇蒸 汽65一起作为转化器57的输入。在另一实施方案中，涡轮机41是STIG， LP蒸汽可用于甲醇转化和蒸汽喷入涡轮机中以增加涡轮机的功率。LP 蒸汽也可用于其它过程中如用作转化器的输入热源、换热流体/介质和转 化蒸汽等。

在一个优选的实施方案中，转化器57用来从甲醇和蒸汽产生转化 甲醇。转化过程可按上述方程式(1)和(2)的化学反应的两步工艺进 行，但在优选的实施方案中，转化甲醇是在铜、锌、铝或它们的混合物 制成的催化剂存在下，以一步法制造的。在采用上述标准参照涡轮机情 况下，计算机模拟结果表明，按图1配置的发电厂在50％LHV效率下 的输出功率为242兆瓦(净)，燃气涡轮机供给发电机的功率为228兆 瓦而BPT提供的功率为18兆瓦。

在另一实施方案中，以二甲醚(DME)代替甲醇生产合成气作为 燃料。在不背离本发明范围的前提下也可采用甲烷或液化石油气 (LPG)。

本发明与图1和图2所示的发电厂相比有许多优点：第一，与联合 循环的发电厂相比，因没有采用蒸汽涡轮机冷凝器和冷却水环路，降低 了投资成本；第二，发电厂输出电能的大部分(228兆瓦)来自设备价 格较低的燃气涡轮机，而较贵的蒸汽涡轮机的输出为18兆瓦。与此不 同的是，在图1所示的发电厂中，蒸汽涡轮机输出是燃气涡轮机输出的 约二分之一。由于蒸汽涡轮机的成本较高，图1所示发电厂的联合涡轮 机组的投资成本就远高于本发明的发电厂。因此采用BPT涡轮机，只 是在损失少许效率的情况下降低了投资成本。

与燃烧天然气的燃气涡轮机相比，无论在有或没有STIG的情况 下，使用合成气的燃气涡轮机由于合成气的物理特性而具有高的功率输 出特性。功率输出的提高源自在达到燃气涡轮机输出极限的能力的同时 又通过转化甲醇和产生的HP蒸汽从燃气涡轮机排放废气中充分回收了 热量。在高压和由燃气涡轮机废气温度确定的温度下，有可能达到高效 地产生蒸汽和回收热量。

由于燃气涡轮机是以最大额定功率运行的，因此，在采用STIG情 况中并不是所有可获得的高压蒸汽都可用来供给燃气涡轮机的。借助高 压蒸汽降压至低压蒸汽时产生增量功率的BPT能有效地回收废气的热 量。在设有转化甲醇的设计方案中，BPT也可用来产生供给蒸汽喷射式 燃气涡轮机的过程蒸汽。最低压力水平是由具体燃气涡轮机构型所确定 的。通常，该最低压力水平为约300-约400磅/英寸2(2.07-2.76兆帕)， 这是燃气涡轮机的燃烧压力。

普通技术熟练人员都知道，在不违背本发明宗旨的前提下，本文所 述的实施方案可以有许多种变体。因此，本文所述的实施方案只是说明 性的，而不是对本发明范围的限制。