專利名稱：一種具有CO₂捕集和壓縮功能的動力裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有CO2捕集和壓縮功能的動力裝置以及它們的操作方法。
背景技術：
近年來日益顯著的是，溫室氣體的產生導致了全球變暖，而進一步增加的溫室氣體生產會進一步加速全球變暖。由于CO2(二氧化碳)被認為是主要的溫室氣體，因此 CCS(碳的捕集和存儲)被認為是一種潛在的主要方式用來減少溫室氣體向大氣的排放，并用以控制全球變暖。在本申請中，CCS的定義為CO2的捕集，壓縮，運輸和存儲的過程。捕集的定義為從碳基燃料的燃燒之后的煙道尾氣中移除CO2、或者從燃燒前的碳處理中移除 CO2的過程。任何吸收劑的再生，吸收劑或者其他用于移除煙道氣體或者燃料氣體流中的 CO2的裝置被認為是捕集工藝的一部分。已知有多種可能的方式用于動力裝置中CO2的捕集。所討論的用于CO2捕集的主要技術是所謂的預燃燒捕集，純氧燃燒(oxyfiring)，化學鏈或化學循環(huán)(chemical looping)和后-燃燒捕集。預燃燒碳捕集包括在燃燒燃料前移除其全部或部分的碳含量。對于天然氣，典型的方法是采用蒸汽進行重構，緊接著是轉移反應而生成CO2和氫氣。CO2可以從所獲得的氣體混合物中捕集并移除。氫氣可以隨后用來生成有用的能量。所述工藝亦可以被稱為合成氣體方法或者合成氣方法。相同的方法可以用于煤或者任何化石燃料。首先，燃料被氣化， 然后采用與天然氣處理相同的方法處理。此類方法和IGCC(整體煤氣化聯合循環(huán))的結合使用的申請是可預見的。純氧燃燒(也可以稱為氧燃料燃燒或者氧氣燃燒)是一種在代替空氣而采用的氧氣和再循環(huán)CO2的混合氣中燃燒煤或者其他化石燃料的技術。其產生濃縮的或集中的CO2 和蒸汽的煙道氣體。由此，通過對水蒸氣進行冷凝而簡單地分離CO2,所述水蒸氣是燃燒反應的第二產物?；瘜W鏈包括使用金屬氧化劑作為氧氣載體，典型地是金屬氧化劑，用于從燃燒的空氣向燃料運輸氧氣。燃燒產物為CO2、還原后的金屬氧化劑和蒸汽。在水蒸氣冷凝后，CO2 蒸汽可以被壓縮以供運輸和存儲。CCS技術是當前被認為最接近大規(guī)模工業(yè)化應用的技術，是一種與壓縮、運輸和儲存相結合的后燃燒捕集的技術。在后燃燒捕集中，CO2從煙道氣體中被移除。剩余的煙道氣體被釋放到大氣中，而CO2被壓縮以供運輸和存儲。存在多種已知的技術來移除煙道氣體中的CO2，諸如吸收、吸附、膜分離和深度低溫分離(cryogenic siiparation)。所有已知的用于CO2捕集和壓縮的繼續(xù)都需要相對大量的能量。存在著很多公開的出版物關于對不同工藝的優(yōu)化，以及通過將這些工藝應用到動力裝置中來減少功率消耗和效率損失。對于具有后燃燒捕集的CCS，CO2捕集和對CO2的壓縮是主要的兩種功率消耗，以供進一步處理如運輸和存儲。EP1688173給出了一種后燃燒捕集的例子，以及分別由CO2吸收和吸收液的再生所
4造成的功率輸出損耗的減少的方法。這里提出了從動力裝置的汽輪機的不同級中抽取蒸汽來用于吸收劑再生從而最小化汽輪機輸出損失的方法。 相同的，W02007/073201建議使用壓縮熱量，所述熱量由用于使吸收劑再生的對 CO2進行壓縮而產生。 這些方法目的在于減少特定CO2捕集設備的功率需求，然而所提出的CO2捕集方法的使用總會導致動力設備容量或生產能力的顯著地下降，即，所述裝置能夠輸送給電網的最大功率。EP0537593描述了用以消減動力設備輸出中CO2捕集所造成影響的首次嘗試，其描述了一種運用吸收劑來從煙道氣體中進行CO2捕集的動力裝置，其中再生器在高功率需求的時段期間關閉，且其間，通過使用存儲在吸收劑罐中的吸收劑，CO2捕集繼續(xù)進行。 EP0537593描述了 CO2捕集設備的一個功率消耗裝置的簡單開/關模式。其在相對高成本下僅僅增加了非常小的操作靈活性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于用來優(yōu)化一種具有CO2捕集和壓縮的動力裝置的操作方法，和一種根據經優(yōu)化的操作方法而設計進行操作的具有CO2捕集和壓縮的動力裝置。一個目的在于通過CO2捕集設備和壓縮單元的可變操作方法，減少CCS (碳捕集和存儲)對動力裝置性能的影響。特別地，最小化了 CO2捕集和壓縮對動力裝置性能的影響，即，最大化了該裝置可輸送至電網的功率。此外，CO2捕集和壓縮對平均的動力裝置效率的影響也應當被降低。為此，提出了一種用于操作具有CO2捕集和壓縮功能的動力裝置的方法和一種用于實施所述方法的裝置。本發(fā)明的實質是一種裝置操作方法，其中CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗被用于控制裝置的凈輸出。在本發(fā)明的上下文中，CO2捕集系統(tǒng)被定義為整個CO2捕集單元加上壓縮單元以及所有它們的輔助設備。進一步，例如在機械CO2壓縮機驅動器中的電力消耗、機械功率消耗，和可以另外在汽輪機中轉化為電能的流通蒸汽的消耗，被認為是捕集系統(tǒng)的功率消耗。該控制方法給予了除了現有對裝置的控制之外的額外的可變通性或靈活性。由于采用本方法將CO2系統(tǒng)集成到動力裝置中，所述裝置的熱負載可以在操作的有所延長的時段期間保持恒定。優(yōu)選地，對于延長的時段期間，所述裝置可運行在基本負載下。由于環(huán)境狀況變化產生的熱負載改變的影響在此處忽略不計。進一步，一種接近或者達到裝置最優(yōu)效率的操作可以被實現，且該裝置的額定功率可顯著增加。本發(fā)明大多數實施例可以在沒有或者很少附加成本的情況下實現。所述裝置的凈輸出可以被采用CO2捕集設備和壓縮單元的間歇操作方法改變，或者在當CO2捕集設備和壓縮單元以有所降低的功率的情況下被操作的方法所改變。為了控制CO2捕集和壓縮所消耗的功率，可提出多種方法。在第一種方法中，CO2捕集和壓縮設備或者其主要的功率消耗器件可以簡單地在高功率需求期間關閉(如圖1所示)。CO2分離，獨立于所選擇的技術，而被停止，且所述裝置如傳統(tǒng)裝置那樣運行而將CO2排放到煙道氣體中。相應地，不需要帶有寄生功率需求的 CO2壓縮。
CO2捕集和壓縮操作可以在優(yōu)化的成本下執(zhí)行，且操作遵循相關原則一旦CO2捕集和壓縮的價格/收益大于額外的功率產生所帶來的收益，則CO2捕集和壓縮開始進行，反之亦然。進一步，只要所述規(guī)則和許可需要，則CO2捕集和壓縮總會處于操作狀態(tài)。除了簡單的開/關模式，還提出了一種在高功率需求期間對CO2捕集設備和壓縮進行降低定額值的、或者部分加載的操作。結果是，在此期間CO2的捕集率通常會降低。每噸CO2捕集和壓縮的成本是所述捕集率的函數，所述捕集率是從煙道氣體中捕集到的CO2占裝置產生的總的CO2量的比率。每噸CO2捕集和壓縮的最優(yōu)或者最小成本經估算大致處于 70%至90%的捕集率范圍內(如圖4所示)。經估算，當捕集率高于大約90%時將導致成本的急劇增加，但是在該最小成本值時，則顯示出與較低捕集率相對應的相對平滑曲線。因此，在低于設計值以下的捕集率情形中進行的操作將不會導致運行成本顯著的增加。然而， 在峰值需求期間，CO2捕集和壓縮的功率消耗的降低會導致利潤的顯著增加，因為在峰值需求要求期間電力的價格會顯著的增加。可變的CO2捕集設備和壓縮單元的操作方法同時也會增加具有CO2捕集和壓縮功能的動力裝置的額定功率和競爭性。這將允許較早地將還僅僅是試驗裝置工程的此類裝置引入競爭的電力市場。下面，將采用CO2吸收的例子來討論用于CO2捕集和壓縮的可變操作。類似的方法可應用于CO2捕集的方法，其包括CO2吸收，吸收劑的再生和所捕集的CO2的壓縮。操作理念采用的相同原則對于所有的CO2捕集方法來說都是適用的。CO2捕集和壓縮工藝的操作，包括CO2吸收，吸收劑再生和所捕集CO2的壓縮，因此其給出了三種主要的選擇來增加裝置操作的可變性或靈活性。它們可以被依次的實現或者同時實現。它們是1.在CO2壓縮單元功率下降時關閉或者操作。2.在再生單元功率下降時關閉或者操作。3.在吸收單元功率下降時關閉或者操作。盡管第一種選擇已經使得寄生功率消耗顯著的減少，其將會導致僅在很短的時間內CO2釋放到大氣中，這樣大量未壓縮的CO2不能經濟地被存儲。對于所捕集CO2的安全處理而言，其可以例如與位于CO2吸收單元下游的煙道氣體相混合并通過動力裝置的煙囪而排放。進一步，可以通過第二種選擇來實現顯著地減少寄生功率消耗。再生通常通過吸收劑的“再沸騰”完成，其意味著為了釋放所述CO2,通過蒸汽加熱所述吸收劑。結果是該蒸汽不再適用于功率生成，一旦在峰值功率要求期間停止再生，那么剩余的蒸汽適用于功率生成。第三種選擇，其中的吸收進程也被終止了，這導致輔助的功率消耗進一步減少。該功率消耗相對于在前兩種選擇中所實現的節(jié)約而言，是顯著較小的。存在不同的方法用來實現組件的部分加載操作。例如，0)2壓縮單元的質量流可以通過控制裝置(如進口導流葉片)而降低。在壓縮單元包括兩條或者多條并聯的壓縮機系列的情況下，關閉至少一個壓縮機顯然會導致CO2壓縮單元的功率消耗減小。在兩條壓縮機系列滿負荷運行的情況下，關閉其中一條壓縮機系列會使得電力消耗減少50%，但是同時意味著50%的CO2不能被壓縮，且通常會被旁通到煙囪。備選地，所述吸收率可以降低。 這可以通過如下方式實現例如減少通過再生單元的吸收劑流動和旁通剩余流動而、并使
6兩種流動在它們進入到再生單元前相混合。由于僅部分的流動流經吸收單元，則用于再生所需的蒸汽減少，且剩余的蒸汽可以被用于功率生成。再生和未再生的吸收劑相混合造成的結果是，所合成的混合物吸收CO2的能力下降，且較低百分比的CO2被從煙道氣體中捕集， 以及在再生單元中較少的CO2被釋放以供壓縮。由于先捕集CO2然后將其旁通并不是十分經濟，因此提出了一種在所有捕集系統(tǒng)組件中同時減少功耗的方法。在沒有進一步測量的情況下，吸收過程本身的操作是沒有意義的，因為吸收劑在常規(guī)布置中將會快速的飽和且不能再用于捕集co2。此處，本發(fā)明的又一實施例開始實施以進一步增加該裝置及CO2捕集和壓縮方法的可變性，且減少CO2的釋放或者對CO2的釋放沒有影響為了使得CO2捕集不需要再生和 CO2壓縮，提出了具有吸收劑存儲功能的捕集工藝的操作。在該操作模式下，CO2被吸收劑捕集，吸收劑從吸收劑存儲罐中取出而不經過再生，但是再回收到吸收劑罐中或者存儲在用于飽和的吸收劑的罐中。因此，不僅需要一種足夠大容量的存儲罐，還需要具有有所增加的功率的一種再生單元。所述再生單元的大小通常設計用以再生來自裝置操作產生的吸收劑流動，并進一步具有額外的功率用以再生所述飽和的吸收劑，所述飽和的吸收劑在峰值功率需求期間被存儲。再生單元的尺寸取決于預期的操作曲線圖。例如，如果預期到在給定的24小時運行周期中的1個小時內的高功率需求接近5%，則多余的功率需要被用來在低功率需求的時段期間再生所有飽和的吸收劑。如果裝置的操作曲線可以預見到所述裝置的延長的部分加載操作，那么再生單元的功率超負荷或多余功率(overcapacity)可能并不需要，部分加載操作期間，存儲的吸收劑可以被再生。功率優(yōu)化操作和再生單元的多余功率使得裝置操作的效率得到優(yōu)化。所述裝置效率在操作接近基本負載時達到最高。除了峰值功率需求期間之外，在低功率需求的時段期間，裝置通常必須在部分負載下運行，因此裝置被迫運行在有所降低的效率下。所提出的新的操作理念，通過改變CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗，來充分利用了電力輸出至電網的附加可變性，這使得裝置可以在其最優(yōu)狀態(tài)下操作。該可變性在過大尺寸的再生單元的情況下進一步增加，因為其允許所述裝置的操作員增加總輸出并將超出部分的能量用于吸收劑再生， 并因此在低電網電力需求的時段期間也增加裝置效率。改變CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗以適應電網需求的改變的又一益處在于其獲得了在恒定負載下運行動力裝置的可能性，并因此避免了在總輸出中負載的變化和因此導致的熱應力、熱磨損和熱撕裂?！NCO2捕集和壓縮處于關閉狀態(tài)操作的特別應用是一種所謂的功率儲備的范例。功率儲備是除了正常基本負載功率之外的額外功率，如果受請求的話其可以被輸送出去。對于很多電網系統(tǒng)來說，如果所述裝置可以實施功率儲備，這將是十分有益的，這部分電力可以當負載突然上升時、或者當其它動力裝置由于意外停機不得不降低自身的輸出甚至被迫關閉時被調用。實施功率儲備的能力在商業(yè)上是十分有價值的。取決于電網，某些裝置可能被要求在部分負載下運行，例如90%的負載下運行以保持功率儲備。運行于90% 的負載的情況可導致效率下降和增加每生產MWh電力所花費的資本和運行成本。對于一些電網，輸送峰值功率的可能性也是可以被銷售的，正如所謂的熱備用或運轉儲備(spinning reserve) 0任何備用能量生產能力，可以在十分鐘之內輸送至傳送系統(tǒng)、并且一旦上線就可以持續(xù)運行至少兩個小時，就通常被認為是一種典型的運轉儲備。本發(fā)明的進一步目的在于提供一種用于燃燒碳基燃料并帶有根據所描述的可變運行方法而設計用于操作的CO2捕集系統(tǒng)的熱動力裝置。本發(fā)明的一個實施例是一種燃燒碳基燃料的動力裝置，其至少具有一個煙道氣體流。除了已知的用于電力生產的常規(guī)的部件之外，根據本發(fā)明的裝置通常包括co2捕集單元，用于從煙道氣體流中移除CO2，和壓縮單元。所述捕集單元通常包括捕集設備，其中CO2 從煙道氣體中被移除；再生單元，其中CO2從吸收劑、吸附劑或用以約束來自煙道氣體的CO2 的其他裝置中被釋放出來，；以及，用于處理CO2以供運輸的處理系統(tǒng)。所述壓縮單元包括至少一個用于CO2壓縮的壓縮機。典型地，所述壓縮單元還包括至少一個冷卻器或者熱交換器，用來在壓縮期間和/或壓縮后二次冷卻經壓縮后的co2。為了允許執(zhí)行根據所提出的操作理念的操作，裝置的汽輪機被設計來轉化最大蒸汽流為能量，這可以通過CO2捕集系統(tǒng)處于關閉狀態(tài)的裝置來實現。在又一實施例中，發(fā)電機和電力系統(tǒng)被設計來轉化最大動力為電力并將所述電力輸送至電網，所述動力產生于CO2捕集系統(tǒng)關閉時。為了便利這種裝置的上述操作，其還可以包括CO2壓縮機的旁路，所述旁路可以安全的排出CO2，且例如將其引導至CO2捕集裝置下游處的煙道氣體煙囪。第二實施例中，CO2捕集單元被設計成甚至當其不運行時也能夠承受所述煙道氣體，例如設計用來在干燥條件下運作的吸收塔?？蛇x擇地，采用CO2捕集單元旁路是可預見的，這允許了動力裝置獨立于CO2捕集單元而運行。所述旁路對于啟動和關閉所述動力裝置以及對于在CO2捕集系統(tǒng)維護期間裝置的運行而言也可以是有利的。在又一實施例中，提供了一種尺寸設定為在規(guī)定時期內用來供應CO2吸收劑的存儲罐，且再生單元的功率大于動力裝置持續(xù)運行的設計功率，以使得其具有額外的功率來在低功率需求時段期間再生所存儲的吸收劑。根據存儲罐所需的大小和再生單元的功率， 本實施例也可以導致顯著的附加成本。CO2捕集系統(tǒng)的不同的控制方法都是可能的。其中一個例子是CO2捕集系統(tǒng)的不同組件的開環(huán)控制。這在不同的組件僅采用開/關控制時尤其適用。對于較為復雜的操作工藝來說，也可想到開環(huán)控制，其中可以實現對CO2捕集系統(tǒng)的消耗功率的持續(xù)控制，而不會因為不同組件的開/關造成功率輸出的突然步進。在該例子中，通過在一個時刻改變一個組件的功率消耗，同時剩余的組件運行在恒定的功率下，則對CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗的持續(xù)控制得以實現。然而，閉環(huán)控制對于在例如瞬時操作或者在變化邊界條件下操作來說則是有利的。由于可預見到不同組件的有所降低的功率下的操作，因此閉環(huán)控制將允許負載分配的更優(yōu)化。這尤其有利于如果實現對CO2捕集率的控制的情況。在這種情況下，通過在一個時刻對單個組件的控制，使得CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗是不變的，而剩余組件運行在恒定負載下。不同組件的功率的降低必須相協(xié)調。為此，各個組件的當前操作狀況的反饋是有利的，并且閉環(huán)控制是優(yōu)選的。由于CO2捕集系統(tǒng)是一種復雜的系統(tǒng)，如上所述，對于不同的操作方法需要一種適合的控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)依賴于、并影響著所述裝置的動力控制。由于動力控制是動
8力裝置控制系統(tǒng)中的核心部分，因此有利的是將對CO2捕集系統(tǒng)的控制整合到裝置控制系統(tǒng)中，或者通過所述裝置控制系統(tǒng)來協(xié)調對CO2捕集系統(tǒng)的控制，并連接所有相應的數據線到裝置控制系統(tǒng)上。如果所述裝置包括多個部分，且所述裝置控制系統(tǒng)具有一種包括裝置控制器和單元主控器的分層級結構，那么實現這樣一種將CO2捕集系統(tǒng)的控制整合或協(xié)調到每一個單元的主控器中都是有利的。可選擇地，所述CO2捕集系統(tǒng)具有其自己的控制器，其經由直接數據鏈接而被連接至裝置控制系統(tǒng)。所述裝置控制系統(tǒng)或者單元主控器必須向CO2捕集裝置的控制器發(fā)送至少一個信號。該信號可以例如是指令式功率消耗信號或者指令式捕集率命令。在上述描述的情形中，CO2捕集控制器并不必需是一個硬件設備，也可以是分散成驅動和由一個或多個控制單元相協(xié)調的群控制器。在CO2捕集系統(tǒng)的控制由裝置控制系統(tǒng)加以協(xié)調的情形下，高水平的控制單元可以例如發(fā)送總的所指令的質量流到CO2壓縮單元的群控制器上，并且接收總的實際質量流作為來自這個群控制器的輸入。本例子的壓縮單元包含若干個壓縮機系列。所述壓縮機系列的每一個都具有其自己的裝置控制器。群控制器具有一種運算法則，以決定如何最佳地將所指令的總的CO2壓縮質量流分配到不同的壓縮機系列上，并向每個分別的壓縮機系列的裝置控制器發(fā)送指令的質量流。繼而，群控制器收到每個壓縮機系列的實際CO2壓縮質量流。每個壓縮機系列控制器可再與低一級上的從屬控制器一起工作。相同類型的分層級系統(tǒng)可以應用于對CO2捕集系統(tǒng)的所有組件的控制。


本發(fā)明，其實質和優(yōu)點，將借助于相應的附圖在下面更為詳盡的描述。參考所述附圖圖1示意性地示出間歇CO2捕集的操作方法；圖2是具有CO2捕集功能的動力裝置的示意圖；圖3示意性地示出每噸CO2捕集的相對成本C；作為捕集率ι·ω2的函數；圖4示意性地示出具有CO2捕集和壓縮的可變操作方法的動力裝置關于時間T的相對功率輸出已的變化。附圖標記清單1.動力裝置2. CO2捕集單元3.空氣4.燃料6.返回管道7.用于CO2捕集單元的電力8.用于CO2壓縮單元的電力9. CO2壓縮過程10.壓縮后的CO211. CO2捕集單元的煙道氣體旁路12. CO2壓縮單元旁路
13.輸送至CO2捕集單元的蒸汽
14.蒸汽控制閥
15.輸送至CO2捕集單元的煙道氣體
16.消除完CO2的煙道氣體
17.用于除了 CO2捕集和壓縮外的裝置輔助設備的電力
18.控制系統(tǒng)
19.與CO2捕集單元和煙道氣體旁路的控制信號交換
20.與再生單元(如果有的話)的控制信號交換
21.與吸收劑/吸收劑存儲系統(tǒng)(如果有的話)的控制信號交換
22.裝置控制信號與傳統(tǒng)的沒有采用CO2捕集裝置的交換，包括總的和凈的功率。
23.與CO2壓縮單元和壓縮機旁路的控制信號交換
24.控制信號與蒸汽控制閥的交換-直接來自于控制系統(tǒng)或者經由再生單元(如
果有的話)I. CO2捕集關閉的高功率需求時間II. CO2捕集開啟的低功率需求時間A.具有為CO2吸收而進行蒸汽抽取的裝置的總功率輸出A’ .不具有為CO2吸收而進行蒸汽抽取的裝置的總功率輸出B. A減去不具有CO2捕集和壓縮的裝置輔助設備消耗功率C. B減去CO2壓縮所需的功率_根據電網功率需求而變化CO2捕集的相對成本D. CO2捕集裝置凈功率輸出(C減去吸收過程所消耗的功率需求-取決于電網功率需求而變換)Pd.電網的功率需求Pr.相對于裝置的基本負載總功率的功率輸出rC02. CO2 捕集率T.時間X.當CO2捕集和壓縮關閉時的峰值凈功率輸出的時間
具體實施例方式—種用于執(zhí)行所提出方法的動力裝置主要包括常規(guī)的動力裝置1，加上CO2捕集單元2和CO2壓縮單元9。在圖1中示出了電網的功率需求Pd隨時間T的變化。一種用于間歇0)2捕集的操作方法隨時間T的變化在圖1中示出。CO2捕集系統(tǒng)在當功率需求Pd比針對CO2捕集Lra 的限制更低時的時段II期間運行；并且當功率需求Pd比針對CO2捕集Lro2的限制更高時的高功率的時間I期間，CO2捕集系統(tǒng)關閉。具有后燃燒捕集的典型布置如圖2所示。動力裝置1被供應空氣3和燃料4。它的主要輸出是設備總電力輸出A和煙道氣體15。進一步地，蒸汽從裝置1中被抽取、并經由蒸汽管線13和蒸汽控制閥14被供應至CO2捕集單元2。所述蒸汽在有所降低的溫度下返回到裝置1、或者作為冷凝物經由返回管線6返回到裝置1中，在這里其重新被引入到蒸
10汽循環(huán)中。CO2捕集單元2通常包括CO2吸收單元和再生單元，在CO2吸收單元中CO2被吸收劑從煙道氣體中移除，在再生單元中CO2從吸收劑中被釋放。根據煙道氣體的溫度和CO2 吸收單元的操作溫度范圍，煙道氣體冷卻器也可能是需要的。消除掉CO2的煙道氣體16從CO2捕集單元中釋放到煙囪里。如果CO2捕集單元2 不運行，那么其可以經由煙道氣體旁路11而被旁通。在正常的操作中，所捕集的CO2將會在CO2壓縮機9中被壓縮，壓縮后的CO2IO將會前進以用于存儲或者進一步處理。需要電力7來驅動CO2捕集單元2的輔助設備，并且電力8用于驅動CO2壓縮機9。 因此，輸出給電網D的凈電力是總電力輸出A減去用于電力輔助設備17的電力，減去用于 CO2壓縮單元8的電力，再減去用于CO2捕集單元7的電力。圖2也示出了相應的控制系統(tǒng)18，其集成了對用于CO2捕集和壓縮所必需的附加組件的控制、以及對動力裝置的控制。所述控制系統(tǒng)具有所需要的至少一根連接至動力裝置1的控制信號線22，和至少一根連接至CO2壓縮單元9的控制信號線。進一步地，還示出了至少一根連接至CO2捕集單元2的控制信號線19，該CO2捕集單元2包括煙道氣體旁路 11。如果捕集單元2基于吸收過程或者吸附過程，則再生單元屬于系統(tǒng)的一部分，且相應地，需要至少一根連接至再生單元的信號線20。如果捕集單元2還包括至少一個用于吸附劑/吸收劑的存儲罐，則需要連接至存儲系統(tǒng)的控制信號線21。對于所示出的例子，其中蒸汽13用于再生，蒸汽控制閥24經由控制信號線24而得以被控制。該控制線被連接至作為捕集單元2—部分的再吸收單元，或者直接連接至控制系統(tǒng)18。凈功率輸出D的連續(xù)控制將采用兩個實例進行描述，其中從所有組件均滿負荷操作的操作點開始就需要凈功率輸出D的增加。在一個簡單的方法中，凈輸出首先通過CO2壓縮機單元9的功率消耗的可控的減少而有所增加。由于CO2壓縮機單元9的功率消耗的減少，從CO2再生單元2釋放出來的 CO2的總量保持恒定。其后果是部分CO2流必須通過CO2壓縮單元旁路12而旁通過CO2壓縮機單元9。一旦CO2壓縮機單元9被完全關閉，凈輸出將會由于CO2再生單元2中所消耗的功率的可控的減少而得以增加。最后，當CO2再生單元被完全關閉時，凈輸出將會由于CO2 吸收單元和(如果適用的話，)煙道氣體冷卻器中所消耗的功率的可控的減少而得到增加。 如果CO2吸收單元2沒有設計成干式運行/在干燥條件下運行的話，即，其不能在沒有吸收劑的流動和/或附加煙道氣體冷卻的情況下被暴露于煙道氣體15中，所述CO2捕集單元2 的煙道氣體旁路11必需被打開，起到作為吸收單元的可利用功率的功能。在一個更復雜的方法中，凈輸出的增加是通過可控的協(xié)調式減少CO2捕集單元2 和壓縮單元9的所有組件的功率消耗而實現的。目標是以有所減少的功率消耗來最大化 CO2捕集率。為此，所有組件的功率被同時以相同的比率減少，且流經所有組件的CO2是相同的。其結果是，功率消耗作為捕集率的函數而變化。為了確保不同組件的流率相匹配，需要從這些組件中獲得反饋，且此時采用閉環(huán)控制是有優(yōu)勢的。在非常低的捕集率下，且如果 CO2吸收單元2沒有設計成在干燥條件下運行，例如，其不能在沒有吸收劑的流動和/或附加煙道氣體冷卻的情況下被暴露于煙道氣體中，CO2捕集單元11的煙道氣體旁路必需被打開，起到作為吸收單元2的可利用功率的功能。預期的標準化/歸一化的捕集每噸CO2的費用Cr如圖3所示作為CO2捕集率Γω2的函數。每噸CO2捕集所需的費用在捕集率Γω2為90%時得以被標準化。顯然，當捕集率在 90%以上時，費用將變得十分昂貴，因此，裝置必須被設計成以80%-90%的捕集率運行。 在低于80%的捕集率時，每噸CO2捕集所需要的費用稍微有所增加。在捕集率設計為90% 的裝置中減少捕集率可以實現、而每噸CO2捕集的費用不顯著的增加。如果在操作期間捕集率減少，那么將會節(jié)省顯著量的功率，并因此在需要時饋送至電網。圖4示出了 CO2捕集系統(tǒng)的主要功率消耗對標準化裝置功率輸出Pr的影響。裝置本身的輔助功率消耗的影響也在該圖中顯示。圖4進一步示出了具有CO2捕集和壓縮的動力裝置隨時間T的優(yōu)化操作方法。裝置輔助設備和CO2捕集系統(tǒng)的主要功率消耗對裝置凈功率輸出D的影響通過在所述裝置的不同階段上采用相對輸出Pr來表示。在此圖中，所示出的所有的功率輸出都處于基本負載的裝置總功率輸出A所標準化、且提取蒸汽用來進行再吸收。Α’是不存在蒸汽抽取用于再吸收情況下的總輸出。B是總輸出減去所述裝置輔助設備B。C是輸出B進一步減去CO2壓縮所消耗的功率后的輸出。D是在C進一步減去吸收過程所消耗的功率后的最終裝置凈功率輸出。根據所提出的操作方法，功率減少從B到C，C到D，和總功率增長從A到Α’都是變化地，并且被用于控制凈輸出D。D被通常受控制來滿足電網的功率需求PD。為了獲得最大凈輸出X，CO2捕集系統(tǒng)的所有耗能裝置都被關閉，并且沒有蒸汽被抽取來進行再吸收。在所給出的例子中，日間凈功率輸出的所需要的變化是通過控制CO2捕集系統(tǒng)的不同耗能裝置的功率消耗而得以滿足的。因此，動力裝置的熱量輸入和熱負載可以在白天保持恒定，在該例子中是從早上7:00到晚上22:00。僅在晚上時，當凈輸出減少到正午峰值期間輸送的最大凈輸出的50%時，總輸出被減少到基本負載凈輸出的大約62%。在該例子中，為了能滿足凈輸出的大約15 %的變化，可以通過控制CO2捕集和壓縮所消耗的功率來實現。這是可以看到的，例如，介于11:00的早晨操作與12:30的峰值需求之間。為了獲得下降50%的凈功率輸出，總功率僅僅必須減少到62%。熱量輸入和熱負載的改變將會變化得更小，因為效率典型地在部分負載下有所下降。這對于燃氣輪機或者聯合循環(huán)動力裝置來說尤其正確。因此即便當需要熱負載的改變來滿足所需凈功率輸出D 的大的改變時，熱負載的相對改變相比常規(guī)的操作方法可以是有所減少的。根據操作體制，可以想象的是，恒定的總功率可以被保持只要所述裝置在運行中。上述所描述的和在附圖中的示范性實施例向本領域技術人員揭示不同的實施例， 它們與示范性的實施例是不同的，并且它們被包括在本發(fā)明的范圍之內。例如，用于煙道氣體再壓縮的功率，正如用于低溫CO2分離或者在提高的壓力水平下進行吸收的情況下，可以被節(jié)約或者在高功率需求的時段期間被減少。或者，在CO2采用冷氨水進行分離的情況下，冷卻功率可以被節(jié)約或者在高功率需求期間被減少。進一步地， 所述方法和相應地不采用CO2壓縮的裝置是可以想象到的。在一個實施例中，提供了用于冷卻介質的存儲罐，其在高功率需求的時段期間被用于冷卻。進一步地，類似于大于上述所描述的再生單元的尺寸，所述冷卻設備可以被設計成特大型，以在低功率需求的時段期間具有用以冷卻所存儲的冷卻介質的能力。
1權利要求
1.一種用于操作具有控制系統(tǒng)(18)和CO2捕集系統(tǒng)的動力裝置(1)的方法，其特征在于，所述CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗被用作所述裝置的凈功率輸出(D)的控制參數。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述CO2捕集系統(tǒng)被閉環(huán)控制系統(tǒng)(18) 所控制，所述閉環(huán)控制系統(tǒng)(18)整合到所述裝置的控制系統(tǒng)中，或者與所述裝置的控制系統(tǒng)相協(xié)調、或者具有連接至所述裝置的控制系統(tǒng)的直接數據鏈路(22)。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述CO2捕集系統(tǒng)在降低的功率下操作，或者其被關閉以向電網提供額外的功率，并且此額外的功率被用來增加所述裝置的額定功率。
4.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于，當CO2捕集系統(tǒng)運行時，動力裝置 (1)在接近于、或者在設計點運行，CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗被用作功率儲備，并且避免了用以確保功率儲備的動力裝置(1)的部分負載操作，且其因此在最優(yōu)化裝置效率下運行。
5.根據權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述裝置(1)的熱負載被保持恒定，且輸送至電網的凈功率輸出(D)的變化通過對CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗的控制而得以實現。
6.根據權利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，CO2捕集率是變化的以控制CO2 捕集系統(tǒng)的功率消耗。
7.根據權利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，CO2壓縮單元(9)被關閉或者在降低的功率下運行。
8.根據權利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，CO2壓縮單元(9)被關閉或者在降低的功率下運行，且部分或全部捕集的CO2經由CO2壓縮單元(9)的旁路(12)被釋放。
9.根據權利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，包括在捕集系統(tǒng)(2)中的再生單元被關閉或者在降低的功率下運行。
10.根據權利要求1至9任一所述的方法，其特征在于，包括在捕集系統(tǒng)(2)中的吸收裝置或者吸附單元被關閉或者在降低的功率下運行。
11.根據權利要求1至10任一所述的方法，其特征在于，包括在捕集系統(tǒng)(2)中的吸收裝置或者吸附單元被關閉或者在降低的功率下運行，且部分或者全部煙道氣體在所述捕集設備周圍被旁通經過。
12.根據權利要求1至11任一所述的方法，其特征在于，包括在捕集系統(tǒng)(2)中的再生單元被關閉、或者在高功率需求時在降低的功率下發(fā)生再生操作，且此時段期間，存儲的吸收劑或者吸附劑被用于CO2捕集。
13.根據權利要求9或12所述的方法，其中包括在捕集系統(tǒng)(2)中的再生單元的蒸汽 (13)消耗由于再生單元的關閉或者在降低的功率下運行而被減少，并且剩余的蒸汽被饋送到所述裝置(1)的至少一個現有汽輪機中。
14.根據權利要求11或13所述的方法，其特征在于，吸收劑或者吸附劑的再生發(fā)生在低功率需求(Pd)時。
15.一種具有CO2捕集系統(tǒng)的動力裝置(1)，其特征在于，所述動力裝置(1)被設計來根據權利要求1所述的方法操作。
16.根據權利要求15所述的動力裝置(1)，其特征在于，至少一個汽輪機被設計來將最大蒸汽流轉化到能量，所述蒸汽可以通過其中CO2捕集系統(tǒng)處于關閉狀態(tài)的所述裝置而產生。
17.根據權利要求15或者16所述的動力裝置(1)，其特征在于，至少一個發(fā)電機和電力系統(tǒng)被設計來將由于CO2捕集系統(tǒng)的關閉而產生的最大功率轉化為電力，并且輸送所述電力到電網。
18.根據權利要求15至17任一所述的動力裝置(1)，其特征在于，還提供了CO2壓縮單元(9)的旁路(12，11)和/或吸收單元。
19.根據權利要求15至18任一所述的動力裝置(1)，其特征在于，包括在所述捕集系統(tǒng)(2)中的所述吸收單元被設計來承受煙道氣體，甚至當其不處于運行狀態(tài)時。
20.根據權利要求15至19任一所述的動力裝置(1)，其特征在于，提供了用于吸收劑或者吸收劑單元的存儲罐，其使得甚至當捕集系統(tǒng)(2)中的再生單元在降低的功率下運行或者關閉時都可以進行CO2捕集。
21.根據權利要求20所述的動力裝置(1)，其特征在于，包括在捕集系統(tǒng)(2)中的再生單元的功率大于動力裝置(1)穩(wěn)態(tài)操作所需的功率，以便使得其具有附加的功率來再生所存儲的吸收劑或者吸附劑。
22.根據權利要求15至21任一所述的動力裝置(1)，其特征在于，經冷卻的氨水被用于CO2捕集系統(tǒng)，且提供了用于冷卻介質的存儲罐，所述存儲罐在高功率需求的時段期間用于冷卻，且其中所述冷凍設備被設計為超大型，以使其具有在低功率需求的時段期間冷卻所存儲的冷卻介質的能力。
全文摘要
由于CO2被認為是主要的溫室氣體，因此二氧化碳的捕集和存儲對于控制全球變暖而言是必不可少的。CO2捕集和壓縮設備的可變操作方式將增加設計用來捕集和壓縮CO2的動力裝置的競爭力。本發(fā)明的主要目的在于通過采用額外可變性的優(yōu)勢來改進所述裝置的操作特性，這可以通過控制CO2壓縮和捕集系統(tǒng)的功率消耗而實現。一個特別目的在于最小化CO2壓縮和捕集系統(tǒng)對動力裝置(1)容量的影響，即，最大化所述裝置可以輸送到電網的電力。進一步地，CO2壓縮和捕集系統(tǒng)在所述裝置平均效率上的影響也應當被降低。以上兩個目的通過一種操作方法而實現，其中CO2捕集系統(tǒng)的功率消耗被用來控制所述裝置的凈輸出(D)。另外，本發(fā)明的主題還包括一種方法，根據所述方法，一種動力裝置(1)被設計用以進行運行。
文檔編號F01K13/02GK102216571SQ200880124406
公開日2011年10月12日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權日2008年1月11日
發(fā)明者A·M·普費弗, C·施泰因巴赫, C·蘇蒂爾, J·霍夫曼, P·J-M·佩林克 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司