[发明专利]空气低温分离装置/气体透平联合系统的控制方法和设备

说明书

本发明涉及使气体透平和所采用的空气低温分离装置(ASU)在一宽的环境空气温度范围内维持在其最高输出操作下的控制方法和设备，更具体地说，涉及在一宽的环境空气温度范围内，调节补加空气源，保持流到ASU所要求的空气量的控制方法。

用于能量产生的联合的气化组合循环系统是大大地增加了投资的，并要求最大的电能输出，以与能量输出的其它方法竞争。与非联合的系统相比较而言，ASU与气体透平系统联合显示出了增加费用和改进性能的潜在结果。

空气分离与气化组合循环系统的完全联合，通常包括从气体透平的空气压缩机为ASU提取原料空气、排除ASU对独立的空气压缩机的需要。部分联合通常包括使用补加空气压缩机为ASU提供所需的部分空气。

在气化系统所需要的O₂和N₂通过ASU从空气中已经分离后，使用返回N₂的压缩机把废N₂返回到气体透平以保持输出。废N₂一般是在进入燃烧器之前与加入的燃料混合。然后在燃烧器中空气与N₂/燃料混合物混合。来自燃烧器的热气体产品为部分气体透平的透平膨胀机提供原料物流。废N₂原料对燃烧器内发生的氧化反应提供骤冷的作用，这有助于燃烧器内的温度保持在可接受的温限内，以便控制NOx的产生。

已知入口空气原料的温度(即环境空气温度)的变化可引起ASU/气体透平联合系统的输出的实质性改变。更具体地讲，气体透平的输出是与气体透平的空气入口温度直接有关，通常在冬季的冷空气温度能够提供更大质量的空气原料。反之例如在夏季，入口空气温度升高时，由于被压缩的空气质量显著地少，使系统的能量输出就降低。

为保持ASU/气体透平联合系统的输出，现有技术已经建议了各种各样的方法。Olszewski等的名称为“生产低纯O₂的低温系统”的美国专利4224045号，描述了通过液化空气的分馏生产低纯O₂的低温系统。来自ASU的废N₂物流经压缩后，作为一部分气流加到透平膨胀机，能够提高能量的输出。Chrёtien等名称为“气体透平组的操作方法和至少一种空气产品的生产”的美国专利5386686号，公开了一种ASU/气体透平联合系统。Chrёtien等主张在气体透平最大输出时控制它的最好方法，是以低于环境温度的零流量到高于环境温度的最大流量这种方式操作N₂返回压缩机。在这些条件下，燃料-N₂混合物在燃烧器入口处的燃烧比热可以5-1这样高的因子改变。因此这种控制方法进行燃烧器设计和操作难以实现，这是由于这里的燃烧条件可能有很大的变化的缘故。

所以，本发明的目的是提供用于ASU/气体透平联合系统控制的改进方法，其中操作参数保持在系统的输出能够最佳的范围内，不受环境温度变化的影响。

空气分离装置(ASU)/气体透平联合系统的控制方法，可维持最高的能量输出，而与环境温度的变化无关。气体透平系统包括接收空气原料物流的透平压缩机、燃烧器和接收来自燃烧器的气体输出的透平膨胀机。ASU接收来自透平压缩机和补加空气源两方面的空气原料物流，并提供产品物流和废N₂物流。该方法包括：(i)调节从补加空气源和透平压缩机流到ASU的空气比，补偿环境空气温度的改变和在产品能够生产的水平下保持空气流到ASU；(ii)向燃烧器提供燃料物流；(iii)把废N₂物流的原料提供给燃烧器，和(iv)在保持废N₂原料与燃料原料的比基本不变的情况下，控制燃料物流，以保持来自燃烧器的在最高温度的气体输出，与保持来自气体透平系统的最高能量输出相一致。

图1是引入本发明的ASU/气体透平联合系统的示意图。

图2是图1系统中采用的燃烧器的一个方案的示意图。

图1示出了ASU/气体透平部分联合系统。该系统包括气体透平组件10和ASU12。气体透平组件10包括一透平压缩机14，把环境温度的原料空气流15加入气体透平压缩机14。透平压缩机14经轴16连接到透平膨胀机18，透平膨胀器机18又经另一轴20连接发电机22。