x排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法附图说明" src="/d/file/p/2020/11-15/8f575d556d2b395e4ce1e1ec06a43b75.gif" />
一种无NOx排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法
技术领域
本发明提供了一种基于燃气轮机的无NOx排放的氢能发电及多联产系统，涉及一种氢气的分体式燃气轮机及配套的烟气循环与调控技术，属于氢气燃料的综合利用技术领域。
背景技术
氢能是一种清洁的二次能源。随着化石燃料重整制氢的规模化、水解高效制氢技术的成熟，氢能产业链及其各环节技术蓬勃发展。在终端利用方面，氢的利用方式是氢燃料电池技术。但是该技术存在着氢气存储压力高、贵金属消耗、功率密度低，不是非常适合发电领域。
氢气也可以作为内燃机(CN107221959A)和转子发动机(CN 110509783 A)的燃料，但是以上两种装置输出功率小，适合货运车或乘用车领域，不宜用于发电或多联供系统。另外，基于氢气的内燃机和转子发动机会产生NOx排放，部分抵消了H2的清洁优势。
燃气轮机遵循布雷顿循环原理，运动部件少，结构简单紧凑，燃烧效率高，功率密度大。通过与朗肯循环结合，构成联合循环系统，具有高效率、低成本低的优点，并可实现热电联产，适合发电和区域综合能源领域。氢气因其高热值、无碳无氮的燃料性质，是燃气轮机的理想替代燃料。但是常规燃气轮机使用空气作为氧化剂，在高温下依然会存在热力型NOx污染物的生成。相较于氢燃料电池技术无NOx排放的特点，这是氢燃气轮机的排放劣势。
发明内容
为了实现氢能在发电或综合能源系统中的应用，并避免氢气在燃气轮机燃烧做功过程中产生NOx的问题，本发明提供了一种无NOx排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法，采用CO2替代N2的氢气联合循环发电及多联产系统及其运行的方法。同时，为了克服空分分离等过程的高能耗，对系统实施了完善有效的能量回收方法，以热电联供的方式实现整体高能量转化效率，或以热电氮联供的方式提高整体的经济效益。
本发明的技术方案为：一种无NOx排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法，以H2或CxHyOz型气液无氮燃料，以空气分离制取的高纯O2为氧化剂，以CO2为替代N2作为循环烟气，一并进入分体式燃气轮机燃烧，做功发电，产生主成分为CO2、O2、H2O的高温烟气，通过余热锅炉(HRSG)回收高温烟气中的热量，并使用朗肯循环进行发电或热电联产，从而提高系统能量利用效率；将余热锅炉排出的烟气进行深度冷却，使其中绝大部分水蒸气冷凝放热和析出分离，获得以CO2和O2为主成分的冷烟气，通过再循环及增压，冷烟气返回分体式燃气轮机，构成闭合循环；另外，利用空气分离产生的高纯高压N2，用作氮原料，或通过膨胀发电机发电，或利用膨胀制冷原理，进行冷电联产，整体构成电-热/冷-N2多联产系统。
空气分离出的O2纯度在95％以上，正常运行状态下的制氧量为理论燃烧耗氧量。
分体式燃气轮机的燃烧初温1200～1700℃，氧气过剩系数2.0～3.6，燃烧后烟气中O2浓度9.9～22.7mol％，CO2浓度77.3～90.1mol％，排烟温度低于900℃。
高温烟气循环使用，主要成分是CO2，浓度范围62.3～87.4mol％，高温烟气循环采用微正压方式，压力不低于500Pa.g。
冷凝时压力不低于1kPa.g，温度不高于40℃；同时配备干燥器，对故障工况或特定运行的烟气水分含量精确控制，并保障循环烟气露点比运行状态的最低温度至少低5℃。
采用多源CO2补充与存储单元，按启动补充和运行补充两种模式运行对启动或故障阶段的CO2进行快速补充，CO2来源包括四种：外界提供的高纯CO2、就地空气捕集提取的CO2；烟气分离获得的CO2；CxHyOz型气液无氮燃料燃烧生成的CO2。
应用于上述方法中的装置，包括氢气燃料调节单元、分体式燃气轮机、空气分离与存储单元、余热锅炉、朗肯循环单元、冷凝换热器、烟气循环与调控单元、CO2再生与存储单元和氮气利用单元；氢气燃料调节单元与分体式燃气轮机的燃烧室连接；按烟气走向，分体式燃气轮机与余热锅炉、冷凝换热器、烟气循环与调控单元、CO2再生与存储单元组成一个闭合回路；分体式燃气轮机的燃烧室与空气分离与存储单元相连；余热锅炉和朗肯循环单元相连，余热锅炉上设有燃料进口；烟气循环与调控单元包括放散风门VE、干燥器DR、第二压气机B和烟气存储及稳压器PFV，并按烟气走向依次连接，第二压气机一路直接与CO2再生与存储单元连接，另一路与分体式燃气轮机的燃烧室连接，烟气存储及稳压器与分体式燃气轮机的燃烧室连接；CO2再生与存储单元包括烟气CO2分离装置CS、高压CO2存储及稳压器CPV和空气提取CO2装置CSA，主要为循环烟气补充和调节CO2浓度，补充点设在第二压气机之前或之后；烟气CO2分离装置与分体式燃气轮机的燃烧室连接，还设置有杂质气体出口，高压CO2存储及稳压器CPV设置二氧化碳进口，同时还与空气分离与存储单元连接；空气分离与存储单元包括第一压气机A，空分制氧装置AS、氧气存储容器OPV；第一压气机与空分制氧装置AS连接，空分制氧装置AS与氧气存储容器OPV连接，空分制氧装置AS还和氮气利用单元连接，为氮气利用单元提供高压空气；空分制氧装置AS与氧气存储容器OPV均与分体式燃气轮机的燃烧室连接；N2利用单元包括N2温度调节器TCN2、膨胀发电机G3和冷量回收器CE，氮气温度调节器、膨胀发电机和冷量回收器按氮气走向连接。
第一和第二压气机的驱动同时具备电驱动和机械驱动两种方式；燃气轮机启动时，由外界电力驱动，当燃气轮机运行后，使用燃气轮机轴承通过变速箱直接机械驱动；第二压气机(B)的压比不低于18.1。
所述的分体式燃气轮机包括燃烧室、氢气透平及发电机，燃烧室与氢气透平按烟气走向连接，发电机设置在燃烧室端。
有益效果
1.本发明系统能够满足大功率发电领域内的氢能高效利用，实现了基于分体式燃气轮机、无NOx排放的氢燃烧利用，以H2为燃料，以空气分离后得到的高纯O2为氧化剂，以CO2为替代N2的气体主成分，通过燃气轮机做功发电，并产生主成分为CO2、O2、H2O的烟气，完全避免NOx生成问题。
2.通过多联产设计，可实现较高的能量转化效率，或者灵活的副产物利用。通过设置余热锅炉(HRSG)，结合朗肯循环，提高发电效率。再对锅炉排烟进行换热冷凝，一方面回收烟气中的CO2和O2，一方面利用水蒸气的相变潜热，进行烟气余热深度利用。同时利用空分产生的高纯N2，构成电-热/冷-N2多联产系统。
3.本发明冷凝后烟气中含有大量水蒸气，设置冷凝换热器，将多余水分由冷凝器排出循环系统，同时实现烟气余热深度回收。冷凝器压力不低于1kPa.g，温度不高于40℃。同时配备干燥器，对故障工况或特定运行，精确控制并保障循环烟气水分要求。
4.本发明配备使用分体式燃气轮机，即仅保留传统一体式燃气轮机的燃烧室、透平及发电机。通过设置氧气、烟气和CO2存储及稳压器容器，满足运行工况调整、循环烟气压力维持和调整等变负荷需求。
5.为了解决启动充气，动静间隙、接口阀门等可能存在的微量烟气泄露，配备多源CO2补充与存储单元，分为启动补充和运行补充两种模式。CO2补充来源有三种：外界提供的高纯CO2、就地空气捕集CO2；CxHyOz型无N燃料燃烧补充。简要的运行与配合模式为：就地空气捕集仅面向微量的运行泄露；外界提供的高纯CO2主要针对烟风道与大气充分接触后(如安装、大修)的首次启动，辅助作为设备的充气保护和运行泄露；CxHyOz无氮型燃料的燃烧补充主要面向快速启动，用于迅速建立满足燃气轮机工作的烟气体系，辅助补偿运行泄露。
6.本发明具有清洁高效的特征，但由于系统的复杂性和功能的联锁限制，本发明的输出功率调整速率劣于常规空气型燃气轮机，因此不宜用于调峰发电领域。
附图说明
图1本发明的无NOx排放的氢燃气轮机联合循环工艺系统图。
图中①-H2燃料调节单元、②-空气分离与存储单元、③-分体式燃气轮机、④-余热锅炉及CO2快速补充单元、⑤-朗肯循环单元、⑥-冷凝换热器、⑦-烟气循环与调控单元、⑧-CO2再生与存储单元、⑨-N2利用单元。A-第一压气机、AS-空分制氧装置、OPV-氧气存储及稳压器、G1-燃气轮机发电机、G2-朗肯循环发电机、G3-氮气膨胀发电机、CSA-空气CO2提取装置、CPV-高压CO2存储及稳压器、CS-烟气CO2分离装置、FPV-高压烟气存储及稳压器、B-第二压气机、Qrl-余热锅炉回收的热量、燃烧室CC、氢气透平TB、放散风门VE、干燥器DR、第二压气机B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步说明。本说明仅为本发明多个启停方案中较慢或不利的启动方案，其他启动方式不再一一列举。
系统原理及设备说明
一种无NOx排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法，装置及其主要功能划分如下：
①-氢气燃料调节单元：根据燃气轮机要求，调节进入氢气的压力、流量和温度等参数。
②-空气分离及存储单元：包括第一压气机A、氧气分离器AS、氧气存储及稳压器OPV及其关键控制阀组成，还包括可能需要的二次增压设备。本单元产生O2浓度95％的高纯氧气，为本系统启动、运行、CO2补充等各种工况，在相应的响应时间内，提供所需的氧气。空气经第一压气机加压进入空分制氧装置AS中分离出高纯高压氧气，高纯氧气进入分体式燃气轮机的燃烧室作为氧化剂。当OPV储气量低时，增大AS工作负荷，多余的O2供应给OPV存储。
③-分体式燃气轮机：本燃气轮机主要由燃烧室CC、氢气透平TB、燃气轮机发电机G1、传动轴等部件组成。燃烧室与氢气透平按进气方向串联，传动轴传导到发电机发电，燃气轮机发电机G1在燃烧室端。其燃烧室和透平针对氢气燃烧点火和火焰特性进行设计。燃烧初温1200～1700℃，燃烧室压力和热量损失均不超过2％。氧气过剩系数2.0～3.6。燃烧后烟气中O2浓度9.9～22.7mol％，CO2浓度77.3～90.1mol％，排烟温度低于900℃。
④-余热锅炉及CO2快速补充单元：该模块主要是一个具有纯氧补燃功能的余热锅炉(HRSG)。它具有两个功能：一，正常运行时，将氢燃气轮机高温排烟的热能换热至⑤朗肯循环，为该循环提供高温高压蒸汽。一般地，余热锅炉排烟温度约90℃左右，余热锅炉回收的热量为Qrl。二，启动阶段或故障应急时，通过纯氧燃烧CxHyOz型无氮燃料，快速大量生成CO2和H2O，通过冷却冷凝分离大部分H2O，配合烟气循环功能实现烟道中CO2浓度和总量的快速积累，从而满足CO2迅速补充的需求。
⑤-朗肯循环单元：包括完整的一组朗肯循环装置，根据发电或热电联供需求的不同，朗肯循环中的汽轮机可采用纯凝式、背压式、抽凝式、抽凝背式等多种类型。
⑥-冷凝换热器：对燃气轮机烟气进行冷凝，将烟气中的水蒸气以冷凝水的形式排出，实现本系统的质量守恒。冷凝后烟气温度不超过40℃，优选35℃及以下。
⑦-烟气循环与调控单元：本发明烟气循环采用微正压方式，以防止空气漏入循环烟气，混入N2。本单元包括放散风门VE、干燥器DR、第二压气机B、高压烟气存储及稳压器FPV及关键控制阀组成。
在干燥器前设置放散风门VE，放散风门主要有两个作用，一方面，安装或检修后，通过此风门使用抽真空风机抽取循环内的空气；另一方面，停机检修前开启风门释放烟气，或者运行时释放部分不合格烟气，进而调整循环烟气成分。当循环烟气因轻微故障泄露或不凝性杂质气体累积后，释放部分不合格烟气。干燥器用于准确控制烟气中水蒸气含量，该数值随燃气轮机设计背压而改变。
由冷凝换热器⑥分离后的冷烟气，先经过干燥器进行必要的干燥后进入第二压气机，经增压得到高压烟气，正常运行时高压烟气送往分体式燃气轮机③。在负荷允许的前提下，部分高压烟气送入烟气存储及稳压器FPV中进行存储备用。当负荷迅速增大或停机再启动时，由FPV输出应急的部分烟气，以迅速增大烟气循环量。同理，还可以向烟气CO2分离装置CS供应一部分烟气，从CO2浓度较高的烟气中分离备用高纯CO2。
综合起来，本单元实现烟气再循环、烟气存储、烟气稳压等功能。
另外，第一压气机A和第二压气机B的驱动同时具备电力驱动和机械轴驱动两种方式。燃气轮机启动时，由外界电力驱动。当燃气轮机运行后，可以使用燃气轮机轴承通过变速箱直接进行机械驱动。
⑧-CO2再生与存储单元：烟气CO2分离装置CS、空气CO2提取装置CSA、高压CO2存储及稳压器CPV及关键控制阀组成，本单元实现CO2的分离、存储、补偿等功能，进而配合烟气循环和调控单元实现循环烟气的质量和成分的控制。本单元的功能主要是补充和调控循环烟气中CO2浓度。首先，CO2的补充有三种方式：(a)由外界提供高纯CO2、(b)从空气中提取CO2，以上适用于正常运行时微量泄露所需的CO2补充。(c)从第二压气机B提供的烟气进入烟气CO2分离装置CS，分离出CO2并存储至FPV，其余杂质气体排至大气环境。适用于启动、故障或突变负荷等工况下烟气循环量突然增大所需的CO2。本模式还与单元④中的CO2快速补充功能协同工作，以更快的响应负荷。
其次，CO2的补充位置既可以在第二压气机之后，也可以在其之前。当CPV压力足够且补充量少时，可直接从第二压气机之后的烟道上注入CO2；当CPV压力低或者补充量较大时，则需要从第二压气机之前的烟气管道上补充CO2。
⑨-N2利用单元：包括N2温度调节器TCN2、膨胀发电机G3和冷量回收器CE。空分副产物高压高纯N2主要有两种利用途径：(a)冷却后装入高压钢瓶或者管道，作为氮原料进行材料化利用。(b)根据附近的能量需求，使用膨胀螺杆机进行发电，同时配合进气压力，利用膨胀制冷原理，可获得冷、电两种有用能量。
以上所列功能为实现本发明的必要或关键功能，包括但未列明的普通设备及功能，例如成熟的水蒸气朗肯循环设备及工艺，二次增压机械，烟气抽气机。
运行模式说明：
一种基于动力机械无NOx排放的氢气发电及多联产工艺主要包括以下运行控制。
启动阶段：本发明所涉及的燃烧过程本质是由H2、O2和CO2构成的气体燃烧体系。因此，启动阶段的关键是在从烟气轮机燃烧室烟气循环整个风管内冲入O2和CO2的混合气体。首次启动时，首先使用抽气机，通过7-烟气放散风门抽吸形成负压。
O2灌充：方法1：O2由空分制氧装置AS分离空气产生。方法2：当需要快速启动时，也可使用O2存储及稳压器OPV中存储氧气快速灌冲。
CO2灌充：方法1：由空气分离及存储单元向余热锅炉提供过量O2，喷入CxHyOz型气体或液体燃料，启动烟气循环，通过燃烧和烟气循环积累，逐步形成O2+CO2型烟气。方法2：使用由外界注入CO2存储及稳压器CPV中存储的CO2，此时配合空气分离及存储单元，可实现燃气轮机的快速点火和运行。
平稳运行阶段：烟气满足循环烟气要求后，按设定的气体比例运行，过量空气系数为2.0～3.6。干烟气中氧气体积浓度约为9.9％～22.7％。空气分离纯氧制取量＝燃烧设计氧气量-循环烟气中氧气量，即为理论燃烧氧气量。由于循环烟气中携带了大量的氧气，在平稳运行阶段，本发明所需实时补充的氧气量仅为理论燃烧耗氧量。因此，空分耗能较低。
烟气调整阶段：当运行一段时间后，系统因为轴封漏气、杂质气体累积等因素，可能造成循环烟气量及其成分逐渐变化，为此需要进行微量调整。调整措施为：通过烟气放散风门释放部分烟气，通过CO2和O2补充功能进行烟气成分调整。
本发明根据外界需求，可对朗肯循环单元配置不同类型的汽轮机，可对N2进行发电或出售利用。上述不同的组合，至少可实现以下3种运行模型：
发电优先模式：动力设备配置如下：分体式燃气轮机发电机、纯凝式汽轮机及其发电机、螺杆发电机，该模式下空分后N2用于发电，典型工况下能使全厂发电效率提高约1.1个百分点。该模式的有效产物是电、低温热量。
热电联产模式：动力设备配置如下：分体式燃气轮机发电机、抽凝式或背压式汽轮机、螺杆发电机。该模式的有效产物是电、中高温热量、低温热量。
电热氮联产模式：动力设备配置如下：分体式燃气轮机发电机、纯凝、抽凝或背压式汽轮机及其发电机，氮气灌装至钢瓶，或通过管道对外输送。该模式的有效产物是电、低或中高温热量、高纯N2。
实施例
启动：
打开烟气放散风门，启动空气分离与制氧单元②制备纯氧，O2纯度为97％，向余热锅炉④供应过量纯氧。同时开启CO2快速补充功能，向余热锅炉内喷入CxHyOz燃料，例如甲烷，燃烧生成CO2，检测放散风门处烟气成分，启动第二压气机，带动烟气循环。当循环空间内烟气压力逐渐上升且CO2浓度积累超过20vol％后，开启烟气CO2分离装置(CS)，加大余热锅炉④中的燃料投入量，快速补充CO2。一方面提高循环空间内的烟气流量，一方面分离存储CO2，做好烟气成分调节的准备。当烟气CO2浓度接近典型设计值(85vol％)后，提高压气机压力，逐渐向高压烟气存储及稳压器FPV注入烟气，作为烟气流量与成分的快速调节用途。
正常运行：
当循环空间内烟气成分合格后，停止CxHyOz燃料，供应关闭CO2快速补充功能。开启H2阀，通过燃料调节模块送入分体式燃气轮机③燃烧室。同时空气分离与存储单元提高负荷，向燃烧室供应纯度为97％的O2。第二压气机的运行压比为38.1。配合循环空间内的合格烟气，形成H2/O2/CO2摩尔比值为1:1.4:3.3的燃烧物质，氧气过量系数2.8，助燃气体O2浓度29.8mol％。在燃烧室内点火，燃烧室温度1336.9℃，产生高温高压烟气推动氢气透平做功，排烟温度684.6℃，其中O2浓度17.3mol％，水蒸气浓度19.3％。分体式燃气轮机的低压排烟进入余热锅炉，通过将热量传递给朗肯循环单元，本例配置纯凝式汽轮机全部用于发电。经余热锅炉降温后，烟气温度约为95℃。该烟气进入冷凝换热器⑥后进一步换热降至35℃，实现冷凝除水，冷凝后烟气中水蒸气浓度0.09％。冷凝后烟气进入干燥器，经过分子筛干燥工艺，进一步控制或脱除水蒸气。干燥后的低压烟气经过第二压气机增压后进入FPV或直接返回至燃烧室，完成循环。
空气分离副产物N2排气参数为25℃、0.53MPa。通过膨胀发电机膨胀做功后排气温度-31℃，进而对N2进行冷量回收，换热至5℃后排放至大气环境。
烟气调控：
对于正常运行时出现的微量泄露损失，运行CO2再生与存储单元单元，通过化学溶剂吸收法或树脂吸附法从空气中提取CO2，补充循环微量损失。当出现设备故障漏气后，一方面适当调低负荷，同时开启烟气存储及稳压器FPV的阀门，补充烟气。当循环烟气因不凝性杂质气体累积超过限值后，同时开启烟气放散风门、烟气存储及稳压器FPV阀门，进行烟气流量和成分调节。如调节能力不够，开启CO2存储及稳压器CPV阀门，增大空分制氧能力，加速补充。如果所需烟气释放量加大，则开启余热锅炉的补燃功能，通过燃烧CxHyOz燃料迅速补充CO2。
停机：
首先分体式燃气轮机运行、空气分离及存储单元、朗肯循环等单元。第二压气机继续工作，开启烟气循环与调控单元和CO2再生与存储单元，回收循环体积内的CO2成分，当CO2浓度低于20vol％或循环空间压力低于外界大气压后停止第二压气机和其他单元的运行。
典型性能指标：
以发电功率最大为模式为例，本例的关键性能指标如下：分体式燃气轮机、纯凝朗肯循环、N2螺杆膨胀发电机的发电热效率分别为32.51％、19.24％、1.58％，联合循环发电效率53.33％(低位热值)，以上参数均基于常规的低位热值计算，另外通过冷量回收可增加的效率0.98％。当计入烟气冷凝回收热热量后，应采用高热热值计算，由于H2的高温热值比低位热值大18％，会造成热效率的下降。在此条件下，本案例的烟气冷凝回收的热效率19.21，综合热效率65.28％(高位热值)。
