CN103608620B - 用于处理来自原油和石油产品罐的货物蒸气以发电的方法和*** - Google Patents
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Abstract
一种用于处理来自原油和石油产品罐(2)的货物蒸气以产生电力的***和方法。所述***和方法包括步骤：在VOC回收装置(1)中将所述货物蒸气分离为液态挥发性有机化合物(LVOC)和压缩剩余气体。提供具有压缩机(7)、燃烧室(8)和膨胀器(9)的燃气轮机(6)。将压缩剩余气体供给至燃烧室(8)。将液态挥发性有机化合物(LVOC)供给至燃烧室(8)作为引燃燃料。将空气供给至通过膨胀器(9)运行的压缩机(7)，在这里所述压缩空气至燃烧室(8)的供给与剩余气体的供给成比例地减少，在所述燃烧室(8)中燃烧压缩空气、剩余气体和液态挥发性有机化合物(LVOC)，以及使用所述燃烧来用燃气轮机(6)使发电机(12)运行以产生电力。
Description
技术领域
本发明涉及用于处理来自原油和石油产品罐的货物蒸气(Cargovapor)以产生电力的方法和***。
背景技术
在用于储存原油产品的罐中，从原油中排放出货物蒸气，这是一个环境问题。
为了抵消该问题，几乎所有的原油和石油产品油槽船配备有蒸气回收管以将货物蒸气供给至常用歧管并从这里返回至岸上油库。在这些油库中，一些技术可用于处理货物蒸气。方法主要基于货物中烃(HC)的再吸收。这些***的效率仅在70％至90％非甲烷挥发性有机化合物(NMVOC)回收的范围中，并且不回收甲烷。
一种已知的***基于膜气体分离和货物蒸气至原油的再吸收而工作。在另一种已知的***中，用冷液体吸收工艺吸收货物蒸气。在又一种***中，吸收工艺使用活性炭和变压再生。然而，这些***具有一些缺点。一个缺点在于它们需要外电力来运行。另外，再生可能有问题，因为再吸收到装载至容器的原油中的烃(HC)可在稍后阶段闪蒸出来。因此，这些***的效率仅在70％至90％非甲烷挥发性有机化合物(NMVOC)回收的范围中，并且不回收甲烷。
此外，焚烧设施是已知的，其将货物蒸气返回到封闭的熔炉中。用丙烷引燃燃料供应熔炉以使烃(HC)安全燃烧。然而，由于焚烧需要引燃燃料，即向燃烧燃料中添加燃料，并且其可增加二氧化碳(CO2)排放，所以这样的焚烧代价很高。
HamworthyOil&GasSystemsAS开发并交付了安装在油槽船上的几种高容量挥发性有机化合物(VOC)回收***。该***描述于专利申请WO2003／011420A1中。这种现有工艺通过冷凝回收挥发性有机化合物(VOC)。除来自VOC回收装置的剩余气体之外，这些液化挥发性有机化合物(LVOC)用作燃料以使蒸气锅炉运行。蒸气轮机用于生产电力。然而，该***尺寸相当大并且不符合成本效益。由于电力是比蒸气更加实用的能量载体，所以期望开发直接燃烧LVOC和剩余气体的、更小、成本更少并且更有效的用于电力生产的***。
发明简述
因此，本发明的一个目的是提供用于处理来自原油罐的货物蒸气的方法和***，其设法解决上述问题中的至少一个。
该目的用根据独立权利要求的用于处理来自原油罐的货物蒸气的方法和***来解决。从属权利要求中列出了更有利的发展。
本发明基于在冷凝型VOC回收装置中将货物蒸气分离为液态挥发性有机化合物(LVOC)和剩余气体的已知技术；然后将燃气轮机用于电生产。与燃烧发动机相比，燃气轮机通常具有相当低的效率。其原因是需要空气以及将空气处理至燃烧室所需的压缩功。由于轮机中需要质量流而需要高的空气供应，因此轮机不使用空气供应中的所有O2。
支持本发明的想法之一是用来自VOC回收装置的剩余气体代替空气供应来减少气体压缩机工作负荷。
在加压条件下直接向燃烧室供应剩余气体减少了压缩机工作负荷，进而增加了压缩机效率。
此外，使用剩余气体中残余的HC作为燃料将解决环境问题。
用这样的方法，施加于VOC回收装置的气体压缩功可通过用剩余气体代替燃气轮机中通常所需空气流的主要部分来恢复。由于燃气轮机效率增加了20％至40％，所以这提高了***的总效率。
因此，所述方法实现了VOC回收装置对用于冷凝的压缩气体的功与燃气轮机在燃烧工艺下对压缩空气的需求之间的协同相互作用，从而导致效率提高。根据本发明的一个方面，提供了用于处理来自原油罐的货物蒸气的方法，其包括步骤：在冷凝型VOC回收装置中将货物蒸气分离为液态挥发性有机化合物(LVOC)和剩余气体；燃气轮机具有压缩机、燃烧室和膨胀器；将剩余气体供给至燃烧室；将液态挥发性有机化合物(LVOC)供给至燃烧室；将空气供给至通过膨胀器运行的压缩机，以及将压缩空气供给至燃烧室，在燃烧室中燃烧空气、剩余气体和液态挥发性有机化合物(LVOC)；以及用燃气轮机使发电机运行以产生电力。该方法提供了消除烃的紧凑型双燃料布置。用这样的方法，在VOC回收装置中加工气体期间施加于货物蒸气的一些能量可通过用剩余气体代替流经燃气轮机通常需要的空气流的主要部分来恢复。这提高了***的总效率。因此，所述方法实现了VOC回收装置对用于冷凝的压缩气体的功与燃气轮机在燃烧工艺下对压缩空气的需求之间的协同相互作用，从而导致效率提高。
根据另一个实施方案，实施所述方法使得在将剩余气体供给至燃烧室的步骤中，来自VOC回收装置的压缩剩余气体被运输到燃烧室。这提供了可利用剩余气体和液化VOC的压力能量的优点。
根据本发明的又一个实施方案，所述方法还包括在6至8barg的压力下将液化挥发性有机混合物(LVOC)储存在VOC燃料罐中的步骤。油罐的填充可以是间歇性的，然而优选使燃气轮机连续地运行。在装载期间积累液化VOC，在不发生装载时使用。因为该燃料在与燃气轮机运行压力水平类似的压力水平下储存，所以燃料可直接供给至燃气轮机而不用进一步压缩。
此外，在本发明的另一个实施方案中，所述方法还包括根据剩余气体的沃泊指数(wobbeindex)控制供给至燃气轮机的空气、剩余气体和／或液态挥发性有机化合物(VOC)的供应的步骤。这确保了用合适的燃烧混合物供应燃气轮机并且使其在合适工作点运行。
根据本发明的另一个实施方案，所述方法还包括使部分压缩空气绕过燃烧室以影响膨胀器入口温度的步骤。这种旁通空气用于将膨胀器入口处的温度控制在可接受水平，即，其冷却膨胀器。在本发明的又一个实施方案中，剩余气体包含低水平的氧(O2)含量。这对于化学计量燃烧是不足够的，因此通过由膨胀器运行的压缩机供应额外的空气。然而，通过用已在一定压力水平下的剩余气体(无论如何必须被消除)代替标准燃气轮机需要的一些空气，可降低压缩机的工作负荷，并且可使总燃气轮机效率增加20％至40％。
根据本发明的一个实施方案，剩余气体还包含高水平的氮(N2)含量、低水平的二氧化碳(CO2)含量和低水平的烃(HC)含量。
根据本发明的另一个实施方案，所述方法还包括根据进入燃烧室的气体混合物中的氧含量，控制供给至燃气轮机的空气和剩余气体供应的步骤。这使得燃气轮机在合适的操作点下运行。
本发明还提供了用于处理来自原油罐的货物蒸气的***，其提供了如以上关于所述方法提到的基本相同的优点。该***包括用于在VOC回收装置中将货物蒸气分离为液态挥发性有机化合物(VOC)和剩余气体的VOC回收装置；具有压缩机、燃烧室和膨胀器的燃气轮机；用于将剩余气体供给至燃烧室的剩余气体管线；用于将挥发性有机化合物(VOC)供给至燃烧室的供应管线，和用于将空气供给至压缩机并从所述压缩机供给至燃烧室的空气供应管线。所述供应管线优选地包括液化VOC管线、VOC燃料罐和引燃燃料管线。
参照下文中描述的优选实施方案将显而易见地看出并阐明本发明的这些和其他方面。
附图简要说明
图1是根据本发明的一个实施方案的用于处理来自原油罐的货物蒸气的***的概述图，以及
图2是***控制的更详细的示意图。
具体实施方案
图1是根据本发明的一个实施方案的用于处理来自原油罐的货物蒸气的***的概述图，图2是***控制的更详细的示意图。在该***中，提供了VOC回收装置1，其将由货物罐2(优选油槽船3的货物罐或岸上油库的罐)中的替代油排放的货物蒸气分离为液态挥发性有机化合物(LVOC)和剩余气体。分离为液态VOC和剩余气体优选地通过冷凝进行，但是也可使用其他已知的分离技术，例如在本说明书介绍部分中提到的技术。液态VOC通过液化VOC管线4被引导到VOC燃料罐5中。此外，所述***包括具有压缩机7(涡轮压缩机)、燃烧室8和膨胀器9的燃气轮机6。燃气轮机6可优选为径向式。膨胀器9与压缩机7机械连接。运行时膨胀器9的压力比相对较低，例如为6.5：1至7：1。经由剩余气体管线10用剩余气体和经由引燃燃料管线11用提取自VOC燃料罐5的少量液化VOC供应燃烧室8。另外，向燃烧室供应空气，以便补偿低氧(O2)的剩余气体。
该想法是使用剩余气体与LVOC组合作为燃料用于燃气轮机6。二者均可直接由VOC回收装置1供给。剩余气体在压力(例如，通过替代螺旋压缩机)下直接由VOC回收装置1供应，并且供给至燃烧室8而不用进一步压缩。因为剩余气体通常不能够维持其自身燃烧，所以LVOC用作确保稳定燃烧的引燃燃料。由燃烧室8中的燃烧产生的能量使膨胀器9运行，所述膨胀器9通过轴13使压缩机7运行。此外，来自燃气轮机6的能量增益用于驱动与轴13机械连接的发电机12，用以产生电能。来自燃气轮机6的废气经由排气管供给至热回收装置14，施加于VOC回收装置1中的剩余气体的能量通过使该气体通过燃气轮机膨胀，并且代替流向燃气轮机的空气的主要部分来恢复。以下更详细地描述了该***中流体的组成。
当将油装载到储存罐中时货物蒸气从原油中排放出来。货物蒸气包含甲烷至更高级戊烷和庚烷的级分的混合物。
液化VOC包含丙烷至更高级庚烷的烃级分的混合物，并且其确实随时间略微变化。液化VOC的热值维持或多或少的恒定。在约6至8barg，优选7.5至8barg(“barg”是表压的单位，即绝对压力减去大气压力)的压力下将液化VOC以液体形式储存在VOC燃料罐5中。因为罐2的填充可以是间歇性的，并且优选使燃气轮机6连续运行，所以在装载期间液化货物蒸气将累积燃料以在不发生填充时使用。
当蒸发货物蒸气时，烃(HC)的剩余轻质级分(例如甲烷和乙烷)未被液化并且与氮气(N2)、二氧化碳(CO2)和氧(O2)混合作为剩余气体从VOC回收装置1中排放出来。该剩余气体的沃泊指数在填充罐2期间将略微变化。剩余气体基本上仅在VOC回收装置1运行时存在，进而仅是在当罐2被填满时的情况。剩余气体一般包含以不同组成与O2、N2、CO2、SO2+H2S混合的烃。剩余气体的示例性组成可由10体积％的二氧化碳(CO2)、10体积％的水(H2O)、65体积％的氮(N2)、5体积％的氧(O2)和10体积％的烃(HC)组成。
为了控制燃气轮机6的供应及其燃烧室8中的燃烧，提供了控制单元18。该控制单元18与引燃燃料阀19可控制地连接，用以控制体积流，因此控制由VOC燃料罐5供应至燃烧室8的液化VOC的压力。此外，控制单元18与剩余气体阀20可控制地连接，用以控制体积流，因此控制由VOC回收装置供给至燃烧室8的剩余气体的压力。为了控制供应至压缩机7的空气的体积流，燃气轮机6提供于具有入口门控(gate)叶片21的压缩机7的上游，所述入口门控叶片21与控制单元18连接以实施控制入口门控叶片21和感应通过它们的空气的体积流。关于传感器，在剩余气体管线10中提供有沃泊指数传感器22、温度传感器23和压力传感器24，用以将测量值传递至控制单元18。使离开压缩机7的压缩空气通过温度传感器25和压力传感器26感应，也使信号传递至控制单元18。为了获得膨胀器9的转速，旋转传感器27与控制单元18连接。排气温度传感器28感应燃气轮机6的排气温度并将信号递送至控制单元18。附图标记29表明燃气轮机6的装载设定点或装载目标值的输入，附图标记30表明进入燃烧室8的气体混合物中氧含量的氧设定点或氧目标值的输入。
为了控制膨胀器9的入口温度，燃气轮机6配备有用于使压缩空气绕过燃烧室8以用燃烧废气稀释的支路31，从而将膨胀器入口温度控制或稳定在优选1000℃。
由于剩余气体具有低水平的氧(O2)(例如，0至10体积％)，其主要包含氮(N2)和二氧化碳(CO2)，所以需要额外的空气经由压缩机7供应至燃烧室8以使得燃烧有效。燃烧需要燃烧剩余气体中的残余烃(HC)。实现其的挑战在于调节燃烧室8中气体的组成。必须根据剩余气体中的烃(HC)含量来调节该组成。该含量可由在5至60MJ／Nm3的范围中变化的沃泊指数来确定。因此，控制单元18监测剩余气体的沃泊指数并因此调节上述控制装置(阀、叶片)的设置。当进入燃烧室8时，剩余气体必须与空气以合适比例混合以形成适合气体。为此目的，控制单元18提供有限定用于空气和剩余气体的混合流模式的图。因为剩余气体流自身不能被点燃，所以基于燃烧引燃燃料的引燃火焰用于维持燃烧，所述引燃燃料是储存在VOC燃料罐5中的液化VOC。
用于控制双燃料供应的一个优先参数是进入燃烧室8的气体混合物中的氧含量。为了控制该参数，将氧设定点设定为大于12％的值以确保稳定燃烧，然而重要的是，不将氧设定点设定得太高，因为这将在空气压缩机阶段产生不必要的装载并替换剩余气体。通过氧含量取样器提供对该控制的反馈，所述取样器是控制单元18的一部分，其基于感应值确定进入燃烧室8的气体混合物中的氧含量。通过驱动剩余气体阀20来进行该参数的改变。
控制燃气轮机速度以维持针对输电网络的合适频率／电压。将燃料需求调控在剩余气体与引燃燃料之间，优先使用剩余气体作为主燃料。监测排气温度并通过稀释空气来控制以将温度维持在安全水平。
以下给出了示例性运行的参数的示例性值：
剩余气体供应：
正常流速=7500Nm3／h
压力=8-10barg
温度=60-90℃
组成=10体积％的二氧化碳(CO2)、10体积％的水(H2O)、65体积％的氮(N2)、5体积％的氧(O2)和10体积％的烃(HC)
烃的质量流速=0.16kg／s
液化VOC供应：
质量流速=0.06kg／s
空气供应：
正常流速=12500Nm3／h
组成=21体积％的氧、78体积％的氮
温度=20℃
压力=0.1barg
压缩空气：
温度=180℃
压力=6.7barg
燃烧室：
温度=1500℃
进入膨胀器的废气：
压力=6.7barg
温度=1000℃
燃气轮机输出：
负载=2.0MW
离开燃气轮机的废气：
温度=580℃
压力=0.01barg
以下更详细地描述的燃气轮机6，图3，尤其是该段中更清楚描述了空气供应。通过压缩机7压缩的部分空气完全绕过燃烧室8并直接供给至膨胀器9。另一部分也可完全绕过燃烧室8并沿膨胀器9外侧引导用以例如冷却目的32＆33。另一部分空气供应至燃烧室8、34的上游端。以及，另一部分空气供应至燃烧室8、35的下游端。引燃燃料经由中心布置的引燃燃料喷嘴11注射到燃烧室8中，而剩余气体10经由对称布置在引燃燃料喷嘴36周围的剩余气体喷嘴37注射到燃烧室8中。为了混合燃烧物质，在喷嘴区中提供了漩涡38。入口导流叶片24调节燃气轮机的处理量。
图4是示出可如何确定燃气轮机6的工作点的图。图的纵坐标是指燃烧室8的燃烧压力。横坐标是指空气／气体需求和燃气轮机6的负载二者。图横坐标上面的数字是指空气／气体需求，而图横坐标下面的数字指示燃气轮机6的负载。第一条曲线示出在26000rpm的固定速度下的膨胀器阻力曲线。第二条曲线是指当入口门控叶片21完全打开时的压缩机曲线。第三条曲线示出相应地调节入口门控叶片21以正确适应于剩余气体流速时的压缩机曲线。第一条曲线与第二条曲线彼此交叉的点是燃气轮机6的工作点，在这种情况下是2.0MW。通过工作点的水平线的交叉点是指燃烧压力，在这种情况下是6.7巴。工作点与第三曲线和通过工作点的水平线交叉的点之间的水平距离给出了最大可实现剩余气体流速，在这种情况下为7500Nm3／h。
虽然附图和以上描述中已详细阐明和描述了本发明，但是这样的阐明和描述应认为是说明性或示例性的，而不是限制性的，并且不旨在将本发明限制为所公开的实施方案。互异从属权利要求中所引述的某些特征的仅有事实不表明这些特征的组合不能被有利地使用。权利要求中的附图标记不应解释为限制本发明。
Claims (13)
1.一种通过操作具有压缩机(7)、燃烧室(8)和膨胀器(9)的燃气轮机(6)来处理来自原油和石油产品罐(2)的货物蒸气的方法；所述方法包括在VOC回收装置(1)中将所述货物蒸气分离为液态挥发性有机化合物(LVOC)和压缩剩余气体的步骤；所述方法的特征在于以下步骤：
将所述压缩剩余气体可控制地供给至所述燃烧室(8)；
将所述液态挥发性有机化合物(LVOC)供给至所述燃烧室(8)作为引燃燃料；
将空气供给至通过所述膨胀器(9)运行的所述压缩机(7)，并将由所述压缩机(7)压缩的空气供给至所述燃烧室(8)；
控制供应至所述压缩机的空气的体积流以与所述剩余气体的供给成比例，以及
在所述燃烧室(8)中燃烧所述压缩空气、剩余气体和所述液态挥发性有机化合物(LVOC)；使用所述燃烧来用所述燃气轮机(6)使发电机(12)运行以产生电力。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括用控制单元(18)控制至所述燃烧室(8)的供应。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括在6至8barg的压力下将所述液态挥发性有机化合物(LVOC)储存在LVOC燃料罐(5)中的步骤。
4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括根据所述剩余气体的沃泊指数控制供给至所述燃气轮机(6)的空气、剩余气体和/或液态挥发性有机化合物(LVOC)的供应的步骤。
5.根据权利要求1或2所述的方法，还包括使部分所述压缩空气绕过所述燃烧室(8)以影响膨胀器入口温度的步骤。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述剩余气体包含0至10体积％的氧(O2)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述剩余气体还包含以不同组成与氮(N2)、二氧化碳(CO2)和二氧化硫+硫化氢(SO2+H2S)混合的烃(HC)。
8.根据权利要求1或2所述的方法，还包括根据进入所述燃烧室(8)的气体混合物中的氧含量，控制供给至所述燃气轮机(6)的压缩空气和剩余气体的供应的步骤。
9.一种用于处理来自原油和石油产品罐(2)的货物蒸气以产生电力的***，包括：
VOC回收装置(1)，其用于在VOC回收装置(1)中将所述货物蒸气分离为液态挥发性有机化合物(LVOC)和剩余气体；
燃气轮机(6)，其与发电机(12)机械连接并具有压缩机(7)、燃烧室(8)和膨胀器(9)；所述***的特征在于：
剩余气体管线(10)，其用于将所述剩余气体供给至所述燃烧室(8)；
供应管线(4、5、11)，其用于将所述液态挥发性有机化合物(LVOC)供给至所述燃烧室(8)作为引燃燃料，以及
空气入口控制装置(21)，其用于控制进入所述压缩机的体积空气流；以及
空气供应管线，其用于将空气供给至所述压缩机(7)以及由此供给至所述燃烧室(8)。
10.根据权利要求9所述的***，其中所述空气供应管线还包括所述压缩机(7)上游的空气入口控制装置(21)以用于调节空气的体积流。
11.根据权利要求9或10所述的***，还包括沃泊指数传感器(22)以用于测量所述剩余气体管线(10)中的沃泊指数。
12.根据权利要求9或10所述的***，还包括氧含量取样器以用于确定进入所述燃烧室(8)的气体混合物中的氧含量。
13.根据权利要求9或10所述的***，还包括控制单元(18)以用于控制所述燃气轮机(6)的供给。
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