Способ отделения кислорода в генераторе горячего газа газовой турбины (варианты) и устройство для его осуществления (варианты)

Способ отделения кислорода в генераторе горячего газа газовой турбины (варианты) и устройство для его осуществления (варианты)

Реферат

 

При отделении кислорода от сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания газовой турбины, нагревают сжатый воздух путем сжигания топлива, чтобы образовать нагретый газ, содержащий кислород. Затем направляют нагретый газ, содержащий кислород, внутрь удлиненного канала, открытого с противоположных концов и соединенного с камерой сгорания газовой турбины. Кислород извлекают из нагретого газа посредством проникновения ионов кислорода через множество керамических мембран для отбора кислорода. Керамические мембраны для отбора кислорода смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа и собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода. Внутри канала образуется наружный поток газа, обедненный кислородом, который выпускают с противоположного конца канала. Затем извлекают кислород из керамических мембран для отбора кислорода. Изобретение повышает эффективность отделения кислорода. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к отделителю кислорода и способу отделения кислорода, в котором используются керамические мембраны ионной проводимости для отбора кислорода. Более конкретно, настоящее изобретение относится к такому отделителю кислорода, в котором такие керамические мембраны для отбора кислорода размещены внутри канала, который либо непосредственно соединен с выпуском газовой турбины, либо соединен с камерой сгорания газовой турбины, чтобы получить воздух, нагретый путем сжигания топлива.

Предпосылки к созданию изобретения

Отделение кислорода от нагретых потоков воздуха высокого давления, производимых газовыми турбинами, может быть легко выполнено керамическими мембранами ионной проводимости для отбора кислорода, потому что газовые турбины производят больше воздуха с высокой температурой, чем требуется для поддержания горения в турбине. Фактически, имеет место достаточный избыток воздуха с высокой температурой, чтобы дать возможность извлекать достаточные количества кислорода в качестве побочного продукта.

Имеется ряд ссылок в известном уровне техники, в которых описаны объединения газовых турбин с отделителями кислорода, в которых используются керамические мембраны ионной проводимости для отбора кислорода (далее упоминаемые в описании и пунктах формулы изобретения как “керамические мембраны для отбора кислорода”). Например, J.D.Wright и др. в работе “Усовершенствованные мембраны для отделения кислорода”, стр.33-61 (1990), описывают объединение, в котором сжатый воздух косвенно нагревается до температуры, требуемой для работы мембраны, посредством нагревателя с огневым обогревом. Воздух затем проходит через задерживающую сторону отделителя, где часть содержащегося в нем кислорода проходит к пропускающей стороне под действием давления, создаваемого керамической мембраной ионной проводимости. Оставшаяся часть, обедненная кислородом, нагревается в нагревателе с огневым обогревом до температуры входа в турбину и затем расширяется в турбине, чтобы вырабатывать энергию. Нагреватель с огневым обогревом содержит змеевик для теплообмена для нагрева подачи в отделитель. Подобное объединение показано в патенте США № 5516359. В этом патенте воздух сжимается до повышенного давления и нагревается до рабочей температуры мембраны посредством камеры сгорания или посредством косвенного теплообмена. Нагретый сжатый воздух затем вводится в задерживающую сторону мембранного отделителя, который извлекает кислород из воздуха. Оставшаяся часть, обедненная кислородом, дополнительно нагревается до температуры входа в турбину путем непосредственного сжигания перед тем, как она расширится в турбине, чтобы вырабатывать энергию. В патенте США № 5562754 описывается введение пара в оставшийся поток, обедненный кислородом, как замену отделенного кислорода, и также использование пара как омывающего газа для пропускающей стороны мембраны, чтобы улучшить движущую силу для переноса кислорода.

В патенте США №5852925 описываются другие варианты процесса, которые особенно подходят для модернизации существующих установок. В одном варианте только часть потока сжатого воздуха перерабатывается в мембранном отделителе. Полученная в результате оставшаяся часть, обедненная кислородом, соединяется с потоком, который обходит отделитель перед расширением в турбине. Другой вариант предусматривает отдельный воздушный компрессор для подачи в мембранный отделитель. Оставшаяся часть, обедненная кислородом, нагревается в двухступенчатой камере сгорания и затем расширяется в турбине.

Патент США 5865878 вводит различные концепции объединения керамической мембраны для отбора кислорода с газовой турбиной, в которых такие реагенты, как пар и природный газ, вводятся в пропускающую сторону мембранного отделителя, чтобы реагировать с прошедшим кислородом для образования требуемых продуктов, таких как сингаз.

В патенте США 5820654 описываются способ и устройство, в которых кислород извлекается из нагретого содержащего кислород потока посредством керамической мембраны для отбора кислорода, в которой полученный кислород охлаждается посредством косвенного теплообмена с частью потока входящего воздуха. Отделение и охлаждение газа объединено в одном устройстве, чтобы довести до максимума использование обычных материалов конструкции.

Все предшествующие ссылки описывают объединения отделитель - газовая турбина, для которых требуется использование вспомогательного оборудования, такого как теплообменники и системы длинных трубопроводов, для извлечения воздуха и повторного введения воздуха, обедненного кислородом. Как можно оценить, такое оборудование и трубопроводы увеличивают сложность и стоимость объединения мембранного отделителя и газовой турбины. Кроме того, трубопроводы большой длины вызывают перепады давлений и трудности в обеспечении равномерного распределения потока в отделителе.

Как будет описано, настоящим изобретением предусмотрены отделители кислорода и способы, в которых используются керамические мембраны для отбора кислорода, которые сконструированы для объединения с газовой турбиной без использования длинных трубопроводов. В результате, перепад давления, связанный с обработкой большого потока воздуха между компонентами установки, сведен к минимуму, и проблемы распределения потока уменьшены.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном аспекте настоящего изобретения предложен отделитель кислорода для отделения кислорода от нагретого газа, содержащего кислород, выпускаемого из расширителя генератора горячего газа газовой турбины, используемого для привода силовой турбины. Необходимо отметить, что генератор горячего газа состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и расширителя, который приводит в действие компрессор. Выпуск из расширителя имеет как повышенное давление, так и температуру, и может быть использован для привода силовой турбины, которая обычно расположена на валу, отдельном от вала компрессора-детандера. Обычно сочетание генератор горячего газа - силовая турбина представляет собой конструкцию переоборудованного авиационного двигателя.

В отделителе кислорода используется канал, открытый с противоположных концов и имеющий такую конфигурацию, чтобы он был непосредственно смонтирован между расширителем генератора горячего газа газовой турбины и силовой турбиной в оперативной взаимосвязи, чтобы принимать нагретый газ, содержащий кислород, из расширителя и чтобы выпускать газ, обедненный кислородом, в силовую турбину. Множество керамических мембран для отбора кислорода предусмотрено для извлечения кислорода из нагретого газа. Такие мембраны смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород. Отделенный кислород собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала. Предусмотрены средства для извлечения кислорода из керамических мембран для отбора кислорода.

Поскольку канал, содержащий керамические мембраны для отбора кислорода, непосредственно соединяет выпуск из расширителя с силовой турбиной, объединение осуществляется просто и без значительного перепада давления при извлечении нагретого газа, содержащего кислород, из расширителя, и повторном введении газа, обедненного кислородом, в силовую турбину. Далее, если отделители кислорода не объединены указанным выше образом, такие высокие перепады давления, как между примерно 3,45 бар и примерно 5,52 бар, часто требуются в точке повторного введения для достижения равномерного распределения. Это неэффективно, так как при этом требуется значительно большая степень сжатия, чем в первом случае.

Другим объединением является объединение с камерами сгорания газовой турбины промышленного типа. Расширитель этих агрегатов приводит в действие как воздушный компрессор, так и другие объединяемые потребители, такие как генераторы или компрессоры процесса. Выпуск из расширителя обычно находится под давлением, близким к атмосферному. Этот аспект настоящего изобретения предусматривает отделитель кислорода для отделения кислорода от сжатого воздуха, проходящего в камеру сгорания газовой турбины. Удлиненный канал, открытый с противоположных концов, имеет такую конфигурацию, что он соединяется с камерой сгорания газовой турбины для того, чтобы принимать нагретый газ, содержащий кислород, образованный из сжатого воздуха, после того, как он был нагрет, и чтобы выпускать газ, обедненный кислородом. Множество керамических мембран для отбора кислорода предусмотрено для извлечения кислорода из нагретого газа. Такие мембраны смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород. Отделенный кислород собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала.

Предусмотрены средства для извлечения кислорода из керамических мембран для отбора кислорода.

Канал может быть смонтирован между камерой сгорания и газовой турбиной. Альтернативно, может быть предусмотрена предварительная камера сгорания для нагрева сжатого воздуха, и канал непосредственно смонтирован между предварительной камерой сгорания и камерой сгорания газовой турбины. В таком конструктивном исполнении канал может образовать внутренний канал. Наружный канал, окружающий внутренний канал и соединенный с указанной предварительной камерой сгорания, образует кольцевое пространство между внутренним и наружным каналами, чтобы подавать сжатый воздух в предварительную камеру сгорания.

Такое объединение в соответствии с настоящим изобретением особенно выгодно в тех случаях, когда основное пространство ограничивается для установки отделителя кислорода. Кроме того, оно дает возможность простого объединения, в котором хорошее распределение смеси топливо - оставшаяся часть в камеры сгорания газовой турбины гарантировано при существенно меньшем требуемом перепаде давления, чем требуется в установках для отделения по известному уровню техники.

В объединении любого типа керамические мембраны для отбора кислорода могут быть расположены на одной прямой с потоком нагретого газа, содержащего кислород, или под углом к потоку, например, под прямыми углами. Дополнительно, каждая из керамических мембран для отбора кислорода может быть удлиненной, трубообразной конфигурации и имеет закрытые концы и противоположные открытые концы. В таком конструктивном исполнении средства для извлечения извлекают кислород из открытых концов керамических мембран для отбора кислорода.

Целесообразно, чтобы в отделителе кислорода, в котором используются трубообразные керамические мембраны, множество удлиненных труб могло быть соосно размещено внутри керамических мембран для отбора кислорода для введения пара, чтобы продуть кислород изнутри мембраны. Пространство, заполненное паром, соединено с удлиненными трубами, и входной трубопровод для пара проходит через указанный канал и соединен с пространством, заполненным паром, для введения пара в керамические мембраны для отбора кислорода. Эта продувка помогает осуществить проход кислорода через мембрану.

Другой целесообразный альтернативный отличительный признак отделителя кислорода по настоящему изобретению с использованием керамических мембран трубообразной формы заключается в создании экрана, окружающего керамические мембраны для отбора кислорода. Входной патрубок для дополнительного холодного воздуха проходит через канал и соединен с экраном для введения охлаждающего воздуха, чтобы охладить кислород, получаемый внутри керамических мембран для отбора кислорода, и конструкцию, на которую опираются керамические мембраны для отбора кислорода. Альтернативно, множество трубообразных штуцеров может быть смонтировано внутри керамических мембран для отбора кислорода, чтобы создать узкий кольцевой поток и таким образом улучшить коэффициенты теплопередачи пленки на той стороне, где кислород проходит внутрь керамических мембран для отбора кислорода.

Целесообразность упомянутого ранее отличительного признака настоящего изобретения заключается в том, что он дает возможность произвести охлаждение керамических мембран для отбора кислорода на участках, где такие мембраны уплотнены и имеют опору, и, следовательно, используются обычные конструкции и материалы.

В дополнительном аспекте предусмотрено множество труб камеры сгорания, которые изготовлены из материала керамических мембран для отбора кислорода, для отделения кислорода от нагретого газа. Входной трубопровод для топлива проходит через канал для введения топлива, и камера для топлива предусмотрена в соединении с открытыми концами труб камеры сгорания. Камера для топлива соединена с входным трубопроводом для топлива, чтобы ввести топливо в трубы камеры сгорания для сжигания топлива в присутствии прошедшего кислорода. Сжигание производит продукты сгорания, включая двуокись углерода. Подающие трубы размещены соосно внутри трубообразных керамических мембран для отбора кислорода и труб камеры сгорания для подачи продуктов сгорания из труб камеры сгорания к керамическим мембранам для отбора кислорода.

В любом типе объединения, рассматриваемом в настоящем изобретении, керамические мембраны для отбора кислорода трубообразной конфигурации могут быть смонтированы внутри канала посредством соединения с трубной решеткой, которая соединена с каналом. Средства для извлечения кислорода могут быть образованы пластиной сборника, соединенной с трубной решеткой и имеющей по меньшей мере одно отверстие, чтобы дать возможность прохода кислорода из открытых концов указанных керамических мембран для отбора кислорода через пластину сборника. Кроме того, крышка соединена с указанной пластиной сборника, которая покрывает по меньшей мере одно отверстие, и выходной трубопровод соединен с крышкой и проходит через канал.

По еще одному дополнительному аспекту настоящего изобретения канал может быть образован по меньшей мере двумя секциями и пластиной сборника, соединенной по меньшей мере с одной из двух секций, и трубной решеткой, соединенной с другой из двух секций. В таком аспекте пластина сборника и указанная трубная решетка могут быть снабжены периферическими фланцами, соединенными друг с другом, чтобы соединить указанные две секции друг с другом.

В любом типе объединения, рассматриваемом в настоящем изобретении, может также использоваться входной патрубок канала для дополнительного холодного воздуха для введения охлаждающего воздуха в канал, чтобы охладить кислород внутри керамических мембран для отбора кислорода при нагреве воздуха. С этой целью по меньшей мере одно отверстие указанной пластины сборника может содержать соосные радиальные ряды отверстий. Трубная решетка, пластина сборника и крышка могут иметь кольцеобразную конфигурацию, чтобы образовать в них соосные концентрические центральные внутренние отверстия. Штуцер может быть соединен с трубной решеткой и быть соосным с центральным внутренним отверстием в ней для того, чтобы подводить нагретый газ, содержащий кислород, к керамическим мембранам для отбора кислорода трубообразной формы ниже по потоку после входного патрубка для дополнительного холодного воздуха указанного канала.

По еще одному аспекту настоящее изобретение предусматривает способ отделения кислорода от нагретого газа, содержащего кислород, выпускаемого из выхода генератора горячего газа газовой турбины, используемого для привода силовой турбины. В соответствии с этим способом нагретый газ, содержащий кислород, принимается у одного конца канала, смонтированного непосредственно между расширителем генератора горячего газа газовой турбины и силовой турбиной, которые оперативно связаны. Кислород извлекается из нагретого газа, содержащего кислород, посредством проникновения ионов кислорода через множество керамических мембран для отбора кислорода. Керамические мембраны для отбора кислорода смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород, посредством проникновения. Прошедший кислород собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала. Газ, обедненный кислородом, выпускается с противоположного конца канала в силовую турбину, и кислород извлекается из керамических мембран для отбора кислорода.

По другому аспекту настоящим изобретением предусмотрен способ отделения кислорода от сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания газовой турбины. В соответствии с таким способом, сжатый воздух нагревается путем сжигания топлива, чтобы образовать нагретый газ, содержащий кислород. Нагретый газ, содержащий кислород, принимается внутрь удлиненного канала, открытого с противоположных концов и соединенного с камерой сгорания газовой турбины. Кислород извлекается из нагретого газа, содержащего кислород, посредством проникновения ионов кислорода через множество керамических мембран для отбора кислорода, имеющих закрытые концы и противоположные открытые концы. Керамические мембраны для отбора кислорода смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород. Отделенный кислород собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала. Газ, обедненный кислородом, выпускается с противоположного конца канала, и кислород извлекается из керамических мембран для отбора кислорода.

В соответствии с непосредственно вышеуказанным аспектом настоящего изобретения, нагретый газ, содержащий кислород, может быть подан внутрь одного из противоположных концов канала из предварительной камеры сгорания, соединенной с ним, и газ, обедненный кислородом, может быть непосредственно выпущен в камеру сгорания газовой турбины с другого его противоположного конца.

В аспекте изобретения, альтернативном предыдущему способу, используются керамические мембраны трубообразной конфигурации и введение топлива в трубы камеры сгорания, смонтированные внутри канала и изготовленные из материала керамических мембран для отбора кислорода для отделения кислорода от нагретого газа. Топливо сжигается в присутствии кислорода, прошедшего через трубы камеры сгорания, чтобы нагреть поток сжатого воздуха и образовать продукты сгорания, включающие двуокись углерода. Продукты сгорания подаются из труб камеры сгорания в керамические мембраны для отбора кислорода, чтобы продуть кислород.

В любом способе по настоящему изобретению после извлечения кислород охлаждается и затем сжимается. Керамические мембраны для отбора кислорода могут быть продуты инертным газом для продувки, предпочтительно паром, который может быть отделен от кислорода просто путем конденсации. Далее, поток дополнительного сжатого подаваемого воздуха, по меньший мере равный по объему удаленному полученному кислороду, может быть сжат и введен в канал, чтобы охладить кислород и опорную конструкцию.

Краткое описание чертежей

Несмотря на то, что пункты формулы изобретения определенно описывают предмет, который заявители считают своим изобретением, предполагается, что изобретение будет лучше понято, если рассматривать его в связи с чертежами, на которых:

фиг.1 представляет собой схематический вид отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, объединенного с газовой турбиной, между силовой турбиной и расширителем генератора горячего газа газовой турбины;

фиг.2 представляет собой технологическую схему объединения, включающего отделитель кислорода по настоящему изобретению с потоком дополнительного сжатого подаваемого воздуха и с продувкой потоком;

фиг.3 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе альтернативного конструктивного исполнения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, в котором предусмотрена продувка потоком;

фиг.5 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе альтернативного конструктивного исполнения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, в котором предусмотрено охлаждение полученного кислорода при нагреве дополнительного холодного воздуха;

фиг.6 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе альтернативного конструктивного исполнения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, в котором предусмотрено охлаждение полученного кислорода;

фиг.7 представляет собой схематический вид объединения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением с камерой сгорания газовой турбины;

фиг.8 представляет собой фрагментарный увеличенный схематический вид в разрезе отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, на котором показана объединенная камера сгорания для использования с объединением, показанным на фиг.7;

фиг.9 представляет собой технологическую схему объединения, показанного на фиг.1, по выбору с потоком дополнительного подаваемого сжатого воздуха и с продувкой потоком;

фиг.10 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе альтернативного конструктивного исполнения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением для использования в объединении, показанном на фиг.7; и

фиг.11 представляет собой альтернативное конструктивное исполнение отделителя кислорода, показанного на фиг.6.

Для того чтобы избежать ненужных повторений при объяснении и описании каждого элемента в различных конструктивных исполнениях, показанных на чертежах, одинаковые номера ссылок используются в этих конструктивных исполнениях для обозначения элементов, имеющих одинаковые конструкцию и функцию.

Также, чтобы избежать ненужного усложнения чертежей, широко известные элементы, такие как уплотнительные манжеты между фланцами, опоры труб и средства для обеспечения гибкости в соединениях труб, не показаны. Также трубные решетки и сборники, изображенные плоскими на чертежах, могут по выбору быть изогнутыми.

Подробное описание

На фиг.1 изображено объединение генератора 1 горячего газа газовой турбины и отделителя 2 кислорода в соответствии с настоящим изобретением. В таком объединении нагретый газ, содержащий кислород, полученный из генератора 1 горячего газа газовой турбины, подается в отделитель 2 кислорода, который содержит керамические мембраны для отбора кислорода, чтобы отделить кислород от нагретого газа, содержащего кислород, чтобы получить газ, обедненный кислородом, который используется для привода силовой турбины 3. Силовая турбина 3, как показано, может быть использована для привода электрогенератора 4.

Генератор 1 горячего газа газовой турбины снабжен компрессором 10, чтобы сжимать воздух. Компрессор 10 обычно не имеет промежуточного охлаждения, хотя по выбору он может быть многоступенчатой машиной с промежуточным охлаждением. Топливо сжигается в камере сгорания или топке 11, чтобы нагреть сжатый воздух и таким образом образовать сжатый и нагретый воздух, который расширяется до промежуточного давления в расширителе 12 для того, чтобы получить энергию для привода компрессора 10. Обычно в результате нагретый газ “А”, содержащий кислород, как поток, выпускаемый из генератора 1 горячего газа газовой турбины, имеет давление в диапазоне между примерно 4,83 бар и примерно 6,9 бар, и содержание кислорода в диапазоне между 12% и примерно 17%. Температура нагретого газа “А”, содержащего кислород, находится в диапазоне между примерно 800С и примерно 900С и поэтому очень подходит для дальнейшей переработки в керамических мембранах для отбора кислорода, чтобы отделить кислород для получения газа “В”, обедненного кислородом. Отделенный кислород может быть извлечен как поток 14 полученного кислорода. Мембраны представляют собой тип мембран с ионным переносом, которые могут содержать материал со смешанной ионной и электронной проводимостью, или многофазную смесь материалов с ионной и электронной проводимостью.

В определенных случаях преимущество имеет использование материалов, которые обладают только ионной проводимостью, и поэтому требуют внешнюю электрическую энергию для создания движущей силы для переноса ионов кислорода. Как будет описано, хотя настоящее изобретение иллюстрируется со ссылками на такие мембраны, которые имеют трубообразную форму и в которых прошедший кислород извлекается с открытых концов таких мембран, настоящее изобретение не ограничено этим. Известные мембраны в форме плоских пластин также являются возможными, и существует тенденция, что за исключением тех случаев, где определенная форма мембраны оговаривается, заявляется или иллюстрируется, настоящее изобретение не ограничено любой конкретной конфигурацией мембраны.

Топливо, вводимое в камеру сгорания 11, может быть любым потоком углеводородного или углеродсодержащего газа или жидкости. Обычно оно представляет собой природный газ или сингаз, если он доступен. В случае сингаза, отношение водорода к окиси углерода может находиться в диапазоне между примерно 0,5 и примерно 2,0. Сингаз является выгодным топливом, так как он дает возможность выработать примерно на 25% больше тепла на 1 моль кислорода, реагирующего в камере сгорания. Это приводит к несколько более высокому содержанию кислорода или парциальному давлению кислорода на входе в керамическую мембрану ионной проводимости для отбора кислорода, что дает возможность более высокого давления извлеченного кислорода, меньшей площади мембраны или более высокого извлечения кислорода.

Дополнительно на фиг.2 показаны дополнительные модификации процесса при использовании основной установки, показанной на фиг.1. Поток 14 полученного кислорода может быть охлажден отводом тепла, предпочтительно к другим применениям, в которых потребляется тепло, например к пару, получаемому в потоке 15 из котла-утилизатора отходящего тепла, и/или к потоку 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха, полученному посредством дополнительного компрессора 17, чтобы увеличить поток, выпускаемый из генератора 1 горячего газа газовой турбины. В этом отношении использование такого потока 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха особенно целесообразно в случае модификации. Такой поток 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха обычно по меньшей мере равен по объему количеству извлеченного кислорода при давлении выше давления на подаче. Это обеспечивает экономичный отвод тепла для охлаждения потока 14 полученного кислорода. Это также дает возможность использования эффективного многоступенчатого промышленного воздушного компрессора с промежуточным охлаждением, что приводит в результате к понижению мощности для сжатия воздуха по сравнению с тем случаем, когда весь воздух сжимается посредством одноступенчатого компрессора газогенератора без промежуточного охлаждения. Кроме того, это уменьшает несовпадение между расширителем и компрессором газогенератора в модифицированных конструкциях или установках.

Как показано, поток 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха может быть непосредственно введен в камеру сгорания 11. Он может также быть добавлен к потоку воздуха между компрессором 10 и камерой сгорания 11. Альтернативно, как будет описано, такой поток может быть введен в отделитель 2 кислорода в целях дополнительного охлаждения.

Обычно при величине парциальных давлений кислорода на задерживающей стороне мембраны ионной проводимости для отбора кислорода требуется производить извлечение кислорода при давлении существенно ниже атмосферного для поддержания положительной движущей силы. Такого низкого давления извлечения можно избежать путем использования мембраны с электрическим приводом, в которой электроды вставлены в электролит только ионной проводимости, и электрический потенциал создается внешним источником энергии известным способом, чтобы приводить в движение ионы кислорода от катода, или задерживающей стороны, к аноду, или пропускающей стороне.

Другой способ избежать вакуума заключается в выработке пара, который используется для продувки пропускающей стороны керамической мембраны ионной проводимости для отбора кислорода. В типичных условиях горячего газа, выпускаемого из генератора 1 горячего газа газовой турбины (давление, равное примерно 6,21 бар, содержание кислорода, равное примерно 15%, и извлечение кислорода 33% от содержания его в воздухе), требуется содержание пара примерно 40% по объему на пропускающем выходе для поддержания на пропускающей стороне общего давления выше атмосферного и парциального давления кислорода, достаточно низкого, чтобы избежать уменьшения отношения парциального давления к движущей силе. Посредством располагаемого тепла кислорода можно произвести примерно половину требуемого пара, остаток может быть выработан в котле-утилизаторе отходящего тепла с использованием располагаемого тепла на выпуске силовой турбины. Это показано на фиг.2 как поток 15 из котла-утилизатора отходящего тепла. Альтернативно, если неудобно или неэкономично образовать дополнительный пар, количество пара, выработанного посредством извлечения тепла из потока полученного кислорода, позволит работать при среднем вакууме примерно 0,827 бар, что сопоставимо с величиной примерно 0,24 бар для случая без продувки.

Объем пара, содержащегося в потоке 14 полученного кислорода, может быть отделен путем конденсации в конденсаторе 18 и отделения конденсата в отделителе 19 воды, при этом остается поток чистого кислорода, насыщенного влагой. Если требуется, остаток содержащего воду пара может быть удален в операции ниже по потоку посредством таких устройств, как мембрана или адсорбционные сушилки. Поток 14 полученного кислорода может быть сжат до давления поставки в компрессоре 20 кислорода.

Хотя не показано в процессе, описанном выше, в котором предусмотрена подача пара и топлива, отделители кислорода, например отделитель кислорода 2, могут быть преобразованы в генераторы сингаза. В этом случае топливо и, возможно, газ рецикла должны быть добавлены к пару из потока 15 из котла-утилизатора отходящего тепла, чтобы образовать объединенный поток. Объединенный поток затем подводится к аноду керамических мембран для отбора кислорода, который должен быть заполнен соответствующим катализатором риформинга, например никелем. Прошедший кислород должен реагировать с топливом, паром и газом рецикла, например двуокисью углерода, в объединенной частичной реакции окисления риформинга для образования сингаза. Эти реакции должны обеспечить высокие движущие силы для переноса кислорода.

На фиг.3 показан отделитель 2 кислорода, который сконструирован так, чтобы объединить его с основной установкой, показанной на фиг.1, или с установкой по фиг.2 без продувки паром. Отделитель 2 кислорода снабжен каналом 22 с круглым поперечным сечением, который открыт с противоположных концов и содержит секции 24 и 26. Канал 22 соединен непосредственно с генератором 1 горячего газа газовой турбины посредством фланца 28, соединенного с секцией 24 канала 22, и фланца 30, соединенного с генератором 1 горячего газа газовой турбины. В результате сжатый нагретый газ “А”, содержащий кислород, выпускаемый как выход из расширителя генератора 1 горячего газа газовой турбины, поступает внутрь канала 22. Канал 22 соединен с силовой турбиной на его противоположном конце, для чего предусмотрен фланец 32, соединенный с секцией 26 канала 22 и фланцем 34 силовой турбины 3. Это дает возможность газу “В”, обедненному кислородом, непосредственно выходить в силовую турбину. Хотя не показано, но как может быть оценено специалистами в этой области техники, фланцы 28, 30 и фланцы 32, 34 предпочтительно соединяются друг с другом резьбовыми крепежными деталями.

Множество керамических мембран 36 для отбора кислорода смонтировано внутри канала 22 для извлечения кислорода из сжатого и нагретого газа “А”, содержащего кислород, чтобы получить газ “В”, обедненный кислородом. Каждая керамическая мембрана 36 для отбора кислорода имеет трубообразную конфигурацию и снабжена закрытым концом 38 и противоположным открытым концом 40. Керамические мембраны 36 для отбора кислорода смонтированы внутри канала 22 посредством их соединения с трубной решеткой 42, которая в свою очередь соединена с секцией 24 канала 22, противоположной фланцу 32. Открытые концы 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода соединены с трубной решеткой 42 любым способом, который совместим с материалами, использованными при изготовлении.

Способ уплотнения и прикрепления труб к трубным решеткам содержит металлизацию наружных поверхностей керамических мембран 36 для отбора кислорода (или труб камеры сгорания, которые будут описаны далее) на их открытых концах 40. Полученные в результате металлизированные поверхности припаяны к одному торцу металлического штуцера с двумя торцами. Выступ металлической трубы на одном из ее торцов припаян к другому торцу штуцера. Другой торец выступа металлической трубы может затем быть прикреплен и уплотнен к трубной решетке посредством общеизвестных способов, таких как сварка. Соответствующими металлами являются INCONEL, INCALOY, HASTELOY и сплавы нержавеющей стали.

Как средство для извлечения прошедшего кислорода, обозначенного стрелками “С”, из керамических мембран 36 для отбора кислорода предусмотрены пластина 44 сборника, крышка 48 и выходной трубопровод 50. Пластина 44 сборника соединена с секцией 24 канала 22 и снабжена наружным периферическим фланцем 46, который соединен с наружным периферическим фланцем 43 трубной решетки 42 резьбовыми крепежными деталями известным способом. Пластина 44 сборника имеет центральное отверстие 47, чтобы дать возможность прохода кислорода из открытых концов 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода через пластину 44 сборника. Крышка 48 прикреплена к внутреннему периферическому фланцу 49 пластины 44 сборника для образования пространства, заполненного кислородом, в котором собирается кислород из керамических мембран 36 для отбора кислорода, выходной трубопровод 50 соединен с крышкой 48 и проходит через боковую стенку канала 22 для выхода кислорода из канала 22.

Другие средства для извлечения прошедшего кислорода могут быть использованы в отделителе 2 кислорода так же, как в других конструктивных исполнениях, упомянутых здесь. В этом отношении, разветвленные трубопроводы, имеющие отдельные соединения с открытыми концами 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода, могут быть использованы для этих целей. Разветвленные трубопроводы могут быть размещены либо внутри, либо снаружи канала конкретного отделителя кислорода.

Трубная решетка 42 и пластина 44 сборника снабжены наружным радиальным рядом отверстий 52 и 53 соответственно для того, чтобы дать возможность нагретому газу “А”, содержащему кислород, пройти из генератора 1 горячего газа газ