IT202200026685A1 - Gas turbine auxiliary system for NH3 conditioning - Google Patents
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Description
Sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3 Gas turbine auxiliary system for NH3 conditioning
Descrizione Description
CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD
La presente divulgazione riguarda un sistema per la generazione di energia utilizzando una turbina a gas, in cui il sistema comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca. Le forme di realizzazione qui descritte riguardano specificamente un sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3, in cui uno skid di combustibile processa un flusso di ammoniaca in ingresso per realizzare una miscela di gas NH3/H2/N2 che consenta di far funzionare la turbina a gas in ogni condizione. Vengono qui descritti anche metodi per ottimizzare il funzionamento della turbina a gas e controllare l?emissione di NOx dalla turbina a gas in ogni condizione della turbina a gas. The present disclosure relates to a system for generating power using a gas turbine, wherein the system comprises an ammonia cracking device. The embodiments described herein specifically relate to a gas turbine auxiliary system for NH3 conditioning, wherein a fuel skid processes an incoming ammonia stream to provide an NH3/H2/N2 gas mixture that allows the gas turbine to be operated under all conditions. Also described herein are methods for optimizing gas turbine operation and controlling NOx emissions from the gas turbine under all gas turbine conditions.
PRECEDENTI DELLA TECNICA BACKGROUND OF THE TECHNIQUE
Le turbine a gas sono comunemente utilizzate per generare energia nelle centrali elettriche bruciando combustibile al loro interno. In particolare, il funzionamento base di una turbina a gas ? un ciclo Brayton con l?aria come fluido di lavoro: l?aria atmosferica attraversa un compressore che la porta a una pressione maggiore; l?energia viene quindi aggiunta iniettando combustibile nell?aria in una camera di combustione e accendendolo in modo che una combustione generi un flusso ad alta temperatura; questo gas pressurizzato ad alta temperatura entra in una turbina, producendo un?uscita di lavoro dell?albero nel processo, utilizzata per azionare il compressore; l?energia inutilizzata esce nei gas di scarico che possono essere riutilizzati per lavori esterni, come la produzione diretta di spinta in un motore a turbogetto, o la rotazione di una seconda turbina indipendente (nota come turbina di potenza) che pu? essere collegata a un ventilatore, elica o generatore elettrico. Lo scopo della turbina a gas determina la progettazione in modo da ottenere la ripartizione pi? desiderabile dell?energia tra la spinta e il lavoro dell?albero. La quarta fase del ciclo Brayton (raffreddamento del fluido di lavoro) ? omessa, in quanto le turbine a gas sono sistemi aperti che non riutilizzano la stessa aria. Gas turbines are commonly used to generate power in power plants by burning fuel in them. Specifically, the basic operation of a gas turbine is a Brayton cycle with air as the working fluid: atmospheric air passes through a compressor which brings it to a higher pressure; energy is then added by injecting fuel into the air in a combustion chamber and igniting it so that a combustion generates a high-temperature flow; this high-temperature, pressurized gas enters a turbine, producing shaft work output in the process, used to drive the compressor; unused energy escapes in the exhaust gas which can be reused for external work, such as directly producing thrust in a turbojet engine, or rotating a second independent turbine (known as a power turbine) which can be connected to a fan, propeller or electric generator. The purpose of the gas turbine determines the design to achieve the most desirable split of energy between thrust and shaft work. The fourth stage of the Brayton cycle (cooling of the working fluid) is omitted, as gas turbines are open systems that do not reuse the same air.
I combustibili comunemente usati includono gas naturale, propano, diesel, biogas e biodiesel. Uno dei principali problemi associati ai combustibili per combustione come questi nelle turbine a gas ? la conseguente produzione di gas di diossido di carbonio (CO2). L?aumento dei livelli di CO2 nell?atmosfera ? dannoso per l?ambiente e rappresenta una causa nota del riscaldamento globale. Come tale, vi ? la necessit? di fornire combustibili per l?uso in turbine a gas che non generino CO2 durante la combustione, o da cui la CO2 deve essere rimossa prima della combustione. Commonly used fuels include natural gas, propane, diesel, biogas and biodiesel. One of the major problems associated with burning fuels such as these in gas turbines is the resulting production of carbon dioxide (CO2) gas. Rising levels of CO2 in the atmosphere are harmful to the environment and are a known cause of global warming. As such, there is a need to provide fuels for use in gas turbines that do not generate CO2 during combustion, or from which CO2 must be removed prior to combustion.
I combustibili privi di carbonio includono ammoniaca e idrogeno. Tuttavia, sia l?ammoniaca che l?idrogeno presentano alcuni problemi associati al loro uso diretto come combustibile in una turbina a gas. Il problema principale associato all?uso diretto dell?ammoniaca come combustibile nelle turbine a gas ? che durante il processo di combustione l?ammoniaca viene ossidata in ossidi di azoto NOx, un agente inquinante che contribuisce alle piogge acide e al riscaldamento globale. Inoltre, a causa del basso contenuto di calore e della bassa reattivit? dell?ammoniaca con l?ossigeno, la combustione dell?ammoniaca all?interno della turbina a gas presenta problemi di stabilit? (blow-out) nell?intero intervallo delle condizioni operative della turbina a gas. D?altra parte, anche se la combustione dell?idrogeno produce ancora agenti inquinanti NOx, i problemi di stabilit? (blow-out) scompaiono. Tuttavia, una serie di problemi ? associata all?uso dell?idrogeno come combustibile, compresi i problemi di stoccaggio e il fatto che l?idrogeno ? un gas estremamente infiammabile. La disponibilit? di N2 come inerte all?interno del processo di combustione potrebbe contribuire a ridurre le emissioni di NOx in funzione del tipo di fiamma realizzata nel combustore della turbina a gas. Carbon-free fuels include ammonia and hydrogen. However, both ammonia and hydrogen have some problems associated with their direct use as a fuel in a gas turbine. The main problem associated with the direct use of ammonia as a fuel in gas turbines is that during the combustion process, ammonia is oxidized to nitrogen oxides (NOx), a pollutant that contributes to acid rain and global warming. Furthermore, due to the low heat content and low reactivity of ammonia with oxygen, the combustion of ammonia in the gas turbine has stability (blow-out) problems over the entire range of gas turbine operating conditions. On the other hand, although the combustion of hydrogen still produces NOx pollutants, the stability (blow-out) problems disappear. However, a number of problems are associated with the use of hydrogen as a fuel, including storage problems and the fact that hydrogen is an extremely flammable gas. The availability of N2 as an inert material within the combustion process could contribute to reducing NOx emissions depending on the type of flame created in the gas turbine combustor.
CN107288780A descrive un sistema per generare energia utilizzando una turbina a gas, in cui l?ammoniaca viene utilizzata come combustibile. A monte della camera di combustione, l?ammoniaca viene parzialmente decomposta per generare idrogeno all?interno di un dispositivo di cracking dell?ammoniaca per fornire una miscela di combustibile contenente idrogeno e ammoniaca. Poich? il punto di fuoco dell?idrogeno ? inferiore a quello dell?ammoniaca, l?idrogeno viene prima bruciato nella camera di combustione per rilasciare calore per accendere l?ammoniaca nella camera di combustione. Di conseguenza, l?idrogeno pu? accelerare il processo di combustione e, di conseguenza, le prestazioni di combustione del combustibile di ammoniaca risultano migliorate. In conclusione, la quantit? di idrogeno fornita ? funzionale all?accensione di NH3. Tuttavia, il sistema descritto in CN107288780 non risolve completamente i problemi ambientali a causa della formazione di ossidi di azoto dovuti all?ossidazione dell?ammoniaca durante il processo di combustione. US11084719B2 descrive un processo per generare energia utilizzando una turbina a gas, comprendente le fasi di: (i) vaporizzare e preriscaldare ammoniaca liquida per produrre ammoniaca gassosa preriscaldata; (ii) introdurre il gas di ammoniaca preriscaldato in un dispositivo di cracking dell?ammoniaca atto a convertire il gas di ammoniaca in una miscela di idrogeno e azoto; (iii) convertire il gas di ammoniaca preriscaldato in una miscela di idrogeno e azoto nel dispositivo; (iv) raffreddare la miscela di idrogeno e azoto per dare una miscela raffreddata di idrogeno e azoto; (v) introdurre la miscela raffreddata di idrogeno e azoto in una turbina a gas; e (vi) bruciare la miscela raffreddata di idrogeno e azoto nella turbina a gas per generare energia. US11084719B2 descrive anche forme di realizzazione in cui la composizione della miscela di idrogeno e azoto che esce dal dispositivo di cracking dell?ammoniaca pu? essere regolata mediante tecniche di purificazione. Tuttavia, la composizione della miscela in uscita dal processo di cracking pu? essere tutt?altro che ottimale per i requisiti operativi della GT. CN107288780A describes a system for generating power using a gas turbine, where ammonia is used as a fuel. Upstream of the combustion chamber, ammonia is partially decomposed to generate hydrogen in an ammonia cracking device to provide a fuel mixture containing hydrogen and ammonia. Since the fire point of hydrogen is lower than that of ammonia, hydrogen is first burned in the combustion chamber to release heat to ignite ammonia in the combustion chamber. As a result, hydrogen can accelerate the combustion process, and as a result, the combustion performance of ammonia fuel is improved. In conclusion, the amount of hydrogen supplied is functional for the ignition of NH3. However, the system described in CN107288780 does not completely solve the environmental problems due to the formation of nitrogen oxides due to the oxidation of ammonia during the combustion process. US11084719B2 discloses a process for generating power using a gas turbine, comprising the steps of: (i) vaporizing and preheating liquid ammonia to produce preheated ammonia gas; (ii) introducing the preheated ammonia gas into an ammonia cracker to convert the ammonia gas into a mixture of hydrogen and nitrogen; (iii) converting the preheated ammonia gas into a mixture of hydrogen and nitrogen in the cracker; (iv) cooling the mixture of hydrogen and nitrogen to give a cooled mixture of hydrogen and nitrogen; (v) introducing the cooled mixture of hydrogen and nitrogen into a gas turbine; and (vi) burning the cooled mixture of hydrogen and nitrogen in the gas turbine to generate power. US11084719B2 also discloses embodiments wherein the composition of the mixture of hydrogen and nitrogen exiting the ammonia cracker can be adjusted by purification techniques. However, the composition of the mixture exiting the cracking process may be far from optimal for the operational requirements of the GT.
US11156168B2 descrive un impianto di turbina a gas che ? dotato di una turbina a gas, un dispositivo di riscaldamento, una linea di gas di decomposizione e un compressore di gas di decomposizione. Il dispositivo di riscaldamento riscalda l?ammoniaca e la decompone termicamente per convertire l?ammoniaca in gas di decomposizione comprendente idrogeno gassoso e azoto gassoso. La linea del gas di decomposizione invia il gas di decomposizione dal dispositivo di riscaldamento alla turbina a gas. Il compressore del gas di decomposizione aumenta la pressione del gas di decomposizione ad una pressione uguale o maggiore di una pressione di alimentazione alla quale il gas di decomposizione pu? essere alimentato alla turbina a gas. US11156168B2 descrive anche un dispositivo di controllo che regola il rapporto tra la portata del gas di decomposizione e la portata dell?intero gas combustibile (che include il gas naturale e il gas di decomposizione). Il controllo di tale rapporto permette di ottenere e regolare una miscela di gas di decomposizione e gas naturale alla camera di combustione. Tuttavia, la combustione del gas naturale produce ancora un livello elevato di diossido di carbonio, che viene rilasciato nell?atmosfera o richiede ulteriori sistemi di cattura del carbonio. In conclusione, gli approcci di soluzione della tecnica precedente influenzano negativamente i costi operativi del sistema o hanno un impatto ambientale negativo. Di conseguenza, un sistema migliorato che genera energia utilizzando una turbina a gas e ammoniaca come combustibile per affrontare i problemi del condizionamento in tempo reale dell?NH3 per realizzare una miscela di gas NH3/H2/N2 che consenta di far funzionare la turbina a gas in ogni condizione sarebbe vantaggioso e sarebbe gradito nella tecnologia. Il condizionamento dell?NH3 deve essere perseguito in modo flessibile e regolato a diversi livelli lungo il percorso verso la turbina, quindi ? sentita la necessit? di un sistema in grado di regolare e fornire combustibili alla turbina a gas in diverse fasi, per migliorare le prestazioni ma anche abbattere le emissioni di NOx. Pi? in generale, sarebbe desiderabile fornire metodi e sistemi adatti ad affrontare in modo pi? efficiente i problemi legati alla fornitura di un sistema ausiliario di condizionamento dell?NH3 per realizzare una miscela di gas NH3/H2/N2 che consenta di far funzionare la turbina a gas in ogni condizione. US11156168B2 discloses a gas turbine system that is equipped with a gas turbine, a heater, a decomposition gas line, and a decomposition gas compressor. The heater heats ammonia and thermally decomposes it to convert the ammonia to decomposition gas comprising hydrogen gas and nitrogen gas. The decomposition gas line delivers the decomposition gas from the heater to the gas turbine. The decomposition gas compressor increases the pressure of the decomposition gas to a pressure equal to or greater than a supply pressure at which the decomposition gas can be supplied to the gas turbine. US11156168B2 also discloses a control device that regulates the ratio of the flow rate of the decomposition gas to the flow rate of the entire fuel gas (which includes natural gas and decomposition gas). Controlling this ratio allows a mixture of decomposition gas and natural gas to be obtained and regulated to the combustion chamber. However, natural gas combustion still produces a high level of carbon dioxide, which is released into the atmosphere or requires additional carbon capture systems. In conclusion, the prior art solution approaches negatively affect the operating costs of the system or have a negative environmental impact. Therefore, an improved system that generates power using a gas turbine and ammonia as fuel to address the problems of real-time conditioning of NH3 to achieve a NH3/H2/N2 gas mixture that allows the gas turbine to operate under any conditions would be beneficial and welcome in the technology. The conditioning of NH3 needs to be flexibly pursued and adjusted at different levels along the way to the turbine, so there is a need for a system that can adjust and supply fuels to the gas turbine at different stages, to improve performance but also reduce NOx emissions. More generally, it would be desirable to provide suitable methods and systems to address the real-time conditioning of NH3 to achieve a NH3/H2/N2 gas mixture that allows the gas turbine to operate under any conditions. efficiently solve the problems related to the supply of an auxiliary NH3 conditioning system to produce a NH3/H2/N2 gas mixture that allows the gas turbine to operate under any conditions.
SOMMARIO SUMMARY
In un aspetto, l?oggetto qui descritto ? diretto ad un sistema perfezionato che genera energia utilizzando una turbina a gas e ammoniaca come combustibile in cui il sistema comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca. Le forme di realizzazione qui descritte riguardano specificamente un sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3, in cui uno skid di combustibile processa un flusso di ammoniaca in ingresso per realizzare una miscela di gas NH3/H2/N2 che consente il funzionamento della turbina a gas in ogni condizione. In one aspect, the subject matter described herein is directed to an improved system that generates power utilizing a gas turbine and ammonia as a fuel wherein the system comprises an ammonia cracking device. The embodiments described herein specifically relate to a gas turbine auxiliary system for NH3 conditioning wherein a fuel skid processes an incoming ammonia stream to provide an NH3/H2/N2 gas mixture that permits operation of the gas turbine under all conditions.
In un altro aspetto, l?oggetto qui descritto ? diretto a un metodo per generare energia utilizzando una turbina a gas e ammoniaca come combustibile. Il sistema ausiliario di condizionamento dell?ammoniaca viene azionato tramite routine di controllo in funzione dei parametri della GT, dei parametri di combustione e dei requisiti per NOx in corrispondenza dello scarico della GT. In another aspect, the subject matter herein is directed to a method of generating power using a gas turbine and ammonia as fuel. The auxiliary ammonia conditioning system is operated by control routines depending on the GT parameters, combustion parameters and NOx requirements at the GT exhaust.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Un apprezzamento pi? completo delle forme di realizzazione divulgate dell?invenzione e di molti dei relativi vantaggi sar? facilmente ottenuto man mano che le stesse vengono meglio comprese facendo riferimento alla seguente descrizione dettagliata quando considerata in relazione ai disegni allegati, in cui: La figura 1 illustra uno schema di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca secondo una prima forma di realizzazione; A fuller appreciation of the disclosed embodiments of the invention and of many of the advantages thereof will be readily obtained as they become better understood by reference to the following detailed description when considered in connection with the accompanying drawings, in which: FIG. 1 illustrates a schematic diagram of a power generation system utilizing a gas turbine and including an ammonia cracking device in accordance with a first embodiment;
la figura 2 illustra uno schema a blocchi dell?architettura di controllo del sistema di generazione di energia di figura 1; Figure 2 illustrates a block diagram of the control architecture of the power generation system of Figure 1;
la figura 3 illustra uno schema di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca secondo una seconda forma di realizzazione; Figure 3 illustrates a schematic diagram of a power generation system using a gas turbine and including an ammonia cracking device according to a second embodiment;
la figura 4 illustra uno schema a blocchi dell?architettura di controllo del sistema di generazione di energia di figura 3; Figure 4 illustrates a block diagram of the control architecture of the power generation system of Figure 3;
la figura 5 illustra uno schema di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca secondo una terza forma di realizzazione; Figure 5 illustrates a schematic diagram of a power generation system using a gas turbine and including an ammonia cracking device according to a third embodiment;
la figura 6 illustra uno schema di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca secondo una quarta forma di realizzazione; Figure 6 illustrates a schematic diagram of a power generation system using a gas turbine and including an ammonia cracking device according to a fourth embodiment;
la figura 7 illustra uno schema di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca secondo una quinta forma di realizzazione; e Figure 7 illustrates a schematic diagram of a power generation system using a gas turbine and including an ammonia cracking device according to a fifth embodiment; and
la figura 8 illustra uno schema di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca secondo una quinta forma di realizzazione. Figure 8 illustrates a schematic diagram of a power generation system using a gas turbine and including an ammonia cracking device according to a fifth embodiment.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FORME DI REALIZZAZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Secondo un aspetto, il presente argomento riguarda un sistema per la generazione di energia utilizzando una turbina a gas, in cui il sistema comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca, per convertire almeno parte di un flusso di NH3 in H2 e N2, per realizzare una miscela di gas NH3/H2/N2che consente di far funzionare la turbina a gas in ogni condizione. In un altro aspetto, l?argomento qui descritto riguarda un sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3 in cui un flusso di alimentazione di NH3 viene suddiviso in due flussi di NH3 separati, un primo flusso di NH3 viene decomposto in H2 e N2 attraverso un reattore di cracking catalitico o un reattore di cracking termico per ottenere un flusso di H2 e N2, e un secondo flusso di NH3 ? diretto a una linea di bypass. In particolare, a valle del reattore di cracking, il flusso di H2 e N2 pu? essere miscelato insieme al secondo flusso NH3, per ottenere una miscela gassosa NH3/H2/N2 con un rapporto controllato di NH3 da un lato e H2 e N2 dall?altro. Facoltativamente, a valle del reattore di cracking, l?N2 pu? essere separato dal gas H2 nel flusso di H2 e N2, per ottenere una miscela di gas NH3/H2/N2 con un rapporto controllato di NH3, H2 e N2 e per consentire inoltre l?utilizzo di N2 come un gas di spurgo. In one aspect, the subject matter herein relates to a system for power generation using a gas turbine, wherein the system comprises an ammonia cracking device, for converting at least part of an NH3 stream into H2 and N2, to provide an NH3/H2/N2 gas mixture that allows the gas turbine to be operated under any conditions. In another aspect, the subject matter herein relates to a gas turbine auxiliary system for conditioning NH3 wherein an NH3 feed stream is split into two separate NH3 streams, a first NH3 stream is decomposed into H2 and N2 through a catalytic cracking reactor or a thermal cracking reactor to obtain a H2 and N2 stream, and a second NH3 stream is directed to a bypass line. In particular, downstream of the cracking reactor, the H2 and N2 stream can be decomposed into H2 and N2, and a second NH3 stream is decomposed into H2 and N2, and a second NH3 stream is decomposed into a H2 and N2 stream. be mixed together with the second NH3 stream, to obtain a NH3/H2/N2 gas mixture with a controlled ratio of NH3 on one side and H2 and N2 on the other. Optionally, downstream of the cracking reactor, the N2 can be separated from the H2 gas in the H2 and N2 stream, to obtain a NH3/H2/N2 gas mixture with a controlled ratio of NH3, H2 and N2 and to also allow the use of N2 as a purge gas.
Si far? ora riferimento in dettaglio a forme di realizzazione della divulgazione, uno o pi? esempi delle quali sono illustrati nei disegni. Ciascun esempio ? fornito a titolo di spiegazione della divulgazione, non di limitazione della divulgazione. Infatti, risulter? evidente agli esperti del ramo che varie modifiche e varianti possono essere apportate alla presente descrizione senza allontanarsi dall?ambito o spirito della descrizione. Il riferimento in tutta la descrizione a ?una forma di realizzazione? o ?alcune forme di realizzazione? significa che la particolare funzionalit?, struttura o caratteristica descritta in connessione con una forma di realizzazione ? inclusa in almeno una forma di realizzazione dell?argomento divulgato. Pertanto, la comparsa della frase ?in una forma di realizzazione? o ?in alcune forme di realizzazione? in vari punti della descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari funzionalit?, strutture o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adatto in una o pi? forme di realizzazione. Reference will now be made in detail to embodiments of the disclosure, one or more examples of which are illustrated in the drawings. Each example is provided by way of explanation of the disclosure, not as a limitation of the disclosure. Indeed, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations may be made to the present disclosure without departing from the scope or spirit of the disclosure. Reference throughout the disclosure to “an embodiment” or “some embodiments” means that the particular functionality, structure or feature described in connection with an embodiment is included in at least one embodiment of the disclosed subject matter. Accordingly, the appearance of the phrase “in an embodiment” or “in some embodiments” at various points in the disclosure does not necessarily refer to the same embodiment. Furthermore, the particular functionality, structure or feature may be combined in any suitable manner in one or more embodiments.
Quando si introducono elementi di varie forme di realizzazione, gli articoli ?un?, ?uno/a?, ?il/lo/la/i/gli/le? e ?detto/a/i? intendono indicare che sono presenti uno o pi? degli elementi. I termini ?comprendente?, ?incluso? e ?avente? intendono essere inclusivi e significano che potrebbero esserci elementi aggiuntivi oltre agli elementi elencati. When introducing elements of various embodiments, the terms “a,” “an,” “the,” and “said” are intended to indicate that one or more of the elements are present. The terms “comprising,” “including,” and “having” are intended to be inclusive and mean that there may be additional elements in addition to the elements listed.
Facendo ora riferimento ai disegni, la figura 1 mostra uno schema di un sistema di generazione di energia esemplificativo comprendente una turbina a gas 100. La turbina a gas 100 comprende un compressore, una camera di combustione e un espansore. La turbina a gas 100 ? alimentata da un flusso di miscela di gas NH3/H2/N2 e da un flusso di gas NH3. Il flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 ? diretto allo stadio primario della turbina a gas 100 attraverso una linea di alimentazione 1 della turbina a gas e il flusso di gas NH3 ? diretto allo stadio secondario della turbina a gas 100 attraverso una linea di flusso di alimentazione 2 di gas NH3. Referring now to the drawings, FIG. 1 shows a schematic of an exemplary power generation system comprising a gas turbine 100. The gas turbine 100 comprises a compressor, a combustion chamber, and an expander. The gas turbine 100 is fed by a flow of NH3/H2/N2 gas mixture and a flow of NH3 gas. The flow of the NH3/H2/N2 gas mixture is directed to the primary stage of the gas turbine 100 through a gas turbine feed line 1, and the flow of NH3 gas is directed to the secondary stage of the gas turbine 100 through a NH3 gas feed flow line 2.
Inoltre, un sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3 ? disposto a monte della turbina a gas 100, il sistema ausiliario di turbina a gas includendo un riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200, per riscaldare e quindi vaporizzare un flusso di NH3 liquido da una linea di flusso di NH34, e un reattore di cracking 300, che ? collegato al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 attraverso una linea di uscita del gas 5 del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 e una linea di alimentazione 6 del reattore di cracking. Secondo forme di realizzazione esemplificative alternative, il riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 ? composto da scambiatori di calore a fascio tubiero o scambiatori di calore a piastre. In alcune forme di realizzazione, un fluido termovettore del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore ? il gas di scarico della turbina a gas o un altro fluido intermedio (come vapore o olio diatermico). Secondo un esempio di realizzazione lo scambiatore di calore ? realizzato in due stadi, uno per riscaldare e vaporizzare l?ammoniaca liquida, l?altro per ripristinare la pressione iniziale o eventualmente aumentare la pressione del gas di ammoniaca. In alcune forme di realizzazione, nel sistema riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore ? incluso anche un serbatoio di stoccaggio per il gas di ammoniaca ad alta pressione. Furthermore, a gas turbine auxiliary system for conditioning NH3 is disposed upstream of the gas turbine 100, the gas turbine auxiliary system including a NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200, for heating and then vaporizing a stream of liquid NH3 from an NH3 flow line 4, and a cracking reactor 300, which is connected to the NH3 heater/vaporizer/pressurizer via a gas outlet line 5 of the NH3 heater/vaporizer/pressurizer and a feed line 6 of the cracking reactor. In alternative exemplary embodiments, the NH3 heater/vaporizer/pressurizer is composed of shell and tube heat exchangers or plate heat exchangers. In some embodiments, a heat transfer fluid of the heater/vaporizer/pressurizer is provided. the exhaust gas of the gas turbine or another intermediate fluid (such as steam or thermal oil). According to one embodiment, the heat exchanger is made in two stages, one to heat and vaporize the liquid ammonia, the other to restore the initial pressure or optionally increase the pressure of the ammonia gas. In some embodiments, the heater/vaporizer/pressurizer system also includes a storage tank for the high-pressure ammonia gas.
Secondo un esempio di realizzazione mostrato in figura 1, il reattore di cracking NH3 300 ? un reattore catalitico o termico, configurato per processare l?ammoniaca e dissociarla almeno nei suoi componenti di base, vale a dire idrogeno e azoto, in presenza di un catalizzatore o sotto controllo della temperatura, secondo la reazione: According to an embodiment shown in figure 1, the NH3 300 cracking reactor is a catalytic or thermal reactor, configured to process ammonia and dissociate it at least into its basic components, i.e. hydrogen and nitrogen, in the presence of a catalyst or under temperature control, according to the reaction:
La miscela di idrogeno e azoto ed eventualmente ammoniaca non reagita presente risultante dalla reazione di cracking viene quindi diretta alla turbina a gas 100 attraverso una linea di uscita 7 del flusso di miscela di gas NH3/H2/N2, collegata a valle della linea di alimentazione 1 della turbina a gas. The hydrogen-nitrogen mixture and possibly any unreacted ammonia present resulting from the cracking reaction is then directed to the gas turbine 100 via an outlet line 7 of the NH3/H2/N2 gas mixture flow, connected downstream of the gas turbine feed line 1.
Un flusso di bypass di NH3 ? separato dal flusso di gas NH3 dal riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore attraverso una linea di flusso di bypass 11del gas NH3, che ? collegata a monte alla linea di uscita 5 del gas del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore e che ? collegata a valle alla linea di flusso di alimentazione 2 di gas NH3 della turbina a gas 100, in particolare allo stadio secondario della turbina a gas 100. A bypass flow of NH3 is separated from the NH3 gas flow from the heater/vaporizer/pressurizer via a bypass flow line 11 of the NH3 gas, which is connected upstream to the outlet gas line 5 of the heater/vaporizer/pressurizer and which is connected downstream to the NH3 gas feed flow line 2 of the gas turbine 100, in particular to the secondary stage of the gas turbine 100.
Il sistema consente al circuito di controllo della turbina a gas di controllare il rapporto di NH3 da bruciare insieme a H2 e N2 dal reattore di cracking, in base alle esigenze operative della turbina a gas. The system allows the gas turbine control circuit to control the ratio of NH3 to be burned together with H2 and N2 from the cracking reactor, based on the operational needs of the gas turbine.
Il gas di scarico dalla turbina a gas 100 ? instradato verso una linea di flusso del gas di scarico 15, da cui una parte del flusso di gas di scarico viene suddivisa attraverso una linea di recupero del calore del gas di scarico 12, che ? instradata al reattore di cracking 300 e/o al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200. Con riferimento alla figura 1, la linea di recupero di calore dei gas di scarico 12 ? suddivisa in una prima sottolinea di recupero del calore 13, che ? diretta al reattore di cracking 300 e una seconda sottolinea di recupero del calore 14, che ? diretta al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore NH3 200. Lungo la linea di alimentazione 1 della turbina a gas ? disposto un sistema di emergenza (non mostrato) comprendente uno sfiato e valvole di emergenza per evitare sovrappressioni. Exhaust gas from the gas turbine 100 is routed to an exhaust gas flow line 15, from which a portion of the exhaust gas flow is split through an exhaust gas heat recovery line 12, which is routed to the cracking reactor 300 and/or the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200. Referring to FIG. 1, the exhaust gas heat recovery line 12 is divided into a first heat recovery line 13, which is routed to the cracking reactor 300, and a second heat recovery line 14, which is routed to the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200. An emergency system (not shown) is arranged along the gas turbine feed line 1, including a vent and emergency valves to prevent overpressure.
Il sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3 di figura 1 funziona come segue. Il sistema viene avviato mediante riscaldamento/vaporizzazione/pressurizzazione di ammoniaca liquida all?interno del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore NH3 200 che viene alimentata allo stato gassoso al reattore di cracking NH3 300. Parte dell?ammoniaca gassosa dal riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore NH3 200 viene versata nella linea di flusso di bypass 11 del gas NH3 e viene indirizzata alla turbina a gas 100 tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3. Parte del calore prodotto dalla turbina a gas 100 viene inviato al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200 e al reattore di cracking di NH3 300. Ulteriore ammoniaca liquida viene riscaldata, vaporizzata e pressurizzata nel vaporizzatore/pressurizzatore 200 e il reattore di cracking di NH3300 inizia le operazioni alimentando la miscela gassosa nella linea di uscita 7 del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2. Un tamburo di stoccaggio (non mostrato) pu? eventualmente essere disposto lungo la linea di uscita 7 del flusso di miscela di gas NH3/H2/N2. Quando la pressione nella linea di uscita 7 del flusso di miscela di gas NH3/H2/N2 raggiunge un valore di soglia, pu? iniziare la sequenza di avviamento della turbina a gas. L?accensione della turbina a gas si ottiene utilizzando come combustibile i flussi alimentati tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas o la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3, ricevendo un flusso di gas NH3 dalla linea di flusso di bypass 11 del gas NH3. Se l?energia per avviare il riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200 e il reattore di cracking di NH3300 non ? disponibile, un combustibile di avviamento come il gas naturale pu? essere collegato alla linea di alimentazione 1 della turbina a gas o alla linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 e utilizzato per l?accensione e l?incremento della turbina a gas fino alla condizione di fine sequenza o di piena velocit? senza carico della turbina a gas. Una volta accesa la turbina a gas, il calore dei gas di scarico inizia a fornire energia sia al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200, che riscalda, vaporizza e pressurizza l?ammoniaca liquida allo stato gassoso, sia al reattore di cracking di NH3 300, che decompone l?ammoniaca gassosa in una miscela di idrogeno, azoto ed eventuale ammoniaca non reagita. Una volta creata la miscela appropriata, il flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 all?interno della linea di alimentazione 1 della turbina a gas viene controllato secondo i programmi di controllo della turbina a gas. Durante tutte le sequenze della turbina a gas (incremento, operazioni di carico, arresto normale) un?unit? di controllo ausiliaria 37 della turbina a gas gestisce i fabbisogni della composizione della miscela di idrogeno, azoto e ammoniaca residua della linea di alimentazione 1 della turbina a gas, agendo sui parametri del reattore di cracking di NH3 300 e gestendo il rapporto di flusso tra la linea di alimentazione 1 della turbina a gas e la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3. I parametri del reattore di cracking di NH3 gestiti dall?unit? di controllo ausiliaria della turbina a gas 37 sono strettamente dipendenti dalla tecnologia del reattore di cracking di NH3. In alcune forme di realizzazione, i parametri del reattore di cracking di NH3 comprendono la temperatura del gas di ammoniaca reagente in sezioni specifiche del reattore (per esempio nella sezione di ingresso) e il rapporto di riciclo del reattore di cracking di NH3. L?arresto di emergenza della turbina a gas 100 consente l?isolamento immediato del sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3 dalla turbina a gas 100 e la de-energizzazione del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200 e del reattore di cracking di NH3 300 secondo i suoi requisiti di sicurezza specifici. The auxiliary gas turbine system for NH3 conditioning of Figure 1 operates as follows. The system is started by heating/vaporizing/pressurizing liquid ammonia in the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 which is fed in gaseous state to the NH3 cracking reactor 300. Part of the gaseous ammonia from the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 is poured into the NH3 gas bypass flow line 11 and is directed to the gas turbine 100 via the NH3 gas feed flow line 2. Some of the heat produced by the gas turbine 100 is sent to the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 and the NH3 cracking reactor 300. Additional liquid ammonia is heated, vaporized, and pressurized in the vaporizer/pressurizer 200, and the NH3 cracking reactor 300 begins operations by feeding the gas mixture into the outlet line 7 of the NH3/H2/N2 gas mixture flow. A storage drum (not shown) may optionally be arranged along the outlet line 7 of the NH3/H2/N2 gas mixture flow. When the pressure in the outlet line 7 of the NH3/H2/N2 gas mixture flow reaches a threshold value, the gas turbine start-up sequence may begin. Gas turbine ignition is achieved by using the flows fed via gas turbine feed line 1 or NH3 gas feed flow line 2 as fuel, receiving a flow of NH3 gas from NH3 gas bypass flow line 11. If energy to start the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 and the NH3 cracking reactor 300 is not available, a starting fuel such as natural gas may be connected to gas turbine feed line 1 or NH3 gas feed flow line 2 and used to start and ramp up the gas turbine to end-of-sequence or full no-load gas turbine speed condition. Once the gas turbine is started, the heat from the exhaust gases begins to provide energy to both the NH3 200 heater/vaporizer/pressurizer, which heats, vaporizes and pressurizes the liquid ammonia to a gaseous state, and the NH3 300 cracking reactor, which decomposes the gaseous ammonia into a mixture of hydrogen, nitrogen and any unreacted ammonia. Once the appropriate mixture is created, the flow of the NH3/H2/N2 gas mixture into the gas turbine feed line 1 is controlled according to the gas turbine control programs. During all gas turbine sequences (ramp-up, load operations, normal shutdown) a unit The auxiliary gas turbine control unit 37 manages the composition requirements of the residual hydrogen, nitrogen and ammonia mixture of gas turbine feedline 1 by acting on the parameters of the NH3 cracking reactor 300 and managing the flow ratio between gas turbine feedline 1 and NH3 gas feedline 2. The NH3 cracking reactor parameters managed by the auxiliary gas turbine control unit 37 are highly dependent on the NH3 cracking reactor technology. In some embodiments, the NH3 cracking reactor parameters include the temperature of the reacting ammonia gas in specific sections of the reactor (e.g., in the inlet section) and the recycle ratio of the NH3 cracking reactor. The emergency shutdown of gas turbine 100 allows for immediate isolation of the auxiliary gas turbine system for NH3 conditioning from gas turbine 100 and de-energization of the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 and the NH3 cracking reactor 300 according to its specific safety requirements.
Il funzionamento del sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3 di figura 1 ? controllato attraverso una pluralit? di valvole di controllo azionate secondo un metodo di controllo che sar? spiegato qui di seguito. Una valvola di flusso del gas 21 ? disposta lungo la linea di alimentazione 1 della turbina a gas, per controllare lo scorrimento del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 all?interno della linea di alimentazione 1 della turbina a gas. Una valvola di scorrimento del flusso di bypass 22 del gas NH3 ? disposta lungo la linea di flusso di alimentazione 2 del gas di NH3, a valle della linea di flusso di bypass 11 del gas NH3, per controllare lo scorrimento del flusso di bypass del gas NH3 diretto alla turbina a gas 100, e viceversa lo scorrimento del flusso del gas NH3 diretto al reattore di cracking 300 tramite la linea di alimentazione del reattore di cracking 6. Infine, sulla prima sottolinea 13 di recupero calore ? disposta una valvola di flusso di recupero calore 26 per controllare la parte dei gas di scarico dalla turbina a gas 100 che ? diretta al reattore di cracking di NH3 300 e viceversa la parte dei gas di scarico diretta al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore NH3 200. La valvola di flusso del gas 21, la valvola di scorrimento del flusso di bypass 22 del gas NH3 e la valvola del flusso di recupero calore 26 possono essere valvole ad azionamento elettrico, valvole ad azionamento pneumatico o valvole ad azionamento idraulico. The operation of the auxiliary gas turbine NH3 conditioning system of Figure 1 is controlled through a plurality of control valves operated in accordance with a control method which will be explained below. A gas flow valve 21 is disposed along gas turbine feed line 1, to control the flow of the NH3/H2/N2 gas mixture into gas turbine feed line 1. A NH3 gas bypass flow valve 22 is disposed along NH3 gas feed line 2, downstream of NH3 gas bypass flow line 11, to control the flow of the NH3 gas bypass flow to the gas turbine 100, and conversely the flow of the NH3 gas to the cracking reactor 300 via the cracking reactor feed line 6. Finally, on the first heat recovery valve 13 is disposed. a heat recovery flow valve 26 is arranged to control the portion of the exhaust gas from the gas turbine 100 that is directed to the NH3 cracking reactor 300 and vice versa the portion of the exhaust gas directed to the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200. The gas flow valve 21, the NH3 gas bypass flow valve 22 and the heat recovery flow valve 26 may be electrically operated valves, pneumatically operated valves or hydraulically operated valves.
Facendo sempre riferimento alla figura 1, secondo lo schema a blocchi dell?architettura di controllo del sistema di generazione di energia mostrato in figura 2, le valvole di flusso 21 e 22 e la valvola di flusso 26 di recupero del calore vengono azionate come segue. Un?unit? di controllo della turbina a gas 30, come ad esempio un computer o un controller logico programmabile (PLC), riceve i seguenti parametri di ingresso: parametri della turbina a gas 31, parametri di combustione 32 e requisiti per NOx 33. In particolare, i parametri della turbina a gas 31 sono dipendenti dalla tecnologia della turbina a gas. In alcune forme di realizzazione, i parametri 31 della turbina a gas comprendono la potenza generata dalla turbina a gas, la velocit? della turbina a gas, la temperatura dei gas di scarico della turbina a gas. I parametri di combustione 32 sono dipendenti dalla tecnologia di combustione adottata dalla turbina a gas. In alcune forme di realizzazione, i parametri di combustione 32 comprendono il rapporto combustibilearia in zone specifiche del combustore, la distribuzione del carico termico lungo il combustore e lo scorrimento di NOx e NH3 all?uscita del combustore. I requisiti per NOx 33 comprendono le emissioni di gas di scarico NOx nel flusso di scarico a valle della turbina a gas. La quantit? totale di gas alimentata alla turbina a gas tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas (indicata con m1) e la linea di alimentazione 2 del gas NH3 (m2) sono funzione dei parametri della turbina a gas di cui sopra: Still referring to Figure 1, according to the block diagram of the control architecture of the power generation system shown in Figure 2, the flow valves 21 and 22 and the heat recovery flow valve 26 are operated as follows. A control unit of the gas turbine 30, such as a computer or a programmable logic controller (PLC), receives the following input parameters: gas turbine parameters 31, combustion parameters 32 and NOx requirements 33. In particular, the gas turbine parameters 31 are dependent on the gas turbine technology. In some embodiments, the gas turbine parameters 31 include the power generated by the gas turbine, the speed of the gas turbine, the temperature of the gas turbine exhaust gas. The combustion parameters 32 are dependent on the combustion technology adopted by the gas turbine. In some embodiments, the combustion parameters 32 include the fuel-air ratio in specific regions of the combustor, the heat load distribution along the combustor, and the NOx and NH3 flow at the combustor exit. The NOx requirements 33 include the NOx exhaust gas emissions in the exhaust stream downstream of the gas turbine. The total amount of gas supplied to the gas turbine via gas turbine feed line 1 (denoted m1) and NH3 gas feed line 2 (m2) are a function of the above gas turbine parameters:
m1 m2 = f(parametri GT) m1 m2 = f(GT parameters)
La composizione volumetrica del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 nella linea di alimentazione 1 della turbina a gas (indicata con il numero di riferimento 34 in figura 2); il rapporto 35 del flusso di massa del gas NH3tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 (m2) e del flusso di massa totale (m1+m2) del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas (m1) e del flusso di alimentazione del gas NH3 verso la turbina a gas tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 (m2) sono una funzione dei parametri di combustione e dei requisiti per NOx di cui sopra: x1i = f(parametri di combustione; requisiti per NOx) m2/(m1 m2) = f(parametri di combustione; requisiti per NOx) The volumetric composition of the NH3/H2/N2 gas mixture flow in the gas turbine feed line 1 (denoted by reference number 34 in Figure 2); the ratio 35 of the mass flow of NH3 gas via the NH3 gas feed line 2 (m2) and the total mass flow (m1+m2) of the NH3/H2/N2 gas mixture flow via the gas turbine feed line 1 (m1) and the NH3 gas feed flow to the gas turbine via the NH3 gas feed line 2 (m2) are a function of the combustion parameters and NOx requirements above: x1i = f(combustion parameters; NOx requirements) m2/(m1 m2) = f(combustion parameters; NOx requirements)
Questi parametri sono l?ingresso o gli ingressi all?unit? di controllo ausiliaria 37 come, ad esempio, un computer o un controller logico programmabile (PLC), configurato per controllare il funzionamento delle valvole di flusso 21 e 22 e della valvola di flusso di recupero del calore 26 secondo le seguenti relazioni. Il funzionamento Y21 della valvola di flusso del gas 21 che controlla la quantit? di flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 che scorre all?interno della linea di alimentazione 1 della turbina a gas, ? una funzione della quantit? totale di flusso di gas m1 alimentato alla turbina a gas tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas e del flusso di alimentazione del gas NH3 m2 alimentato alla turbina a gas tramite la linea di alimentazione 2 del gas NH3: These parameters are the input or inputs to the auxiliary control unit 37 such as a computer or programmable logic controller (PLC), configured to control the operation of the flow valves 21 and 22 and the heat recovery flow valve 26 according to the following relationships. The operation Y21 of the gas flow valve 21 which controls the amount of NH3/H2/N2 gas mixture flow flowing into the gas turbine feed line 1 is a function of the total amount of gas flow m1 fed to the gas turbine via the gas turbine feed line 1 and the NH3 gas feed flow m2 fed to the gas turbine via the NH3 gas feed line 2:
Y21 = f(m1 m2) Y21 = f(m1 m2)
Il funzionamento Y22 della valvola 22 del flusso di bypass del gas NH3 ? una funzione del rapporto 35 del flusso di massa del gas NH3 m2 tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 e del flusso di massa totale del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 m1 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas e del flusso di alimentazione del gas NH3 m2 verso la turbina a gas tramite la linea di alimentazione 2 del gas NH3: The operation Y22 of the NH3 gas bypass flow valve 22 is a function of the ratio 35 of the NH3 gas mass flow m2 via the NH3 gas feed flow line 2 and the total mass flow of the NH3/H2/N2 gas mixture flow m1 via the gas turbine feed line 1 and the NH3 gas feed flow m2 to the gas turbine via the NH3 gas feed line 2:
Y22 = f(m2/(m1 m2)) Y22 = f(m2/(m1 m2))
Infine, il funzionamento della valvola del flusso di recupero calore 26 ? funzione della composizione volumetrica del gas: Finally, the operation of the heat recovery flow valve 26 is a function of the volumetric composition of the gas:
Y26 = f(x1i) Y26 = f(x1i)
Il metodo di controllo sopra descritto consente di modificare la composizione del combustibile alla turbina a gas e di iniettare ammoniaca in qualsiasi rapporto secondo eventuali esigenze del combustore e della turbina a gas (queste esigenze non essendo parte della presente descrizione). The control method described above allows the composition of the fuel to be changed in the gas turbine and ammonia to be injected in any ratio according to any requirements of the combustor and gas turbine (these requirements not being part of this description).
Continuando a fare riferimento alla figura 1 e alla figura 2, la figura 3 mostra uno schema di un sistema di generazione di energia esemplificativo secondo una seconda forma di realizzazione. La turbina a gas 100 comprende un compressore, una camera di combustione e una turbina. La turbina a gas 100 ? alimentata da un flusso di miscela di gas NH3/H2/N2, un flusso di gas NH3 e un flusso di gas N2. Il flusso di miscela di gas NH3/H2/N2 ? diretto allo stadio primario della turbina a gas della turbina a gas 100 attraverso una linea di alimentazione 1 della turbina a gas, il flusso di gas NH3 ? diretto allo stadio secondario della turbina a gas della turbina a gas 100 attraverso una linea di flusso di alimentazione 2 di gas NH3 e il flusso di gas N2 ? diretto allo stadio secondario della turbina a gas della turbina a gas 100 attraverso una linea di flusso di alimentazione 3 di gas N2. Inoltre, un sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3 ? predisposto a monte della turbina a gas 100, il sistema ausiliario di turbina a gas comprendendo un riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore per NH3 200, per riscaldare e quindi vaporizzare un flusso di NH3 liquido da una linea di flusso 4 di NH3, e un reattore di cracking 300, che ? collegato al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 tramite una linea di uscita del gas 5 del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 e una linea di alimentazione 6 del reattore di cracking. Secondo questa forma di realizzazione, la miscela di idrogeno e azoto e ammoniaca non reagita risultante dalla reazione di cracking viene trattata per separare un flusso di miscela di gas NH3/H2/N2 e un flusso di gas N2. Il flusso di miscela di gas NH3/H2/N2 proveniente dal reattore di cracking 300 ? diretto alla turbina a gas 100 attraverso una linea di uscita 7 del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2, collegata a valle della linea di alimentazione 1 della turbina a gas. Continuing to refer to FIG. 1 and FIG. 2, FIG. 3 shows a schematic of an exemplary power generation system according to a second embodiment. The gas turbine 100 includes a compressor, a combustion chamber, and a turbine. The gas turbine 100 is powered by a flow of NH3/H2/N2 gas mixture, a flow of NH3 gas, and a flow of N2 gas. The flow of NH3/H2/N2 gas mixture is directed to the primary gas turbine stage of the gas turbine 100 through a gas turbine feed line 1, the flow of NH3 gas is directed to the secondary gas turbine stage of the gas turbine 100 through a NH3 gas feed flow line 2, and the flow of N2 gas is directed to the secondary gas turbine stage of the gas turbine 100 through a N2 gas feed flow line 3. Furthermore, a gas turbine auxiliary system for conditioning NH3 is provided upstream of the gas turbine 100, the gas turbine auxiliary system comprising an NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200, for heating and then vaporizing a liquid NH3 stream from an NH3 flow line 4, and a cracking reactor 300, which is connected to the NH3 heater/vaporizer/pressurizer via an NH3 heater/vaporizer/pressurizer gas outlet line 5 and a cracking reactor feed line 6. In this embodiment, the hydrogen and nitrogen mixture and unreacted ammonia resulting from the cracking reaction is treated to separate an NH3/H2/N2 gas mixture stream and an N2 gas mixture stream. The NH3/H2/N2 gas mixture stream from the cracking reactor 300 is separated into two gas streams. directed to the gas turbine 100 through an outlet line 7 of the NH3/H2/N2 gas mixture flow, connected downstream of the gas turbine feed line 1.
La separazione dell?azoto pu? essere ottenuta attraverso diverse tecnologie. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, il reattore di cracking di NH3300 ? un reattore a membrana, che funziona come segue. Una membrana separa il reattore in due sezioni separate. Una prima sezione ? direttamente collegata alla linea di alimentazione 6 del reattore di cracking. All?interno della prima sezione viene fatta reagire l?ammoniaca alimentata al reattore a membrana. Una frazione di azoto risultante dalla reazione di cracking permea la membrana e passa ad una seconda sezione del reattore a membrana, separandosi dall?idrogeno, dall?ammoniaca non reagita e da una restante frazione di azoto, che rimane all?interno della prima sezione del reattore a membrana. Nitrogen separation can be achieved through various technologies. In one exemplary embodiment, the NH3300 cracking reactor is a membrane reactor, which operates as follows. A membrane separates the reactor into two separate sections. A first section is directly connected to feed line 6 of the cracking reactor. Inside the first section, ammonia fed to the membrane reactor is reacted. A fraction of nitrogen resulting from the cracking reaction permeates the membrane and passes to a second section of the membrane reactor, separating from hydrogen, unreacted ammonia and a remaining fraction of nitrogen, which remains inside the first section of the membrane reactor.
Il flusso di gas N2 dal reattore di cracking 300 ? diretto alla turbina a gas 100 tramite una linea di uscita 8 del flusso di gas N2, collegata a valle della linea di flusso di alimentazione 3 del gas N2. Una frazione del flusso di gas N2 dal reattore di cracking 300 pu? essere separata e restituita alla linea di uscita 7 del flusso di miscela di gas NH3/H2/N2 attraverso una linea di bypass 9 di gas N2, per controllare la composizione del flusso di miscela NH3/H2/N2 diretto alla turbina a gas 100 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas. The N2 gas flow from the cracking reactor 300 is directed to the gas turbine 100 via an N2 gas flow outlet line 8, connected downstream of the N2 gas feed flow line 3. A fraction of the N2 gas flow from the cracking reactor 300 may be separated and returned to the NH3/H2/N2 gas blend flow outlet line 7 via an N2 gas bypass line 9, to control the composition of the NH3/H2/N2 gas blend flow to the gas turbine 100 via gas turbine feed line 1.
Un flusso di bypass NH3 viene diviso (separato) dal flusso di gas NH3 dal riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore attraverso una linea di flusso di bypass 11 del gas NH3, che ? collegata a monte alla linea di uscita del gas 5 del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore e che ? collegata a valle della linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 della turbina a gas 100, in particolare allo stadio secondario della turbina a gas della turbina a gas 100. An NH3 bypass flow is split (separated) from the NH3 gas flow from the heater/vaporizer/pressurizer via an NH3 gas bypass flow line 11, which is connected upstream to the heater/vaporizer/pressurizer gas outlet line 5 and which is connected downstream to the NH3 gas feed flow line 2 of the gas turbine 100, specifically to the gas turbine secondary stage of the gas turbine 100.
La composizione del flusso della miscela NH3/H2/N2 diretta alla turbina a gas 100 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas viene anch?essa controllata miscelando la corrente di miscela di gas NH3/H2/N2 con ammoniaca. A tal fine un flusso separato di bypass del gas NH3 viene prelevato dal flusso di bypass del gas NH3 attraverso una linea di flusso separata di bypass 10 del gas NH3, che ? collegata a monte della linea di flusso di bypass 11 del gas NH3 e a valle della linea di uscita 7 del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2. The composition of the NH3/H2/N2 mixture flow directed to the gas turbine 100 via gas turbine feed line 1 is also controlled by mixing the NH3/H2/N2 gas mixture stream with ammonia. For this purpose, a separate NH3 gas bypass flow is taken from the NH3 gas bypass flow via a separate NH3 gas bypass flow line 10, which is connected upstream of the NH3 gas bypass flow line 11 and downstream of the NH3/H2/N2 gas mixture flow outlet line 7.
Il sistema consente al circuito di controllo della turbina a gas di controllare il rapporto di NH3 da bruciare insieme a H2 e N2 dal reattore di cracking, in base alle esigenze operative della turbina a gas. The system allows the gas turbine control circuit to control the ratio of NH3 to be burned together with H2 and N2 from the cracking reactor, based on the operational needs of the gas turbine.
Il gas di scarico dalla turbina a gas 100 viene indirizzato a una linea di flusso 15 del gas di scarico, da cui una parte del flusso di gas di scarico viene separata attraverso una linea di recupero di calore 12 del gas di scarico, che viene indirizzata al reattore di cracking 300 e/o al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3200. Con riferimento alla figura 3, la linea di recupero di calore 12 del gas di scarico ? suddivisa in una prima sottolinea di recupero di calore 13, che ? diretta al reattore di cracking 300 e una seconda sottolinea di recupero di calore 14, che ? diretta al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200. Lungo la linea di alimentazione 1 della turbina a gas ? disposto un sistema di emergenza (non mostrato) comprendente uno sfiato e valvole di emergenza per evitare sovrappressioni. Exhaust gas from the gas turbine 100 is directed to an exhaust gas flow line 15, from which a portion of the exhaust gas flow is separated via an exhaust gas heat recovery line 12, which is directed to the cracking reactor 300 and/or the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200. Referring to FIG. 3, the exhaust gas heat recovery line 12 is divided into a first heat recovery line 13, which is directed to the cracking reactor 300, and a second heat recovery line 14, which is directed to the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200. An emergency system (not shown) is arranged along the gas turbine feed line 1, comprising a vent and emergency valves to prevent overpressure.
Il sistema ausiliario di turbina a gas per il condizionamento di NH3 della figura 3 funziona come segue. Il sistema viene avviato mediante riscaldamento/vaporizzazione/pressurizzazione di ammoniaca liquida all?interno del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200 che viene alimentata allo stato gassoso al reattore di cracking NH3 300. Parte dell?ammoniaca gassosa dal riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200 viene versata nella linea di flusso di bypass 11 del gas NH3 e viene indirizzata alla turbina a gas 100 tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3. Parte del calore prodotto dalla turbina a gas 100 viene inviato al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200 e al reattore di cracking di NH3 300. Ulteriore ammoniaca liquida viene riscaldata, vaporizzata e pressurizzata nel vaporizzatore/pressurizzatore 200 e il reattore di cracking di NH3300 inizia le operazioni alimentando la miscela gassosa nella linea di uscita 7 del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2. Un tamburo di stoccaggio (non mostrato) pu? eventualmente essere disposto lungo la linea di uscita 7 del flusso di miscela di gas NH3/H2/N2. Quando la pressione nella linea di uscita 7 del flusso di miscela di gas NH3/H2/N2 raggiunge un valore di soglia, pu? iniziare la sequenza di avviamento della turbina a gas. L?accensione della turbina a gas si ottiene utilizzando come combustibile i flussi alimentati tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas o la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3, ricevendo un flusso di gas NH3 dalla linea di flusso di bypass 11 del gas NH3. Se l?energia per avviare il riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200 e il reattore di cracking di NH3300 non ? disponibile, un combustibile di avviamento come il gas naturale pu? essere collegato alla linea di alimentazione 1 della turbina a gas o alla linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 e utilizzato per l?accensione e l?incremento della turbina a gas fino alla condizione di fine sequenza o di piena velocit? senza carico della turbina a gas. Una volta accesa la turbina a gas, il calore dei gas di scarico inizia a fornire energia sia al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200 che riscalda, vaporizza e pressurizza l?ammoniaca liquida allo stato gassoso sia al reattore di cracking di NH3 300 che decompone l?ammoniaca gassosa in una miscela di idrogeno, azoto e ammoniaca non reagita. Una volta creata la miscela appropriata, lo scorrimento del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 all?interno della linea di alimentazione 1 della turbina a gas viene controllato secondo programmi di controllo della turbina a gas. Durante tutte le sequenze della turbina a gas (incremento, operazioni di carico, arresto normale) un sistema di controllo della turbina a gas gestisce i requisiti di composizione della miscela di idrogeno, azoto e ammoniaca residua della linea di alimentazione 1 della turbina a gas, agendo sui parametri del reattore di cracking di NH3300 e gestendo il rapporto di flusso tra la linea di alimentazione 1 della turbina a gas e la linea di alimentazione 2 del gas NH3. L?arresto di emergenza della turbina a gas consente l?immediato isolamento del sistema ausiliario della turbina a gas per il condizionamento di NH3 dalla turbina a gas e dal de-energizzazione del riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore NH3 200 e del reattore di cracking NH3 300 secondo i suoi specifici requisiti di sicurezza. Il reattore di cracking di NH3300 separa anche l?azoto dalla miscela gassosa di idrogeno, azoto e ammoniaca non reagita e quindi fornisce un flusso di N2 nella linea di uscita 8 del flusso di gas N2, che pu? essere utilizzato per diverse applicazioni, come lo stoccaggio di N2 o i servizi di spurgo per la turbina a gas. The auxiliary gas turbine system for NH3 conditioning of Figure 3 operates as follows. The system is started by heating/vaporizing/pressurizing liquid ammonia inside the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 which is fed in gaseous state to the NH3 cracking reactor 300. Part of the gaseous ammonia from the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 is poured into the NH3 gas bypass flow line 11 and is directed to the gas turbine 100 via the NH3 gas feed flow line 2. Some of the heat produced by the gas turbine 100 is sent to the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 and the NH3 cracking reactor 300. Additional liquid ammonia is heated, vaporized, and pressurized in the vaporizer/pressurizer 200, and the NH3 cracking reactor 300 begins operations by feeding the gas mixture into the outlet line 7 of the NH3/H2/N2 gas mixture flow. A storage drum (not shown) may optionally be arranged along the outlet line 7 of the NH3/H2/N2 gas mixture flow. When the pressure in the outlet line 7 of the NH3/H2/N2 gas mixture flow reaches a threshold value, the gas turbine start-up sequence may begin. Gas turbine ignition is achieved by using the flows fed via gas turbine feed line 1 or NH3 gas feed flow line 2 as fuel, receiving a flow of NH3 gas from NH3 gas bypass flow line 11. If energy to start the NH3 heater/vaporizer/pressurizer 200 and the NH3 cracking reactor 300 is not available, a starting fuel such as natural gas may be connected to gas turbine feed line 1 or NH3 gas feed flow line 2 and used to start and ramp up the gas turbine to end-of-sequence or full no-load gas turbine speed condition. Once the gas turbine is switched on, the heat from the exhaust gases begins to provide energy to both the NH3 200 heater/vaporizer/pressurizer that heats, vaporizes and pressurizes the liquid ammonia to a gaseous state and the NH3 300 cracking reactor that decomposes the gaseous ammonia into a mixture of hydrogen, nitrogen and unreacted ammonia. Once the appropriate mixture is created, the flow of the NH3/H2/N2 gas mixture inside the gas turbine feed line 1 is controlled according to gas turbine control programs. During all gas turbine sequences (ramp-up, loading operations, normal shutdown) a gas turbine control system manages the composition requirements of the residual hydrogen, nitrogen and ammonia mixture of gas turbine feedline 1 by acting on the NH3300 cracking reactor parameters and managing the flow ratio between gas turbine feedline 1 and NH3 gas feedline 2. Emergency gas turbine shutdown allows immediate isolation of the gas turbine auxiliary system for NH3 conditioning from the gas turbine and de-energization of the NH3 200 heater/vaporizer/pressurizer and the NH3 300 cracking reactor according to its specific safety requirements. The NH3300 cracking reactor also separates nitrogen from the unreacted hydrogen, nitrogen and ammonia gas mixture and then provides a stream of N2 in the N2 gas flow outlet line 8, which can be used for various applications, such as N2 storage or gas turbine blowdown services.
Il funzionamento del sistema ausiliario della turbina a gas per il condizionamento di NH3 di figura 3 ? controllato attraverso una pluralit? di valvole di controllo azionate secondo un metodo di controllo che sar? spiegato qui di seguito. Lungo la linea di alimentazione 1 della turbina a gas ? disposta una valvola di flusso del gas 21, in particolare una valvola 21, per controllare lo scorrimento del flusso di miscela di gas NH3/H2/N2 all?interno della linea di alimentazione 1 della turbina a gas. Una valvola di scorrimento del flusso di bypass 22 del gas NH3 ? disposta lungo la linea di flusso di bypass 11 del gas NH3 per controllare lo scorrimento del flusso di bypass del gas NH3 diretto alla turbina a gas tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3, e viceversa lo scorrimento del flusso di gas NH3 diretto al reattore di cracking 300 attraverso la linea di alimentazione 6 del reattore di cracking. Una valvola di scorrimento 23 del flusso di separazione di bypass del gas NH3 ? disposta lungo la linea di flusso di separazione di bypass 10 del gas NH3 per controllare la quantit? di flusso di bypass del gas NH3 indirizzata alla linea di uscita 7 del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2, per controllare la composizione del flusso di miscela NH3/H2/N2 diretto alla turbina a gas 100 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas. Lungo la linea di bypass 9 del gas N2 ? disposta una valvola di scorrimento 24 del flusso di bypass del gas N2 per controllare il flusso di azoto della linea di uscita 8 del flusso di gas N2 dal reattore di cracking di NH3 300 utilizzato per miscelarsi con il flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 diretto alla turbina a gas 100 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas. Inoltre, una valvola di scorrimento 25 del flusso di alimentazione di N2 della turbina a gas ? disposta lungo la linea di flusso di alimentazione 3 del gas N2, per controllare il flusso di azoto della linea di uscita 8 del flusso di gas N2 dal reattore di cracking di NH3300 diretto alla turbina a gas 100. Infine, una valvola di flusso di recupero calore 26 ? disposta sulla prima sottolinea 13 di recupero calore per controllare la parte del flusso di recupero del calore del gas di scarico dalla turbina a gas 100 che ? diretta al reattore di cracking di NH3300 e viceversa la parte del flusso di recupero del calore diretta al riscaldatore/vaporizzatore/pressurizzatore di NH3 200. La valvola 21 del flusso di gas, la valvola di scorrimento 22 del flusso di bypass del gas NH3, la valvola di scorrimento 23 del flusso di bypass del gas NH3, la valvola di scorrimento 24 del flusso di bypass del gas N2, la valvola di scorrimento 25 del flusso di alimentazione N2 della turbina a gas e la valvola 26 del flusso del recupero di calore possono essere valvole ad azionamento elettrico, valvole ad azionamento pneumatico o valvole ad azionamento idraulico. The operation of the auxiliary system of the gas turbine for conditioning NH3 of Figure 3 is controlled through a plurality of control valves operated in accordance with a control method which will be explained below. A gas flow valve 21, specifically a valve 21, is arranged along the gas turbine feed line 1 to control the flow of the NH3/H2/N2 gas mixture into the gas turbine feed line 1. An NH3 gas bypass flow valve 22 is arranged along the NH3 gas bypass flow line 11 to control the flow of the NH3 gas bypass flow to the gas turbine via the NH3 gas feed flow line 2, and vice versa the flow of the NH3 gas flow to the cracking reactor 300 via the cracking reactor feed line 6. An NH3 gas bypass flow separation valve 23 is arranged along the NH3 gas bypass flow line 11 to control the flow of the NH3 gas bypass flow to the gas turbine via the NH3 gas feed flow line 2, and vice versa the flow of the NH3 gas flow to the cracking reactor 300 via the cracking reactor feed line 6. An NH3 gas bypass flow separation valve 24 is arranged along the NH3 gas bypass flow line 11 to control the flow of the NH3 gas bypass flow to the gas turbine via the NH3 gas feed line 2, and vice versa the flow of the NH3 gas flow to the cracking reactor 300 via the cracking reactor feed line 6. arranged along the NH3 gas bypass separation flow line 10 to control the amount of NH3 gas bypass flow directed to the NH3/H2/N2 gas mixture flow outlet line 7, to control the composition of the NH3/H2/N2 mixture flow directed to the gas turbine 100 via the gas turbine feed line 1. Arranged along the N2 gas bypass line 9 is an N2 gas bypass flow slide valve 24 to control the nitrogen flow of the N2 gas flow outlet line 8 from the NH3 cracking reactor 300 used to mix with the NH3/H2/N2 gas mixture flow directed to the gas turbine 100 via the gas turbine feed line 1. In addition, a gas turbine N2 feed flow slide valve 25 is an N2 gas bypass flow slide valve 26. arranged along the N2 gas feed flow line 3, to control the nitrogen flow of the N2 gas outlet flow line 8 from the NH3300 cracking reactor to the gas turbine 100. Finally, a heat recovery flow valve 26 is arranged on the first heat recovery outlet 13 to control the heat recovery flow portion of the exhaust gas from the gas turbine 100 that is directed to the gas turbine 100. directed to the NH3300 cracking reactor and vice versa the heat recovery flow part directed to the NH3 200 heater/vaporizer/pressurizer. The gas flow valve 21, the NH3 gas bypass flow slide valve 22, the NH3 gas bypass flow slide valve 23, the N2 gas bypass flow slide valve 24, the gas turbine N2 feed flow slide valve 25 and the heat recovery flow valve 26 may be electrically operated valves, pneumatically operated valves or hydraulically operated valves.
Con riferimento ancora alla figura 3, secondo lo schema a blocchi dell?architettura di controllo del sistema di generazione di energia mostrato in figura 4, le valvole di flusso 21-25 e la valvola di flusso 26 di recupero del calore vengono azionate come segue. I parametri di ingresso all?unit? di controllo della turbina a gas 30 sono i parametri della turbina a gas 31, i parametri di combustione 32 ed i requisiti per NOx 33. La quantit? totale di gas alimentata alla turbina a gas come somma del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 (m1) tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas, della linea del flusso di alimentazione 2 del gas NH3 e del flusso di alimentazione del gas N2 (m3) tramite la linea di flusso di alimentazione 3 del gas N2 ? una funzione dei parametri della turbina a gas: Referring again to Figure 3, according to the block diagram of the power generation system control architecture shown in Figure 4, the flow valves 21-25 and the heat recovery flow valve 26 are operated as follows. The input parameters to the gas turbine control unit 30 are the gas turbine parameters 31, the combustion parameters 32 and the NOx requirements 33. The total amount of gas fed to the gas turbine as the sum of the NH3/H2/N2 gas mixture flow (m1) via the gas turbine feed line 1, the NH3 gas feed flow line 2 and the N2 gas feed flow (m3) via the N2 gas feed flow line 3 is a function of the gas turbine parameters:
m1 m2 m3 = f(parametri GT) La composizione volumetrica del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 nella linea di alimentazione 1 della turbina a gas (indicata con il numero di riferimento 34 in figura 2); il rapporto 35 del flusso di massa del gas NH3 m2 tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 e del flusso di massa totale del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 m1 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas e del flusso di alimentazione del gas NH3 m2 verso la turbina a gas tramite la linea di alimentazione 2 del gas NH3; e il rapporto 36 del flusso di massa del gas N2 tramite la linea di flusso di alimentazione 3 del gas N2 e del flusso di massa totale del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas e del flusso di alimentazione del gas NH3 verso la turbina a gas tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 sono funzione dei parametri di combustione e dei requisiti per NOx: m1 m2 m3 = f(GT parameters) The volumetric composition of the NH3/H2/N2 gas mixture flow in the gas turbine feed line 1 (denoted by reference number 34 in Figure 2); the ratio 35 of the NH3 gas mass flow m2 via the NH3 gas feed line 2 and the total mass flow of the NH3/H2/N2 gas mixture flow m1 via the gas turbine feed line 1 and the NH3 gas feed flow m2 to the gas turbine via the NH3 gas feed line 2; and the ratio 36 of the N2 gas mass flow via N2 gas feed flow line 3 and the total mass flow of the NH3/H2/N2 gas mixture flow via gas turbine feed line 1 and the NH3 gas feed flow to the gas turbine via NH3 gas feed flow line 2 are a function of the combustion parameters and NOx requirements:
x1i = f(parametri di combustione; requisiti per NOx) m2/(m1 m2) = f(parametri di combustione; requisiti per NOx) x1i = f(combustion parameters; NOx requirements) m2/(m1 m2) = f(combustion parameters; NOx requirements)
m3/(m1 m2) = f(parametri di combustione; requisiti per NOx) m3/(m1 m2) = f(combustion parameters; NOx requirements)
Questi parametri sono l?ingresso di un?unit? di controllo ausiliaria 37, che controlla il funzionamento delle valvole di flusso 21-25 e della valvola di flusso di recupero di calore 26 secondo le seguenti relazioni. Il funzionamento Y21 della valvola di flusso del gas 21 che controlla la quantit? di flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 che scorre all?interno della linea di alimentazione 1 della turbina a gas, ? una funzione della quantit? totale di gas alimentata alla turbina a gas tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas (m1), la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 (m2) e la linea di flusso di alimentazione 3 del gas N2 (m3): These parameters are the input of an auxiliary control unit 37, which controls the operation of the flow valves 21-25 and the heat recovery flow valve 26 according to the following relationships. The operation Y21 of the gas flow valve 21 which controls the flow amount of the NH3/H2/N2 gas mixture flowing into the gas turbine feed line 1, is a function of the total amount of gas fed to the gas turbine via the gas turbine feed line 1 (m1), the NH3 gas feed line 2 (m2) and the N2 gas feed line 3 (m3):
Y21 = f(m1 m2 m3) Y21 = f(m1 m2 m3)
Il funzionamento Y22 della valvola 22 del flusso di bypass del gas NH3 ? una funzione del rapporto 35 del flusso di massa del gas NH3 tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 e del flusso di massa totale del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas e del flusso di alimentazione del gas NH3 verso la turbina a gas tramite la linea di alimentazione 2 del gas NH3: The operation Y22 of the NH3 gas bypass flow valve 22 is a function of the ratio 35 of the NH3 gas mass flow via NH3 gas feed line 2 and the total mass flow of the NH3/H2/N2 gas mixture flow via gas turbine feed line 1 and the NH3 gas feed flow to the gas turbine via NH3 gas feed line 2:
Y22 = f(m2/(m1 m2)) Y22 = f(m2/(m1 m2))
Il funzionamento Y23 della valvola di flusso di separazione di bypass 23 del gas NH3 ? una funzione della composizione volumetrica del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 nella linea di alimentazione 1 della turbina a gas: The operation Y23 of the NH3 gas bypass separation flow valve 23 is a function of the volumetric composition of the NH3/H2/N2 gas mixture flow in the gas turbine feed line 1:
Y23 = f(x1i) Y23 = f(x1i)
Anche il funzionamento Y24 della valvola 24 del flusso di bypass del gas N2 ? una funzione della composizione volumetrica del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 nella linea di alimentazione 1 della turbina a gas: The operation Y24 of the N2 gas bypass flow valve 24 is also a function of the volumetric composition of the NH3/H2/N2 gas mixture flow in the gas turbine feed line 1:
Y24 = f(x1i) Y24 = f(x1i)
Il funzionamento Y25 della valvola 25 del flusso di alimentazione di N2 della turbina a gas ? una funzione del rapporto 36 del flusso di massa m3 del gas N2 tramite la linea di flusso di alimentazione 3 del gas N2 e del flusso di massa totale del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 tramite la linea di alimentazione 1 della turbina a gas e del flusso di alimentazione del gas NH3 verso la turbina a gas tramite la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3: The Y25 operation of the gas turbine N2 feed flow valve 25 is a function of the ratio 36 of the mass flow m3 of the N2 gas via the N2 gas feed flow line 3 and the total mass flow of the NH3/H2/N2 gas mixture flow via the gas turbine feed line 1 and the NH3 gas feed flow to the gas turbine via the NH3 gas feed flow line 2:
Y25 = f(m3/(m1 m2)) Y25 = f(m3/(m1 m2))
Infine, il funzionamento della valvola di flusso di recupero calore 26 ? una funzione della composizione volumetrica del flusso della miscela di gas NH3/H2/N2 nella linea di alimentazione 1 della turbina a gas: Finally, the operation of the heat recovery flow valve 26 is a function of the volumetric composition of the NH3/H2/N2 gas mixture flow in the gas turbine feed line 1:
Y26 = f(x1i) Y26 = f(x1i)
Il metodo di controllo sopra descritto consente di modificare la composizione del combustibile alla turbina a gas e di iniettare ammoniaca e azoto in qualsiasi rapporto secondo eventuali esigenze del combustore e della turbina a gas (queste esigenze non essendo parte della presente descrizione). The control method described above allows the composition of the fuel to be changed in the gas turbine and ammonia and nitrogen to be injected in any ratio according to any requirements of the combustor and gas turbine (these requirements not being part of this description).
Ad esempio: se il combustore richiede un combustibile ricco di idrogeno ma un fluido inerte consistente (N2) per ridurre le temperature della fiamma e aumentare la potenza della turbina a gas, allora ? applicabile il Caso 1 della seguente Tabella 1. Se il combustore richiede un combustibile ricco di idrogeno ma una consistente iniezione separata di ammoniaca, per ottimizzare l?emissione di NOx, ? applicabile il Caso 3 della Tabella 1. Nel caso in cui il combustore non richieda quantit? elevate di idrogeno, ? applicabile il Caso 2 della Tabella 1, ovvero elevata ammoniaca separata ed elevato azoto separato. For example: if the combustor requires a hydrogen-rich fuel but a large inert fluid (N2) to reduce flame temperatures and increase gas turbine power, then Case 1 of Table 1 below is applicable. If the combustor requires a hydrogen-rich fuel but a large separate ammonia injection, to optimize NOx emission, then Case 3 of Table 1 is applicable. If the combustor does not require large amounts of hydrogen, then Case 2 of Table 1 is applicable, i.e. large separated ammonia and large separated nitrogen.
Tabella 1 Table 1
Continuando a fare riferimento alla figura 1, figura 2, figura 3 e figura 4, la figura 5 illustra una terza forma di realizzazione di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprendente un dispositivo di cracking dell?ammoniaca. Gli stessi numeri di riferimento indicano parti, elementi o componenti uguali o corrispondenti gi? illustrati in figura 1, figura 2, figura 3 e figura 4 e sopra descritti, e che non verranno pi? descritti. Continuing to refer to Figure 1, Figure 2, Figure 3 and Figure 4, Figure 5 illustrates a third embodiment of a power generation system using a gas turbine and including an ammonia cracking device. The same reference numbers indicate the same or corresponding parts, elements or components already illustrated in Figure 1, Figure 2, Figure 3 and Figure 4 and described above, and which will not be described again.
La forma di realizzazione mostrata in figura 5 differisce dalla forma di realizzazione di figura 3 in quanto almeno parte del flusso di gas di N2 proveniente dal reattore di cracking 300 non ? diretto alla turbina a gas 100, ma viene raccolto e utilizzato per scopi diversi. Secondo questa forma di realizzazione, la linea di uscita 8 del flusso di gas N2 ? collegata a valle ad una linea di prelievo 3? di gas N2. Una valvola di flusso 25? ? disposta lungo la linea di prelievo 3? di gas N2, per controllare il flusso di azoto della linea di uscita 8 del flusso di gas N2 dal reattore di cracking di NH3300 diretto agli usi esterni. Il metodo di controllo per questa forma di realizzazione differisce da quello descritto con riferimento a figura 3 e figura 4 in quanto l?azionamento Y25 della valvola di flusso 25? ? funzione di esigenze che non formano oggetto della presente invenzione: The embodiment shown in FIG. 5 differs from the embodiment of FIG. 3 in that at least part of the N2 gas flow from the cracking reactor 300 is not directed to the gas turbine 100, but is collected and used for other purposes. In this embodiment, the outlet line 8 of the N2 gas flow is connected downstream to an N2 gas tap line 3?. A flow valve 25? is disposed along the N2 gas tap line 3? to control the nitrogen flow from the outlet line 8 of the N2 gas flow from the NH3300 cracking reactor to external uses. The control method for this embodiment differs from that described with reference to FIG. 3 and FIG. 4 in that the actuation Y25 of the flow valve 25? is a function of needs that are not the subject of the present invention:
Y25? = f(altri requisiti) Y25? = f(other requirements)
Continuando a fare riferimento alla figura 1, figura 2, figura 3, figura 4 e figura 5, la figura 6 illustra una quarta forma di realizzazione di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprendente un dispositivo di cracking dell?ammoniaca. Gli stessi numeri di riferimento indicano parti, elementi o componenti uguali o corrispondenti gi? illustrati in figura 1, figura 2, figura 3, figura 4 e figura 5 e sopra descritti, e che non verranno pi? descritti. Continuing to refer to Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4 and Figure 5, Figure 6 illustrates a fourth embodiment of a power generation system using a gas turbine and including an ammonia cracking device. The same reference numbers indicate the same or corresponding parts, elements or components already illustrated in Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4 and Figure 5 and described above, and which will not be described again.
La forma di realizzazione mostrata in figura 6 differisce dalle forme di realizzazione di figura 3 e figura 5 in quanto i punti di iniezione della linea di alimentazione 1 della turbina a gas e della linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 sono scambiati. Lo scambio dei punti di iniezione pu? essere necessario per tenere conto delle diverse tecnologie di combustione che potrebbero essere applicate alla turbina a gas con diversa evoluzione della fiamma lungo il percorso del flusso all?interno del combustore. In particolare, secondo tale forma di realizzazione, la linea di alimentazione 1 della turbina a gas ? diretta verso lo stadio secondario della turbina a gas della turbina a gas 100 e la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 ? diretta verso lo stadio primario della turbina a gas della turbina a gas 100. Il metodo di controllo per questa forma di realizzazione ? lo stesso descritto con riferimento alla figura 3 e alla figura 4. The embodiment shown in Figure 6 differs from the embodiments of Figures 3 and 5 in that the injection points of the gas turbine feed line 1 and the NH3 gas feed flow line 2 are swapped. Swapping the injection points may be necessary to account for different combustion technologies that may be applied to the gas turbine with different flame evolution along the flow path within the combustor. In particular, according to this embodiment, the gas turbine feed line 1 is directed to the secondary gas turbine stage of the gas turbine 100 and the NH3 gas feed flow line 2 is directed to the primary gas turbine stage of the gas turbine 100. The control method for this embodiment is the same as described with reference to Figure 3 and Figure 4.
Inoltre, sempre con riferimento alle figure 1-6, la figura 7 illustra una quinta forma di realizzazione di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e che comprende un dispositivo di cracking dell?ammoniaca. Gli stessi numeri di riferimento indicano parti, elementi o componenti uguali o corrispondenti gi? illustrati nelle figure 1-6 e sopra descritti, e che non verranno pi? descritti. La forma di realizzazione mostrata in figura 7 differisce dalle forme di realizzazione delle figure 3-6 in quanto almeno parte del flusso di gas N2 proveniente dal reattore di cracking 300 non ? diretto alla turbina a gas 100, ma viene raccolto e utilizzato per scopi diversi, ed i punti di iniezione della linea di alimentazione 1 della turbina a gas e della linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3 vengono scambiati. In particolare, secondo questa forma di realizzazione, la linea di alimentazione 1 della turbina a gas ? diretta allo stadio secondario della turbina a gas della turbina a gas 100 e la linea di alimentazione 2 del gas NH3 ? diretta allo stadio primario della turbina a gas della turbina a gas 100. Inoltre, la linea di uscita 8 del flusso di gas N2 ? collegata a valle ad una linea di prelievo 3? di gas N2. Il metodo di controllo per questa forma di realizzazione ? lo stesso descritto con riferimento alla figura 5. Furthermore, still with reference to Figures 1-6, Figure 7 illustrates a fifth embodiment of a power generation system using a gas turbine and comprising an ammonia cracking device. The same reference numbers indicate the same or corresponding parts, elements or components already illustrated in Figures 1-6 and described above, and which will not be described again. The embodiment shown in Figure 7 differs from the embodiments of Figures 3-6 in that at least part of the N2 gas flow from the cracking reactor 300 is not directed to the gas turbine 100, but is collected and used for different purposes, and the injection points of the gas turbine feed line 1 and the NH3 gas feed line 2 are exchanged. In particular, according to this embodiment, the gas turbine feed line 1 is directed to the gas turbine secondary stage of the gas turbine 100 and the NH3 gas feed line 2 is directed to the gas turbine secondary stage of the gas turbine 100. directed to the primary stage of the gas turbine of the gas turbine 100. Furthermore, the outlet line 8 of the N2 gas flow is connected downstream to a N2 gas pick-up line 3?. The control method for this embodiment is the same as described with reference to Figure 5.
Infine, continuando a fare riferimento alle figure 17, la figura 8 illustra una sesta forma di realizzazione di un sistema di generazione di energia che utilizza una turbina a gas e comprendente un dispositivo di cracking dell?ammoniaca. Gli stessi numeri di riferimento indicano parti, elementi o componenti uguali o corrispondenti gi? illustrati nelle figure 1-7 e sopra descritti, e che non verranno pi? descritti. Finally, continuing to refer to Figures 17, Figure 8 illustrates a sixth embodiment of a power generation system using a gas turbine and comprising an ammonia cracking device. The same reference numbers indicate equal or corresponding parts, elements or components already illustrated in Figures 1-7 and described above, and which will not be described again.
La forma di realizzazione mostrata in figura 8 differisce dalle forme di realizzazione delle figure 3-7 in quanto almeno parte del flusso di gas N2 proveniente dal reattore di cracking 300 non ? diretto alla turbina a gas 100, ma ? indirizzato alla linea di alimentazione 2 del gas NH3. In particolare, secondo questa forma di realizzazione, almeno parte del flusso di gas N2 proveniente dal reattore di cracking 300 viene utilizzato per spurgare la linea di flusso di alimentazione 2 del gas NH3, quando necessario. The embodiment shown in Figure 8 differs from the embodiments of Figures 3-7 in that at least part of the N2 gas flow from the cracking reactor 300 is not directed to the gas turbine 100, but is directed to the NH3 gas feed line 2. In particular, according to this embodiment, at least part of the N2 gas flow from the cracking reactor 300 is used to purge the NH3 gas feed flow line 2, when necessary.
Mentre gli aspetti dell?invenzione sono stati descritti in termini di varie forme di realizzazione specifiche, risulter? evidente agli ordinari esperti del ramo che molte modifiche, cambiamenti ed omissioni sono possibili senza allontanarsi dallo spirito e dall?ambito delle rivendicazioni. Inoltre, se non diversamente specificato nel presente documento, l?ordine o la sequenza di qualsiasi processo o fase del metodo possono essere variati o ri-sequenziati secondo forme di realizzazione alternative. While aspects of the invention have been described in terms of various specific embodiments, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that many modifications, changes and omissions are possible without departing from the spirit and scope of the claims. Furthermore, unless otherwise specified herein, the order or sequence of any process or method steps may be varied or re-sequenced in accordance with alternative embodiments.
Claims (19)
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