專利名稱：一種燃氣輪機-空氣分離裝置組合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃氣輪機-空氣分離裝置組合的系統(tǒng)。
燃氣輪機發(fā)動機在許多工業(yè)上被用作動力裝置，例如航空、管道煤氣傳送、石油、煉鋼、船舶和電力公用事業(yè)。對于許多固定的和移動的應(yīng)用情況，其性能已被證明優(yōu)于那些與之競爭的動力裝置。隨著燃氣輪機發(fā)動機的普遍使用，在其效率和動力輸出上即使微小的提高也是非常期望并且是需要的。因此，燃氣輪機發(fā)動機已經(jīng)在聯(lián)合蒸汽和燃氣裝置中以各種方式與汽輪機相組合。
為了提高效率，燃氣輪機發(fā)動機也已經(jīng)被用于煤的氣化裝置中，氣化裝置的形式基本上包含有空氣分離裝置和煤氣發(fā)生裝置。在空氣分離裝置中產(chǎn)生一種富氧流體。在煤氣發(fā)生裝置中，用富氧流體來部分地氧化煤，以生成可燃氣體。這種可燃氣體用作燃氣輪機發(fā)動機的燃料。而這種裝置的效率和動力輸出即使是微小的進一步提高也是非常期望的。
本發(fā)明通過設(shè)置一個有利于將燃氣輪機發(fā)動機和空氣分離裝置結(jié)合的系統(tǒng)，而將明顯地滿足上述及其他各種要求。在本發(fā)明一個實施例中該系統(tǒng)包含(a)一個具有壓縮機和燃燒器的燃氣輪機發(fā)動機;
(b)一個至少能生成一種富氮流體的空氣分離裝置;
(c)一個膨脹器用來膨脹并因而冷卻至少一部分從空氣分離裝置中排出后的富氮流體;和(d)將富氮流體已膨脹部分從膨脹器輸送到燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機的入口的管道。
在本發(fā)明一個實施例中，該系統(tǒng)還包含一第二壓縮機，用來壓縮從空氣分離裝置中抽出后的富氮流體，還包含有冷卻裝置，用于冷卻在膨脹器中膨脹之前已經(jīng)被壓縮的氮流體。
本發(fā)明還提出一種用來操作結(jié)合有燃氣輪機發(fā)動機和空氣分離裝置的系統(tǒng)。該方法包含有下列步驟(a)由空氣分離裝置產(chǎn)生至少一種富氮流體;
(b)膨脹至少一部分從空氣分離裝置中排出后的富氮流體;和(c)將富氮流體的已被膨脹的部分輸送到燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機的入口。
在另一個實施例中，該方法還包含有壓縮和冷卻一部分從空氣分離裝置中抽出后的但在膨脹之前的富氮流體。
現(xiàn)在參照下面的具體實施例并配合有關(guān)附圖可更好地理解本發(fā)明的上述和其他目的、結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)點。附圖中

圖1是一個流程圖，其表示包含本發(fā)明一個實施例的各個裝置，以及各裝置之間的流體的流向;和圖2也是一個流程圖，其表示包含本發(fā)明另一實施例的各裝置，以及各裝置之間的流體的流向。
這里所用的富氮流體是指一種含氮量大于空氣含氮量的流體，典型地按容積計為85%至100%含氮量。
這里所用的富氮流體是指一種含氧量大于空氣含氧量的流體，典型地按容積計為80%至100%含氧量。
空氣分離裝置是指一種可將空氣分離成富氧流體和富氮流體的裝置。
本發(fā)明是針對一種結(jié)合有燃氣輪機發(fā)動機和空氣分離裝置的系統(tǒng)。圖1表示出本發(fā)明的一個具體實施例。該系統(tǒng)具有一個接收大氣中空氣流12的空氣分離裝置10，且其一般產(chǎn)生出富氧流體14或生成氧產(chǎn)品流體，以及還產(chǎn)生出至少一種富氮流體16。富氮流體往往是一種無用流體，其一般部分或全部排放到大氣中。
該系統(tǒng)還有一個燃氣輪機發(fā)動機18，該發(fā)動機具有帶有入口和出口的壓縮機20，帶有入口和出口的燃燒器22，以及帶有入口和出口的渦輪機24。壓縮機20的入口吸入空氣，而其出口則與燃燒器22的入口相連，且燃燒器的出口與渦輪機24的入口連接，而渦輪機出口則向低壓散熱器例如向大氣中排放。燃料流體26進入燃燒器22中，在那里與壓縮空氣一起燃燒。燃燒形成的熱氣流膨脹到接近渦輪機中的環(huán)境壓力。燃氣輪機發(fā)動機的動力輸出可導(dǎo)引到發(fā)電機28，用以產(chǎn)生電力，此電力可使用到空氣分離裝置10或其他裝置上。另一種可取方案是將軸動力用機械方法從燃氣輪機發(fā)動機18傳遞到空氣分離裝置10上。
一種有益于本發(fā)明使用的空氣分離裝置的型式是高壓低溫空氣分離裝置。富氮流體一般離開這一裝置時的成分按容量計約為85%至100%的氮含量，溫度接近環(huán)境溫度，而壓力約為200至約1000千帕(KPa)，最常見的約為415至約450千帕(KPa)。上述特性對使用至少一部分這種流體特別有吸引力。在圖1所示實施例中，至少有一部分富氮流體16在膨脹器30內(nèi)被膨脹到接近環(huán)境壓力，從而進一步降低流體的溫度。一般來說，當(dāng)環(huán)境溫度約為288K而富氮流體從空氣分離裝置取出壓力為425千帕(KPa)時，則經(jīng)膨脹后的流體溫度約為208K;當(dāng)環(huán)境溫度約為305K而富氮流體從空氣分離裝置取出壓力為425千帕(KPa)時，膨脹后的流體溫度約為220K。
膨脹后的富氮流體通過管道32被輸送到燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機20的入口，并與通向燃氣輪機發(fā)動機的空氣吸入氣流34混合，以構(gòu)成通向燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機20的總輸入流體36。構(gòu)成通向壓縮機20的總輸入流體36中富氮流體的成分取決于若干因素。富氮流體16和大小受到從空氣分離裝置10可獲得的富氮流體流量的限制。富氮流體的成分必須使總輸入流體中要有足夠的空氣，以使總輸入流體中有足夠的氧以維持在燃氣輪機發(fā)動機的燃燒器中的燃燒。富氮流體的成分也不能太高，以致總輸入流體的溫度被降低到燃氣輪機發(fā)動機壓縮機入口所允許的最低溫度以下。
由于這些因素，構(gòu)成通向壓縮機的總輸入流體的富氮流體的成分，范圍按容量計約為2%至約30%氮含量，通常約為5%至約15%。一般包含富氮流體的燃氣輪機輸入流按容量計約為7.3%，當(dāng)環(huán)境溫度約為288K且膨脹后的富氮流體的溫度約為208K時，混合輸入流的溫度約為280K。而當(dāng)環(huán)境溫度約為305K，且膨脹后的富氮流體的溫度約為220K時，混合輸入流的溫度約為300K。因此，通向燃氣輪機發(fā)動機的入口輸入流溫度的顯著降低是以綜合提高燃氣輪機發(fā)動機和系統(tǒng)的吸入空氣量、效率和動力輸出來達到的。吸入空氣量的增加達到10%，系統(tǒng)效率可提高達到4%，而系統(tǒng)凈動力輸出的增加則達到10%，在此該系統(tǒng)包含著聯(lián)合的烯氣輪機和空氣分離裝置。這些改進是相對于一個使用將氮加到燃氣輪機發(fā)動機燃燒器以作為NOx(氮氧)控制的類似系統(tǒng)而言的，其中從發(fā)動機排出NOx(氮氧)的含量在兩種情況下都小于百萬分之25(ppm)。
對燃氣輪機壓縮機入口增加富氧流體而得到的另一好處是使燃氣輪機NOx(氮氧)的排出減少。燃燒空氣含氮量的減少則降低最高燃燒溫度，因而也就減少NOx(氮氧)的形成。
另一種選擇是，為了減少燃氣輪機發(fā)動機NOx(氮氧)的排放，可將一水流38，作為蒸汽或作為在燃燒器內(nèi)蒸發(fā)的液體，增加到燃氣輪機發(fā)動機的燃燒器中。隨著水加到燃燒器中，為達到最佳NOx(氮氧)的減少可使所需要加到壓縮機中的富氮流體的量減少。
另一種選擇是，儲如機械冷凍器或汽化冷卻器等冷卻裝置40可用來予冷進入燃氣輪機發(fā)動機壓縮機的空氣。這種預(yù)冷增添了增加到燃氣輪機發(fā)動機壓縮機入口的富氮流體的作用，這些作用是提高燃氣輪機發(fā)動機壓縮機的容量、燃氣輪機發(fā)動機的動力輸出和燃氣輪機發(fā)動機循環(huán)的效率。抵消預(yù)冷的優(yōu)點是，所需冷卻裝置的費用和空氣流在通過冷卻裝置時壓力降減少。
另一種選擇，也可以示于減少燃氣輪機發(fā)動機NOx(氮氧)排出的目的，從空氣分離裝置中提取第二富氮流體42。第二富氮流體42可以是上述富氮流體16的一部分。至少有一部分第二富氮流體在壓縮機44內(nèi)被壓縮到一個壓力，以使其能經(jīng)由管道32被輸送到燃氣輪機發(fā)動機的燃燒器的入口，在此處含氮流體與從燃氣輪機發(fā)動機壓縮機排出的輸入流體相混合。隨著第二富氮流體42增加到燃燒器里，使為達到最佳NOx(氮氧)的減少而加到壓縮器富氮流體16的量減少。
在已有技術(shù)中，減少從燃氣輪機發(fā)動機排放NOx(氮氣)的量在某些情況下一直是完全靠向燃氣輪機發(fā)動機燃燒器導(dǎo)入大量富氮流體來達到。在這種情況下在燃氣輪機發(fā)動機壓縮機入口要求有減少的質(zhì)量流，這一目的是通過局部關(guān)閉壓縮機入口處的導(dǎo)流葉片來達到的。隨著壓縮機入口導(dǎo)流葉片的局部關(guān)閉，燃氣輪機壓縮機的效率和燃氣輪機發(fā)動機的總工作效率就降低。上述缺點可通過本發(fā)明設(shè)計予以排除，其中，增加到壓縮機入口的富氮流體增進了對燃氣輪機發(fā)動機壓縮機的入口氣流。在本發(fā)明中即使是選擇將富氮流體導(dǎo)入到燃燒器入口來幫助減少NOx(氮氧)的排放的情況下，達到最佳NOx(氮氧)減少的這一流體的量也是不大的。因而，使壓縮機入口氣流保持足夠大，就無需關(guān)閉壓縮機入口的導(dǎo)流葉片。
在圖2所示的另一實施例中，該系統(tǒng)采用一低壓空氣分離裝置10，其中富氮流體在接近環(huán)境壓力下排放，要增加到燃氣輪機發(fā)動機壓縮機20的入口上的富氮流體16在壓縮機46內(nèi)被壓縮到一相當(dāng)于環(huán)境壓力的約1.4倍至約14倍的壓力。然后經(jīng)壓縮后流體在冷卻裝置48內(nèi)被冷卻到最好接近環(huán)境溫度，一般是在熱交換器內(nèi)用水或環(huán)境空氣(大氣)來冷卻，經(jīng)壓縮并冷卻后的流體然后在膨脹器50內(nèi)膨脹到接近大氣壓力。圖2的實施例的其他裝置與圖1實施例中的那些裝置相似，其中相似的裝置標(biāo)以相同件號。
一般在圖2的實施例中，當(dāng)環(huán)境溫度約為288K時，要增加到壓縮機入口的富氮流體就被壓縮到425千帕(KPa)的壓力，然后在后續(xù)冷卻器內(nèi)冷卻到290K的溫度。接著，經(jīng)壓縮和冷卻后的流體在膨脹機進行膨脹，一般膨脹至壓力約為104千帕(KPa)，溫度則約為208K。隨著含膨脹后富氮流體的約7.3%燃氣輪機壓縮機輸入流體，混合后的燃氣輪機輸入壓縮機氣流的溫度約為280K。進入空氣量總增加值約為2.9%，系統(tǒng)效率的增加值約為3%，而系統(tǒng)的凈動力輸出的增加值則約為25%。
一般來說，當(dāng)環(huán)境溫度約為305K時，要增加到壓縮機入口的富氮流體被壓縮到425千帕(KPa)的壓力，并被冷卻到308K的溫度。接著，使經(jīng)壓縮和冷卻的流體在膨脹器內(nèi)進行膨脹，一般膨脹至壓力約為104千帕(KPa)，且溫度約為220K的溫度。隨著包含膨脹后的富氮流體約7.3%的燃氣輪機壓縮機輸入流，混合后的燃氣輪機輸入壓縮機氣流的溫度約為300K的溫度。進口空氣容量的總增加值約為1.7%，系統(tǒng)效率的增加值約為2.5%，而系統(tǒng)凈動力輸出的增加值約為2%。
雖然本發(fā)明對于特定的實施例作了描述，但應(yīng)當(dāng)理解，其意圖在于包括在所附權(quán)利要求范圍的任何改進及變型都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)合有燃氣輪機發(fā)動機和空氣分離裝置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含(a)一燃氣輪機發(fā)動機，其具有一個帶有入口和出口的壓縮機，一個帶有入口和出口的燃燒器，和一個帶有入和出口的渦輪機。壓縮機的入口用于接收空氣，壓縮機的出口連接到燃燒器的入口，燃燒器的出口連接到渦輪機的入口上，而渦輪機的出口則連接到一低壓散熱器用以排放；(b)一空氣分離裝置，其能產(chǎn)生至少一股富氮流體；(c)一膨脹器，其用于膨脹并由此冷卻至少一部分從所述空氣分離裝置排出后的所述富氮流體；和(d)管道，其用于將所述富氮流體的所述經(jīng)膨脹的部分從所述膨脹器輸送到所述燃氣輪機發(fā)動機的所述壓縮機入口。
2.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包含一第二壓縮機和冷卻裝置，所述第二壓縮機和冷卻裝置用于壓縮和冷卻從所述空氣分離裝置排出的但在所述膨脹器內(nèi)膨脹之前的所述富氮流體的所述經(jīng)膨脹的部分。
3.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包含一第三壓縮機及管道，所述第三壓縮機用于壓縮至少一部分從所述空氣分離裝置排出后的第二富氮流體;而管道則用于將所述第二流體的所述部分輸送到所述燃氣輪機發(fā)動機的所述燃燒器的入口。
4.一種操作聯(lián)合有燃氣輪機發(fā)動機和空氣分離裝置的系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包含一個空氣分離裝置和一個有壓縮機和壓縮機入口的燃氣輪機發(fā)動機，以便增加該燃氣輪機發(fā)動機的動力輸出和效率并減少燃氣輪機發(fā)動機的NOx(氮氧)的排放，所述方法包含(a)由空氣分離裝置提供富氮流體;(b)膨脹并由此冷卻至少一部分所述富氮流體;和(c)將所述富氮流體的所述經(jīng)膨脹的部分輸送到所述燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機的入口，使其與進入壓縮機入口的空氣流相結(jié)合，以形成一股至壓縮機入口的總輸入流。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其還包含對所述富氮流體的所述部分在進行所述膨脹之前予以壓縮并接著冷卻。
6.按權(quán)利要求4的方法，其中所述燃氣輪機發(fā)動機還包含一個帶有入口的燃燒器，而所述方法還包含(d)提供一第二富氮流體;(e)壓縮至少一部分所述第二富氮流體;和(f)將所述部分第二富氮流體輸送到所述燃氣輪機的燃燒器的入口。
7.按權(quán)利要求4所述的方法，其中輸送到所述燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機的入口的所述富氮流體的所述經(jīng)膨脹的部分包含通向所述壓縮機的所述入口的總輸入流的約2%至約30%。
8.按權(quán)利要求4所述的方法，其中輸送到所述燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機的入口的所述富氮流體的所述經(jīng)膨脹的部分包含通向所述壓縮機的所述入口的總輸入流的約2%至約15%。
9.按權(quán)利要求4所述的方法，其中所述富氮流體從空氣分離裝置以約為200千帕(KPa)至1000千帕(KPa)的壓力排出。
10.按權(quán)利要求4所述的方法，其中所述富氮流體從空氣分離裝置以約為415千帕(KPa)至450千帕(KPa)的壓力排出。
全文摘要
一種聯(lián)合有燃氣輪機-空氣分離裝置的系統(tǒng)及其操作方法，該系統(tǒng)包含一個空氣分離裝置和一個燃氣輪機發(fā)動機，該方法包含由空氣分離裝置提供一股富氮流體；膨脹并由此冷卻上述富氮流體；將經(jīng)膨脹的富氮流體輸送到燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機入口，使其進入該壓縮機的入口的空氣流相結(jié)合，以形成一股溫度和含氧量都降低的總輸入流，從而可增加燃氣輪機的動力輸出、提高效率并減少NOx(氮氧)的排放。
文檔編號F25J3/04GK1098766SQ9410615
公開日1995年2月15日 申請日期1994年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月28日
發(fā)明者R·F·德里內(nèi)維奇 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司