專利名稱：具有排氣再循環(huán)和再加熱的渦輪機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)系統(tǒng)，該燃?xì)鉁u輪機(jī)帶有再加熱燃燒系統(tǒng)和排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)用于減少熱的NOx。
技術(shù)背景隨著有關(guān)工業(yè)排放對(duì)于環(huán)境影響的關(guān)注日益增加，對(duì)于容許排》文 的限制也是如此。由于為滿足電力需求所需的大量燃料，故特別關(guān)注 大型燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)。已經(jīng)研制出許多燃燒方案來減小目前在大多數(shù) 商用系統(tǒng)上使用的高渦輪燃燒溫度所產(chǎn)生的排放。這些燃燒方案中的 一些包括預(yù)混燃燒、分級(jí)燃燒、霧化液體燃料、注入多種稀釋劑、催 化燃燒、排氣再循環(huán)(EGR)，以及再加熱燃燒。在典型的再加熱渦輪機(jī)系統(tǒng)中，再加熱燃燒器位于主燃燒器的下 游，并且提供通常更高的效率和更低的排放。EGR通常用于將排氣重 新引入渦輪機(jī)的區(qū)段中，例如入口或燃燒室，以便通過降低高溫氣室 (pocket)中的溫度以及還降低氧氣濃度來改善排;改益處。發(fā)明內(nèi)容在一個(gè)實(shí)施例中， 一種渦輪機(jī)系統(tǒng)包括構(gòu)造成用以壓縮氣體的第 一壓縮機(jī)；構(gòu)造成用以將壓縮氣體與燃料相混合并燃燒該混合物的第 一燃燒器；構(gòu)造成用以通過第一燃燒器的燃燒氣體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的第一渦 輪；構(gòu)造成用以將來自于第一渦輪的排氣與燃料相混合并燃燒該混合 物的第二燃燒器；構(gòu)造成用以通過來自于第二燃燒器的燃燒氣體進(jìn)行 驅(qū)動(dòng)的第二渦輪；以及構(gòu)造成用以由渦4侖機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。來自 于第二渦輪的排氣的第一部分再次循環(huán)，以便在第一燃燒器中混合。在另一個(gè)實(shí)施例中， 一種操作渦輪4幾系統(tǒng)的方法包括利用第一壓縮機(jī)來壓縮氣體；將壓縮氣體與燃料相混合以形成第 一 混合物并且燃燒該第一混合物；利用因燃燒第一混合物而形成的燃燒氣體來驅(qū)動(dòng) 第一渦輪；將來自于第一渦輪的排氣與燃料相混合以形成第二混合物 并且燃燒該第二混合物；利用因燃燒第二混合物而形成的燃燒氣體來 驅(qū)動(dòng)第二渦輪；以及〗吏來自于第二渦輪的排氣的第一部分再次循環(huán)到 第一混合物中。在另外的實(shí)施例中， 一種渦輪機(jī)系統(tǒng)包括多個(gè)壓縮機(jī)，各壓縮機(jī)均 構(gòu)造成用以壓縮氣體；多個(gè)燃燒器，各燃燒器均構(gòu)造成用以將壓縮氣 體與燃料相混合并燃燒該混合物；多個(gè)渦輪，各渦輪均構(gòu)造成用以由該多個(gè)燃燒器中的至少一個(gè)燃燒器的燃燒氣體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；以及構(gòu)造成 用以由渦輪機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。來自于至少一些渦輪中的部分排氣 再次循環(huán)并S1入到至少 一些壓縮才幾中。


圖1示意性地示出了具有單個(gè)軸的再加熱渦輪^/L系統(tǒng)的示例性實(shí) 施例；圖2示意性地示出了具有單個(gè)軸的再加熱渦4侖^L系統(tǒng)的另一個(gè)示 例性實(shí)施例；圖3示意性地示出了具有單個(gè)軸的再加熱渦乾^幾系統(tǒng)的另一個(gè)示 例性實(shí)施例；圖4示意性地示出了具有雙軸構(gòu)造的再加熱渦4侖^L系統(tǒng)的示例性 實(shí)施例；圖5示意性地示出了具有同心雙軸的再加熱渦輪才幾系統(tǒng)的另一個(gè) 示例性實(shí)施例；圖6示意性地示出了具有同心軸布置的再加熱渦輪機(jī)系統(tǒng)的另一 個(gè)示例性實(shí)施例；以及圖7示意性地示出了具有同心的軸布置的再加熱渦輪機(jī)系統(tǒng)的示 例性實(shí)施例。參看圖1，根據(jù)示例性實(shí)施例的渦輪機(jī)系統(tǒng)2包括通過軸36可操 作地連接到壓縮機(jī)6上的發(fā)電機(jī)4。壓縮機(jī)6可以恒定的轉(zhuǎn)速工作， 以便保持恒定量的進(jìn)入空氣8。壓縮空氣供送給主燃燒室或燃燒器10, 在該處，壓縮空氣與燃料12相混合。燃料12的制備例如可由煤的氣 化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由壓縮機(jī)6提供給主燃燒器10的空氣量超出燃燒燃料12所需的 空氣量。來自于主燃燒器10包括過量空氣的燃燒氣體14供送到通過 軸36而連接到壓縮機(jī)上的高壓(HP)渦輪16中。高壓渦輪的排氣18 供送給副燃燒器或再加熱燃燒器20,并且與燃料22相混合。來自于 副燃燒器20的燃燒氣體24供送給低壓(LP)渦輪26，低壓渦輪26通 過軸36連接到高壓渦輪16、壓縮機(jī)6以及發(fā)電機(jī)4上。發(fā)電機(jī)4、 壓縮機(jī)6、高壓渦輪16以及低壓渦輪26之間的連接容許構(gòu)件以相同 的速度運(yùn)行。低壓渦輪排氣28分成大氣排氣30和再循環(huán)排氣32。大氣排氣 30例如通過可選的熱交換器(未示出)而排放到大氣中。再循環(huán)排氣32經(jīng)由熱交換器34供送，且冷卻的未壓縮的再循環(huán) 排氣33與進(jìn)入空氣8 —起供送到壓縮機(jī)6中。通過熱交換器34從再 循環(huán)排氣32中除去的熱量可用于操作蒸汽渦輪設(shè)備，例如使得該系 統(tǒng)可成為復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)。參看圖2,在渦4侖機(jī)系統(tǒng)2的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，再循環(huán)排 氣32穿過熱交換器34,且冷卻的未壓縮的再循環(huán)排氣33供送給由馬 達(dá)38或其它裝置驅(qū)動(dòng)的壓縮器40。壓縮的冷卻的再循環(huán)排氣42供送 到從壓縮機(jī)6至主燃燒器IO的管線中。因此，壓縮的再循環(huán)排氣42 與壓縮的進(jìn)入空氣8相混合，并且合成的壓縮空氣和氣體9供送給主 燃燒器10。如圖3中所示，根據(jù)渦輪機(jī)系統(tǒng)2的另一個(gè)示例性實(shí)施例，部分 冷卻的未壓縮的再循環(huán)排氣47從熱交換器34供送到由第二馬達(dá)44操作的第二壓縮機(jī)46中。壓縮的部分冷卻的再循環(huán)排氣48從壓縮機(jī) 46供送到從高壓渦輪16至副燃燒器20的管線中，用以與高壓渦輪排 氣18相混合。低壓渦4侖排氣28的第二部分35可傳送到HRSG(熱回收蒸汽發(fā)生 器)80中。HRSG80產(chǎn)生蒸汽用以操作蒸汽渦輪82,使得該系統(tǒng)可成 為復(fù)合循環(huán)構(gòu)造。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，本文所述的任何實(shí)施例均可設(shè)有 HRSG和蒸汽渦輪，以提供復(fù)合循環(huán)構(gòu)造。參看圖4，根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的渦輪機(jī)系統(tǒng)2包括雙軸50、 52。壓縮機(jī)6和高壓渦輪16通過第一軸50相連接，而低壓渦輪26 和發(fā)電機(jī)4通過第二軸52相連接。第一軸50確保壓縮機(jī)6和高壓渦 輪16以相同的速度旋轉(zhuǎn)，而第二軸52確保低壓渦輪26和發(fā)電機(jī)4 以相同的速度旋轉(zhuǎn)。參看圖5，提供了熱交換器34用以直接接收低壓渦輪排氣28。 在穿過熱交換器34之后，低壓渦輪排氣28分成排放到大氣中的冷卻 大氣排氣31,以及與進(jìn)入空氣8相結(jié)合、引入到低壓壓縮機(jī)54中的 冷卻的未壓縮的再循環(huán)排氣33。低壓壓縮機(jī)54連接到將壓縮空氣和 氣體供送給主燃燒器10以便與燃料12相混合的高壓壓縮機(jī)56上。低壓壓縮機(jī)54、低壓渦輪26以及發(fā)電機(jī)4由共同的軸58支承。 第二軸60將高壓壓縮機(jī)56和高壓渦輪16相連接，以確保高壓壓縮 機(jī)56和高壓渦輪16以相同的速度旋轉(zhuǎn)。如圖6中所示，根據(jù)渦輪機(jī)系統(tǒng)2的另一個(gè)示例性實(shí)施例，低壓 渦輪排氣28分成例如經(jīng)由可選的熱交換器(未示出)排放到大氣中的大 氣排氣30，以及穿過熱交換器34傳送、包括未壓縮的未冷卻的再循 環(huán)排氣62的第一部分。低壓渦輪排氣28還進(jìn)一步分成由再循環(huán)排氣 壓縮機(jī)68壓縮的再循環(huán)排氣32。壓縮的、未冷卻的再循環(huán)排氣43也 穿過熱交換器34,且壓縮的、冷卻的再循環(huán)排氣42供送到從壓縮機(jī) 6至主燃燒器IO的管線中，以便添加到壓縮的進(jìn)入空氣9中。流出熱 交換器34的冷卻的、未壓縮的再循環(huán)排氣63與進(jìn)入空氣8相結(jié)合，并且結(jié)合的空氣和氣體隨后供送給壓縮機(jī)6。壓縮機(jī)6、高壓渦輪16以及再循環(huán)排氣壓縮才幾68通過第一軸64 相連接。低壓渦輪26和發(fā)電機(jī)4通過第二軸66相連接，該第二軸66 確保低壓渦輪26和發(fā)電機(jī)4以相同的速度旋轉(zhuǎn)。參看圖7，在高壓渦輪16與低壓渦輪26之間提供了中壓(MP)渦 輪70。壓縮的、冷卻的再循環(huán)排氣42供送到從壓縮機(jī)6至主燃燒器 IO的管線中，以便添加到壓縮的進(jìn)入空氣9中。未壓縮的、未冷卻的 再循環(huán)排氣62的第二部分穿過熱交換器34，且冷卻的、未壓縮的再 循環(huán)排氣63的第二部分添加到引入壓縮機(jī)6的進(jìn)入空氣8中。壓縮 的、部分冷卻的再循環(huán)排氣48從熱交換器34供送到在中壓渦輪70 與副燃燒器20之間的管線中，以便添加到中壓渦輪排氣72中。壓縮機(jī)6和高壓渦輪16通過第一軸74相連接，以確保主壓縮由 高壓渦輪16供以動(dòng)力。中壓渦輪70和再循環(huán)排氣壓縮機(jī)68由第二 軸76支承。低壓渦輪26和發(fā)電機(jī)4通過第三軸78相連接，第三軸 78確保這兩個(gè)構(gòu)件以相同的速度旋轉(zhuǎn)。盡管已結(jié)合當(dāng)前認(rèn)作是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但 應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例，相反的是期望本發(fā) 明涵蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的多種^f'務(wù)改和等同布置。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)系統(tǒng)(2)，包括第一壓縮機(jī)(6)，其構(gòu)造成用以壓縮氣體(8)；第一燃燒器(10)，其構(gòu)造成用以將壓縮氣體(9)與燃料(12)相混合并燃燒該混合物；第一渦輪(16)，其構(gòu)造成用以由所述第一燃燒器(10)的燃燒氣體(14)驅(qū)動(dòng)；第二燃燒器(20)，其構(gòu)造成用以將來自于所述第一渦輪(16)的排氣(18)與燃料(22)相混合并燃燒該混合物；第二渦輪(26)，其構(gòu)造成用以由來自于所述第二燃燒器(20)的燃燒氣體(24)驅(qū)動(dòng)；以及發(fā)電機(jī)(4)，其構(gòu)造成用以由所述渦輪機(jī)系統(tǒng)(2)驅(qū)動(dòng)，其中，來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的第一部分(32)再次循環(huán)以便在所述第一燃燒器(10)中混合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，來自于所述 第二渦輪(26)的排氣(28)的所述第 一部分(32)再次循環(huán)以便引入所述 第一壓縮才幾(6)中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l或權(quán)利要求2所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其特征在于， 所述渦4侖機(jī)系統(tǒng)還包括第二壓縮機(jī)(40)，其構(gòu)造成用以壓縮來自于所述第二渦輪(26)的排 氣(28)的所述第一部分(32)，其中，來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28) 的壓縮的第一部分(42)與來自于在所述第一燃燒器(10)之前的所述第 一壓縮機(jī)(6)的壓縮空氣(8)相混合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二壓 縮機(jī)(40)構(gòu)造成用以在來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的所述第 一部分(32)由熱交換器(34)冷卻之前或之后壓縮來自于所述第二渦輪 (26)的排氣(28)的所述第一部分(32)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其特征在于， 所述渦4侖機(jī)系統(tǒng)還包括第三壓縮機(jī)(46)，其構(gòu)造成用以壓縮已經(jīng)由熱交換器(34)部分地冷 卻的來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的第二部分(47)，其中，來自 于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的壓縮的第二部分(48)與來自于在所 述第二燃燒器(20)之前的所述第一渦輪(16)的排氣(18)相混合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求5中任意一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)， 其特征在于，所述渦輪機(jī)系統(tǒng)還包括構(gòu)造成用以產(chǎn)生蒸汽的蒸汽發(fā)生器(80);以及蒸汽渦輪(82)，其構(gòu)造成用以由所述蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)， 其中，來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的第二部分(35)傳送到所述 蒸汽發(fā)生器(80)用以產(chǎn)生蒸汽。
7. —種操作渦輪機(jī)系統(tǒng)(2)的方法，包括 利用第 一壓縮機(jī)(6)壓縮氣體(8);將所述壓縮氣體(9)與燃料(12)相混合以形成第一混合物，以及燃 燒所述第一混合物；利用因燃燒所述第 一混合物而形成的燃燒氣體(14)來驅(qū)動(dòng)第 一渦 輪(16);將來自于所述第一渦輪(16)的排氣(18)與燃料(22)相混合以形成 第二混合物，以及燃燒所述第二混合物；利用因燃燒所述第二混合物而形成的燃燒氣體(24)來驅(qū)動(dòng)第二渦 輪(26);以及使來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的第一部分(32)再次循環(huán) 進(jìn)入所述第 一混合物中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 冷卻來自于所述第二渦輪(26)的所述排氣(28)的第一部分(32); 將所述排氣的冷卻的第一部分(33)引入所述第一壓縮機(jī)(6)中；以及使所述排氣的冷卻的第一部分(33)與進(jìn)入空氣(8)相混合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述 方法還包括在冷卻來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的第一部分(32)之前 或之后壓縮來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的第一部分(32)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至權(quán)利要求9中任意一項(xiàng)所述的方法，其特 征在于，所述方法還包括將來自于所述第二渦輪(26)的排氣(28)的第二部分(35)傳送到蒸 汽發(fā)生器(80)用以產(chǎn)生蒸汽；以及利用來自于所述蒸汽發(fā)生器(80)的蒸汽來操作蒸汽渦輪(82)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有排氣再循環(huán)和再加熱的渦輪機(jī)系統(tǒng)。具體而言，一種渦輪機(jī)系統(tǒng)包括構(gòu)造成用以壓縮氣體的第一壓縮機(jī)(6)；構(gòu)造成將壓縮氣體與燃料相混合并燃燒該混合物的第一燃燒器(10)；構(gòu)造成由第一燃燒器(10)的燃燒氣體(14)驅(qū)動(dòng)的第一渦輪(16)；構(gòu)造成將來自于第一渦輪(16)的排氣(18)與燃料(22)相混合并燃燒該混合物的第二燃燒器(20)；構(gòu)造成由來自于第二燃燒器(20)的燃燒氣體(24)驅(qū)動(dòng)的第二渦輪(26)；以及構(gòu)造成用以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)(6)的發(fā)電機(jī)(4)。來自于第二渦輪(26)的排氣(28)的第一部分(32)再次循環(huán)以用于在第一燃燒器(10)中混合。以及公布了一種操作渦輪機(jī)系統(tǒng)的方法。
文檔編號(hào)F02C6/18GK101598066SQ20091014884
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者G·M·吉爾克里斯特, H·卡里姆, S·F·辛普森 申請(qǐng)人:通用電氣公司