專利名稱:混合蒸汽/氣體氣輪機(jī)的制作方法
本發(fā)明論及一種獨(dú)特的汽輪機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為消除通常的污染排出物NOx而設(shè)計(jì)的。更具體地說，本發(fā)明涉及一種在燃燒室設(shè)計(jì)方面的新概念。當(dāng)氣體通過用氣體(蒸汽)輪機(jī)時(shí)，燃燒室產(chǎn)生對發(fā)出有用的能量所必需的高溫氣體。設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處是允許燃料在燃料/氧氣比例的最佳值燃燒，即接近化學(xué)當(dāng)量比例，從而，用產(chǎn)生的熱去產(chǎn)生過熱的蒸汽，這是通過燃燒物和液體式蒸汽的水直間接觸。這樣就使得在用于與氣輪機(jī)相連的通用燃燒室內(nèi)正常需要的氧的量大大地減少了。前面所說的概念有廣泛的用途，并且能夠有效地用在通用發(fā)電站的固定式氣輪機(jī)的設(shè)計(jì)中，及有專門用途的小型氣輪機(jī)的設(shè)計(jì)中，它們常常在偏遠(yuǎn)的場所，諸如海面上的鉆機(jī)，管道站，和復(fù)合發(fā)電裝置。
在1977年，環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(下文簡稱EPA)頒發(fā)了實(shí)現(xiàn)清潔空氣條令的標(biāo)準(zhǔn)，其中論及到氣輪機(jī)燃燒系統(tǒng)要減低排出物。通常在那個(gè)時(shí)期使用的燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生含有250ppmNOx的廢氣，在1982年間，估計(jì)產(chǎn)生的污染程度為270，000噸/年。在遵守EPA條令的努力中，氣輪機(jī)制造者們努力進(jìn)行了有意義的研究探索，以確定產(chǎn)生NOx的原因和減少NOx排出物到最低實(shí)踐程度的有效改進(jìn)設(shè)計(jì)。這些努力的結(jié)果已有重要的意義?，F(xiàn)在市售的氣輪機(jī)燃燒系統(tǒng)有效地將NOx排出物的量從早期的水平減低了70%，使現(xiàn)行機(jī)器合格于EPA75ppm的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)排放物減少是由于認(rèn)識到在燃燒系統(tǒng)中造成NOx生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。這些因素已被許多資料證明，并被二個(gè)關(guān)鍵變量，即，反應(yīng)區(qū)的溫度和燃料/氧氣的比例所支配。按照下述的反應(yīng)式產(chǎn)生的NOx是人所共知的
N2+XO2＝2NOx
從上述的方程式中看，顯然，氮和氧二種元素必定存在于反應(yīng)區(qū)中才能生成NOx。雖然氮的主要來源是供給于反應(yīng)區(qū)的燃燒空氣，但是含在燃料本身中的氮在適當(dāng)?shù)臈l件下，它也能有效地轉(zhuǎn)變成NOx。
在許多大城市區(qū)中，為依據(jù)EPA達(dá)到減少NOx排出物的要求，必須借助于NOx同NH的催化還原反應(yīng)。這是一個(gè)昂貴的解決辦法，并且最好也不過只有90%的效果。NOx的污染最有意義的清除只能夠通過減少存在于反應(yīng)區(qū)中氮的量來實(shí)現(xiàn)，更好的是，完全清除氮。
許多年來，雖然來自氣輪機(jī)中高濃度的NOx排出物對環(huán)境是有害的，這一點(diǎn)已被公認(rèn)，但是以前減少這些排出物至令人滿意的程度的努力還不夠成功。因此，提供一種新型的改進(jìn)的其中包括為氣輪機(jī)的燃燒器提供的氣體的設(shè)計(jì)思想，是本發(fā)明的主要目的。對消除NOx，污染物的產(chǎn)生，這個(gè)設(shè)計(jì)是有潛力的，同時(shí)，并不降低本機(jī)器的總熱效率。為達(dá)到本發(fā)明的目的，燃燒室設(shè)計(jì)成使燃料和接近化學(xué)當(dāng)量的氧氣(空氣)的燃燒更有效;由此，大大地減少了NOx的產(chǎn)生。為了避免損壞葉輪機(jī)，根據(jù)本發(fā)明，燃燒氣體通過注入水或蒸汽到高溫燃燒氣上直接冷卻。另外，另一部份水(蒸汽)在燃燒與氧氣接觸產(chǎn)生燃燒反應(yīng)之前，就可以和燃料混合。
本發(fā)明區(qū)別于先有技術(shù)的獨(dú)有特征是，為了降低排出氣體的溫度以避免超過氣輪機(jī)的金屬極限注入燃燒室的水量。通用氣輪機(jī)使用大量的過量空氣和少量的水來實(shí)現(xiàn)燃燒氣體予期的引出溫度。在本發(fā)明中，幾乎不使用過量空氣反而使用大量的水去達(dá)到所希望的引出氣體溫度。在燃燒反應(yīng)中，大約對每磅消耗的氧需添加2～6磅的液體水。在水以蒸汽的形式添加使用中，可以是每一磅的消耗氧對15磅氣相的水。
不同于通用氣輪機(jī)，在壓縮系數(shù)約為15時(shí)有一個(gè)熱力學(xué)最佳值。本發(fā)明大大地提高了壓縮系數(shù)的最佳值。就空氣而論壓縮系數(shù)為40時(shí)約為最佳值，并且低于34(500磅/吋2)的壓縮比不會表現(xiàn)優(yōu)越性。在使用純氧代替壓縮空氣的情況下，壓縮系數(shù)的最佳值進(jìn)一步升高，超過了200。總熱轉(zhuǎn)換效率的改進(jìn)是引入注目的。假定氣體進(jìn)入葉輪機(jī)的溫度在約1600°F以上，在空氣燃燒的情況熱能到電能的轉(zhuǎn)換效率能夠提高近50%。就純氧燃燒而輪，轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步均增加60%。比較起來，通用氣輪機(jī)只有28%的熱效率，因此，本發(fā)明的應(yīng)用，在電能的生產(chǎn)中把燃料的消耗減少20～45%是有潛力的。
顯然，達(dá)到上文指出的高總壓縮系數(shù)將需要若干級壓縮。隨著壓縮過程的進(jìn)行，兩個(gè)壓縮級間設(shè)置級間冷卻是有利的，并且確實(shí)符合需要。這種冷卻大大地增加了壓縮進(jìn)程的效率，而且在級間冷卻中排出的熱能夠有利地用來升高其后注入燃燒室中水的溫度。雖然級間冷卻不是一種新概念，本身也不成為發(fā)明，但是，在通用的氣輪機(jī)中沒有使用級間冷卻是一個(gè)公認(rèn)的事實(shí)，這是因?yàn)?，通常使用在氣輪機(jī)燃燒循環(huán)中的低壓氣體的冷卻是與很大的壓力損失聯(lián)系在一起。本發(fā)明使用很高的壓力，這就所得級間冷卻能有利地被使用，并且本質(zhì)上成為本發(fā)明的一個(gè)完整部份。
本發(fā)明產(chǎn)生一種高壓高溫蒸汽流，當(dāng)其通過葉輪機(jī)時(shí)，被用做一種動力源。這些氣流通常由大約45-95%的蒸汽組成，并且有許多氣輪機(jī)動力領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的特性。本發(fā)明的特點(diǎn)是這樣的事實(shí)，沒有使用作為所有常規(guī)電廠的一個(gè)整體部份的昂貴的高壓鍋爐，生產(chǎn)上述蒸汽混合物。節(jié)省了通用鍋爐，除了本發(fā)明在通用技術(shù)提供對維持現(xiàn)代工業(yè)社會所需的大量電能的生產(chǎn)所期望改進(jìn)的熱力學(xué)效率之外，還提供了很大的成本優(yōu)勢。本發(fā)明特別適用于常規(guī)電廠增大容量和改進(jìn)效率，這是通過利用直間接觸熱交換生產(chǎn)下步流過氣輪機(jī)發(fā)電的高溫過熱蒸汽的方法實(shí)現(xiàn)的。
如上所述，本發(fā)明論及混合蒸汽/氣體氣輪機(jī)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用由燃燒室組成的直接接觸式過熱蒸汽發(fā)生器，此燃燒室對要燃燒的燃料提供接近化學(xué)當(dāng)量的氧氣和極高的火焰溫度，這樣就通過熱直接傳遞到水或蒸汽的第二種流質(zhì)，產(chǎn)生過熱蒸汽。送到燃燒室的燃料可以是氣態(tài)或液態(tài)，但是最好完全燃燒，且不產(chǎn)生以后能夠損害氣輪機(jī)的顆粒物質(zhì)。最好是，供給燃燒室的氧氣(空氣)在燃燒區(qū)與燃料充分混合，并且，在液體燃料的情況下，在進(jìn)入燃燒區(qū)之前使燃料蒸發(fā)是很有好處的。
通過氣輪機(jī)的工作溫度極限約為2000°F。在改進(jìn)的燃燒室中產(chǎn)生的氣體能接近5000°F，因此，氣體通過氣輪機(jī)之前必需冷卻。按照本發(fā)明，這是通過對燃燒氣體直接冷卻或驟冷完成，是用水或蒸汽注入或立刻流下燃燒區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)。在水作為驟冷劑的應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)所希望的水被完全蒸發(fā)的現(xiàn)象。過程中，上述的汽化和水吸收出現(xiàn)的熱能減少了，為達(dá)到要求的流出燃燒室后進(jìn)入氣輪機(jī)的氣體流出溫度，而所注入的驟冷劑的量。
排出葉輪機(jī)的氣體混合物主要是蒸汽，氮和二氧化碳，并能夠使其部份地冷凝使氣輪機(jī)的能量輸出增大到最大值。除此以外，氣輪機(jī)的廢氣能夠作為工藝熱源使用，或者注入地下結(jié)構(gòu)層中以提高石油，鹽或其他礦物的生產(chǎn)。
不同于通用氣輪機(jī)，它們的功率輸出是通過調(diào)節(jié)燃燒流向燃燒室的量來調(diào)節(jié)的，本發(fā)明的功率輸出還能通過供給燃燒室富氧空氣進(jìn)一步調(diào)節(jié);上述的調(diào)節(jié)通過改變供給的空氣的富氣程度(氧含量)完成。
參考下述具體的說明性的實(shí)施例，能更好地理解本發(fā)明。
例1
為生產(chǎn)電能，使用直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器的流程如圖一所示。氣輪機(jī)由膨脹式葉輪(9)，燃料氣體壓縮器(1)，二級空氣壓縮(2)和(6)組成。下文說明是以一個(gè)使用本發(fā)明的工藝的發(fā)電廠的流程為基礎(chǔ)，且其額定值為130兆瓦。為生產(chǎn)電能，將天然氣以每小時(shí)1487Mcf的量送入壓縮器(1)中，將天然氣壓到1470磅/吋2的多級機(jī)由此將它注入到燃燒器，它注入到燃燒器，其為直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器(8)的一個(gè)整體部份。同時(shí)，將14，156Mcf空氣送入空氣壓縮器(2)的第一級，在此處絕熱壓縮，至147磅/吋2，并且由于加壓做功溫度也同時(shí)升到713°F。熱的壓縮空氣通過級間冷卻器(3)，在此外，它們用帶有部進(jìn)入過熱蒸汽發(fā)生器的(220.000磅/小時(shí))的熱交換器冷卻，由此，過熱蒸氣發(fā)生器進(jìn)水被升溫到700°F，壓縮空氣也降溫至382°F。部份冷卻的壓縮空氣通過空氣冷卻器(5)，溫度進(jìn)一步降到100°F，冷卻的部份的壓縮空氣通過壓縮器(6)的第二級，其排出時(shí)的絕對壓力為1470磅/吋2，溫度為713°F，并且由此處將其送至燃燒室，燃燒室為使天然氣燃燒的直接接觸過熱蒸發(fā)器(8)的一個(gè)整體部份。予熱的過熱蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水除從級間冷卻器(3)供給之外，另外445，000磅/小時(shí)的予熱水通過第二進(jìn)水泵(14)注入直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器(8)中。在直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器(8)中，天然氣的接近化學(xué)當(dāng)量燃燒的結(jié)果，放出1.5mm千瓦/小時(shí)的熱，并引起送入直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器中的水的汽化。結(jié)果，主要由蒸汽，二氧化碳和氮所組成的氣態(tài)混合物以1600°F和1470磅/吋2的狀態(tài)從過熱蒸汽發(fā)生器中排。氣態(tài)混合物當(dāng)通過蒸汽輪機(jī)(9)，在排出和冷凝之前做功。部份氣態(tài)混合物(63，300磅/小時(shí))在蒸汽輪機(jī)中壓力為200磅/吋2時(shí)從中間級抽出，并且在混合器(13)中同被泵(12)升壓的383，000磅/小時(shí)的冷凝水混合。冷凝物和蒸汽的混合達(dá)到平衡的溫度為382°F，它們再用第二進(jìn)水泵(14)進(jìn)一步升壓至1497磅/吋2后，注入到直接接觸過熱蒸發(fā)器中。進(jìn)入動力葉輪機(jī)(9)的蒸汽混合物的大部份在15磅/吋2的壓力排出，隨后通過冷凝器(10)，在那里溫度降至200°F。熱水和二氧化碳的混合物通到快速分離器(11)，在那里氮和二氧化碳排入大氣，進(jìn)入分離析器的液體通過管道排出，在下型管道分流成適當(dāng)?shù)牟糠?，或由第一進(jìn)水泵(7)，或由第二進(jìn)水泵(14)加壓到注入直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器所需的壓力。葉輪機(jī)(9)中膨脹氣體產(chǎn)生的動力能夠用來驅(qū)動天然氣和空氣壓縮器以及三個(gè)水泵。將氣體和水的壓力加至直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器的工作壓力的能量之外的，過剩的能量。在發(fā)電機(jī)(6)中用于產(chǎn)生電能。總量為130兆瓦的動力由此而產(chǎn)生，它傳輸主汽輪機(jī)30.1%的轉(zhuǎn)換效率。在這個(gè)例子中使用的第一級空氣壓縮器可與包括在通用電氣體制六單元汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣壓縮器相比較。要注意到，該機(jī)在公開的28%的轉(zhuǎn)化效率下，只能產(chǎn)生38MW的功率?？蓺w內(nèi)本發(fā)明的改進(jìn)的貢獻(xiàn)是7.5%，這樣的貢獻(xiàn)每年可為電力工業(yè)節(jié)約百萬元以上的燃料費(fèi)用。功率輸出增加到三倍之多同樣對于在海軍艦船，市區(qū)和近海石油平臺等重視空間的使用中有重大意義。
上述的例子足以詳細(xì)說明了由本發(fā)明而引得的熱力學(xué)效果。為簡單和說明的目的，只敘述了二級壓縮機(jī)?？赏ㄟ^添加輔助的壓縮級，提高工作壓力，結(jié)果使通過葉輪機(jī)的每磅蒸汽，和每磅消耗的燃料產(chǎn)生輔加的功率，提高熱能到電能的轉(zhuǎn)化效率。通過用富氧空氣或純氧來代替使用在上述例子中的燃燒空氣，能得到更大的改進(jìn)。通過使用氧氣達(dá)到熱轉(zhuǎn)換效率大大超過50%是很有可能的，這個(gè)值是用現(xiàn)在實(shí)踐的或已經(jīng)提出的任何技術(shù)或技術(shù)的結(jié)合去生產(chǎn)電能所完全不可能達(dá)到的。使用富氣空氣的第二個(gè)有利之處是，氣輪機(jī)的功率輸出易于調(diào)整，即通過簡單地調(diào)節(jié)，供給直接接觸蒸汽發(fā)生器的空氣的氧含量，以及燃料的流動就可完成。
權(quán)利要求
1、一種改進(jìn)的包括有一個(gè)燃燒室氣輪機(jī)，其特征在于該燃燒室設(shè)計(jì)成，在500磅/吋2的壓力下，用空氣氧氣或它們的混合物燃燒燃料，由此提供直接接觸式過熱蒸汽發(fā)生器所需要的能量；用將水引入或立刻流入燃燒區(qū)達(dá)到直接冷卻的方法將從燃燒室排出的氣體燃燒混合產(chǎn)物的溫度控制在所需要的溫度；產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物和水蒸汽的氣態(tài)混合物，或其一部份用于通過適當(dāng)?shù)臍廨啓C(jī)產(chǎn)生電能。
2、按照權(quán)利要求
1中所述的汽輪機(jī)，其中燃燒氣體的冷卻，是通過將液體水注入直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)完成的。
3、按照權(quán)利要求
1中所述的氣輪機(jī)，其中燃燒氣體的冷卻，是通過將水蒸汽注入直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)完成的。
4、按照權(quán)利要求
1中所述的氣輪機(jī)，其中燃燒氣體的冷卻是通過將二氧化碳和水(蒸汽)的混合物注入直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)來完成的。
5、按照權(quán)利要求
1所述的氣輪機(jī)，其中燃燒氣體的冷卻是控制產(chǎn)生1000°F以上的氣態(tài)混合物。
6、按照權(quán)利要求
1所述的氣輪機(jī)，其中供與蒸汽發(fā)生器直接接觸的含氧氣體是用二級或多級壓縮機(jī)加壓，級間冷卻是用壓縮氣體和水冷卻劑之間的熱交換器間接冷卻。
7、按照權(quán)利要求
1所述的氣輪機(jī)，其中供與過熱蒸汽發(fā)生器直接接觸的氧氣是用低溫泵在液態(tài)加壓。
8、按照權(quán)利要求
1所述的氣輪機(jī)，其中在直接接觸式過熱蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的氣體混合物是通過在大氣壓下排放的氣(汽)輪機(jī)。
9、按照權(quán)利要求
1所述的氣輪機(jī)，其中從發(fā)電葉輪排出的氣體是用其沸騰另外的適當(dāng)流體的方式冷凝，該流體隨后通過第二葉輪膨脹以產(chǎn)生作功的能或電能。
10、按照權(quán)利要求
1所述的氣輪機(jī)，其中供與過熱蒸汽發(fā)生器直接接觸的氧氣源，由富氧空氣組成，且用調(diào)節(jié)其中氧的濃度的方式控制氣輪機(jī)的輸出功率。
11、一種改進(jìn)的氣輪機(jī)，其特征在于，它包括一個(gè)設(shè)計(jì)成在高于500磅/吋2的壓力下燃燒燃料，以提供直接接觸式過熱蒸汽發(fā)生器所需要的能量的燃燒室;供給燃燒裝置的氧的純度超過70%(體積);用引入水或立刻使水進(jìn)入燃燒區(qū)的直接接觸冷卻方式，將離開直接接觸式過熱蒸汽發(fā)生器的燃燒產(chǎn)物的溫度控制在需要的溫度;得到的燃燒產(chǎn)物和水蒸汽的混合物，或其一部份通過適當(dāng)?shù)娜~輪機(jī)產(chǎn)生電能。
12、按照權(quán)利要求
11所述的氣輪機(jī)，其中用向直接接觸式過熱蒸汽發(fā)生器注入液態(tài)水的方法實(shí)現(xiàn)燃燒氣體的冷卻。
13、按照權(quán)利要求
11所述的氣輪機(jī)，其中，燃燒氣體的冷卻是通過將蒸汽注入到直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器中完成的。
14、按照權(quán)利要求
11所述的氣輪機(jī)，其中，燃燒氣體的冷卻是通過將二氧化碳同水蒸汽的混合物注入到直接接觸過熱蒸汽發(fā)生器中完成的。
15、按照權(quán)利要求
11所述的氣輪機(jī)，其中，燃燒氣體的冷卻控制到產(chǎn)生1000°F以上的氣體混合物。
16、按照權(quán)利要求
11所述的氣輪機(jī)，其中，供給直接接觸蒸汽發(fā)生器的氧氣源是使用二級或更多級的壓縮機(jī)增壓的，級間冷卻是由混合氣和冷卻水之間的間接熱交換器實(shí)現(xiàn)的。
17、按照權(quán)利要求
11所述的氣輪機(jī)，其中，提供的氧用低溫泵加壓成液體，并且在注入到直接接觸式過熱蒸汽發(fā)生器之前氣化。
18、按照權(quán)利要求
11所述的氣輪機(jī)，其中，在直接接觸式過熱蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的氣體混合物通過在大氣壓下排放的葉輪機(jī)。
19、按照權(quán)利要求
11所述的氣輪機(jī)，其中從發(fā)電葉輪排出的氣體是用其沸騰另外的適當(dāng)流體的方式冷卻，該流體隨后通過第二葉輪膨脹以產(chǎn)生作功的能或電能。
專利摘要
一種將燃料轉(zhuǎn)變成軸功率，改進(jìn)了熱效率后的機(jī)器(9)，它直接使用水冷卻燃燒汽體(8)，并事實(shí)上消除了由氣輪機(jī)動力裝置的排出物所帶來的NOx污染物。(9)用接近化學(xué)計(jì)量氧/燃料比完成燃燒，使氧或空氣的消耗量減為最小。當(dāng)使用空氣(2)時(shí)，裝置的功力輸出(16)能夠通過在空氣流中注入純氧來增大。
文檔編號F02C3/30GK86101496SQ86101496
公開日1986年11月19日 申請日期1986年2月14日
發(fā)明者約翰·T·帕頓, 阿馬德·R·舒曼 申請人:約翰·T·帕頓, 阿馬德·R·舒曼導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan