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用于監(jiān)測具有排氣再循環(huán)的燃氣渦輪機系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法_5

文檔序號:9731712閱讀:來源:國知局
另一些實施 例中,氣流抽排系統(tǒng)可以被設置在提供適當?shù)膲翰睿ɡ?,包括燃燒?60、排氣流動路徑 110、壓縮機部分184、渦輪機部分156、排氣部分260、循環(huán)鼓風機262或其任何組合W^SEGR 燃氣渦輪機系統(tǒng)52的任何兩點之間。另外,在某些實施例中,氣流抽排系統(tǒng)可以包括一個或 更多個抽排通道270,所述一個或更多個抽排通道270適當定位以從EGR流動路徑(例如,抽 排流動路徑110)的更高壓部分抽排流動流的一部分,并且在已經(jīng)執(zhí)行一個或更多個測量之 后,將抽排的流動流的一部分抽排到大氣(例如,通過通氣豎管)。
[0082]圖5中所圖示說明的SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的每個傳感器272被耦接到相應的抽 排路徑270(例如,抽排管道),使得傳感器272可以測量穿過相應的抽排路徑270的感覺流的 一個或更多個屬性。在某些實施例中,傳感器272可以包括例如溫度傳感器、流量傳感器、壓 力傳感器、氧傳感器、一氧化碳傳感器、氮氧化物傳感器、水蒸汽傳感器、氫傳感器、未燃盡 燃料傳感器或其任何組合。特別地,在某些實施例中,傳感器272可以包括寬帶λ傳感器和/ 或通用排氣氧(UEGO)傳感器,該寬帶λ傳感器和/或通用排氣氧(UEGO)傳感器類似于在機動 車輛中使用的氧傳感器。
[0083]更進一步地,如圖5中所圖示說明的,每個傳感器272可以被通信地耦接到(例如, 上面所闡述的控制系統(tǒng)100的)控制器/監(jiān)測器274,該控制器/監(jiān)測器274可以從傳感器272 接收輸入,以至少部分地基于接收的輸入確定和/或控制SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的一個或 更多個參數(shù)。例如,在某些實施例中,控制器/監(jiān)測器274可以是Mark*VIe?控制器,或是 3500Enc 〇re資產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測器(兩者都可以從紐約州斯克內(nèi)克塔迪市的通用電氣公司獲得)、 或另一個合適的監(jiān)測器或控制器。另外,應當理解,在某些實施例中,控制器/監(jiān)測器274可 以被耦接到SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的其他部件(例如,壓縮機部分184、燃燒器160等),以控 制或監(jiān)測SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的操作。例如,在某些實施例中,控制器/監(jiān)測器274可以利 用來自傳感器272的輸入以確定關(guān)于氣流的組成的信息,諸如基于由對應于傳感器272的相 應的感覺流的測量的傳感器272提供的輸入確定氣流中的氧、一氧化碳、氫、燃料、氮氧化物 和/或水蒸汽的水平。更進一步地,在某些實施例中,至少部分地基于確定的氣流的組成,控 制器274可以調(diào)節(jié)SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的參數(shù),諸如調(diào)節(jié)燃料混合物、燃料流率、氧化劑 吸入率、燃料-氧化劑比、排氣再循環(huán)率、燃燒的當量比(Φ )(例如,在0.95和1.05之間,或接 近1.0,以提供基本上按化學計量的燃燒)或類似的參數(shù)。
[0084]為了更好地圖示說明氣流抽排系統(tǒng)的一個示例,圖6圖示說明了圖5的排氣部分 260的橫截面視圖,其包括沿線6-6(例如,沿徑向方向252)截取的氣流抽排系統(tǒng)266。因此, 如圖6中所圖示說明的,抽排通道270每個徑向地252延伸穿過排氣部分260的外殼282。這些 抽排通道270可以被剛性地安裝到外殼282以防止在操作期間運動。進一步地,在穿過外殼 282之后,每個所圖示說明的抽排通道270延伸到被設置在排氣部分260的外殼282和內(nèi)部部 分286(例如,內(nèi)殼)之間的排氣流動路徑284中。如所圖示說明的,排氣流動路徑284可以以 共軸或同心布置被設置在外殼282和內(nèi)部部分286之間。應當理解,在某些實施例中,內(nèi)殼 286可以提供用于冷卻劑氣體的流動285的路徑。在SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的操作期間,可 以沿在排氣部分260的外殼282和內(nèi)殼286之間的排氣流動路徑284(例如,沿軸向方向250) 引導離開渦輪機部分156的最終級的熱排氣。
[0085]更進一步地,如上所闡述的,在排氣部分260的操作期間,氣流抽排系統(tǒng)266-般可 以從穿過排氣部分260的排氣流動路徑284的氣流抽排感覺流288。例如,如圖6中所圖示說 明的,氣流抽排系統(tǒng)266包括以徑向方向252取向且圍繞軸線250周向間隔254并且延伸到排 氣流動路徑284的部分中且與排氣流動路徑284的部分流體連通的16個抽排通道270。在某 些實施例中,相對于外殼282,抽排通道270可以是齊平的、朝向軸線250凸出、凹陷遠離軸線 250,或其組合。應當理解,在某些實施例中,可以使用任何數(shù)量的抽排通道270,諸如在一個 或更多個軸向位置、圓周位置和/或徑向位置處的1到1〇〇、2到50、3到40、4到30、5到15或任 何其他適當數(shù)量的抽排通道。更進一步地,在另一些實施例中,抽排通道可以不是關(guān)于軸線 250均勻地分布的,如圖6中所圖示說明的,而可以是交錯或集中在排氣部分260的特定部分 (例如,在頂部、底部或在排氣部分260的側(cè)面處)。
[0086]另外,應當理解,抽排通道270的大小、形狀和位置可以調(diào)節(jié)由如圖6中所圖示說明 的氣流抽排系統(tǒng)266抽排的感覺流288的流動。例如,每個抽排通道270可以具有特定的直徑 290,該特定的直徑290可以調(diào)節(jié)或計量每單位時間穿過抽排通道270的排氣流的特定體積。 另外,穿過排氣部分260的排氣流動路徑284的排氣流可能不是完全均勻的,并且同樣地,排 氣流的流率、溫度、組成等等在排氣流動路徑284內(nèi)的不同位置處可以變化。
[0087] 因此,如圖6中所圖示說明的,抽排通道270還可以被定位以從排氣部分260的外殼 282的壁延伸特定的距離292(例如,徑向偏移),使得穿過排氣流動路徑284的特定區(qū)域的排 氣流可以被抽排用于感覺流288。應當理解,在某些實施例中,距離292可以更大,并且抽排 通道270可以更深地延伸進入排氣流動路徑284。更進一步地,在某些實施例中,抽排通道 270中的每個可以延伸不同的距離292進入到排氣流動路徑284,使得每個抽排通道270能夠 對不同區(qū)域的排氣流采樣。另外,在某些實施例中,抽排通道270中的每個包括圓柱形管道、 圓錐形管道、矩形管道,或其任何組合,以提供特定的感覺流流動。進一步地,到每個抽排通 道270的每個入口的形狀還可以具有適用于支持感覺流288進入且穿過抽排通道270的特定 形狀(例如,圓柱形、圓錐形、有鋸齒狀的、或另一個形狀)和/或間距。
[0088] 與由氣流抽排系統(tǒng)266抽排的較大氣流相比,感覺流288可以是相對小的。例如,在 某些實施例中,排氣的流率(例如,通過排氣部分260的排氣流動路徑284)可以是在大約 1800碌每秒(lbs/s)和2000碌每秒(lbs/s)之間(例如,在大約800千克每秒和900千克每秒 之間),而每個感覺流288可以具有在大約0.01 lbs/s和Ilbs/s之間(例如,在大約0.1千克每 秒和1千克每秒之間)的流率。通過進一步的示例,在某些實施例中,每個感覺流288可以具 有流率,所述流率表示小于或大約被采樣的氣流的流率的0.0001 %、〇.0005%、0.001%、 0.005%、0.01%、0.05%、0.1%或1%。
[0089] 圖7和圖8是分別圖示說明沿線7-7截取的如圖6所圖示說明的氣流抽排系統(tǒng)266的 抽排通道270的兩個示例實施例的圖示。圖7和圖8都圖示說明了如先前所討論的延伸通過 排氣部分26的外殼282的抽排通道270。進一步地,隨后,圖7和圖8的抽排通道270以向下傾 斜角度300(例如,相對于軸向方向250)延伸以與環(huán)形歧管302交會。如下面更詳細討論的, 在某些實施例中,向下傾斜角度300可以大于大約1° (例如,大于或等于2°、5°、10°、15°、 20°、25°、30°、35°、40°或45° ),使得抽排通道270-般當它接近歧管302時向下傾斜(例如, 徑向朝向軸線250),例如,以允許冷凝物泄出。在另一些實施例中,角度300可以是0°或小于 〇°。如下面詳細討論的,在某些實施例中,抽排通道270中的每個可以被耦接到公用歧管,諸 如環(huán)形歧管302。同樣地,當感覺流288可以在一個方向上移動通過抽排通道270時,一旦感 覺流288到達環(huán)形歧管,感覺流288可以在環(huán)形歧管302內(nèi)(例如,在向內(nèi)或向外的徑向方向 252、在順時針或/或逆時針圓周方向254,或其組合)自由移動。
[0090] 另外,所圖示說明的圖7和圖8的實施例二者都包括控制器/監(jiān)測器274,即,如上所 闡述的,該控制器/監(jiān)測器274被耦接到SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的傳感器。如所圖示說明的, 控制器/監(jiān)測器274被耦接到朝向內(nèi)部部分286延伸穿過排氣部分260的外殼282的傳感器 304(例如,溫度傳感器、壓力傳感器、流率傳感器或另一個合適的傳感器)。在某些實施例 中,傳感器304可以是測量穿過排氣部分260的氣流的溫度的溫度傳感器或另一個合適的傳 感器。應當理解,在另一些實施例中,傳感器304可以不存在。另外,所圖示說明的圖7和圖8 的實施例二者都包括也被耦接到控制器/監(jiān)測器274的一個或更多個傳感器272(例如,溫度 傳感器、氧傳感器、一氧化碳傳感器、氮氧化物傳感器、水蒸汽傳感器、氫傳感器、未燃盡燃 料傳感器,或其任何組合),這些在下面詳細討論。
[0091] 轉(zhuǎn)到圖7,除了上面所描述的特征之外,所圖示說明的實施例包括被設置在至少一 個傳感器272 (例如,λ或UEGO傳感器272)的相對側(cè)上(例如,相對于感覺流288的流動,在上 游側(cè)和下游側(cè)上)的第一隔離閥306和第二隔離閥308。在一些實施例中,任何數(shù)量的傳感器 272(例如,1、2、3、4、5或更多)可以被設置在隔離閥306和隔離閥308之間。應當理解,隔離閥 306和隔離閥308-般能夠被關(guān)閉以限制或阻止在排氣部分260的操作期間感覺流288的流 動通過抽排通道270。即,第一隔離閥306和第二隔離閥308可以(例如,基于來自控制器274 的輸入手動或自動地)被關(guān)閉,例如,使得傳感器272和/或抽排通道270的部分可以被去除、 替換或保持,而不干擾SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的操作。另外,在某些實施例中,其他閥(諸如 泄放閥或放氣閥)可以被設置在隔離閥306和隔離閥308之間以實現(xiàn)"雙阻擋和泄放"閥布 置。
[0092]相比之下,如圖8中所圖示說明的,在某些實施例中,氣流抽排系統(tǒng)266可以不包括 隔離閥(例如,圖7的隔離閥306和隔離閥308)。在圖8的實施例中,三個傳感器(例如,傳感器 272Α、272Β和272C)被耦接到抽排通道270,但不通過隔離閥與抽排通道的剩余部分隔離。應 當理解,雖然在圖8中圖示說明了三個傳感器,但在另一些實施例中,2、4、5、6、7、8、9、10、 11、12或任何其他適合數(shù)量的傳感器272可以被耦接到抽排通道270以分析感覺流288。進一 步地,在某些實施例中,這些傳感器272可以包括溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、氧 傳感器(例如,λ傳感器或UEGO傳感器)、一氧化碳傳感器、氮氧化物傳感器、水蒸汽傳感器、 氫傳感器、未燃盡燃料傳感器,或其任何組合。另外,應當理解,控制器/監(jiān)測器274可以利用 由傳感器272(例如,傳感器272A-C)收集的測量,以確定如何調(diào)節(jié)SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的 參數(shù)(例如,燃料混合物、燃料流率、氧化劑吸入率、燃料氧化劑比、排氣再循環(huán)率,或燃燒的 當量比,和/或另一個合適的參數(shù))。
[0093] 圖9和圖10是分別圖示說明耦接到SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的排氣部分260的氣流 抽排系統(tǒng)266的實施例的圖示。圖9和圖10的實施例包括彼此共同的幾個特征。例如,圖9和 圖10的實施例二者都包括從內(nèi)部部分286延伸穿過排氣部分260的外殼282且朝環(huán)形歧管 302在軸向方向250上延伸的許多抽排通道270,所述抽排通道270被圖示說明為環(huán)繞排氣部 分260的外殼282。更進一步地,如上所提到的,抽排通道270可以包括特定的向下傾斜角度 (例如,圖7和圖8中所圖示說明的向下傾斜角度300),所述特定的向下傾斜角度可以促進冷 凝物朝環(huán)形歧管302的排水。因此,環(huán)形歧管302可以包括在環(huán)形歧管302的底部附近或被設 置在氣流抽排系統(tǒng)266中的另一個合適的低點處的泄水特征件310,以使能夠從環(huán)形歧管 302去除冷凝物。在某些實施例中,泄水特征件可以包括一個或更多個泄水管、排水止回閥、 過濾器、收集罐,或其組合。更進一步地,應當理解,在某些實施例中,環(huán)形歧管302可以被定 位在抽排通道270的上游(相對于通過SEGR燃氣渦輪機系統(tǒng)52的排氣部分266的排氣流的方 向319)而不會使本方法的效果無效。
[0094] 進一步地,圖9和圖10的實施例二者都圖示說明了沿每個抽排通道270設置在隔離 閥306和隔離閥308之間的傳感器272。如上所闡述的,雖然沿每個抽排路徑270僅圖示說明 了一個傳感器272,但在某些實施例中,可以沿每個抽排通道270設置任何數(shù)量的傳感器272 (例如,溫度傳感器、氧傳感器、一氧化碳傳感器、氮氧化物傳感器、水蒸汽傳感器、氫傳感 器、未燃盡燃料傳感器,或其任何組合)。進一步地,雖然在圖9和圖10中未圖示說明,但傳感 器270和傳感器304中的每個可以被通信耦接到控制器/監(jiān)測器274,如上面所討論的。
[0095] 圖9中圖示說明的氣流抽排系統(tǒng)266的實施例是具有內(nèi)部返回通道320的氣流抽排 系統(tǒng)266的示例。在圖9的實施例中,通過抽排通道270從穿過排氣部分260的內(nèi)部部分286的 排氣流抽排許多感覺流。感覺流可以朝向環(huán)形歧管302在軸向方向250上穿過抽排通道270, 如由箭頭322所圖示說明的。一旦傳送到歧管302,組合的感覺流可以被引導朝向內(nèi)部返回 通道320,如由箭頭324所圖示說明的。內(nèi)部返回通道320-般將環(huán)形歧管302耦接到排氣部 分260的內(nèi)部部分286的上游區(qū)域321。特別地,參考排氣流的下游方向319,上游區(qū)域321相 對于內(nèi)部部分286的下游區(qū)域323是上游,其中下游區(qū)域323是由抽排通道270抽排感覺流的 區(qū)域。進一步地,內(nèi)部返回通道320中,正如其名稱所暗示的,可以至少部分地被設置在排氣 部分260的外殼282和內(nèi)部部分286的內(nèi)部。應當理解,利用如圖9中所圖示說明的內(nèi)部返回 通道320可以提供益處。例如,內(nèi)部返回通道320可以在排氣部分260周邊的周圍提供很少障 礙物或沒有障礙物,從而允許其他儀器、設備或通道的空間。進一步地,與其他返回通道選 項相比,內(nèi)部返回通道320可以損失更少的排氣熱到周圍環(huán)境。在另一些實施例中,可以利 用多個返回通道以將感覺流返回到排氣流的上游部分。
[0096]圖10中圖示說明的氣流抽排系統(tǒng)266的實施例是具有外部返回通道330的氣流抽 排系統(tǒng)266的示例。在圖10的實施例中,由抽排通道270從穿過排氣部分260的內(nèi)部部分286 的排氣流抽排許多感覺流。感覺流可以朝向環(huán)形歧管302在軸向方向250上穿過抽排通道 270,如由箭頭322所圖示說明的。一旦傳送到歧管302,組合的感覺流可以被引導朝向內(nèi)部 返回通道330,如由箭頭332所圖示說明的。所圖示說明的外部返回通道330-般將環(huán)形歧管 302耦接到上游區(qū)域321。進一步地,上游區(qū)域321 -般是下游區(qū)域323的上游(相對于排氣流 的方向319),其中由抽排通道270抽排感覺流。對于圖10中所圖示說明的實施例,外部返回 通道330將環(huán)形歧管302耦接到渦輪機部分156的一部分,正好在渦輪機部分156的最終級的 下游。在另一些實施例中,相對于由抽排通道270抽排感覺流的內(nèi)部部分286的區(qū)域,外部返 回通道270可以替代地將環(huán)形歧管302耦接到排氣部分260的內(nèi)部部分286的上游區(qū)域。 [0097]另外,圖10中所圖示說明的氣流抽排系統(tǒng)266包括沿外部返回通道330設置在隔離 閥334和隔離閥336之間的許多傳感器338。在某些實施例中,隔離閥334和隔離閥336可以不 存在。在某些實施例中,可以沿外部返回通道330設置任何數(shù)量的傳感器338(例如,溫度傳 感器、氧傳感器、一氧化碳傳感器、氮氧化物傳感器、水蒸汽傳感器、氫傳感器、未燃盡燃料 傳感器,或其任何組合),以執(zhí)行離開歧管302的組合的感覺流的一個或更多個測量。應當理 解,在某些實施例中,由外部返回通道330的傳感器338提供的測量可以補充由每個抽排通 道270的傳感器272執(zhí)行的測量,使得可以在由特定的抽排通道270抽排的排氣的性質(zhì)與由 所有的抽排通道270抽排的混合或平均排氣的性質(zhì)之間作比較。進一步地,雖然圖10中未圖 示說明,但傳感器338中的每個可以被通信耦接到控制器/監(jiān)測器274,如圖上面討論的傳感 器272。
[0098]應當理解,雖然圖10中所圖示說明的外部返回通道330被圖示說明為設置在排氣 部分260的下面,但在另一些實施例中,外部返回通道330可以被設置在排氣部分260的上面 而不會使本方法的效果無效。進一步地,如圖10中所圖示說明的外部返回通道330可以部分 地或全部地設置在排氣部分260的外殼28 2的外部。應當理解,利用如圖10中所圖示說明的 外部返回通道330可以提供益處。例如,當安裝氣流抽排系統(tǒng)266時,外部返回通道330可以 涉及對排氣部分260較少的修改。進一步地,與內(nèi)部返回通道320相比,外部返回通道330可 以更容易接近用于維護或維修,如上面所討論的。
[0099] 本方法的技術(shù)效果包括基于壓差能夠?qū)崿F(xiàn)從氣流被動地抽排感覺流。本實施例能 夠使多個感覺流經(jīng)由許多抽排路徑從氣流被抽排,其中抽排路徑的尺寸可以調(diào)節(jié)感覺流, 以使感覺流是總排氣流的一小部分(例如,小于大約1%)。進一步地,每個抽排路徑可以包 括能夠?qū)γ總€感覺流執(zhí)行測量的一個或更多個傳感器(例如,溫度傳感器、壓力傳感器、流 量傳感器、氧傳感器、一氧化碳傳感器、氮氧化物傳感器、水蒸汽傳感器、氫傳感器、未燃盡 燃料傳感器,或其任何組合),使得控制器/監(jiān)測器可以至少部分地基于測量確定氣流的參 數(shù)。另外,所公開的實施例可以包括其他特征件,諸如隔離閥、泄水件、內(nèi)部或外部返回路 徑,等等,其可以提供如在氣流抽排系統(tǒng)的維護和維修方面的額外的益處。
[0100] 附加描述
[0101] 如上所闡述的,本實施例提供了用于使用被處理的排氣用于溫度控制、壓力控制、 濕度控制、凈化、間隙控制,和/或基于渦輪機的服務系統(tǒng)的各種部件的密封的系統(tǒng)和方法。 應當注意的是,可以以任何適合的組合利用上面所描述的特征件中的任一個或組合。事實 上,目前想到了這樣的組合的所有的排列。以示例的方式,提供以下條款作為本公開的進一 步描述:
[0102] 實施例1. 一種系統(tǒng),其包括:燃氣渦輪機發(fā)動機,所述燃氣渦輪機發(fā)動機包括:燃 燒器部分,該燃燒器部分具有被配置為燃燒燃料且產(chǎn)生排氣的一個或更多個燃燒器;渦輪 機部分,所述渦輪機部
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