CN101532432A - 将稀释剂喷射到燃气轮机组件中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种将稀释剂喷射到燃气轮机组件(110)中的方法。该方法包括：将空气流导入第一压缩机(522)进行压缩，将稀释剂喷射到稀释剂压缩机(520)中进行压缩，以及将压缩的稀释剂导入从第一压缩机中排出的压缩空气流中，用以稀释压缩空气流的氧气含量。

Description

将稀释剂喷射到燃气轮机组件中的方法
技术领域
本发明的领域大体涉及气化系统，例如用于形成一体的气化联合循环(IGCC)发电设备中的气化系统，更详细地讲，涉及将稀释剂喷射到在IGCC发电设备中使用的燃气轮机组件中的方法。
发明背景
大部分已知的IGCC设备包括与至少一个发电涡轮机组件形成一体的气化系统。例如，至少一些已知的气化系统将燃料、空气或氧气和/或CO2转变成合成气体或“合成气”。合成气被导入燃气涡轮发动机的燃烧器中，该燃气涡轮发动机给发电机提供动力，发电机又将电力供给至电网。来自至少一些已知的燃气涡轮发动机的排气被供给至产生蒸汽用于驱动蒸汽轮机的热回收蒸汽发生器(HRSG)。蒸汽轮机产生的动力也驱动向电网供给电力的发电机。
在许多IGCC设备中，喷射稀释剂(例如来自空气分离装置的气态的废氮气)以降低氧化氮排放物和/或增加动力输出。常规上，稀释剂如氮气被压缩到燃料输送的压力，并且被加入到或燃料流中或在燃烧区中直接喷射到燃气轮机的燃烧器中，用以降低氧化氮排放物。在一些实施例中，附加的气态稀释剂根据需要也喷射到燃烧器的稀释区中，以增加燃气轮机的动力输出。稀释剂的后一种应用需要具有足够高排出压力的气态稀释剂压缩机用以充分地输送稀释剂，以便在混合物喷射到燃料控制阀之前使稀释剂与燃料流相混合，和/或需要单独的稀释剂喷射控制阀用于使稀释剂喷射到燃气轮机的燃烧器中。在两种已知的方法中，需要由稀释剂压缩机提供较高的压缩动力，并且需要具有非常低的氧气含量(即通常小于2％)的高纯度的稀释剂，以避免在合成气燃料燃烧中逆燃的情况下对硬件造成损坏。然而，这种系统通常昂贵并可能仅具有有限的效率。
发明内容
本发明涉及用于将稀释剂喷射到形成一体的气化联合循环(IGCC)设备的燃气轮机组件中以降低氧化氮排放物并提高设备热效率的方法。具体地讲，在一个实施例中，该方法包括将压缩的稀释剂喷射到主空气压缩机的排出管线中，以便与压缩空气流相混合。在另一个实施例中，该方法包括将稀释剂与空气流一起直接喷射到主空气压缩机中。在又一个实施例中，将稀释剂喷射到IGCC设备的燃气轮机组件中的方法以这种方式提供，即为涡轮机的热零件和空气回路提供冷却。
因而，在一方面提供了将稀释剂喷射到燃气轮机组件中的方法。该方法包括将空气流导入第一压缩机进行压缩；将稀释剂喷射到稀释剂压缩机中进行压缩；以及将压缩的稀释剂导入从第一压缩机排出管线所排出的压缩空气流中。
在另一方面，提供了将稀释剂喷射到燃气轮机组件中的方法。该方法包括将稀释剂喷射到空气流中，以便稀释空气流的氧气含量；以及将稀释的空气流导入第一压缩机中进行压缩。
在又一方面，提供了将稀释剂喷射到燃气轮机组件中的方法。该方法包括将稀释剂导入稀释剂压缩机中进行压缩；将压缩的稀释剂排出至至少一个冷却管线中；以及将压缩的稀释剂引至下游，以便于对燃气轮机组件的一部分进行冷却。
其它目的和特征将是显而易见的，并部分地在下面指明。
附图说明
图1是示范性的形成一体的气化联合循环(IGCC)发电设备的示意图；以及
图2是与显示在图1中的IGCC发电设备一起使用的燃气轮机组件和稀释剂喷射系统的示意图。
零件清单
12   燃气轮机组件的压缩机
52   主空气压缩机
54   空气分离单元
56   气化器
58   蒸汽轮机
60   压缩机
62   净化装置
66   热回收蒸汽发生器
68   发电机
100  IGCC系统
110  燃气轮机组件
114  燃气轮机
118  第一发电机
206  管路
500  燃气涡轮发动机的燃烧器
504  管路
506  管路
508、510、512、514、516   改进的稀释剂喷射管路
518  压缩机排出管路
520  稀释剂压缩机
522  主空气压缩机
602、604、606、608、610   流量控制阀
具体实施方式
本发明大体涉及将稀释剂喷射到燃气轮机组件中的改进方法。在一个实施例中，稀释剂被引入燃气轮机组件中，以便于稀释氧化氮排放物，更详细地讲以便稀释用于在燃气轮机中燃烧的压缩空气流的氧气含量。在备选的实施例中，将稀释剂喷射到燃气轮机组件中以便于对涡轮构件进行冷却。
图1是示范性的形成一体的气化联合循环(IGCC)发电设备100的示意图。IGCC系统100通常包括主空气压缩机52、与空气压缩机52流动连通地联接的空气分离单元54、与空气分离单元54流动连通地联接的气化器56、与气化器56流动连通地联接的燃气轮机组件110，以及蒸汽轮机58。在运行中，压缩机52对环境空气进行压缩。压缩空气被导入空气分离单元54中。在一些实施例中，作为压缩机52的附加或备选方案，来自燃气轮机组件的压缩机12的压缩空气供给至空气分离单元54。空气分离单元54使用压缩空气来产生由气化器56使用的氧气。更具体地讲，空气分离单元54将压缩空气分离成单独的氧气流和气体副产物(有时称作“过程气体”)。由空气分离单元54产生的过程气体包括氮气，在本文中将称作“氮气过程气体”。氮气过程气体还可包括其它气体，例如但并不限于氧气和/或氩气。例如，在一些实施例中，氮气过程气体包括大约90％(按重量计)至大约100％(按重量计)的氮气，更详细地讲，包括大约95％(按重量计)至大约100％(按重量计)的氮气。氧气流被导入气化器56中，用于部分地产生燃烧气体，本文称作由燃气轮机组件110作为燃料使用的合成气，这将在下面更详细地介绍。在一些已知的IGCC系统100中，至少部分氮气过程气体流(空气分离单元54的副产物)排放到大气中。另外，在一些已知的IGCC系统100中，部分氮气过程气体流喷射到燃气涡轮发动机的燃烧器500内的燃烧区(未示出)中，以便于控制组件110的排放物，更具体地讲，以便于降低燃烧温度并减少来自组件110的氧化氮排放物。IGCC系统100可包括压缩机60，用于在氮气过程气体流喷射到燃烧区之前对其进行压缩。
气化器56将燃料的混合物、由空气分离单元54所供给的氧气、液态水和/或蒸汽、和/或炉渣添加剂转变成由燃气轮机组件110作为燃料使用的合成气的输出物。尽管气化器56可使用任何燃料，然而，在一些已知的IGCC系统100中，气化器56使用煤、石油焦、渣油、油乳剂、焦油砂和/或其它类似的燃料。在一些已知的IGCC系统100中，由气化器56产生的合成气包括二氧化碳。由气化器56产生的合成气在被导入燃气轮机组件的燃烧器500用于其燃烧之前在净化装置62中进行净化。二氧化碳可在净化过程中从合成气中分离出来，并在一些已知的IGCC系统100中被排放到大气中。从燃气轮机组件110输出的动力驱动发电机118，发电机118又将电力供给至电网(未示出)。来自燃气轮机组件110的排气供给至热回收蒸汽发生器66，该热回收蒸汽发生器66产生用于驱动蒸汽轮机58的蒸汽。由蒸汽轮机58产生的动力驱动发电机68，发电机68又将电力供给至电网。在一些已知的IGCC系统100中，来自热回收蒸汽发生器66的蒸汽供给至气化器56，用于产生合成气。
尽管如上所述，IGCC发电设备100包括空气分离单元54，以便分离N2、O2和其它气体成分(例如氩气等)，但是应当认识到，如上所述，管路206并不输送纯N2；也就是说，残余的O2和其它气体成分存在于经由管路206输送的空气流中。
例如，已经发现，穿过管路206引导的分离的空气流通常包含大约95％或更多(按重量计)的氮气，以及大约5％(按重量计)或更少的其它气体成分，例如氧气和氩气。长时间以来就已经认识到，当使用具有相对较高氧气含量(即通常大约2％)的供应空气燃烧合成气时，则在合成气燃料燃烧中因逆燃对IGCC发电设备100的构件造成损坏的危险增加。因而，对于至少一些已知的IGCC设备，一种或多种稀释剂(未示出)在燃烧之前已经加入到合成气燃料(未示出)中。
图2是与显示在图1中的IGCC发电设备100一起使用的示范性的燃气轮机组件110的示意图。详细地讲，在示范性的实施例中，燃气轮机组件110如上所述地包括燃气轮机114和第一发电机118。常规而言，一种或多种稀释剂或者从燃烧器500上游(通常显示在502A，502B和502C处)加入到合成气燃料流中，或者经由管路504和/或管路506直接加入到燃烧器的各个级中(与以下所述的合成气燃料和压缩空气流一起燃烧)。如上所述，这种喷射方法通常效率低并且成本高。具体地讲，对于已知的喷射方法，主空气流通常不能在燃烧之前有效地被稀释，并且主空气流包括较高浓度的氧气(通常高于21摩尔百分数的氧气)，这可导致逆燃。
在燃气轮机组件110中(例如用于IGCC发电设备100和类似的过程中)使用的典型的稀释剂包括例如氮气、蒸汽和二氧化碳。特别优选地用于本发明的稀释剂为氮气，这是因为氮气在空气分离单元54中在压力下与氧气分开。这些稀释剂可以高达三倍于在燃气轮机组件110中使用的燃料气体的量来添加，以便降低燃烧器500中燃烧火焰的温度及减少相关的氧化氮排放物。本发明的方法提供了改进的稀释剂喷射管路508、510、512、514和516，以便用于更有效地将稀释剂喷射到燃气轮机组件110中。具体地讲，在一个实施例中，一种或多种稀释剂初始被引入稀释剂压缩机520中，其中，稀释剂(例如可从空气分离单元54中获得，通常处于进入主空气压缩机522的压缩空气流的三分之一的压力下)从大约60绝对磅/平方英寸(psia)的压力被压缩到大约300psia的压力。
当稀释剂在压缩机520中受压缩时，已经由空气分离单元54(显示在图1中)分离成包含至少大约95％或更多(按重量计)的氮气和少于大约5％(按重量计)的氧气和/或氩气的主空气流经由管路206被导入至主压缩机522中，在其中主空气流受到压缩。通常，取决于燃气轮机组件110的压缩机结构，主空气流在主压缩机522中从具有大约13psia至14.7psia压力的环境空气被压缩到大约150psia至350psia的压力。一旦被压缩，主空气流经由压缩机排出管路518从主空气压缩机522排到燃烧器500中。
压缩的稀释剂与压缩的主空气流相混合。当稀释剂在压缩机排出管路518处被引入主空气流时，稀释剂无需具有如其它方式所需要的严格的压力要求。具体地讲，严格的稀释剂压力要求取决于稀释剂喷射的位置，以及其在获得氧化氮排放物中的作用。通常，稀释剂的压力必须高于燃烧器500所有的运行条件所要求的压力。更详细地讲，在常规方法中，任何喷射到燃烧器中的物料通常要求更高的压力(比喷射点处的压力高出大约30％至大约60％)，以便解决由一个或多个流量控制阀602、604、606、608和610所造成的压力损失以及充分地分配稀释剂，例如经由喷嘴(未示出)喷射到燃气轮机的燃料流中以及直接喷射到燃烧器500中。然而，使用本发明的喷射方法需要稀释剂的压力仅比压缩机排出管路518中的喷射位置点处的压力高出大约10％至大约15％，这是因为稀释剂具有足够的时间和空间用于与压缩的排出空气流相混合。
在另一个实施例中，一旦空气流被空气分离单元54分离，并经由管路206进入燃气轮机组件110中，则稀释剂直接引入空气流中。具体地讲，稀释剂直接引入管路206中的主空气流中。一旦混合，则稀释的空气流被导入主空气压缩机522中并被进一步地压缩。一旦被压缩，则主空气流被导入主空气压缩机522中并经由压缩机排出管路518被导入燃烧器500，以便与合成气燃料一起燃烧。
通常，通过使用本发明的方法将稀释剂引入燃气轮机组件110中，稀释的压缩空气流(该稀释的压缩空气流通常燃烧并输送到燃气轮机114中用以产生能量，这一点已在文中全面地进行了描述)包括少于21摩尔百分数的氧气。在一个实施例中，稀释的压缩空气包括大约10摩尔百分数至大约15摩尔百分数的氧气。如以上所指出的那样，通过降低氧气含量可有助于降低燃烧过程中逆燃的风险。
燃气轮机的燃烧器500特别地设计成具有产生较大压降的燃料喷嘴(未示出)，以便在燃烧区中的所有运行条件下提高燃料的流动速度，用以与来自压缩的排出空气流中的空气一起燃烧。在典型的燃气轮机中，燃料流量通常小于空气流量，通常为空气流量的大约2％至大约10％。因此，燃烧器设计成在空气流回路中具有非常低的压降，以降低损失并提高燃气轮机的效率。逆燃只能发生在燃烧区中燃料允许与来自排出管线(本文也称作排出管路)518的压缩的排出空气流相遇的位置。然而，在本发明改进的稀释剂喷射回路中，稀释剂与空气流混合的位置比常规上在燃烧器中进行稀释剂喷射的位置更靠前。
如上所述，一旦被稀释，则稀释的压缩空气流(通常处于大约400℉至大约1000℉的温度下)喷射到燃烧器500中，并与燃料源(通常为合成气燃料，通常处于大约250℉至大约500℉的温度下)在大约2000℉至大约3500℉的温度及大约100psia至大约350psia的压力下一起燃烧。更适当地讲，稀释的压缩空气流与燃料源在大约2500℉的温度及大约230psia的压力下一起燃烧。一旦燃烧，所形成的燃烧气体导向涡轮机114，用以产生用于第一发电机118的能量。
在备选的实施例中，与常规的冷却燃气轮机组件110的热涡轮机构件(未示出)的方式相比，稀释剂可用作备选的冷却剂。更详细地讲，燃气轮机组件通常必须被冷却，以防止过热及功能失效。例如，在一些已知的燃气轮机组件中，冷却空气(具有大约500℉至大约1000℉、更适当地为大约800℉的温度)通过管路510、512和514供给，以便于冷却涡轮机构件。另外，来自主空气压缩机522的压缩空气可(例如经由管路510、512和514)导入燃气轮机组件110的各构件，以便于冷却。通常，通过以上述常规方式对燃气轮机组件110进行冷却，各燃气轮机组件的构件的温度可处于大约500℉至大约1000℉的范围内。
然而，在本发明中，稀释剂可按以上所述在稀释剂压缩机520中进行压缩，然后直接导入管路510、512和514，用以辅助燃气轮机组件110中涡轮机构件的冷却。通过以这种方式喷射稀释剂，与常规的冷却空气流的压力相比需要较低的压力。具体地讲，按常规从主空气压缩机522的离散的内部位置回路中对于所有的运行条件供给冷却空气，而来自稀释剂压缩机520的稀释剂可基于本发明设计成用以直接在涡轮机冷却回路所需的运行压力下供给。稀释剂通常可在其被引入稀释剂压缩机520之前在更低得多的温度(通常为环境温度(～60℉))及更高的压力(通常为大约60psia)下获得。类似而言，在与来自主空气压缩机522的压缩空气相同的压力条件下，稀释剂出口温度低大约200℉至大约500℉。另外，使用本发明的喷射方法便于将燃气轮机组件的构件冷却到与使用已知的涡轮机冷却方案所达到的温度相比更低的温度。例如，在一个实施例中，通过本发明的方法冷却的涡轮机部件被冷却到大约400℉至大约800℉。
基于以上所述，本发明提供了用于将稀释剂喷射到IGCC设备的涡轮机组件中的改进方法。具体地讲，与常规方法相比，稀释剂可在燃烧之前更好地从主空气流中移除过量的氧气(为氧化氮排放物的形式)，以防止损坏在IGCC发电设备中使用的燃气轮机组件的硬件。更详细地讲，这些改进的稀释剂喷射方法可尤其适合用于未来的IGCC设备中，在其中来自燃料的碳为了隔离而作为二氧化碳被移除，最后形成氢含量高得多的燃气轮机燃料(例如按体积计大约50％或更多)。具体地讲，在这些未来的设备中，在这些条件下喷射带有甚至少量的氧气(例如按体积计大约0.5％)的稀释剂，也可能在燃烧器构件中造成逆燃。另外，稀释剂可用作备选或辅助的冷却剂，以便为燃气轮机组件的热涡轮机零件提供更经济有效的冷却。
当介绍本发明的元件或其优选的实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意思是指具有元件中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意思是包括在内的，以及是指除了所列出元件之外可能存在的另外元件。
由于可在以上结构和方法中进行多种改变而并不背离本发明的范围，故包含在以上描述以及显示在附图中的所有内容都应意图理解为描述性的，而不能以限制性的意义来理解。

Claims (10)

1.一种将稀释剂喷射到燃气轮机组件(110)中的方法，所述方法包括：
将空气流导入第一压缩机(522)中进行压缩；
将稀释剂喷射到稀释剂压缩机(520)中进行压缩；以及
将所述压缩的稀释剂导入从所述第一压缩机排出的压缩空气流中，用以稀释所述压缩空气流的氧气含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述稀释的压缩空气流和燃料源供给至燃烧器(500)用于燃烧。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将燃烧气体从所述燃烧器(500)排出至燃气轮机(114)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，供给所述稀释的压缩空气流还包括将至少包含大约95摩尔百分数的氮气的空气流供给至所述燃烧器(500)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，供给所述稀释的压缩空气流还包括将包含氧气和氮气中的至少一种气体的空气流供给至所述燃烧器(500)。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，供给所述稀释的压缩空气流还包括将包含少于21摩尔百分数的氧气的空气流供给至所述燃烧器(500)。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，供给所述稀释的压缩空气流还包括将包含大约10摩尔百分数至大约15摩尔百分数的氧气的空气流供给至所述燃烧器(500)。
8.一种将稀释剂喷射到燃气轮机组件(110)中的方法，所述方法包括：
将稀释剂喷射到空气流中，以便于稀释所述空气流的氧气含量；以及
将所述稀释的压缩空气流导入第一压缩机(520)中，用于压缩所述稀释的空气流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述稀释的压缩空气流从所述第一压缩机(520)朝向燃烧器(500)排出；以及
使所述稀释的压缩空气流与燃料源相混合以便燃烧。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将燃烧气体从所述燃烧器(500)排出至燃气轮机(114)。
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