CN101725414B - 使用排气再循环系统加热燃料的系统和方法 - Google Patents

使用排气再循环系统加热燃料的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用排气再循环系统加热燃料的系统和方法。具体而言，本发明的一个实施例可采取这样一种系统的形式，即该系统可使用在排气再循环过程期间从排气流(125)去除的热量来加热由涡轮机(140)所消耗的燃料。

Description

使用排气再循环系统加热燃料的系统和方法
技术领域
本申请涉及：2007年10月30日提交的共同转让的美国专利申请11/928,038[GE卷号227348]；2007年12月10日提交的美国专利申请11/953,524[GE卷号228179]；2007年11月7日提交的美国专利申请11/936,996[GE卷号228178]；以及2007年12月19日提交的美国专利申请11/960,198[GE卷号229464]。
本发明涉及从涡轮机排放的排气，且更具体而言涉及一种利用涡轮机作为在排气再循环(EGR)系统内再循环的排气的原动机的系统和方法。
背景技术
氮氧化物(下文称“NOx”)、二氧化碳(下文称“CO2”)和硫氧化物(SOx)排放物对环境的长期影响受到日益关注。涡轮机如燃气轮机可排放的排放物的允许水平受到严格管制。涡轮机的操作者期望有降低所排放的NOx、CO2和SOx的水平的方法。
排气流中存在大量的可冷凝蒸汽。这些蒸汽通常含有多种组分，例如水、酸、醛、碳氢化合物、硫氧化物，以及氯化合物。在未进行处理的情况下，这些组分如果被允许进入涡轮机则将加速内部构件的腐蚀和结垢。
EGR通常包括使一部分已排放的排气流穿过涡轮机的进口系统进行再循环。排气流然后在燃烧前与进入的空气流相混合。EGR过程有利于去除和隔离浓缩的CO2，并且还可降低NOx和SOx排放水平。然后再循环的排气与进入的空气流相混合以产生进口流体。
在EGR过程期间再循环的排气流通常以高达约1500华氏度的温度范围离开涡轮机。这些温度可能过高而不允许排气流再循环到涡轮机的进口段中。EGR过程将排气流的温度降低到用于再循环到涡轮机中的允许范围。从排气流去除的热量可视为低值热量。
涡轮机所消耗的燃料的温度通常要求在指定范围内。该燃料可包括但不局限于各类燃料油、天然气或合成气。一些涡轮机的燃烧系统要求“加热的”燃料如加热的天然气。通常，天然气供给装置(supply)不会将天然气加热到涡轮机的要求温度。此处，使用燃料加热器来提高天然气的温度，以满足涡轮机要求。燃料气体加热器需要能量源来操作。此能量源通常为寄生负荷并且降低了涡轮机站的整体效率。如果使用低值热量源来加热由涡轮机所消耗的天然气和/或其它燃料，则涡轮机站的操作者将会表示欣赏。
鉴于上述原因，需要一种减少与加热由涡轮机所消耗的燃料相关联的寄生负荷的系统，其中涡轮机与EGR系统一体地形成。该系统将使用低值热量来提高由涡轮机所消耗的燃料的温度。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种用于提高燃料的温度的系统，该系统包括：涡轮机，其包括：用于朝涡轮机的压缩机段引导进口流体的进口系统以及用于燃烧燃料和空气流的燃烧系统，其中该进口流体包括空气流和排气流；以及排气再循环(EGR)系统，其包括至少一个EGR滑道(skid)和至少一个热交换装置，其中该至少一个EGR系统构造成：从涡轮机的排气段接收处于第一温度的排气流；其中该排气流包括处于第一水平的组分；允许排气流进入EGR滑道，该EGR滑道将组分降低到第二水平；允许排气流以第二温度离开EGR滑道并进入进口系统；以及其中该至少一个热交换装置接收处于第一温度的燃料并排出处于第二温度的燃料，同时一部分排气流穿过该至少一个热交换装置的一部分流动。
根据本发明的一个备选实施例，一种提高燃料的温度的方法，该方法包括：提供涡轮机，其中该涡轮机包括用于朝涡轮机的压缩机段引导进口流体的进口系统以及用于燃烧燃料和空气流的燃烧系统，其中该进口流体包括空气流和排气流；以及提供排气再循环(EGR)系统，其包括至少一个EGR滑道和至少一个热交换装置；从涡轮机的排气段接收处于第一温度的排气流，其中排气流包括处于第一水平的组分；将组分降低到第二水平；允许排气流以第二温度离开EGR滑道并允许排气流进入进口系统；以及其中该至少一个热交换装置接收处于第一温度的燃料；以及排放处于第二温度的燃料，同时一部分排气流穿过该至少一个热交换装置的一部分流动。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的用于加热由涡轮机所消耗的燃料的系统的实例的示意图。
图2是示出根据本发明的第二实施例的用于加热由涡轮机所消耗的燃料的系统的实例的示意图。
零件清单
100 EGR系统
105 EGR滑道
110 EGR流动循环装置
115 EGR进口风门(damper)
120 EGR排气风门
125 排气流
130 流动通路
135 进口流体
140 涡轮机
145 压缩机段
147 燃烧系统
150 涡轮段
155 排气管
160 进口系统
165 雨罩(weather hood)
170 进口过滤器系统
175 进口管道
180 进口室(plenum)
185 燃料供给
190 燃料排出
195 热交换装置
200 燃料气体加热器
具体实施方式
以下对优选实施例的详细描述参照附图，附图示出了本发明的特定实施例。具有不同结构和操作的其它实施例并不背离本发明的范围。
文中所使用的特定术语只是为了方便读者而不应视为对本发明的范围进行限制。例如，用词如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“水平”、“竖直”、“上游”、“下游”、“在前”和“在后”等仅描述图中所示的构造。实际上，本发明的实施例的一个或多个元件可沿任何方向取向，且因此应将术语理解为包含此类变化，除非另有所指。
本发明的一个实施例采用这样一种系统的形式，即该系统可使用在EGR过程期间从排气流去除的热量来加热由涡轮机所消耗的燃料。本发明的元件可由能够耐受EGR系统可运行和操作的操作环境的任何材料制作。
通常，本发明的一个实施例的排气再循环系统包括多个元件。这些元件的构造和顺序可由排气流的组成规定。一般而言，包括排气再循环过程的步骤为：冷却、净化、除雾、高效去除微粒和液滴，以及混合。当利用本发明时，可将混有进口空气的转向排气流引导到涡轮进口。存在多种可用来实现EGR的装置。
本发明可应用于各种产生气态流体的涡轮机，例如但不局限于重型燃气轮机或航空改型燃气轮机等。本发明的一个实施例可应用于单个涡轮机或多个涡轮机。本发明的一个实施例可应用于在简单循环构造或联合循环构造中操作的涡轮机。
本发明的一个实施例可包括至少一个EGR滑道。该至少一个EGR滑道可利用至少一个洗涤器；或者至少一个洗涤器和至少一个下游热交换器；或者至少一个洗涤器和至少一个上游热交换器；或者至少一个洗涤器、至少一个下游热交换器和至少一个上游热交换器；或者它们的各种组合。此外，该至少一个EGR滑道还可包括喷射器，该喷射器可引导用于在排气流内降低有害组分水平的试剂；以及用于去除这些组分的湿式静电沉淀器。
现在参照附图，其中全部若干图中各种标号代表相似的元件，图1是示出根据本发明的第一实施例的用于加热由涡轮机所消耗的燃料的系统的实例的示意图。图1示出了涡轮机140和EGR系统100。
涡轮机140通常包括压缩机段145、燃烧段147和涡轮段150。进口段160可位于压缩机段145的上游。进口段可包括雨罩165、进口过滤器系统170、进口管道175和进口室180。排气管155可位于涡轮段150的下游。
EGR系统100包括：EGR滑道105；EGR流动循环装置110；EGR进口风门115；EGR排气风门120，其可与涡轮机140的涡轮段150一体地形成；以及温度调节装置195。
该至少一个EGR系统100可具有一定的尺寸并由这样的材料制造，即能够耐受排气流125的物理特性，例如但不限于包括从约10,000Lb/hr(磅/小时)到约50,000,000Lb/hr的范围的流速和高达约1500华氏度的温度。进口段160和涡轮段150可界定EGR系统100的流动通路130。
EGR滑道105通常包括降低来自于排气流125的上述组分水平的EGR系统100构件。这些构件可包括例如但不限于至少一个热交换器、至少一个洗涤器、至少一个除雾器或类似的构件(这些在图中均未示出)。EGR流动循环装置110可在EGR系统100的操作期间使排气循环。
温度调节装置195通常用于提高通向燃烧系统147的燃料供给装置185的温度。温度调节装置195可采用但不限于热交换器的形式。温度调节装置195的一部分可直接地或间接地定位在流动通路130内。温度调节装置195可包括用于接收和排出排气流125和燃料的多个端口(未示出)。温度调节装置195还可包括用于从排气流125传热到燃料的热交换段(未示出)。
在本发明的此第一实施例中，温度调节装置195经由燃料供给装置185接收处于第一温度的燃料并经由燃料排出装置190排出处于第二温度的燃料。此处，第二温度高于第一温度。同时，温度调节装置195接收以第一排气温度流进流动通路130的排气流125，并将排气流125以第二排气温度排出到流动通路130。此处，第二温度低于第一温度。例如但不限于，温度调节装置195可经由燃料供给装置185在从约30华氏度到约100华氏度的温度范围接收燃料；并且然后可经由燃料排出装置190在从约200华氏度到约400华氏度的温度范围排出燃料。
使用中，在EGR系统100的操作期间，EGR排气风门120可打开，以允许来自涡轮段150的排气流125进入EGR系统100。排气风门120可在非再循环的排气与排气流125之间分配总的排气流。然后，温度调节装置195允许排气流125或直接地或间接地贯穿流动，同时提高燃料的温度，如上所述。接下来，EGR滑道105可降低排气流125内组分的水平。接下来，EGR进口风门115可打开，以允许再循环的排气流125进入涡轮机140的进口段160。排气流125然后可与进入进口系统160的进口空气混合，形成进口流体135。全部附图中进口空气均由位于雨罩165外部的箭头表示。进口流体135然后可向下游流到涡轮机140的压缩机段145。在上述过程期间，EGR流动循环装置110可使排气流125贯穿EGR系统100流动。
涡轮机140包括具有转子(未示出)的压缩机段145。涡轮机140的操作通常包括以下过程。从进口系统160导出的进口流体135进入压缩机段145，经受压缩并且然后排出到燃烧系统147，燃烧系统147可从燃料排出装置190接收燃料。燃料燃烧并提供驱动涡轮段150的高能燃烧气体。在涡轮段150中，热气体的能量被转换为功，其中一部分功用来驱动压缩机段145。
图2是示出根据本发明的第二实施例的用于加热由涡轮机140所消耗的燃料的系统的实例的示意图。图2示出了涡轮机140和EGR系统100。图2示出了本发明的备选实施例。对图2的讨论集中在第一实施例与图2的实施例之间的差别上。
第二实施例的EGR系统100可一体地形成有至少一个燃料气体加热器200。当EGR系统100包括多个EGR滑道105(图2中仅示出一个)时可采用本发明的此第二实施例。此处，需要附加的加热源来将燃料的温度提高到期望范围。本发明提供了定位该至少一个燃料气体加热器200的灵活性，即定位在温度调节装置195的上游和/或下游。
如图2所示，在本发明的此第二实施例中，燃料气体加热器200可将燃料升温到第一温度。然后该至少一个燃料气体加热器200可经由燃料供给装置185将燃料排出到温度调节装置195。此处，燃料可升温到第二温度。温度调节装置195可经由燃料排出装置190以第三温度排出燃料，该第三温度可处于用于涡轮机的期望温度范围内。同时，温度调节装置195接收以第一排气温度流进流动通路130的排气流125，并以第二排气温度将排气流125排出到流动通路130。此处，第二温度低于第一温度。例如但不限于，温度调节装置195可经由燃料供给装置185在从约70华氏度到约120华氏度的温度范围接收燃料；并且然后经由燃料排出装置190在从约200华氏度到约400华氏度的温度范围排出燃料。
文中所使用的术语只是为了描述具体实施例，并非旨在成为本发明的限制。如文中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明显另有所指。还应当理解的是，用语“包括”和/或“包含”当用于本说明书中时，特指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，而非排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合的存在或附加。
尽管文中已示出和描述了特定的实施例，但应当理解的是，适于实现相同目的的任何装置都可代替所示的特定实施例，并且本发明在其它环境中具有其它应用。本申请旨在涵盖本发明的任何改型或变型。所附权利要求决非旨在将本发明的范围局限于文中所述的特定实施例。

Claims (10)

1.一种用于提高燃料的温度的系统，所述系统包括：
涡轮机(140)，其包括：
进口系统(160)，用于朝所述涡轮机(140)的压缩机段(145)引导进口流体(135)，其中，所述进口流体(135)包括空气流和排气流(125)；
排气段；以及
燃烧系统(147)，用于燃烧燃料和所述空气流；
排气再循环(EGR)系统(100)，流体地连接所述进口系统(160)和位于所述排气段的下游的排气管，其中，所述EGR系统(100)包括：
至少一个EGR滑道(105)；
EGR排气风门(120)，连接在所述EGR系统(100)的进口部分处并在所述排气管(155)附近，使得所述排气风门(120)打开以允许所述排气流(125)进入所述EGR系统(100)并在非再循环的排气与所述排气流(125)之间分配总的排气流；
EGR进口风门(115)，连接在所述进口系统(160)附近，所述EGR进口风门当打开时允许来自所述EGR滑道(105)的所述排气流(125)进入所述进口系统(160)并与从雨罩(165)进入所述进口系统(160)的进口空气相混合；和
至少一个热交换装置(195)，流体地连接至所述燃烧系统(147)并定位在所述排气流(125)的流动通道(130)内；
其中，所述EGR系统(100)构造成：
当所述排气风门(120)打开时从所述涡轮机(140)的所述排气段接收处于第一温度的排气流(125)；其中，所述排气流(125)包括处于第一水平的组分；
允许所述排气流(125)进入所述EGR滑道(105)，所述EGR滑道(105)将所述组分降低到第二水平；
允许所述排气流(125)以第二温度离开所述EGR滑道(105)并进入所述进口系统(160)；以及
其中，所述至少一个热交换装置(195)接收处于第一温度的燃料并排出处于更高的第二温度的燃料，同时所述排气流(125)的一部分穿过所述至少一个热交换装置(195)的一部分流动；其中，所述排气流以第一温度进入所述至少一个热交换装置(195)的所述一部分并以较低的第二温度离开。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料的第一温度包括从约30华氏度到约100华氏度的范围。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料的第二温度包括从约200华氏度到约400华氏度的范围。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述排气流(125)的温度高达约1500华氏度。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述EGR系统(100)包括至少一个EGR排气风门(120)，所述排气风门(120)控制流进所述EGR系统(100)的排气流(125)的量。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括构造成用以提高所述燃料的温度的至少一个燃料气体加热器(200)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述至少一个燃料气体加热器(200)从所述至少一个热交换装置(195)接收燃料并允许所述燃料流向所述燃烧系统(147)。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述至少一个燃料气体加热器(200)供给燃料到所述至少一个热交换装置(195)。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个热交换装置(195)位于所述EGR滑道(105)的上游。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个热交换装置(195)位于所述EGR滑道(105)的下游。
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