CN101725440A - 用于egr系统的进口系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于EGR系统的进口系统，具体而言，本发明的实施例采取一种可使至少一个涡轮机(140)的一部分排气再循环的系统的形式，在该系统中，该至少一个涡轮机(140)一部分排气可与进口空气相混合并且再次进入涡轮机(140)而不影响该单元(140)的可靠性和可用性。本发明的一种实施例提供一种用于废气再循环系统(100)的进口系统(160)。该进口系统(160)可采取多种形式，并且，可优化再循环排气流(125)的该部分在该进口系统(160)内流动的方向。

Description

用于EGR系统的进口系统
技术领域
本申请涉及共同转让的2007年10月30日提交的美国专利申请11/928,038[GE案卷227348]；2007年12月10日提交的美国专利申请11/953,524[GE案卷228179]；2007年11月07日提交的美国专利申请11/936,996[GE案卷228178]；以及2007年12月19日提交的美国专利申请11/960,198[GE案卷229464]。
本发明涉及从涡轮机(turbomachine)中排放的废气(exhaust gas)，并且更具体而言，涉及利用涡轮机作为在EGR系统内被再循环的废气的原动机(prime mover)的系统和方法。
背景技术
存在对氮氧化物(下文中称作NOx)、二氧化碳(下文中称作“CO2”)、以及硫氧化物(下文中称作SOx)排放物对环境的长期的影响的日益增长的担忧。可由涡轮机(例如燃气轮机)所排放的排放物的可允许的水平严格地受到控制。涡轮机的操作者渴望降低所排放的NOx、CO2，、以及SOx的水平的方法。
废气流中存在大量的可冷凝的蒸汽。这些蒸汽通常包括多种组分(constituent)，例如水、酸性物、醛、碳氢化合物、硫氧化物、以及氯化物。在未经处理的情况下，这些组分如果被允许进入涡轮机，则其将加速内部部件的腐蚀和结垢(fouling)。
废气再循环(EGR)通常包括使一部分所排放的排气流(exhauststream)穿过涡轮机的进口系统(inlet system)进行再循环。排气流然后在燃烧之前与输入的空气流(airstream)相混合。EGR过程促进浓CO2的去除和隔离(sequestration)，并且，同样可降低NOx和SOx的排放水平。再循环的排气与输入的空气流相混合以产生进口流体(inletfluid)。排气流应在进口段(inlet section)的一部分内与空气流充分地相混合。
为了前述的原因，需要允许与EGR系统相结合(integrate)的进口系统。该进口系统应以这样的方式来导引再循环的排气流，即，允许与输入的空气流相混合。
发明内容
根据本发明的一种实施例，一种用于将排气流引入至涡轮机中的系统，该系统包括：用于引导(channeling)进口流体朝向涡轮机的压缩机段的进口系统，其中，进口流体包括空气流和排气流，废气再循环(EGR)系统包括至少一个EGR滑道(skid)和至少一个EGR管道；其中，该至少一个EGR管道与进口系统的一部分相结合；其中，该至少一个EGR系统构造成：接收来自涡轮机的排气段(exhaust section)的、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滑道将组分降低至第二水平；并且允许排气流以第二温度离开EGR滑道并且流动穿过该至少一个EGR管道，其中，排气流进入进口系统。
附图说明
图1是示出与涡轮机相结合的EGR系统的实例的示意图。
图2是示出根据本发明的第一实施例的用于EGR系统的进口系统的实例的示意图。
图3是示出根据本发明的第二实施例的用于EGR系统的进口系统的实例的示意图。
图4是示出根据本发明的第三实施例的用于EGR系统的进口系统的实例的示意图。
图5是示出根据本发明的第四实施例的用于EGR系统的进口系统的实例的示意图。
图6是示出根据本发明的第五实施例的用于EGR系统的进口系统的实例的示意图。
零件清单
100EGR系统
105EGR滑道
110EGR流动循环装置
115EGR进口风门(damper)
120EGR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透平段(turbine section)
155排气烟囱
160进口系统
165气候防护罩(weather hood)
170进口过滤器系统
175进口管道
180进口气室(plenum)
205EGR管道
207多个叶片
209出口部分(outlet portion)
210角X
215角Y
220第一过滤器
225第二过滤器
230过渡管道(transition duct)
235消声器段
305第三过滤器
306气室中心体(center-body)
具体实施方式
以下的优选实施例的详细描述参照附图，这些附图示出本发明的具体的实施例。具有不同结构和运行的其它的实施例不脱离本发明的范围。
某些用语在本文中仅为方便读者而被使用且不应被视为对本发明的范围的限制。例如，如“上部”、“下部”、“左侧”、“右侧”、“前部”、“后部”、“顶部”、“底部”、“水平的”、“垂直的”、“上游”、“下游”、“在前”、“在后”等等的词语只是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在任何的方向中定向，并且，这些用语因此应被理解为包括了这样的变化(除非另有说明)。
本发明的一种实施例采取可使至少一个涡轮机的一部分废气再循环的系统的形式，在该系统中，该至少一个涡轮机的一部分废气可与进口空气相混合并且再次进入涡轮机而不会影响该单元的可靠性和可用性(availability)。本发明的元件可由可经受住这样的运行环境——即，EGR系统可在该运行环境下起作用和运行——的任何材料所制造。
通常，本发明的一种实施例的废气再循环系统包括多个元件。元件的构造和顺序可由废气的成分(composition)所规定。通常地，包括废气再循环过程的步骤是：冷却，涤气，除雾，高效的微粒及微滴去除，以及混合。当利用本发明时，经转向的(diverted)、与进口空气相掺混的气体可被引入至透平进口，而不会产生危害。如下文所描述，存在可用于完成废气处理的多种布置。
本发明可应用于产生气态的流体的多种涡轮机，例如，但不限于，重型燃气轮机；航改燃气轮机(aero-derivative gas turbine)；等等。本发明的一种实施例可应用于单个涡轮机或多个涡轮机。本发明的一种实施例可应用于在简单循环或联合循环构造中运行的涡轮机。
如下文所描述，本发明的一种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涤气器；或至少一个涤气器和至少一个下游的热交换器；或至少一个涤气器和至少一个上游的热交换器；或至少一个涤气器、至少一个下游的热交换器，以及至少一个上游的热交换器；或其各种组合。再者，该至少一个EGR滑道还可包括可引入试剂(reagent)以降低排气流内的有害的组分的水平的喷射器；以及，用于去除组分的湿式静电除尘器(precipitator)。
现参考图(在其中，遍及数个视图，许多数字表示相似的元件)，图1是示出与涡轮机140相结合的EGR系统100的实例的示意图。图1示出涡轮机140和EGR系统100。
涡轮机140通常包括压缩机段145、燃烧段147、以及透平段150。进口段160可设置在压缩机段145的上游。进口段可包括至少一个气候防护罩165，进口管道175、以及进口气室180。排气烟囱155可设置在透平段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；以及EGR排气风门120，该EGR排气风门120可与涡轮机140的透平段150相结合。
该至少一个EGR系统100可为尺寸相同的，并且，由能够经受住排气流125的物理特性(例如，但不局限于，约10000Lb/hr(磅/小时)至约50000000Lb/hr的流率和达约1500华氏度的温度)的材料所制造。在此，排气流125的速度可包括达约10000000标准立方英尺每分钟(SCFM)的范围。进口段160和透平段150可界定(bound)EGR系统100的流动通路130。
EGR滑道105通常包括EGR系统100的、降低上述来自排气流125的组分的水平的(多个)部件。这些(多个)部件可包括，例如，但不局限于，至少一个热交换器、至少一个涤气器、至少一个除雾器，或类似的部件(这些部件中没有一个示出在图中)。EGR流动循环装置110可在EGR系统100的运行期间使排气循环。
通常，在EGR系统100的运行期间，EGR排气风门120可打开以允许来自透平段150的排气流125进入EGR系统100。排气风门120可在非再循环排气和排气流125之间进行总排气流量(exhaust flow)的分摊。然后，EGR滑道105可降低排气流125内的组分的水平。接着，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的进口空气相混合从而形成进口流体135。贯穿图，进口空气由设置在该至少一个气候防护罩165外的(多个)箭头所表示。进口流体135然后可向下游流动至涡轮机140的压缩机段145。在上述的过程期间，EGR流动循环装置110可使排气流125运动贯穿EGR系统100。
图2是示出根据本发明的第一实施例的、用于EGR系统100的进口系统160的实例的示意图。图2示出涡轮机140和进口系统160的第一实施例。在此，进口过滤器系统170包括第一过滤器220和第二过滤器225。第一过滤器220可设置在第二过滤器225上游。在本发明的一实施例中，第一和第二过滤器220，225可例如为(但不局限于)聚结式(coalescing)过滤器或类似者。
在本发明的一实施例中，EGR系统100包括至少一个EGR管道205，该EGR管道205用于将排气流125引入到进口系统160中。该至少一个EGR管道205可包括与EGR系统100相结合的进口部分(未示出)。该进口部分可接收来自EGR进口风门115的排气流125。该至少一个EGR管道205可包括与进口系统160相结合的出口部分209。该出口部分209可允许排气流125流动到进口系统160中。该至少一个EGR管道205可被制成可虑及与进口系统160的部分的物理结合(physical integration)的任何形状。该至少一个EGR管道205可由能够经受住上述EGR系统100的运行环境和条件的任何材料所制成。例如，但非限制性地，排气流125可在从约300英尺/分钟至约5000英尺/分钟的范围中流动。
在本发明的第一实施例中，该至少一个EGR管道205可与该至少一个气候防护罩165相结合。例如，但非限制性地，构型6涡轮机(Frame 6turbomachine)140可包括单个的气候防护罩165；然而，构型9涡轮机140可包括多个气候防护罩165。
如图2中所示，排气流125可进入进口系统160(在由该至少一个气候防护罩165所包围的区域中)。该至少一个EGR管道205的出口部分209可在该至少一个气候防护罩165上被定向以便向下游地朝向进口过滤器系统170地导引并分配(distribute)排气流125。出口部分209的定向可虑及在与空气流相混合时的几乎均匀的温度分布。出口部分209的定向还可降低妨碍空气流进入该至少一个气候防护罩165的可能性。出口部分209的定向可允许进口流体135对称地(symmetrically)流动穿过进口过滤器系统170。
在本发明的一实施例中，出口部分209的定向可由示出为“X”的角X210和示出为“Y”的角Y215所确定。角X210可确定关于平面X(示出为“Px”)的出口部分209的中心截面(central section)的位置。角Y215可确定相对于平面Y(示出为“Py”)的排气流125的中心部分的位置。同样地，可优化角X210和角Y215的范围以顾及排气流125的离开速度。这可有助于排气流125与空气流的混合。此外，角X210和角Y215可有助于以几乎均衡的(uniform)方式在进口系统160内扰动(disturbing)排气流125。这样的分布可降低热点或类似者的几率。
在本发明的一实施例中，使用者可以带有如下目标的方式优化角X210和角Y215，即，将最大量的排气流125向下游地朝向进口过滤器系统170地加以导引。在此，角Y215的优化值可依赖于角X210的优化值，或相反。例如，但非限制性地，角X210可包括从约0度至约90度的范围；而角Y215可包括从约0度至约45度的范围。
在使用中，本发明的第一实施例的进口系统160可如下地起作用。如所描述地，进口系统160可引导由压缩机段145所吸入的空气流并且混合排气流125以产生进口流体135。空气流通常来自于环境(涡轮机140在该环境中运行)。首先，空气流围绕该至少一个气候防护罩165流动，该至少一个气候防护罩165可阻止气候元素(如雨、雪，等等)进入压缩机段145。如所描述地，进口流体135可在这样的区域中产生，即，在该区域中，该至少一个EGR管道205的出口部分209连接至该至少一个气候防护罩165。进口流体135然后可流动穿过进口过滤器系统170；该进口过滤器系统通常去除来自空气流的外物和碎屑(debris)。接着，进口流体135可流动穿过过渡管道230，该过渡管道230可包括消声器段235。接着，进口流体135可流动穿过进口管道175且然后流动穿过进口气室180；这些部件可调整空气流的速度和压力。进口气室180可将进口系统160与涡轮机140相连接，并且，允许进口流体135流动到压缩机段145中。
涡轮机140包括带有转子的压缩机段145。涡轮机140的运行通常包括下列者：从进口系统160中得到的进口流体135进入压缩机段145，被压缩，并且然后排出至燃烧系统147，在该燃烧系统147中，燃料(例如天然气)燃烧以提供驱动透平段150的高能量燃烧气体。在透平段150中，热气体的能量被转换为功(work)，其中的一些用于驱动压缩机段145。
图3至图6示出本发明的备选的实施例。这些图中的每个的论述集中在所论述的实施例和图2的实施例之间的区别上。
图3是示出根据本发明的第二实施例的、用于EGR系统100的进口系统160的实例的示意图。在此，进口系统160可被改型成包括第三过滤器305。该第三过滤器305可设置在该至少一个EGR管道205上游。该第二实施例中，该至少一个EGR管道205可设置在进口过滤器系统170和第三过滤器305之间。
第三过滤器305可吸收(absorb)进入进口系统160的空气流内的外物和碎屑的一部分。第三过滤器305可降低进入进口系统160的排气流125流出该至少一个气候防护罩165而流至涡轮机140的周围环境的可能。该第三过滤器305可有助于在涡轮机140的停机期间容纳排气流125。在本发明的一实施例中，第三过滤器305可例如为(但不局限于)聚结式过滤器或类似者。
图4是示出根据本发明的第三实施例的、用于EGR系统100的进口系统160的实例的示意图。在此，进口系统160可被改型成使该至少一个EGR管道205的出口部分209设置在第一过滤器220和第二过滤器225之间。在本发明的该第三实施例中，出口部分209可被定向以允许排气流125在第一过滤器220和第二过滤器225之间被引入到进口系统160中。
本发明的第三实施例可降低进入进口系统160的排气流125流出该至少一个气候防护罩165而流至涡轮机140的周围环境的可能。该第三实施例可包括多个EGR管道205，其可绕进口过滤器系统170的外围而分配排气流125。在此，EGR管道205可定位在第一过滤器220和第二过滤器225之间。备选地，该至少一个EGR管道205可设置在进口过滤器系统170的顶部的、底部的、或中部的部位(location)处。这可有助于以几乎均衡的方式分配排气流125。
图5是示出根据本发明的第四实施例的、用于EGR系统100的进口系统160的实例的示意图。在此，进口系统160可被改型成使该至少一个EGR管道205的出口部分209设置在进口过滤器系统170和过渡管道230的消声器段235之间。
该第四实施例的构造可降低排气流125向上游流动并流出该至少一个气候防护罩165的可能。该第四实施例可允许降低离开该至少一个EGR管道205的排气流125的所要求的供给压力(supply pressure)。该第四实施例可允许降低设置在该至少一个EGR管道209上游的进口设备的尺寸。
图6是示出根据本发明的第五实施例的、用于EGR系统100的进口系统160的实例的示意图。在此，进口系统160可被改型成使该至少一个EGR管道205的出口部分209设置在消声器段235下游。这可降低当排气流125与空气流被混合以产生进口流体135时产生流动畸变(flow distortion)的可能。
如图6中所示，本发明的第五实施例可使该至少一个EGR管道205的出口部分209设置在进口管道175或进口气室180的不同部位上。例如，但非限制性地，这些部位可邻近消声器段235的下游的部位(示出为“A”)；和/或邻近进口气室180的下游的端部(示出为“B”或“C”)。
在本发明的一实施例中，部位A、B、以及C可表示用于一个至少一个EGR管道205的部位。在本发明的备选的实施例中，部位A、B、以及C可表示这样的位置，即，在这些位置处，多个EGR管道205被结合在进口系统160上。例如，但非限制性地，第一EGR管道205可定位在部位A处；第二EGR管道205可定位在部位B处；并且，第三EGR管道205可定位在部位C处。
部位A、B、以及C可依赖于进口流体135的压缩机进口流场特性(compressor inlet flow field characteristics)。本发明的一实施例试图使进口流体135以几乎均衡的方式在压缩机段145的入口处被分配。在此，可要求进口流体135的多个分配点以消除由进口系统中的其它的流动阻碍和流动转向(flow turning)所引起的流动畸变。流动畸变的一种众所周知的来源是气室中心体306。本发明的一种非限制性的实施例是，排气流流量125的注入穿过中心体306的壁部、尤其地朝向气室的底部。
本发明的第五实施例可允许降低进口系统160部件中的一些的尺寸。在此，可按照无排气流125流量(其在消声器段235下游被引入)的空气流流量来给定进口系统160的尺寸。再者，当排气流125在消声器段235的下游时，消声器段235上游的进口系统160的位置的压降可降低。
图6还示出了至少一个EGR管道205的备选的实施例。在此，该至少一个EGR管道205包括多个叶片(vane)207以用于控制排气流125的流动。这可有助于产生进口流体135。在本发明的另一备选的实施例中，该至少一个EGR管道205可包括多个可动的叶片207。在此，使用者可调整可动叶片207的位置至优化的角度以用于导引排气流125的通路。虽然该至少一个EGR管道205的这些实施例在图6中被介绍，但是，适用性不局限于图6。该至少一个EGR管道205的这些实施例可应用于本发明的进口系统160的所论述的或相关的实施例中的任何一个。
本文中所使用的用语仅用于描述具体实施例的目的并且不意在限制本发明。如本文中所使用，单数形式“一”、“一个”、以及“该”意在同样包括复数形式——除非上下文清楚地另有说明。此外应理解的是，用词“包括”和/或“包含”在本说明书中被使用时特指所陈述的特征、整体、步骤、运行、元件、和/或部件的存在，而非排除一个或多个其它的特征、整体、步骤、运行、元件、部件、和/或其组合的存在或附加。
虽然本文中已示出和描述具体的实施例，但是应意识到的是，任何被计划以实现相同目的的布置可替代所示的具体的实施例，并且，本发明在其它的环境中具有其它的应用。本申请意在涵盖本发明的任何的修改和变化。所附权利要求决不意在将本发明的范围局限于本文所描述的具体的实施例。

Claims (10)

1.一种用于将排气流(125)引入到涡轮机(140)中的系统，所述系统包括：
用于引导进口流体(135)朝向涡轮机(140)的压缩机段(145)的进口系统(160)，其中，所述进口流体(135)包括空气流和排气流(125)，
废气再循环(EGR)系统(100)，该废气再循环(EGR)系统(100)包括至少一个EGR滑道(105)和至少一个EGR管道(205)；其中，所述至少一个EGR管道(205)与所述进口系统(160)的一部分相结合；
其中，所述至少一个EGR系统(100)构造成：
接收来自涡轮机(140)的排气段的、处于第一温度的所述排气流(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)将所述组分降低至第二水平；以及
允许所述排气流(125)在第二温度下离开所述EGR滑道(105)并且流动穿过所述至少一个EGR管道(205)，其中，所述排气流(125)进入所述进口系统(160)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进口系统(160)包括以下中的至少一个：
至少一个构造成用于降低进入所述进口系统(160)的降水的量的气候防护罩(165)，其中，所述至少一个气候防护罩(165)包括用于接收所述空气流的开口；和
构造成用于降低进入所述压缩机段(145)的外物的量的进口过滤器系统(170)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少一个EGR管道(205)与所述气候防护罩(165)的一部分相结合。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述至少一个EGR管道(205)的出口部分(209)的定向由角X和角Y所确定。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述至少一个气候防护罩(165)的开口由至少一个过滤器(170)所覆盖；其中，所述至少一个过滤器(170)降低进入进口段(160)的所述空气流内的碎屑的水平。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述进口过滤器系统(170)包括第一过滤器(220)和第二过滤器(225)，其中，所述第一和第二过滤器(220，225)设置在所述气候防护罩(165)下游。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述至少一个EGR管道(205)设置在所述第一过滤器(220)和所述第二过滤器(225)之间，并且构造成允许所述排气流(125)流动到所述第一过滤器(220)和所述第二过滤器(225)之间。
8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述进口系统(160)包括过渡管道(230)，其中，所述过渡管道(230)包括消声器段(235)。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一个EGR管道(205)设置成在所述第一过滤器(220)和使第二过滤器(225)下游且在所述消声器段(235)上游，并且构造成允许所述排气流(125)流动到所述第一过滤器(220)和所述第二过滤器(225)下游。
10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述进口系统(160)还包括设置在所述过渡管道(230)下游和进口气室(180)上游的进口管道(175)，其中，所述进口气室(180)连接至所述压缩机段(145)的上游部分；并且其中，所述至少一个EGR管道(205)设置在邻近所述过渡管道(230)的所述进口管道(175)的一部分上。
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