CN102588117A - 用于控制燃气轮机的氧气排放的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制燃气轮机的氧气排放的设备和方法。一种联合循环动力装置包括产生压缩工作流体的第一压缩机和在第一压缩机的下游的涡轮。涡轮包括固定构件和旋转构件，并且产生排气。在涡轮的下游的热交换器接收来自涡轮的排气，并且在热交换器的下游且在涡轮的上游的第二压缩机接收来自热交换器的排气，并且将排气流提供给涡轮。一种用于减少燃气轮机的氧气排放的方法包括使来自涡轮的排气流到热交换器，以及从排气中移除热。该方法进一步包括：提高排气的压力，以产生加压排气；以及使加压排气流回到涡轮，以从涡轮中移除热。

Description

用于控制燃气轮机的氧气排放的设备和方法
技术领域
本发明大体涉及用于控制燃气轮机的氧气排放的设备和方法。具体而言，本发明的各种实施例提供了用于控制联合循环动力装置中的燃气轮机的氧气排放的设备和方法。
背景技术
联合循环动力装置通常包括用于产生动力的一个或多个燃气轮机。典型的燃气轮机包括在前部的压缩机、在中部的周围的一个或多个燃烧器，以及在后部的涡轮。压缩机对工作流体(例如空气)施加动能，以将工作流体带到高度充能的状态。压缩工作流体离开压缩机，并且流到燃烧器，在燃烧器中，压缩工作流体与燃料混合，并且燃烧而产生具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体流到涡轮，在涡轮中，燃烧气体膨胀而产生功。燃烧过程去除存在于压缩工作流体中的大量氧气。因此，离开涡轮的排气气体典型地具有低的氧气水平。
燃气轮机的热力学效率在运行温度(即燃烧气体温度)提高时提高。具体而言，较高温的燃烧气体包含较多能量，并且在燃烧气体在涡轮中膨胀时产生较多功。但是，较高温的燃烧气体可在涡轮中产生过度的温度，该温度可接近或超过各种涡轮构件的熔化温度。为了降低涡轮中的温度，可从压缩机中抽取空气，使空气绕过燃烧器的周围，并且将空气喷射到涡轮中。可将抽取空气直接喷射到燃烧气体流中，以及/或者使抽取空气循环通过涡轮构件的内部，以对涡轮级提供传导冷却和/或对流冷却。
绕过燃烧器以冷却涡轮构件的抽取空气会减少燃烧器产生的燃烧气体的体积，因此降低燃气轮机的总体输出和效率。另外，抽取空气最终与流过涡轮的燃烧气体合并，提高离开涡轮的排气气体中的氧气水平。离开涡轮的排气气体中的提高的氧气水平可对接收排气气体的辅助系统产生问题。降低排气中的氧气水平对于下游排放控制装备和其中在需要减少的氧气的其它工业工艺中使用排气气体的情况可为有利的。因此，一种可从涡轮构件中移除热而不提高离开涡轮的排气气体的氧气含量的冷却系统将是有用的。
发明内容
下面在以下描述中阐述了本发明的各方面和优点，或者根据描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。
本发明的一个实施例是一种联合循环动力装置，其包括产生压缩工作流体的第一压缩机和在第一压缩机的下游的涡轮。涡轮包括固定构件和旋转构件，并且产生排气。在涡轮的下游的热交换器接收来自涡轮的排气，并且在热交换器的下游且在涡轮的上游的第二压缩机接收来自热交换器的排气，并且将排气流提供给涡轮。
本发明的另一个实施例是一种联合循环动力装置，其包括产生压缩工作流体的第一压缩机和在第一压缩机的下游的涡轮。涡轮包括多个定子，并且产生排气。转子连接到涡轮上，并且转子包括多个腔体。在涡轮的下游的热交换器接收来自涡轮的排气，并且在热交换器的下游且在涡轮的上游的第二压缩机接收来自热交换器的排气，并且将排气流提供给涡轮。
本发明还包括一种用于减少燃气轮机的氧气排放的方法。该方法包括使来自涡轮的排气流到热交换器，以及从排气中移除热。该方法进一步包括：提高排气的压力，以产生加压排气；以及使加压排气流回到涡轮，以从涡轮中移除热。
在审阅说明书之后，本领域普通技术人员将更好地理解这样的实施例和其它实施例的特征和各方面。
附图说明
在说明书的其余部分中更加具体地阐述了针对本领域技术人员的本发明的完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书包括对附图的参照，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的联合循环动力装置的简化框图；
图2是根据本发明的一个实施例的涡轮的简化横截面；以及
图3是根据本发明的一个备选实施例的涡轮的简化横截面。
部件列表
10联合循环动力装置
12燃气轮机
14热回收系统
16第一压缩机
18燃烧器
20涡轮
22压缩工作流体
24燃料
26燃烧气体
28轴
30发生器
32热交换器
34蒸汽轮机
36冷凝器
38来自涡轮的排气气体
40蒸汽
42冷凝物
44冷凝物泵
46来自热交换器的排气气体的一部分
48第二压缩机
50热交换器
60涡轮
62壳体
64定子
66翼型件
68间隔件
70螺栓
72转子
74转子-转子腔体
76转子-定子腔体
78隔膜密封件
80阻隔件
82气室
84控制器
86控制阀
88传感器
具体实施方式
现在将详细参照本发明的目前的实施例，在附图中示出了实施例的一个或多个实例。详细描述使用数字和字母名称来指示图中的特征。图和描述中相同或类似的名称用来指示本发明的相同或类似的部件。
以阐明本发明而非限制本发明的方式来提供各个实例。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在本发明中作出修改和改变，而不偏离本发明的范围或精神。例如，示出或描述成一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例上，以产生另外的另一个实施例。因而，意图的是本发明覆盖落在所附权利要求及其等效方案的范围内的这样的修改和改变。
本发明的各种实施例提供了一种用于减少燃气轮机的氧气排放的联合循环动力装置和方法。例如，图1显示了根据本发明的一个实施例的联合循环动力装置10的简化框图。联合循环动力装置10大体包括连接到热回收系统14上的燃气轮机12，如本领域中已知的那样。例如，如图1中显示的那样，燃气轮机12包括第一压缩机16、在第一压缩机16的下游的至少一个燃烧器18，以及在燃烧器18的下游的涡轮20。如本文所用，用语“上游”和“下游”指示构件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从构件A流到构件B，则构件A在构件B的上游。相反，如果构件B接收来自构件A的流体流，则构件B在构件A的下游。第一压缩机16产生压缩工作流体22，压缩工作流体22流到燃烧器18。燃烧器18大体结合了压缩工作流体22与燃料24和/或稀释剂的供应，并且点燃混合物而产生燃烧气体26。供应的燃料24可为商用内燃机所使用的任何适当的燃料，例如高炉气体、焦炉气体、天然气、气化的液态天然气(LNG)、丙烷和任何形式的液体燃料。稀释剂可为适于稀释或冷却燃料的任何流体，例如压缩空气、蒸汽、氮气或另一种惰性气体。燃烧气体26流到涡轮20，在涡轮20中，燃烧气体26膨胀而产生功能。例如，燃烧气体26在涡轮20中的膨胀可使连接到发生器30上的轴28旋转，以产生电。
可将热回收系统14改型或增设到现有的燃气轮机上，以提高燃气轮机的总体热力学效率，同时还减少氧气排放。热回收系统14可包括例如热交换器32(例如蒸汽发生器)、蒸汽轮机34和冷凝器36。热交换器或蒸汽发生器32可位于涡轮20的下游，并且来自涡轮20的排气气体38可流过蒸汽发生器32，以产生蒸汽40。蒸汽轮机34可位于蒸汽发生器32的下游，并且来自蒸汽发生器32的蒸汽40在蒸汽轮机34中膨胀而产生功。冷凝器36可位于蒸汽轮机34的下游和蒸汽发生器32的上游，以使离开蒸汽轮机34的蒸汽40冷凝成冷凝物42，冷凝物42返回到蒸汽发生器32。在冷凝器36和蒸汽发生器32之间的一个或多个冷凝物泵44与蒸汽发生器32处于流体连通，以将来自冷凝器36的冷凝物42提供给蒸汽发生器32。
如图1中显示的那样，离开蒸汽发生器32的排气46的一部分可返回再循环通过涡轮20，以对涡轮构件提供冷却。再循环排气46可流过第二压缩机48和热交换器50，以在流过涡轮20之前，调整再循环排气46的压力和温度。再循环排气46中的氧气水平将基本小于离开压缩机16的压缩工作流体22中的氧气水平。在一些实施例中，再循环排气46的氧气含量可比离开压缩机16的压缩工作流体22的氧气含量小大约50％、75％或90％。因而可通过降低用来冷却涡轮20的空气中的氧气含量来实现减少的氧气排放。
图2提供了根据本发明的一个实施例的示例性涡轮60的简化横截面。如图2中显示的那样，涡轮60可包括由壳体62包围的固定构件和旋转构件。固定构件可包括例如附连到壳体62上的固定喷嘴或定子64。旋转构件可包括例如通过螺栓70来附连到转子72上的旋转翼型件66和/或旋转间隔件68。转子72可包括各种腔体，它们称为转子-转子腔体74和转子-定子腔体76。在定子64和旋转间隔件68之间的隔膜密封件78可为转子-定子腔体76产生防止或限制相邻的转子-定子腔体76之间的流的边界。类似地，在转子72的内部处的阻隔件80防止或限制在转子72内的相邻的转子-转子腔体74之间的流。来自燃烧器18的燃烧气体26沿着热气路径如图2中显示的那样从左到右流过涡轮20。在燃烧气体26经过第一级翼型件66时，燃烧气体26膨胀，从而导致翼型件66、间隔件68、螺栓70和转子72旋转。然后燃烧气体26流动跨过定子64，定子64使燃烧气体26改道到下一排旋转的翼型件66，并且对后面的级重复该过程。
如图2中显示的那样，气室82可连接到转子72的任一侧或两侧上，以为再循环排气46提供流体连通，以使其传送到转子72和其它旋转构件中和/或通过它们。控制器84可指引控制阀86在气室82中的定位，以调节进入和/或通过转子-转子腔体74的再循环排气46流。再循环排气46可吹扫转子-转子腔体74而去除任何热的燃烧气体26，并且对转子-转子腔体74和诸如旋转的翼型件66的其它旋转构件提供冷却，从而冷却涡轮20的旋转构件。另外，泄漏到热气路径中的任何再循环排气46将不会提高涡轮排气38的氧气含量。
控制器84可接收来自多个源中任一个的信号，以确定控制阀86的合适位置，以实现对旋转构件的期望冷却。例如，转子72可包括在转子-转子腔体74中的传感器88。传感器88可对控制器84发送反映转子-转子腔体74中的压力或温度的信号，并且然后控制器84可调整控制阀86的位置，以在转子-转子腔体74中实现期望的压力或温度。在另外的另一个实施例中，控制器84可接收反映压缩机16、燃烧器18或涡轮20的运行水平的信号，并且根据预编程的安排来调整控制阀86，以针对给定的动力水平对涡轮20实现期望冷却。
图3提供了根据本发明的一个备选实施例的、在图2中显示的示例性涡轮60的简化横截面。前面关于图2描述了涡轮60的构件。在这个实施例中，再循环排气46传送通过壳体62和定子64，以将再循环排气46提供给涡轮20的固定构件，例如定子64和/或转子-定子腔体76。控制器84再次指引控制阀86在各个气室82中的定位，以调节再循环排气46流。再循环排气46吹扫转子-定子腔体76而去除任何热的燃烧气体26，防止任何高温燃烧气体26在运行期间进入转子-定子腔体76，以及对定子64和/或转子-定子腔体76提供冷却，从而冷却涡轮20的固定构件。
如之前关于图2中显示的实施例所论述的那样，控制器84可接收来自多个源中任一个的信号，例如压缩机16、燃烧器18或涡轮20的运行水平，以确定控制阀86的合适位置，以为涡轮20实现冷却。
在图1-3中描述和示出的实施例还可提供一种用于减少燃气轮机12的氧气排放的方法。该方法可包括使来自涡轮20的排气38流到热交换器32，以及从排气38中移除热。该方法可进一步包括：提高排气38的压力，以产生再循环或加压排气46；以及使加压排气46流回到涡轮20，以从涡轮20中移除热。在特定的实施例中，该方法可根据燃气轮机12的温度、压力或动力水平来控制通往涡轮20中的旋转构件或固定构件的加压排气46流。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例包括不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围之内。

Claims (12)

1.一种动力装置(10)，包括：
a.第一压缩机(16)，其中，所述第一压缩机(16)产生压缩工作流体(22)；
b.在所述第一压缩机(16)的下游的涡轮(20)，其中，所述涡轮(20)包括固定构件(64)和旋转构件(66，68)，以及其中，所述涡轮(20)产生排气(38)；
c.在所述涡轮(20)的下游的热交换器(32)，其中，所述热交换器(32)接收来自所述涡轮(20)的所述排气(38)；
d.在所述热交换器(32)的下游且在所述涡轮(20)的上游的第二压缩机(48)，其中，所述第二压缩机(48)接收来自所述热交换器(32)的所述排气(38)，并且将排气流提供给所述涡轮(20)。
2.根据权利要求1所述的动力装置(10)，其特征在于，所述第二压缩机(48)将所述排气流提供给所述涡轮(20)中的所述固定构件(64)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的动力装置(10)，其特征在于，所述第二压缩机(48)将所述排气流提供给所述涡轮(20)中的所述旋转构件(66，68)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的动力装置(10)，其特征在于，所述动力装置(10)进一步包括在所述第二压缩机(48)的下游且在所述涡轮(20)的上游的控制阀(86)，其中，所述控制阀(86)调节通往所述固定构件(64)或旋转构件(66，68)中的至少一个的所述排气流。
5.根据权利要求4所述的动力装置(10)，其特征在于，所述控制阀(86)根据压力或温度来调节所述排气流。
6.权利要求4或5所述的动力装置(10)，其特征在于，所述控制阀(86)根据所述第一压缩机(16)或涡轮(20)中的至少一个的动力水平来调节所述排气流。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的动力装置(10)，其特征在于，从所述第二压缩机(48)提供给所述涡轮(20)的所述排气流具有比所述压缩工作流体(22)的氧气含量小至少大约50％的氧气含量。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的动力装置(10)，其特征在于，从所述第二压缩机(48)提供给所述涡轮(20)的所述排气流具有比所述压缩工作流体(22)的氧气含量小至少大约75％的氧气含量。
9.一种用于控制燃气轮机(12)的氧气排放的方法，包括：
a.使来自涡轮(20)的排气(38)流到热交换器(32)；
b.从所述排气(38)中移除热；
c.提高所述排气(38)的压力，以产生加压排气(38)；以及
d.使所述加压排气(38)流回到所述涡轮(20)，以从所述涡轮(20)中移除热。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述加压排气(38)流到所述涡轮(20)中的旋转构件(66，68)。
11.根据权利要求9-10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述加压排气(38)流到所述涡轮(20)中的固定构件(64)。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括根据所述燃气轮机(12)的动力水平来控制通往所述涡轮(20)的所述加压排气(38)流。
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