CN103032169B - 功率装置 - Google Patents

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Abstract

提供功率装置，其包括：具有燃烧器的燃气涡轮发动机，压缩气体和燃料在该燃烧器中混合并且燃烧；第一和第二供应线，其分别联接于燃烧器并且分别构造成供应压缩气体和燃料到燃烧器；和废气再循环(EGR)系统，其朝向燃烧器再循环由燃气涡轮发动机生成的废气。该EGR系统联接于第一和第二供应线并且构造成将再循环废气的第一和第二部分分别与在第一和第二供应线处的压缩气体和燃料结合。

Description

功率装置
联邦研究申明
本发明在由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下利用政府的支持而完成。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
在此公开的主题涉及功率装置，并且更具体地涉及包括废气再循环(EGR)系统的功率装置，该废气再循环(EGR)系统朝向燃烧器再循环由燃气涡轮发动机生成的废气的一部分。
背景技术
当燃料利用来自涡轮压缩机的空气燃烧或者氧化时，氮氧化物(NOx)在燃气涡轮发动机的燃烧器中生成，该空气通常包括比用于燃烧所需的量更大的氧气量。此过量的氧气和高火焰温度可产生NOx排放。与来自压缩机的空气相比，作为燃烧的结果生成的燃气涡轮发动机废气包含更少的氧气和大量的诸如氮气和二氧化碳的惰性气体。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供功率装置，其包括：具有燃烧器的燃气涡轮发动机，压缩气体和燃料在该燃烧器中混合并燃烧；第一和第二供应线，其分别联接于燃烧器并且分别构造成供应压缩气体和燃料到燃烧器；和废气再循环(EGR)系统，其朝向燃烧器再循环由燃气涡轮发动机生成的废气。EGR系统联接于第一和第二供应线并且构造成将再循环废气的第一和第二部分分别与在第一和第二供应线处的压缩气体和燃料结合。
根据本发明的另一个方面，提供功率装置，其包括：压缩机，压缩气体沿着第一供应线从该压缩机输出；第二供应线，其构造成提供燃料用于燃烧；燃烧器，其联接于第一和第二供应线，压缩气体和燃料在该燃烧器中混合并且燃烧；涡轮，其可接纳燃烧产物用于功率生成，燃烧产物作为废气从该涡轮输出；和废气再循环(EGR)系统，其朝向燃烧器再循环废气的一部分。该EGR系统包括：第一导管，其联接于第一供应线，废气的再循环部分的第一部分通过该第一导管与压缩气体结合；和第二导管，其联接于第二供应线，废气的再循环部分的第二部分通过该第二导管与燃料结合。
根据本发明的又一个方面，提供功率装置，其包括：压缩机，压缩气体沿着第一供应线从压缩机输出；第二供应线，其构造成提供燃料用于燃烧；燃烧器，其联接于第一和第二供应线，该燃烧器包括预混合器和衬套，压缩气体和燃料在该预混合器中混合以产生混合物，混合物在该衬套中燃烧；涡轮，其可接纳燃烧产物用于功率生成，燃烧产物作为废气从该涡轮输出；和废气再循环(EGR)系统，其朝向燃烧器再循环废气的一部分。该EGR系统包括：第一导管，其联接于第一供应线，废气的再循环部分的第一部分通过该第一导管与压缩气体结合；第二导管，其联接于第二供应线，废气的再循环部分的第二部分通过该第二导管与燃料结合；和第三导管，其联接于预混合器，废气的再循环部分的第三部分通过第三导管引导至预混合器。
这些和其它优点和特征从结合附图的以下描述中将会变得更显而易见。
附图说明
被视为本发明的主题在本说明书的结尾处的权利要求中特别地指出和清楚地主张。本发明前述的和其它特征以及优点从结合附图的以下详细描述中显而易见，在附图中：
图1是根据实施例的功率装置的一部分的示意图；和
图2是根据另外实施例的图1的功率装置的燃烧器的示意图。
详细的描述经由示例参照附图解释本发明的示范性实施例连同优点和特征。
部件列表：
10 功率装置
20 燃气涡轮发动机
30 压缩机
300 出口
35 第一供应线
36 第二供应线
37 稀释剂流
40 燃烧器
400 预混合器
41 内部
45 导管
50 涡轮
51 轴
52 发电机
55 导管
60 HRSG
70 EGR系统
71、72、73 热交换器
75 分流器
80 EGR导管
90 EGR压缩机
100 第二分流器
110 第一导管
120 第二导管
130 第三导管
140 第四导管
150 第三分流器
160 ASU
161 热交换器
170 空气膨胀器。
具体实施方式
在高效率燃气涡轮发动机的燃烧器中的诸如无碳合成气体(在下文中提作“合成气”)的高氢燃料的燃烧可生成相对高水平的热的氮氧化物(NOx)并且需要被控制或减少。这种减少可通过在高氢或类似燃料和最初的燃烧空气中混合再循环的冷却的燃气涡轮发动机废气而达成。
参照图1，提供功率装置10。该功率装置10包括：燃气涡轮发动机20，其由于在燃烧期间的高温流体的生成而产生功率和/或电力；和废气再循环(EGR)系统70，其再循环由燃气涡轮发动机20生成的废气。
燃气涡轮发动机20包括压缩机30、燃烧器40和涡轮50。该压缩机30构造成压缩入口气体并且具有出口300，那些压缩气体通过该出口300输出。第一供应线35联接于压缩机30的出口300，由此压缩气体沿着第一供应线35朝向燃烧器40从压缩机30输出。提供第二供应线36，其构造成提供燃料用于燃烧。
燃烧器40可操作地联接于第一供应线35和第二供应线36，使得燃烧器40可接纳压缩气体和燃料。燃烧器40形成以限定内部41，压缩气体和燃料在内部41中混合并且燃烧以生成作为燃烧产物的高温压缩流体。
导管45运输这些高温压缩流体到涡轮50，使得涡轮50可接纳高温压缩流体。涡轮50使高温流体膨胀以使轴51旋转，这使功率和/或电力能够在发电机52中产生。涡轮50然后输出作为废气的膨胀和相对低温的流体到导管55。
在功率装置10为联合循环功率装置的情形下，热回收蒸汽发生器(HRSG)60可沿着导管55布置。在这种情况下，HRSG60可接纳废气并且构造成产生蒸汽，功率和/或电力可由该蒸汽在蒸汽涡轮中产生。
EGR系统70在可为HRSG60的上游或下游的位置处经由第一分流器75而联接于导管55。该EGR系统70构造成朝向燃烧器40再循环来自导管55的废气的一部分。为此，EGR系统70包括：EGR导管80，废气沿着其运输；和EGR压缩机90，其沿着EGR导管80布置并且构造成在废气再循环回到燃烧器40之前压缩废气。还可包括热交换器71、72和73，并且该热交换器71、72和73可沿着EGR导管80布置以冷却EGR系统70中的废气。还可提供在图中未示出的另外的热交换器。
EGR系统70还包括第二分流器100以及第一和第二导管110和120。第一导管110联接于第二分流器100和第一供应线35。第一导管110运输再循环废气的第一部分到第一供应线35，由此再循环废气的第一部分可与从压缩机30输出的压缩气体结合。第二导管120也联接于第二分流器100和第二供应线36。第二导管120运输再循环废气的第二部分到第二供应线36，由此再循环废气的第二部分可与燃料结合。
根据一个方面，由第二供应线36供应的燃料类型可包括但不限于，天然气、掺杂的天然气(即例如与一些丙烷混合的天然气)、液体燃料、合成气和高氢燃料中的至少一种或多种。在所有情况下，再循环废气的第一和第二部分的分别的量值可根据燃料的类型和/或功率装置10的操作模式(即起动、基准(baseline)、关闭等)而决定。根据实施例，可构造成携带诸如氮、二氧化碳或蒸汽的稀释剂供应的稀释剂流37或其部分可添加到第一供应线35、第二供应线36和/或EGR系统70的任何导管(即第一导管110和第二导管120以及第三导管130和第四导管140，它们在下面描述)。该稀释剂流37可构造成提供稀释剂到第一供应线35、第二供应线36和/或EGR系统70的任何导管，以从而减少在燃烧器40的内部41中的过量的氧气。
根据另外的实施例，燃烧器40可包括预混合器400，压缩气体和燃料在作为混合物注入到燃烧器40的内部41的燃烧区域中之前在该预混合器400中混合。第一和第二导管110和120在预混合器400上游的相应位置处分别联接于第一和第二供应线35和36。此外，该EGR系统70还可包括第三导管130，其联接于第二分流器100和预混合器400，使得第三导管130运输再循环废气的第三部分到预混合器400，由此再循环废气的第三部分可与压缩气体和燃料的混合物结合。
参照图2，并且根据另外的实施例，燃烧器40可包括在燃烧器40的多个轴向隔开的级处的多个预混合器400，压缩气体和燃料在作为混合物注入到燃烧器40的内部41的燃烧区域的多个轴向级中之前在预混合器400中混合。在这些实施例中，EGR系统70还可包括第四导管140，其各联接于第二分流器100和多个预混合器400中的相应预混合器。因此，第四导管140运输再循环废气的第四部分到多个预混合器400，由此再循环废气的第四部分可与压缩气体和燃料的混合物结合，如上所述。
参照回到图1，从压缩机30输出的压缩气体的一部分可在第三分流器150处从第一供应线35抽吸。该抽吸用来考虑由EGR系统70再循环的再循环废气的额外的体积，使得涡轮50不过载。也就是说，抽吸部分的量值根据废气的再循环部分的数量而决定。如图1所示，抽吸部分可引导到空气分离单元160和/或空气膨胀器170中的一个。在抽吸部分引导到空气分离单元160的情形下，该抽吸部分可首先引导穿过热交换器161，由此稀释剂(诸如氮气)和燃料可在各自分别运输到燃烧器40之前加热。加热的稀释剂可经由第一供应线35、第二供应线36和/或EGR系统70的任何导管作为稀释剂流37运输到燃烧器40。在抽吸部分引导到空气膨胀器170的情形下，该抽吸部分膨胀并且用来产生冷却剂，其独立地或者与来自压缩机30的抽吸气体结合地用于涡轮50。
如在此所述，包含相对高数量的氧气并且从压缩机30输出的压缩气体的至少一部分被从涡轮50输出的废气的至少一部分替换。由于废气包含相对低数量的氧气，故该替换减少燃烧器40使用的氧气量而不明显地增加通过涡轮50的质量流。这导致在至少燃烧器40内的降低的火焰温度和产生的氮氧化物(NOx)的相应的减少。
尽管本发明仅仅结合有限数量的实施例而描述，但是应当容易理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反地，本发明可修改以合并任何数量的变化、更改、替换或迄今为止未描述的等同的安排，但是它们与本发明的精神和范围相称。另外地，尽管本发明的各种实施例已被描述，但是应当理解，本发明的方面可仅仅包括描述的实施例的一些。因此，本发明不被视作受限于在前的描述，但是仅仅受限于附属权利要求的范围。

Claims (20)

1.一种功率装置，其包括：
具有燃烧器的燃气涡轮发动机，压缩气体和燃料在所述燃烧器中混合和燃烧；
第一供应线和第二供应线，其分别联接于所述燃烧器并且分别构造成供应所述压缩气体和所述燃料到所述燃烧器；和
废气再循环(EGR)系统，其用于朝向所述燃烧器再循环由所述燃气涡轮发动机生成的废气，所述EGR系统联接于所述第一供应线和所述第二供应线并且构造成将再循环废气的第一和第二部分分别与在所述第一供应线和所述第二供应线处的所述压缩气体和所述燃料结合。
2.根据权利要求1所述的功率装置，其特征在于，所述再循环废气的第一部分和第二部分的相应量值根据所述燃料的类型决定。
3.根据权利要求1所述的功率装置，其特征在于，所述燃烧器包括预混合器，所述压缩气体和所述燃料在所述预混合器中混合。
4.根据权利要求3所述的功率装置，其特征在于，所述EGR系统联接于所述预混合器的上游的所述第一供应线和所述第二供应线。
5.根据权利要求3所述的功率装置，其特征在于，所述EGR系统还构造成朝向所述预混合器引导所述再循环废气的第三部分。
6.根据权利要求1所述的功率装置，其特征在于，所述燃烧器包括在所述燃烧器的多个轴向级处的预混合器，所述压缩气体和所述燃料在所述预混合器中混合，所述EGR系统还构造成朝向在所述燃烧器的多个轴向级处的所述预混合器中的至少一个引导所述再循环废气的第四部分。
7.根据权利要求1所述的功率装置，其特征在于，所述压缩气体的一部分从所述第一供应线抽吸。
8.根据权利要求7所述的功率装置，其特征在于，所述压缩气体的抽吸部分的量值根据所述废气的再循环部分的数量决定。
9.根据权利要求8所述的功率装置，其特征在于，所述抽吸部分引导到空气分离单元和空气膨胀器中的一个或多个。
10.根据权利要求1所述的功率装置，其特征在于，还包括稀释剂流，其构造成提供稀释剂到所述第一和第二供应线和/或所述EGR系统。
11.一种功率装置，其包括：
压缩机，压缩气体沿着第一供应线从所述压缩机输出；
第二供应线，其构造成提供燃料用于燃烧；
燃烧器，其联接于所述第一供应线和第二供应线，所述压缩气体和所述燃料在所述燃烧器中混合并燃烧；
涡轮，其可接纳燃烧产物用于功率生成，所述燃烧产物作为废气从所述涡轮输出；和
废气再循环(EGR)系统，其朝向所述燃烧器再循环所述废气的一部分，所述EGR系统包括：
第一导管，其联接于所述第一供应线，所述废气的再循环部分的第一部分通过所述第一导管与所述压缩气体结合，和
第二导管，其联接于第二供应线，所述废气的再循环部分的第二部分通过所述第二导管与所述燃料结合。
12.根据权利要求11所述的功率装置，其特征在于，所述废气的再循环部分的第一和第二部分的相应量值根据所述燃料的类型决定。
13.根据权利要求11所述的功率装置，其特征在于，所述燃烧器包括预混合器，所述压缩气体和所述燃料在所述预混合器中混合。
14.根据权利要求13所述的功率装置，其特征在于，所述第一导管和所述第二导管分别联接于所述预混合器的上游的所述第一供应线和所述第二供应线。
15.根据权利要求13所述的功率装置，其特征在于，所述EGR系统还包括第三导管，其联接于所述预混合器，所述废气的再循环部分的第三部分通过所述第三导管引导到所述预混合器。
16.根据权利要求11所述的功率装置，其特征在于，所述燃烧器包括在所述燃烧器的多个轴向级处的预混合器，所述压缩气体和所述燃料在所述预混合器中混合，
所述EGR系统还包括第四导管，其分别联接于在所述燃烧器的多个轴向级处的各个所述预混合器，所述废气的再循环部分的第四部分通过所述第四导管引导到各个所述预混合器。
17.根据权利要求11所述的功率装置，其特征在于，从所述压缩机输出的所述压缩气体的一部分从所述第一供应线抽吸。
18.根据权利要求17所述的功率装置，其特征在于，所述压缩气体的抽吸部分的量值根据所述废气的再循环部分的数量决定。
19.根据权利要求17所述的功率装置，其特征在于，所述压缩气体的抽吸部分引导到空气分离单元和空气膨胀器中的一个以生成用于所述涡轮的冷却剂。
20.一种功率装置，其包括：
压缩机，压缩气体沿着第一供应线从所述压缩机输出；
第二供应线，其构造成提供燃料用于燃烧；
燃烧器，其联接于所述第一供应线和所述第二供应线，所述燃烧器包括：预混合器，所述压缩气体和所述燃料在所述预混合器中混合以生成混合物；和衬套，所述混合物在所述衬套中燃烧；
涡轮，其可接纳燃烧产物用于功率生成，所述燃烧产物作为废气从所述涡轮输出；和
废气再循环(EGR)系统，其朝向所述燃烧器再循环所述废气的一部分，所述EGR系统包括：
第一导管，其联接于所述第一供应线，所述废气的再循环部分的第一部分通过所述第一导管与所述压缩气体结合，
第二导管，其联接于所述第二供应线，所述废气的再循环部分的第二部分通过所述第二导管与所述燃料结合，和
第三导管，其联接于所述预混合器，所述废气的再循环部分的第三部分通过所述第三导管引导到所述预混合器。
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