CN103244275A - 用于改善燃气涡轮机氮氧化物排放的系统及方法 - Google Patents

Abstract

在本发明的一个实施例中，描述了一种用于减少氮氧化物排放并改善部件负载效率的燃气涡轮机系统。所述系统包括燃气涡轮机，所述燃气涡轮机具有用于接收进气的压缩机。直接接触型热交换器在所述进气流向所述压缩机之前对所述进气进行加热及湿化。对所述进气进行加热能减少所述燃气涡轮机的输出功率并扩大可调比范围。对所述进气进行湿化可减少燃气涡轮机装置的氮氧化物排放。

Description

用于改善燃气涡轮机氮氧化物排放的系统及方法

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮机，确切地说，涉及用于操作燃气涡轮机的方法和装置。

背景技术

涡轮机，例如燃气涡轮机、航改型燃气涡轮机等等，一般均以联合循环及/或废热发电模式来操作。在联合循环操作中，产生蒸汽的热回收蒸汽产生器从燃气涡轮机接收废气；所述蒸汽随后流向产生额外电力的蒸汽涡轮机。在废热发电操作中，热回收蒸汽产生器所产生的蒸汽中的一部分被送往需要所述蒸汽的独立过程中。

燃气涡轮机通常需要在发电的同时遵守排放限额。在部分负载下操作的燃气涡轮机可能无法在整个部分负载范围（从旋转备用到接近基本负载）内遵守排放限额。可调比范围（turn down range）可视作是燃气涡轮机能够遵守排放限额的负载范围。较宽的可调比范围使得操作者能够遵守排放限额、最小化燃料消耗并避免因关闭电厂而引发热瞬变（thermal transient）。

进气加热湿化系统可降低有关燃气涡轮机操作的前述缺陷的严重性。常规方法重视燃烧过程的控制，例如，干式贫氮氧化物（dry leanNOx，DLN）技术用于减少燃烧过程中的氮氧化物产物。因此，人们需要一种能够使硬件最小化并使安装过程精简化的方法。

发明内容

基于上述原因，需要这样的燃气涡轮机系统，所述系统与进气直接接触型加热湿化系统整合，并且不需要在燃气涡轮机中使用复杂的低氮氧化物燃烧室。与此相关的方法会实现氮氧化物排放物的减少。

本发明的各个方面和优点中的一部分将在以下描述中阐明，或者这些方面和优点可易于从所述描述中了解，或者可通过实践本发明而习得。

在本发明的一个实施例中，描述了一种用于改善氮氧化物排放的燃气涡轮机系统。所述系统包括燃气涡轮机，所述燃气涡轮机具有用于接收进气的压缩机。直接接触型热交换器在进气流向所述压缩机之前对进气进行加热及湿化。对进气进行加热能降低进气的密度和涡轮机质量流量，因而能降低燃气涡轮机的排放量并扩大可调比范围。根据本发明的某些方面，所述燃气涡轮机系统热交换器可对进气进行湿化并减少氮氧化物排放物。

在另一个实施例中，描述了一种用于控制燃气涡轮机系统操作以改善氮氧化物排放的方法。所述方法包括：在进气流向燃气涡轮机压缩机之前，使用直接接触型热交换器来对所述进气进行加热和湿化，以降低进气密度和涡轮机质量流量，并增大进气水分含量，从而减少氮氧化物排放。再次根据本发明的某些方面，所述方法包括使用热交换器来对进气进行湿化，进而减少氮氧化物排放。

参考以下描述和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，展示了本发明的各个实施例，并与所述描述一起解释本发明的原理。

附图说明

本说明书参考附图、针对所属领域的一般技术人员，完整且可实现地揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：

图1所示为根据本发明各个方面的燃气涡轮机的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各个实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员容易了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可对本发明做出不同修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分进行说明或描述的特征可与另一个实施例一起使用，从而得到又一个实施例。因此，本发明应涵盖所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。

本发明大体上针对用于改善燃气涡轮机中的氮氧化物排放的系统和方法。本专利申请文件中所描述的这些系统和方法，通过对进入燃气涡轮机的压缩机中的空气（即本专利申请文件中的“进气”）进行加热和湿化，能实现减少氮氧化物排放的技术效果。如下文所描述，由热交换器来对进气进行加热及湿化，所述热交换器已与许多燃气涡轮机连接。

在基本负载操作期间，燃烧系统可以确保从排气管流出的废气能够满足现场排放要求（site emissions requirement）。根据燃气涡轮机的可调比范围，某些部分负载操作可能会违反现场排放要求，所述现场排放要求可用来设定燃气涡轮机的准许操作界限。此操作界限可能会超过电力需求量，并且可能在非高峰需求期间阻止大型燃气涡轮机为电网提供电力。扩大可调比范围可实现燃气涡轮机在较低负载下的操作，同时还能遵守排放限额，并减少燃料消耗。

根据本发明，湿化进气可以降低燃烧室中的峰值火焰温度，进而减少氮氧化物排放。有必要在基本负载和部分负载两种操作条件下遵守排放规范。

图1为根据本发明多个方面的燃气涡轮机入口加热湿化系统10的示意图，所述系统可操作地连接到燃气涡轮机12。燃气涡轮机12可包括压缩机13、燃烧室14以及涡轮机15。燃气涡轮机12可进一步包括（例如）一个以上压缩机、一个以上燃烧室以及一个以上涡轮机（未图示）。燃气涡轮机12可包括燃气涡轮机入口16。入口16可经配置以接收燃气涡轮机进气流18。例如，在一个实施例中，入口16可以是燃气涡轮机进气过滤室。燃气涡轮机12可进一步包括燃气涡轮机废气出口17。出口17可经配置以排出燃气涡轮机废气流19。在一个实施例中，废气流19可被引导至热回收蒸汽产生器（“HRSG”）（未图示）中。在另一个实施例中，废气流19可扩散到周围空气中。在另一个实施例中，废气流19可被直接引导至本专利申请文件所进一步描述的热交换器中。

当（例如）使用废热来作为热源时，本发明系统可以节省能量。例如，在一个实施例中，热源29可由燃气涡轮机12产生。例如，热源29可以是燃气涡轮机废气19。在另一个实施例中，热源29可由HRSG产生。例如，热源29可以是HRSG水或HRSG蒸汽。在其他实施例中，热源29可以是任何废汽，例如蒸汽涡轮机汽封蒸汽、废热水、发电机冷却水或者任何产热过程所产生的热流。应理解，热源29并不仅限于废热和废气热源，它可以通过任何加热方法来获得，例如太阳能加热、辅助锅炉加热或地热加热。

热源29用于对热交换器20中的加热流体流25进行加热。在这方面，燃气涡轮机入口加热系统10包括热交换器30。在一个实施例中，热交换器30可经配置以允许加热流体流25通过热交换器30。例如，热交换器30可包括加热流体入口31和加热流体出口32。在一个实施例中，加热流体入口31可以是喷嘴。在另一个实施例中，加热流体入口31可以是多个加热流体入口31。例如，加热流体入口31可以是多个喷嘴。加热流体入口31可起到将加热流体流25传送给热交换器30的作用。

根据实施例的一个示例性方面，加热流体出口32可包括贮槽，所述贮槽在加热流体流25的方向上设置于热交换器30的下游。所述贮槽可经配置以在加热流体流25通过热交换器30之后收集加热流体流25。

热交换器30可经配置以接收进气流18。例如，在一个实施例中，热交换器30可在进气流18的方向上位于燃气涡轮机入口16的上游。在一个实施例中，热交换器30可与燃气涡轮机入口16相邻。在另一个实施例中，热交换器30可位于燃气涡轮机入口16内部。进气流18可经引导通过热交换器30，然后进入燃气涡轮机入口16或压缩机13。

热交换器30可经配置以在进气流18通过热交换器30时对进气流18进行加热。例如，热交换器30可经配置以允许进气流18通过热交换器30，从而使进气流18与加热流体流25发生相互作用，进而对进气流18进行加热。在一个实施例中，进气流18可经引导穿过加热流体流25，这使得热量从加热流体流25转移至进气流18，进而对进气流18进行了加热。

根据实施例的另一个示例性方面，热交换器30可以是直接接触型热交换器。例如，热交换器30可以是介质类直接接触型热交换器。所述介质可布置成结构化图案、随机图案或所属领域已知的任何图案。所述介质可包括纤维素类介质、塑料类介质、金属类介质、陶瓷类介质、玻璃纤维类介质、合成纤维类介质或所属领域已知的任何介质或介质组合。在一个实施例中，可引导加热流体流25在大体朝下的方向上流过介质表面。在一个实施例中，可引导进气流18在大致垂直于加热流体流25方向的方向上通过热交换器30。

根据实施例的又一个示例性方面，热交换器30仅可接收温度接近环境温度的水流28。当未经加热的水流28与进气18直接接触时，热交换器30可充当所属领域已知的蒸发冷却器。

例如，当加热流体流接触介质表面时，热量和水分可释放到空气流中。在某些实施例中，进气温度和湿度的升高可减少燃气涡轮机废气中的氮氧化物排放物。例如，适宜的相对湿度比可为约60%至约99%。在某些实施例中，所述加热流体可以是纯水、含矿物添加剂的水、含乙二醇的水、含液体干燥剂的水或所属领域技术人员已知的任何其他种类流体或流体组合。在一个实施例中，加热流体流25含有液体干燥剂成分，并且所述液体干燥剂阻止水分释放到进气中，相对湿度比可基于所需氮氧化物排放性能而得到恰当控制。

一般来说，未经加热的进气18的温度可由环境条件来确定，或者可由位于本发明入口加热系统10上游的任何空气调节系统（未图示）的出口温度来确定。本发明的实施例可将进气温度提高到入口加热系统所准许的任何温度。例如，系统10可将进气18的温度从约华氏59度提高到约华氏120度。在某些实施例中，进气可加热至比未经加热的进气的温度高出约华氏10度至约华氏200度。在某些实施例中，进气可加热至比未经加热的进气的温度高出约华氏50度至约华氏100度。

根据实施例的又一个示例性方面，过滤器45可在进气流18的方向上设置于热交换器30的上游。过滤器45可经配置以在进气流18进入热交换器30和燃气涡轮机12之前移除进气流18中的颗粒物。在另一个实施例中，过滤器45可在进气流18的方向上设置于热交换器30的下游。过滤器45可经配置以在进气流18进入燃气涡轮机12之前移除进气流18中的颗粒物、多种气体及/或流体液滴。在一个实施例中，除水器（drift eliminator）33可在进气流18的方向上设置于热交换器30的下游。除水器33可用于在燃气涡轮机进气流18进入燃气涡轮机12之前移除燃气涡轮机进气流18中的流体液滴。在一个实施例中，泵46可在加热流体流25的方向上设置于热交换器30的下游。泵46可经配置以将加热流体流25从热交换器30传送至加热流体加热器20。

燃气涡轮机入口加热系统10可配置成根据某些条件来调节系统10的操作。例如，控制器50可以可操作地连接到燃气涡轮机入口加热湿化系统10，从而对所述系统进行调节。在一个实施例中，控制器50可以可操作地连接到热交换器，并且经配置以对热交换器20的操作进行调节。控制器50可经编程而具有多种控制算法和控制方案，以对燃气涡轮机入口加热湿化系统10和热交换器20进行操作和调节。

本发明涉及一种控制器，所述控制器具有以下作用：对整合有本发明入口加热湿化系统的燃气涡轮机的操作进行控制。在本发明的某些实施例中，所述控制器可经配置以自动且/或持续地监测所述燃气涡轮机，从而确定是否应操作所述入口加热湿化系统。在其他实施例中，控制器50可以可操作地连接到燃气涡轮机入口加热湿化系统10或燃气涡轮机12中的其他部件，以使燃气涡轮机12的效率最大化。

在本发明的某些方面，描述了一种用于控制燃气涡轮机系统操作以改善氮氧化物排放的方法。所述方法包括：在进气流向燃气涡轮机压缩机之前，使用本专利申请文件中描述的直接接触型热交换器来对所述进气进行加热和湿化。所述方法进一步包括向所述燃气涡轮机压缩机输送经加热且经湿化的进气，其中所述经加热且经湿化的进气能减少燃气涡轮机的氮氧化物排放物并扩大可调比范围。

本说明书使用了多个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何仪器或系统，以及实施任何所涵盖的方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类实例所包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应属于权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种用于改善氮氧化物排放的燃气涡轮机系统，包括：

燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括接收进气的压缩机；以及

直接接触型热交换器，所述直接接触型热交换器经配置以在所述进气流向所述压缩机之前对所述进气进行加热，其中对所述进气进行加热及湿化能减少所述燃气涡轮机的氮氧化物排放并扩大可调比范围。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机系统，其中扩大的可调比范围包括从所述燃气涡轮机的最大额定负载的约5%至约70%。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮机系统，其中所述进气被加热至比未经加热的所述进气的温度高出约华氏10度至约华氏200度。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮机系统，其中所述直接接触型热交换器经配置以充当蒸发冷却器。

5.根据权利要求1所述的燃气涡轮机系统，其中所述进气进一步包括湿空气。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮机系统，其中所述进气的相对湿度比为约60%至约99%。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮机系统，其中所述进气的湿度能减少所述燃气涡轮机的所述氮氧化物排放并扩大所述可调比范围。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮机系统，其中，与所述湿度未升高时相比，所述氮氧化物排放减少了至少约20%。

9.根据权利要求7所述的燃气涡轮机系统，其中，与所述湿度未升高时相比，所述氮氧化物排放减少了至少约40%。

10.根据权利要求1所述的燃气涡轮机系统，其进一步包括贮槽，所述贮槽经配置以收集来自所述热交换器的液体，以使所述液体经再循环而回到所述热交换器中。

11.根据权利要求10所述的燃气涡轮机系统，其进一步包括除水器，其中，所述贮槽还经配置以收集来自所述除水器的液体，以使所述液体经再循环而回到所述热交换器中。

12.一种用于控制燃气涡轮机系统操作以改善氮氧化物排放的方法，所述方法包括：

在进气流向燃气涡轮机压缩机之前，使用直接接触型热交换器来对所述进气进行加热和湿化；

向所述燃气涡轮机压缩机输送经加热的进气；并且

其中所述经加热的进气能减少所述燃气涡轮机的氮氧化物排放并扩大可调比范围。

13.根据权利要求12所述的方法，其中扩大的可调比范围包括从涡轮机的最大额定负载的约5%至约70%。

14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括将所述进气加热至比未经加热的所述进气的温度高出约华氏10度至约华氏200度。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述进气进一步包括湿空气。

16.根据权利要求16所述的方法，其中所述进气的湿度能减少所述燃气涡轮机的所述氮氧化物排放并扩大所述可调比范围。

17.根据权利要求17所述的方法，其中，与所述湿度未升高时相比，所述氮氧化物排放减少约20%至40%。

18.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括使用贮槽来收集来自所述热交换器的液体，并使所述液体经再循环而回到所述热交换器中。

19.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括除水器，其中，所述贮槽还用于收集来自所述除水器的液体，所述液体经再循环而回到所述热交换器中。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述直接接触型热交换器包括加热流体流，所述加热流体流使用液体干燥剂来控制进气的湿化，从而减少氮氧化物排放。

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