CN107448323A - 燃气涡轮加热的流体用于还原剂蒸发的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种系统，其包括：燃气涡轮发动机，其可以燃烧燃料以产生动力和废气；废气路径，其与燃气涡轮发动机流体连通并且可以接纳来自燃气涡轮发动机的废气；以及还原剂模块，其流体地联接到废气路径。还原剂模块包括可以将还原剂供应到废气路径的注射系统。该系统还包括流动路径，该流动路径与废气路径分开并且流体地联接燃气涡轮发动机和还原剂模块。第一流动路径可以将第一加热流体供应到还原剂模块以有助于还原剂的蒸发。

Description

燃气涡轮加热的流体用于还原剂蒸发的用途
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮系统，更具体地，涉及用于向燃气涡轮系统的还原剂蒸发系统提供热的系统和方法。
背景技术
燃气涡轮系统通常包括至少一个燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机具有压缩机、燃烧器和涡轮。燃烧器被构造成用以燃烧燃料和压缩空气的混合物，以产生热燃烧气体，继而热燃烧气体驱动涡轮的轮叶。燃气涡轮发动机产生的废气可能包括某些副产品，例如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃烧的碳氢化合物。与这样的燃气涡轮系统相关联的某些处理系统可以用来在将废气从系统释放之前去除或者显著减少废气中这些副产品的量。
发明内容
以下将概述在范围上与初始要求保护的发明相当的某些实施例。这些实施例并不用来限制要求保护的发明的范围，而是仅仅用来提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可以涵盖与以下所述实施例类似或不同的各种形式。
根据本发明的一方面，本发明提供一种系统，包括：燃气涡轮发动机，其可以燃烧燃料以产生动力和废气；废气路径，其与燃气涡轮发动机流体连通并且可以接纳来自燃气涡轮发动机的废气；以及还原剂模块(reductant skid)，其流体地联接到废气路径。还原剂模块包括被构造成将还原剂供应到废气路径的注射系统。该系统还包括流动路径，该流动路径与废气路径分开并且流体地联接燃气涡轮发动机和还原剂模块。第一流动路径可以将第一加热流体供应到还原剂模块以有助于还原剂的蒸发。
根据本发明的一个实施例，所述流体路径从压缩机排气出口延伸到所述还原剂模块，使得所述第一加热流体包括来自所述燃气涡轮发动机的压缩机排出空气。
根据本发明的一个实施例，所述流体路径从所述燃气涡轮发动机的废气出口延伸到所述还原剂模块，使得所述第一加热流体包括来自所述燃气涡轮发动机的废气。
根据本发明的一个实施例，所述流动路径流体地联接到所述燃气涡轮发动机的压缩机区段和设置在所述还原剂模块中的加热系统，其中所述加热系统被构造成接纳所述第一加热流体和所述还原剂的流，并且引起所述第一加热流体和所述还原剂之间的热交换以使得所述还原剂蒸发。
根据本发明的一个实施例，所述流动路径流体地联接到所述燃气涡轮发动机的涡轮区段和设置在所述还原剂模块中的加热系统，其中所述加热系统被构造成接纳所述第一加热流体和所述还原剂的流，并且引起所述第一加热流体和所述还原剂之间的热交换以蒸发所述还原剂。
根据本发明的一个实施例，所述系统包括控制系统，所述控制系统包括一个或多个实体的、非暂时性的、机器可读取的介质，所述介质具有用以在所述燃气涡轮发动机的启动期间控制所述第一加热流体从所述燃气涡轮发动机的压缩机区段到所述注射系统的流动的指令，其中所述第一加热流体包括压缩机排出空气。
根据本发明的一个实施例，所述一个或多个实体的、非暂时性的、机器可读取的介质还包括用以在所述燃气涡轮发动机的稳态操作期间从使所述压缩机排出空气流动到所述还原剂模块过渡到使第二加热流体流动到所述还原剂模块的指令。
根据本发明的一个实施例，所述第二加热流体包括在所述燃气涡轮发动机中产生的废气。
根据本发明的一个实施例，所述系统是简单循环系统。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种系统，包括：燃气涡轮发动机，其可以燃烧燃料并产生废气；废气路径，其可以接纳来自燃气涡轮发动机的废气；以及还原剂模块，其流体地联接到废气路径。还原剂模块包括加热系统和注射系统，该加热系统可以蒸发还原剂，该注射系统可以将蒸发的还原剂供应到废气路径。该系统还包括第一流动路径，该第一流动路径与废气路径分开并且流体地联接燃气涡轮发动机的第一区段和还原剂模块。第一流动路径可以将第一加热流体供应到还原剂模块，第二流动路径与废气路径和第一流动路径分开。第二流动路径流体地联接到燃气涡轮发动机的第二区段和还原剂模块，第二流动路径可以将第二加热流体供应到还原剂模块。
根据本发明的一个实施例，所述第二加热流体包括来自所述燃气涡轮发动机的废气的至少一部分。
根据本发明的一个实施例，所述系统包括热交换器，所述热交换器沿着第三流动路径设置在所述还原剂模块中，所述第三流动路径流体地联接到所述第一流动路径和所述第二流动路径，其中所述热交换器被构造成加热所述第一加热流体。
根据本发明的一个实施例，所述热交换器包括电加热器，所述电加热器具有大约100千瓦和大约1000千瓦的功率输出。
根据本发明的一个实施例，所述第一流动路径从设置在所述燃气涡轮发动机的第一区段内的压缩机排气出口延伸到所述还原剂模块，使得所述第一加热流体包括压缩机排出空气或者压缩机排出空气和环境空气的混合物。
根据本发明的一个实施例，所述系统包括一个或多个实体的、非暂时性的、机器可读取的介质，所述一个或多个实体的、非暂时性的、机器可读取的介质具有指令以：在所述燃气涡轮发动机的启动期间将所述第一加热流体从所述燃气涡轮发动机的第一区段供应到所述还原剂模块，其中所述第一加热流体包括压缩机排出空气；和
在所述燃气涡轮发动机的稳态操作期间利用从所述燃气涡轮发动机的第二区段到所述还原剂模块的所述第二加热流体补充或替换所述第一加热流体，其中所述第二加热流体包括废气的一部分。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种方法，包括使第一流体从燃气涡轮发动机的第一区段通过与第一区段流体地联接的第一流动路径流动到还原剂模块。还原剂模块流体地联接到废气流动路径，该废气流动路径可以接纳在燃气涡轮发动机中产生的废气。该方法还包括：利用第一流体加热还原剂模块；使第二流体通过与燃气涡轮发动机的第二区段流体地联接的第二流动路径流动到还原剂模块以补充或替换第一流体；以及利用第二流体蒸发还原剂模块中的还原剂。
根据本发明的一个实施例，所述第一流体包括在所述第一区段中产生的压缩机排出空气，并且其中所述第一区段是所述燃气涡轮发动机的压缩机区段。
根据本发明的一个实施例，所述方法包括利用设置在所述还原剂模块中的热交换器加热所述压缩机排出空气。
根据本发明的一个实施例，所述第二流体包括在所述第二区段中产生的废气，其中所述第二区段是所述燃气涡轮发动机的燃烧器区段或涡轮区段。
根据本发明的一个实施例，所述方法包括在所述燃气涡轮发动机的稳态操作期间补充或替换所述第一流体。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1为根据本发明实施例的包括还原剂注射系统的燃气涡轮系统的方框图，该还原剂注射系统用来加热用于选择性催化还原的还原剂；
图2为根据本发明实施例的图1的还原剂注射系统的示意图，其包括流动控制系统，该流动控制系统接纳来自燃气涡轮发动机的压缩机排出空气并且将压缩机排出空气引导到还原剂注射系统中的加热系统；
图3为根据本发明实施例的图1的还原剂注射系统的示意图，其包括流动控制系统，该流动控制系统接纳来自燃气涡轮发动机的压缩机排出空气和/或废气流，并且将压缩机排出空气和/或废气流引导到还原剂注射系统中的加热系统；
图4为根据本发明实施例的图1的还原剂注射系统的示意图，其包括热交换器，该热交换器在还原剂注射系统的加热系统的上游加热压缩机排出空气流；
图5为根据本发明实施例的图1的还原剂注射系统的示意图，其包括流动控制系统，该流动控制系统接纳压缩机排出空气、环境空气和/或废气流，并且将压缩机排出空气、环境空气和/或废气流引导到还原剂注射系统中的加热系统；
图6为根据本发明实施例的加热图1的还原剂注射系统和蒸发燃气涡轮系统的还原剂的方法的流程图；以及
图7为根据本发明实施例的加热流体的方法的流程图，该流体用来利用设置在图1的还原剂注射系统中的热交换器加热还原剂注射系统和蒸发还原剂。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中可以不描述实际实施方式的全部特征。应当理解，在任何这种实际实施例的开发中，如同在任何工程或设计项目中，必须做出许多具体实施决定以实现开发者的特定目的，例如符合系统相关的和商业相关的约束，这样的目的根据具体实施可以是变化的。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，然而对于了解本发明优点的本领域普通技术人员而言将会是设计、制造和制备的例行任务。
当介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”指的是具有一个或多个该元件。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的，指的是除了所列的元件之外，还可能存在另外的元件。
本发明的实施例整体涉及用于将还原剂蒸发系统(例如氨注射系统)与压缩机排放流动路径结合并且用于蒸发还原剂的技术，该还原剂用于燃气涡轮发动机中产生的废气蒸汽的选择性催化还原。例如，在燃气涡轮系统中，一个或多个燃气涡轮发动机可以燃烧燃料/氧化剂混合物，以产生用于驱动一个或多个涡轮级的燃烧气体，每个涡轮级都具有多个轮叶。根据多个因素，例如燃烧的燃料的类型以及各种燃烧参数，燃烧过程产生的燃烧产物可能包括氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃烧的碳氢化合物。某些类型的催化系统可以用来在废气离开燃气涡轮系统(例如燃气涡轮发电厂)之前降低这些成分的水平。可能期望的是执行这样的降低，同时还保持燃气涡轮系统的高效操作。
去除或降低废气流中的NOx量的一种技术是通过选择性催化还原(SCR)。在SCR过程中，诸如氨气(NH3)的试剂(例如还原剂)被注射到废气流中，并且具有催化剂的情况下与废气中的NOx反应，以产生氮气(N2)和水(H2O)。为了促进该过程，还原剂注射系统可以用来将试剂加热、蒸发和注射到废气流中。在注射到废气流中之前蒸发试剂可以促进废气流和试剂的混合，同时还降低废气流和还原剂之间的温差。在燃气涡轮系统的启动期间，还原剂注射系统可以处于或低于环境温度。这样，试剂可以在蒸发之后在蒸发系统内冷凝，直到还原剂注射系统处于合适的温度以阻止试剂的冷凝。因此，电加热器通常用来加热蒸发系统。
在某些燃气涡轮系统中，尤其是在具有大框架重载燃气涡轮发动机(例如，具有大于50兆瓦(mW)的兆瓦级别的燃气涡轮发动机，例如非航空衍生燃气涡轮发动机)的系统中，加热器可能增加燃气涡轮系统的整体操作和制造成本。例如，根据燃气涡轮发动机的尺寸，燃气涡轮系统可以包括一个或多个加热器，加热器的尺寸形成为用以向还原剂注射系统提供足够的热。这些加热器可能较大，以适应加热还原剂注射系统的温度需求。例如，用来加热还原剂注射系统的加热器可以具有大约750千瓦(kW)至1兆瓦(mW)的功率输出。
提供操作加热器所需的电力可能导致不期望的附加损失，这可能降低燃气涡轮系统的效率。例如，加热器可能导致大约500kW至大约750kW之间的附加损失。因此，可能期望的是使用其它的加热源，其不会导致不期望的附加损失，同时有效地且高效地加热还原剂注射系统，从而在燃气涡轮系统的启动期间阻止还原剂注射系统内的试剂冷凝。
根据本发明的实施例，可以利用在燃气涡轮系统中产生的一个或多个流体流来加热还原剂注射系统。在燃气涡轮系统的启动和稳态操作期间，一个或多个流体流可以用来加热还原剂注射系统并且蒸发SCR上游的试剂。还原剂注射系统可以包括一个或多个流动控制系统，以调节蒸发系统内的流体流的流动和温度。还原剂注射系统可以包括传感器，该传感器将信号传递到控制系统，该控制系统基于流体流、还原剂或它们的组合的压力和/或温度来控制流动控制系统的各个部件(例如阀、泵等)。
现在认识到，来自燃气涡轮发动机的流体流所处的温度可以适合于加热还原剂注射系统中的流体，以缓和或消除加热器的使用，由此与使用大型加热器的燃气涡轮系统相比，在不增加燃气涡轮系统的能量需求的情况下提供加热。也就是，因为作为燃气涡轮系统的操作的一部分，流体流已经被加热，所以流体流为还原剂注射系统提供“免费”加热。因此，通常用来加热还原剂注射系统和/或蒸发某些燃气涡轮系统中的试剂的大型加热器可以替换为燃气涡轮发动机中产生的热流体(例如，压缩机排出空气、废气等)。因此，可以降低大致与使用大型加热器相关的燃气涡轮系统的附加损失以及操作和制造成本。
如以下进一步详细讨论的，本发明的实施例包括燃气涡轮系统，例如简单循环重载燃气涡轮系统，其具有还原剂注射系统，该还原剂注射系统被构造成用以接纳来自燃气涡轮发动机的一个或多个流体流，以蒸发用来处理废气流的试剂，并且缓和在燃气涡轮系统的启动期间还原剂注射系统内的试剂的冷凝。还原剂注射系统可以设置在涡轮的下游(例如相对于废气的流动)，但是设置在SCR系统的上游。例如，还原剂注射系统可以包括设置在燃气涡轮发动机系统的废气管道中的加热和空气注射特征结构。还原剂注射系统可以与燃气涡轮发动机的各个区段流体连通，使得还原剂注射系统可以接纳来自燃气涡轮发动机的一个或多个流体。将还原剂注射系统与燃气涡轮发动机的一个或多个区段流体地联接可以允许还原剂注射系统利用燃气涡轮发动机中产生的加热的流体来蒸发试剂并在燃气涡轮系统的启动期间缓和试剂的冷凝，而不是使用大型电加热器。因此，可以增加燃气涡轮系统的效率，这至少部分地是由于减少了在某些燃气涡轮系统中使用大型电加热器所导致的附加损失。虽然当前公开的技术可以尤其用于简单循环重载燃气涡轮系统，但是应当理解，本发明的实施例可以应用于任何合适地构造的系统，包括例如组合循环燃气涡轮系统。
考虑到前述事项，图1为示例性涡轮系统10的示意图，该涡轮系统包括燃气涡轮发动机12和排气处理系统14。在某些实施例中，涡轮系统10可以是动力生成系统的全部或一部分。燃气涡轮系统10可以使用液体或气体燃料，例如天然气和/或富氢合成气，以运转燃气涡轮系统10。
如图所示，燃气涡轮发动机12包括进气区段16、压缩机18、燃烧器区段20和涡轮22。涡轮22可以经由轴24驱动地联接到压缩机18。在操作中，空气通过进气区段16进入涡轮发动机12(由箭头26表示)，并且在压缩机18中被加压。空气26可以由一个或多个空气源28(例如包括但不限于环境空气)提供。在某些实施例中，空气26可以流过设置在压缩机18和空气源28之间的过滤器和/或消声器。压缩机18可以包括与轴24联接的多个压缩机级。压缩机18的每个级包括具有多个压缩机轮叶的轮。轴24的旋转引起压缩机轮叶的旋转，这将空气吸入到压缩机18中并且压缩空气26，以产生压缩空气30，大部分的压缩空气被引导到燃烧器区段20。
燃烧器区段20可以包括一个或多个燃烧器。在一个实施例中，多个燃烧器可以围绕轴24以大致圆形或环形构造设置在多个周边位置处。当压缩空气30离开压缩机18并进入燃烧器区段20时，压缩空气30可以与燃料32混合，以便在燃烧器内燃烧。例如，燃烧器区段20可以包括一个或多个燃料喷嘴，燃料喷嘴可以针对最佳燃烧、排放、燃料消耗、功率输出等以合适的比率将燃料-空气混合物注射到燃烧器中。空气30和燃料32的燃烧可以产生热的加压废气36(例如燃烧气体)，然后该废气可以用来驱动涡轮22中的一个或多个涡轮轮叶。在操作中，流入和流过涡轮22的燃烧气体抵靠涡轮轮叶且在涡轮轮叶之间流动，由此驱动涡轮轮叶，从而驱动轴24旋转以驱动负载，例如发电厂中的发电机。如上所述，轴24的旋转也引起压缩机18中的轮叶吸入并加压由进气口16接纳的空气。
流过涡轮22的燃烧气体可以作为废气流42离开涡轮22的下游端部40。废气流42可以继续沿着下游方向46流向排气处理系统14。例如，涡轮22的下游端部40可以流体地联接到排气处理系统14，并且具体地联接到过渡管道50。在某些实施例中，排气处理系统14可以包括位于过渡管道50上游的废气扩压器。
如上所述，作为燃烧过程的结果，废气流42可能包括某些副产品，例如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃烧的碳氢化合物。在废气流离开系统10之前，排气处理系统14可以用来降低或者基本上最小化这样的副产品的浓度。如上所述，去除或降低废气流中的NOx量的一种技术包括利用选择性催化还原(SCR)过程。例如，在用于从废气流42去除NOx的SCR过程中，氨(NH3)被注射到废气流中，并且具有催化剂的情况下与NOx反应，以产生氮气(N2)和水(H2O)。
该SCR过程的效率可以至少部分地取决于被处理的废气的温度。例如，用于去除NOx的SCR过程在大约500至900华氏度(°F)(例如大约260至482摄氏度(℃))的温度下可能是尤其高效的。然而，在某些实施例中，离开涡轮22和进入过渡管道50的废气流42的温度可以为大约1000至1500°F(例如大约538至816℃)，更具体地，为1100至1200°F(例如大约593至649℃)。因此，为了增加用于去除NOx的SCR过程的效率，排气处理系统14可以通过将冷却空气注射到过渡管道50内的废气流42中来冷却废气流42，由此产生冷却的废气流52。例如，在一个实施例中，过渡管道50可以接纳来自空气源28的空气，如箭头56所示。空气源28可以包括一个或多个鼓风机、压缩机(例如压缩机18)、热交换器或者它们的组合，以便于冷却空气而产生供应到过渡管道50的冷却空气56。可以理解，术语“冷却”在用来描述空气流58时应当理解为指的是空气58相对于离开涡轮22的废气流42更冷。应当理解，有效温度可以根据从气体流42去除的元素和/或采用的催化剂而改变。
仍然参考图1，冷却的废气流52可以继续向下游(例如沿着方向46)流入到废气管道60中，在废气管道中氨注射网格(AIG)64将还原剂68(例如含水的氨(NH3))注射到冷却的废气流52中。与AIG 64相关的氨注射系统65可以包括加热系统70和注射系统74，它们相应地将还原剂68蒸发和注射到废气管道60内冷却的废气流52中。在一个实施例中，注射系统74可以通向或者以其它方式包括管道网络，管道网络最终通向形成用于将还原剂68注射到冷却的废气流52中的AIG 64的开口。如以下进一步详细讨论的，还原剂68可以在流入到注射系统74中之前在加热系统70中蒸发。
如上所述，燃气涡轮发动机的AIG在燃气涡轮系统的启动期间可以处于或低于环境温度。因此，氨注射系统65(例如氨模块)可以在还原剂68蒸发之前被加热，以便在蒸发之后阻止AIG中的还原剂68的冷凝。某些燃气涡轮系统可以使用大型电加热器(例如功率输出为大约750kW至1mW的电加热器)以在整个AIG上分布热，由此将AIG加热到适合于在蒸发之后阻止还原剂冷凝的温度。然而，使用大型电加热器可能增加燃气涡轮系统操作的能量需求(例如，燃气涡轮系统可能需要提供动力以操作电加热器)和燃气涡轮系统的附加损失。现在已经认识到，在废气净化和燃料(例如燃料32)燃烧期间在燃气涡轮发动机中产生的加热流体可以用来向AIG提供热能。这样，加热流体可以加热AIG而不使用大型电加热器，并且还可以便于还原剂(例如还原剂68)的蒸发。因此，如图1所示，氨注射系统65可以接纳来自压缩机18的压缩机排出空气78、来自涡轮22的废气流的一部分80、来自空气源28的空气(如箭头82所示)以及它们的组合。
例如，在燃气涡轮系统10的停机期间，废气流42的至少一部分可以保留在燃气涡轮系统10的一个或多个区段中(例如，在涡轮22、排气处理系统14等中)。因此，在燃气涡轮系统10的启动期间，保留在燃气涡轮系统10中的来自前一循环的废气流42可以从系统10被净化。在来自燃气涡轮系统10的废气的净化期间，燃气涡轮系统10的部件可以以一速度旋转，该速度可以将压缩机排出空气的温度增大到适合于加热氨注射系统65的温度。例如，在某些实施例中，系统部件(例如轴24)的旋转速度可以在燃气涡轮系统10正常操作期间系统部件的旋转速度的大约15％至大约30％之间。压缩机排出空气可以循环通过燃气涡轮系统10，以净化来自燃气涡轮系统10的废气流42。例如，压缩机排出空气可以流过燃烧器20和涡轮22，以净化来自燃气涡轮发动机10的废气36。这样，废气流42可以沿下游方向46流过排气处理系统14，并且通过排气道(stack)90离开燃气涡轮系统10，如箭头92所示。
部分地由于废气净化期间轴24的旋转速度，而使得压缩机排出空气的温度可能增大到超过大约150°F(例如大约66℃)，例如在大约150°F至大约300°F(例如大约149℃)之间，在大约175°F(例如大约79℃)至大约275°F(例如大约135℃)之间，在大约200°F(例如大约93℃)至大约250°F(例如大约121℃)之间。压缩机排出空气的温度可以适合于在燃气涡轮系统10的启动期间加热氨注射系统65。因此，本发明的实施例包括使压缩机排出空气流动到氨注射系统65，如箭头78所示。例如，来自压缩机18的压缩机排出空气78的至少一部分可以绕过燃烧器18和/或燃气涡轮发动机12的涡轮22并且流到氨注射系统65，由此加热氨注射系统65中的系统部件(例如加热系统70和注射系统74)。因此，可以加热氨注射系统65而不使用通常在某些燃气涡轮系统中用来加热氨注射系统的大型电加热器。在某些实施例中，除了压缩机排出空气78之外，来自空气源28的空气82可以被引导到氨注射系统65。例如，在压缩机排出空气78的温度超过用于加热氨注射系统65的期望阈值温度的实施例中，空气82可以降低压缩机排出空气78的温度。
此外，在燃气涡轮系统10的稳态操作期间，压缩机排出空气78的至少一部分、废气80的一部分、空气82以及它们的组合可以用来蒸发氨注射系统65中的还原剂68。例如，如上所述，燃气涡轮发动机12燃烧压缩空气30和燃料32的混合物，以产生热的废气36。废气36在沿着下游方向46流到排气处理系统14之前驱动涡轮22中的一个或多个涡轮轮叶。在一个实施例中，废气80的一部分可以绕过排气处理系统14并且流到氨注射系统65。在处于氨注射系统65中的同时，在还原剂68注射到废气管道60内的冷却的废气流52中之前，废气80可以加热和蒸发还原剂68。在流入到氨注射系统65中之前、期间或之后，废气80可以与压缩机排出空气78和/或空气82混合。如上所述，离开涡轮22的废气的温度可以为大约1000至1500°F(例如大约538℃至816℃)。废气80的温度可能高于还原剂68蒸发的期望温度阈值。因此，压缩机排出空气78和/或空气82(例如环境空气)可以与废气80混合，以将废气80冷却到适合于还原剂68蒸发的温度。
在图示实施例中，氨注射系统65包括流动控制系统100，该流动控制系统可以用来调节流过氨注射系统65的各种流体的流动。例如，流动控制系统100可以包括流动装置，例如但不限于阀、泵、风扇和鼓风机，其使得压缩机排出空气78、废气80、空气82和/或还原剂68能够流过氨注射系统65并且流入到废气管道60内的冷却的废气流52中。如以下进一步详细讨论的，控制系统104可以控制流动控制系统100的操作，以调节通过注射系统74的各种流体流的流动，并且控制流体流(例如压缩机排出空气78和废气流80)的温度。
在AIG 64的下游，SCR系统106可以包括负载型催化系统，其具有任何合适的几何结构，例如蜂窝结构或板构造。在SCR系统106中，还原剂68与冷却的废气52中的NOx反应，以产生氮气(N2)和水(H2O)，由此在通过排气道90离开燃气涡轮系统10之前从冷却的废气52去除NOx，如流动箭头92所示。在一些实施例中，排气道90可以包括消音器或消声器。借助于非限制性实例，排气处理系统14可以利用AIG 64和SCR系统106将处理的废气流86中的NOx的成分降低到大约3ppm或更小。
虽然本发明描述了涉及从废气流42、52处理和去除NOx的若干实施例，但是某些实施例可以用于去除其它燃烧副产品，例如一氧化碳或未燃烧的碳氢化合物。这样，供应的催化剂可以根据从废气流42、52去除的成分而变化。另外，应当理解，本文所公开的实施例并不限于使用一个SCR系统106，而是也可以包括多个SCR系统106、多个催化系统等等。
为了提供系统10的排放控制，系统10还可以包括连续排放监测(CEM)系统108，其连续地监测离开排气道90的处理过的废气流(例如废气流86)的成分。如果CEM系统108检测到处理过的废气流的成分不处于预定参数设定(例如某些燃烧产物的温度、压力、浓度)内，那么CEM系统108可以向燃气涡轮发动机12的控制系统104提供通知，该控制系统继而可以采取某些修正动作，以调节燃烧参数、调节冷却空气56和/或还原剂68的流动、调节SCR系统106的操作等等。除此之外或作为另外一种选择，燃气涡轮系统10的控制系统104可以执行某些功能，例如通知系统10的操作者调节操作参数，执行维护，或者以其它方式停止操作系统10，直到系统10产生的处理过的废气流具有或者期望具有处于预定要求内的成分。在一些实施例中，CEM系统108还可以实施尤其涉及排气处理系统14的修正动作，例如调节温度、冷却空气56的流速、注射到SCR系统106中的还原剂68(例如NH3)的量等。
控制系统104(例如电子的和/或基于处理器的控制器)可以监管燃气涡轮系统10的操作。通过与传感器、控制阀和泵或者整个燃气涡轮系统10的其它流动调节特征结构电气地通信，控制系统104可以独立地控制燃气涡轮系统10的操作。控制系统104可以包括完全或部分自动化的分布式控制系统(DCS)或任何基于计算机的工作站。例如，控制系统104可以是采用通用或专用处理器的任何装置，通用和专用处理器均可以大致包括存储器电路112，以用于存储指令，除了别的以外，指令为例如燃烧参数和还原剂加热和蒸发参数。处理器可以包括一个或多个处理装置(例如微处理器110)，存储器电路112可以包括一个或多个实体的、非暂时性的、机器可读取的介质，该介质共同地存储能够由处理器执行的指令，以执行图6-7的动作(如下所述)，并且控制本文所述的动作。
在一个实施例中，控制系统104可以操作流动控制装置(例如阀、泵等)，以控制不同系统部件之间的流动和/或量。在图示实施例中，控制系统104控制流动控制系统100的操作，以控制还原剂68、压缩机排出空气78、废气80和/或空气82通过氨注射系统65的流动。例如，在燃气涡轮系统104的启动期间，控制系统104可以控制压缩机排出空气78从压缩机18到氨注射系统65的流动，以加热氨注射系统65的部件并阻止还原剂68的流动，直到氨注射系统65处于阻止氨注射系统65内的还原剂68冷凝的合适温度水平。此外，在燃气涡轮系统10的稳态操作期间，控制系统104可以控制废气80从涡轮22到氨注射系统65的流动，以促进还原剂68的加热和蒸发。燃气涡轮系统10的稳态操作可以是燃气涡轮发动机12已经到达目标负荷并且燃气涡轮发动机12的操作参数受到控制以保持燃气涡轮发动机12处于目标负荷的状态。在某些实施例中，控制系统104可以利用从涡轮系统10的一个或多个传感器经由一个或多个输入信号(例如一个或多个输入信号138)提供的信息，来执行包含在存储器112上的指令或代码并生成输出到各个流动控制装置(例如流动控制系统100)的一个或多个输出信号(例如一个或多个输出信号140)，以控制燃气涡轮系统10内的流体流。例如，控制系统104可以控制还原剂68、压缩机排出空气78、废气80和空气82。在某些实施例中，控制系统104还可以控制阀的操作，以控制量或者调节空气26、燃料32、冷却空气56或燃气涡轮系统10内的任何其它流体的流动。
现在参考图2，示出了氨注射系统65的示意图。如上所述，例如在燃气涡轮系统10的启动期间，氨注射系统65可以接纳来自燃气涡轮发动机12的加热流体，以开始还原剂68的蒸发。例如，在图示实施例中，氨注射系统65接纳来自压缩机18的压缩机排出空气78。在系统10处于启动操作模式的实施例中，可能存在过量的压缩空气，该过量的压缩空气可以用于加热氨注射系统65的部件。以举例的方式，氨注射系统65可以包括一个或多个导管，这些导管流体地联接到燃气涡轮发动机12，使得流体(例如压缩机排出空气78、废气80)能够流入到氨注射系统65的各个部件(例如加热系统70)中。例如，氨注射系统65可以包括1个至10个之间的导管，例如1、2、3、4、5或更多个导管。然而，任何合适数量的导管可以用来使加热流体(例如压缩机排出空气78、废气80和空气82)流过氨注射系统65。在图示实施例中，氨注射系统65包括能够接纳来自压缩机18的压缩机排出空气78的第一导管116和第二导管118。因此，在某些实施例中，压缩机排出空气78沿着从压缩机18延伸到氨注射系统65的路径的流动可以在导管116、118之间分流(例如中间流动路径)。在其它实施例中，压缩机排出空气78可以流过第一导管116或第二导管118。例如，如果第一导管116由于维护或维修而不可用，那么压缩机排出空气78可以流过第二导管118，使得系统10可以继续操作。
若干特征结构可以处理和/或控制加热流体进入氨注射系统65的流动。在图示实施例中，导管116、118每个都可以包括过滤单元120，该过滤单元可以从压缩机排出空气78去除某些成分(例如颗粒物)。流动控制系统100可以沿着导管116、118定位，以控制压缩机排出空气78流过氨注射系统65。例如，流动控制系统100包括控制压缩机排出空气78流过氨注射系统65的一个或多个流动装置。借助于非限制性实例，一个或多个流动装置可以包括鼓风机、泵、阀或任何其它合适的流动装置，其激励和/或控制压缩机排出空气78或其它加热流体通过氨注射系统65的流动。因此，在图示实施例中，流动控制系统100包括沿着第一和第二导管116、118中每一个定位的鼓风机126和阀128。除了鼓风机126和阀128之外，流动控制系统100还可以包括一个或多个传感器132，以监测压缩机排出空气78(或其它加热流体)的流体特性(例如温度和/或压力)。传感器132可以将表示压缩机排出空气78的监测的流体特性的输入信号138传递到控制系统104。响应于该输入信号138，控制系统104可以将输出信号140传递到鼓风机126和/或阀128，以调节压缩机排出空气78或其它加热流体流过导管116、118的流动。
第一流量计146和附加传感器132(例如压力和/或温度传感器)可以沿着从流动控制系统100延伸到加热系统70的流动路径150设置在流动控制系统100的下游。例如，在流过一个或两个导管116、118之后，压缩机排出空气78经由流动路径150被引导至加热系统70。第一流量计146和附加传感器132可以沿着流动路径150测量压缩机排出空气78的流体特性(例如流速、温度和/或压力)，并将一个或多个输入信号138之一传递到控制系统。控制系统104可以响应于来自流量计146和/或附加传感器132的输入信号138将一个或多个输出信号140之一传递到第二阀152，以控制供应到加热系统70的压缩机排出空气78的量。例如，如果分别由第一流量计146或附加温度传感器132测量的压缩机排出空气78的流速和/或温度处于期望范围之外，那么除了调节第一阀128之外或者代替调节第一阀128的是，控制系统104可以调节第二阀152，以控制供应到加热系统70的压缩机排出空气78的量。这样，压缩机排出空气78可以被引导至加热系统70，由此在系统10的启动期间加热所述加热系统70、注射系统74、还原剂68和SCR 106。这样，通常用来加热氨注射系统65的电加热器可以替换为在系统10的操作期间被加热的流体(例如压缩机排出空气78)。因此，可以减少与电加热器相关的能量需求以及由于使用电加热导致的系统10的附加损失，由此与利用电加热器来加热系统部件的系统相比提高了系统10的整体效率。
在系统10的稳态操作期间，压缩机排出空气78还可以用来蒸发氨注射系统65中的还原剂68。例如，在稳态操作期间，还原剂罐160用作经由还原剂导管162(代表还原剂进给路径)提供给加热系统70的还原剂68的源。还原剂导管162可以包括阀164、168，以控制被引导到加热系统70的还原剂68的量。除此之外或作为另外一种选择，还原剂导管162可以包括泵170，以促进还原剂68流过还原剂导管162。响应于沿着还原剂导管162设置的第二流量计172的一个或多个输入信号138，阀164、168和泵170可以接收来自控制系统104的一个或多个输出信号140之一。例如，如果第二流量计172测量到还原剂68的流速处于期望范围之外，那么除了阀164之外或者代替阀164的是，控制系统104可以调节阀168，以调节供应到AIG64的还原剂68的流速。
在某些实施例中，控制系统104调节阀128、152、164、168和/或泵126、170，从而获得还原剂68与压缩机排出空气78(或任何其它加热流体)的合适的比率，以有效且高效地将还原剂78蒸发和注射到SCR系统106中。例如，在某些实施例中，还原剂68与压缩机排出空气78的比率可以为1:1、1:2、1:3、1:5、2:1、2:5、3:1或任何其它合适的比率。
除了使用压缩机排出空气78加热和蒸发还原剂68之外，本发明的实施例还包括为此目的利用废气流80和/或空气82。例如，图3示出了在系统10的稳态操作期间利用来自涡轮22的废气流80加热还原剂68的系统10的实施例。与图2所示的实施例类似，废气流80可以经由导管116、118被引导至加热系统70，在该实施例中该导管用作废气进给路径和/或压缩机排出空气进给路径。在某些实施例中，压缩机排出空气78和废气流80两者都可以供应到加热系统70。例如，压缩机排出空气78可以流过第一导管116，废气流80可以流过第二导管118，或反之亦然。在某些实施例中，压缩机排出空气78和废气流80可以在导管116、118下游的流动路径150中混合。在其它实施例中，压缩机排出空气78和废气流80可以在导管116、118的上游混合，使得每个导管116、118都让压缩机排出空气78和废气流80的混合物流过。
将废气流80与压缩机排出空气78混合可以降低废气流80的温度。如上所述，还原剂68对于废气流的温度可能是敏感的。这样，废气流80可能需要被冷却到不会使得还原剂68处于对SCR过程无效的温度下的温度。控制系统104可以基于废气流80的温度、基于氨(例如还原剂68)的量等等控制与废气流80混合的压缩机空气排出空气78的量。例如，如果由传感器132测量的废气流80的温度高于期望温度范围，那么控制系统104可以调节相应的导管116、118的阀128，以增加流过导管116、118的压缩机排出空气78的量。压缩机排出空气78可以在流动路径150中与废气流80混合，由此在废气流80流入到加热系统70中之前降低废气流80的温度。
在其它实施例中，空气流82可以用来调节压缩机排出空气78和/或废气流80的温度。例如，图4示出了利用压缩机排出空气78、废气流80或这两者以及空气流82来加热氨注射系统65中的还原剂68的系统10的实施例。如上所述，废气流80的温度可能超过期望的温度范围。系统10可以利用来自空气源28的空气流82，以调节加热系统70上游的废气流80的温度。空气流82可以流过导管116、118，并且在流动路径150中与废气流80混合(例如，在空气流82和废气流80流过单独的导管116、118的实施例中)。作为另外一种选择，空气流82可以在氨注射系统65上游与废气流80混合，使得导管116、118每个都让废气流80和空气流82的混合物流过。
除此之外或作为另外一种选择，空气流82可以与压缩机排出空气78混合。例如，压缩机排出空气78和空气流82的混合物可以与废气流80混合，以在流动路径150中或者在氨注射系统65的上游冷却废气流80。在一个实施例中，压缩机排出空气78和空气流82的混合物可以供应到加热系统70而不与废气流80混合。例如，在废气流80不被引导到导管116、118的实施例中。例如，如果加热压缩机排出空气78和空气流82的混合物处于期望温度范围以下，那么热交换器(例如热交换器180)可以沿着流动路径150定位以加热压缩机排出空气78和空气流82的混合物。
例如，图5示出了包括热交换器180的系统10的实施例，该热交换器180可以用来加热压缩机排出空气78或者加热压缩机排出空气78和空气流82的混合物。在某些实施例中，压缩机排出空气78的温度可能不在用于加热氨注射系统65和/或蒸发还原剂68的期望温度内。例如，压缩机排出空气78可以高于或者低于适合于还原剂68蒸发的温度。在压缩机排出空气78处于期望温度以上的实施例中，空气流82可以与压缩机排出空气78混合，以降低压缩机排出空气78的温度。空气流82可以将压缩机排出空气78的温度降低到期望温度以下的温度。因此，热交换器180可以用来将压缩机排出空气78和空气流82的混合物的温度调节到适合于蒸发还原剂68的目标温度。相似地，如果离开压缩机18的压缩机排出空气78处于期望温度以下，那么热交换器180可以将压缩机排出空气78的温度升高到用于还原剂68蒸发的目标温度。
在某些实施例中，热交换器180可以是多级热交换器。多级热交换器可以利用废气流80的至少一部分，向压缩机排出空气78和/或压缩机排出空气78和空气流82的混合物提供热。在其它实施例中，热交换器180可以是小型电加热器(例如，功率输出在大约100千瓦(kW))至1000kW之间的加热器)。在某些实施例中，小型电加热器比用于在典型SCR系统中蒸发还原剂的大型电加热器(例如，功率输出为大约750kW至大约1mW的加热器)小大约50％至90％。这样，在某些燃气涡轮系统中使用的大型电加热器可以至少部分地替换为在燃气涡轮系统10中产生的加热流体(例如压缩机排出空气78和废气流80)。这样，与使用大型电加热器来加热蒸发系统的部件(例如氨注射网格(AIG))和蒸发还原剂的燃气涡轮系统相比，可以降低燃气涡轮系统10的附加损失。
根据以上所述的各个实施例，燃气涡轮系统10可以比其它系统(例如，使用大型电加热器来加热系统部件的系统)更高效地操作。图6示出了方法200的流程图，利用该方法，燃气涡轮系统(例如上述燃气涡轮系统10)可以加热蒸发系统的部件(例如氨注射系统65)和/或蒸发还原剂(例如还原剂68)，该还原剂用于从废气流(例如冷却的废气流52)去除燃烧副产品。方法200包括进行系统启动和废气净化(方框204)，以及将压缩机排出空气78引导到氨注射系统65(方框206)，如上所述。
在燃气涡轮系统10的启动期间，燃气涡轮系统10的各个部件可能处于或低于环境温度，或者处于不足以进行稳态操作的温度。因此，可能期望的是，加热燃气涡轮系统10的各个部分。具体地，可能期望的是，加热用来加热和蒸发还原剂68的氨注射系统65。在还原剂68已经承受初始蒸发之后，加热氨注射系统65可以缓和还原剂68在氨注射系统65中的冷凝。在废气净化期间产生的压缩机排出空气78可以具有适合于加热氨注射系统65的温度。总体上，压缩机排出空气78被抛弃。然而，通过将压缩机排出空气78引导到氨注射系统65，压缩机排出空气78可以加热氨注射系统65，而不需要用来加热进给到氨注射系统65中的环境空气的大型电加热器(例如，功率输出大于大约750mW的加热器)。这样，可以降低大致与使用这样的大型加热器相关的附加损失，由此降低整体操作和制造成本，并且提高燃气涡轮系统10的效率。另外，与利用大型电加热器加热系统部件的系统相比，利用压缩机排出空气78加热氨注射系统65可以减少系统启动和稳态操作之间的时间。
方法200还包括：在系统启动和废气净化期间利用压缩机排出空气78加热氨注射系统65的加热系统70中的还原剂68(方框208)；以及一旦燃气涡轮系统10达到目标操作状态，就从基本上仅仅利用压缩机排出空气78加热加热系统70中的还原剂68过渡到利用另一种加热流体(例如废气流80)，或者补充和/或替换压缩机排出空气78以加热加热系统70中的还原剂68(方框210)。例如，一旦燃气涡轮系统10达到稳态操作，控制系统104可以将废气36的至少一部分80从涡轮22引导到氨注射系统65的加热系统70。废气流80可以提供足够的热以蒸发加热系统70中的还原剂68。根据用来处理冷却的废气流52的还原剂68，废气流80可以与压缩机排出空气78、空气流82或这两者混合，以便流体获得最终引起还原剂68蒸发的期望温度。例如，压缩机排出空气78和空气流82可以用来将废气流80的温度降低到适合于蒸发还原剂68的目标温度，而不影响用于从冷却的废气流52去除燃烧副产品的还原剂68的整体效率。控制系统104可以控制一个或多个阀(例如阀128、152、164、168)，以调节还原剂68、废气流80和调和流体(例如压缩机排出空气78和/或空气流82)的比率，从而实现还原剂68的高效蒸发，同时提供足以用于SCR过程的还原剂68的量。
如上所述，在某些实施例中，燃气涡轮系统10包括处于氨注射系统65中的热交换器180。热交换器180可以用来将加热流体(例如压缩机排出空气78)的温度升高到分别适合于加热和蒸发氨注射系统65和还原剂68的目标温度。图7示出了方法220的流程图，在该方法中，燃气涡轮系统10可以利用热交换器180通过压缩机排出空气78加热氨注射系统65和蒸发还原剂68。类似于方法200，方法220包括进行系统启动和废气净化(方框204)，以及将压缩机排出空气78引导到氨注射系统65(方框206)。
方法220还包括利用热交换器180加热氨注射系统65中的压缩机排出空气78(方框224)。例如，在某些实施例中，压缩机排出空气78和/或环境空气(例如空气流82)可能不处于用于加热氨注射系统65的期望温度。因此，热交换器180可以用来将压缩机排出空气78和/或空气流82的温度升高到适合于加热氨注射系统65的温度。环境空气82可以在与压缩机排出空气78相同或不同的路径中进行加热。在其它实施例中，压缩机排出空气78可以处于期望温度以上。在该具体实施例中，压缩机排出空气78可以与空气流82混合，以降低压缩机排出空气78的温度。压缩机排出空气78和空气流82的混合物可以处于期望温度以下。这样，热交换器180可以用来将压缩机排出空气78和空气流82的混合物的温度调节到用于加热氨注射系统65的期望温度。
方法220还包括：在系统启动和废气净化期间利用压缩机排出空气78加热氨注射系统65中的还原剂68(方框208)；以及一旦燃气涡轮系统10达到目标操作状态，就从利用压缩机排出空气78加热加热系统70中的还原剂68过渡到利用另一种加热流体(例如废气流80)加热加热系统70中的还原剂68(方框210)，如上参照图6所述。
如上所述，本文列出的各种技术可以用来将加热流体(例如压缩机排出空气、废气、空气以及它们的组合)引导到燃气涡轮系统的蒸发系统(例如AIG系统)，以加热蒸发系统和蒸发还原剂。例如，本发明所公开的技术包括在燃气涡轮系统启动时将在废气净化期间产生的压缩机排出空气引导到蒸发系统。压缩机排出空气可以加热蒸发系统的各个部件，由此缓和蒸发系统中的还原剂的冷凝。可以利用环境空气和/或设置在蒸发系统中的热交换器调节压缩机排出空气的温度。另外，本文所公开的技术包括将在燃气涡轮发动机产生的废气引导到蒸发系统以蒸发还原剂。例如，在系统启动之后，燃气涡轮系统可以从利用压缩机排出空气过渡到利用废气加热蒸发系统和还原剂。调和流体，例如压缩机排出空气和/或环境空气，可以用来降低废气的温度，以缓和可能由于离开燃气涡轮发动机的废气的温度引起的还原剂的效率降低。控制系统可以调节还原剂与加热流体(例如压缩机排出空气和/或废气)的比率，以获得期望的还原剂加热和蒸发。这样，燃气涡轮系统可以加热蒸发系统和蒸发还原剂，而不需要使用大型电加热器(例如，功率输出大于750kW的加热器)。因此，可以降低与使用大型电加热器大致相关的附加损失和延长的系统启动时间，由此与使用大型电加热器的系统相比，降低了整体操作成本，并且提高了燃气涡轮系统的效率。
书写的说明书利用实例来公开本发明的实施例，包括最佳模式，并且还使得本领域任何技术人员能够实施本发明，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。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它例子。如果这样的其它例子具有与权利要求的文字语言不是不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言差别不太明显的等同结构元件，那么它们将处于权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种系统，其包括：
燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机被构造成燃烧燃料以产生动力和废气；
废气路径，所述废气路径与所述燃气涡轮发动机流体连通并且被构造成接纳来自所述燃气涡轮发动机的废气；
还原剂模块，所述还原剂模块流体地联接到所述废气路径，其中所述还原剂模块包括注射系统，所述注射系统被构造成将还原剂供应到所述废气路径；
流动路径，所述流动路径与所述废气路径分开并且流体地联接所述燃气涡轮发动机和所述还原剂模块，其中第一流动路径被构造成将第一加热流体供应到所述还原剂模块以有助于还原剂的蒸发。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体路径从压缩机排气出口延伸到所述还原剂模块，使得所述第一加热流体包括来自所述燃气涡轮发动机的压缩机排出空气。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体路径从所述燃气涡轮发动机的废气出口延伸到所述还原剂模块，使得所述第一加热流体包括来自所述燃气涡轮发动机的废气。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流动路径流体地联接到所述燃气涡轮发动机的压缩机区段和设置在所述还原剂模块中的加热系统，其中所述加热系统被构造成接纳所述第一加热流体和所述还原剂的流，并且引起所述第一加热流体和所述还原剂之间的热交换以使得所述还原剂蒸发。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流动路径流体地联接到所述燃气涡轮发动机的涡轮区段和设置在所述还原剂模块中的加热系统，其中所述加热系统被构造成接纳所述第一加热流体和所述还原剂的流，并且引起所述第一加热流体和所述还原剂之间的热交换以蒸发所述还原剂。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括控制系统，所述控制系统包括一个或多个实体的、非暂时性的、机器可读取的介质，所述介质具有用以在所述燃气涡轮发动机的启动期间控制所述第一加热流体从所述燃气涡轮发动机的压缩机区段到所述注射系统的流动的指令，其中所述第一加热流体包括压缩机排出空气。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述一个或多个实体的、非暂时性的、机器可读取的介质还包括用以在所述燃气涡轮发动机的稳态操作期间从使所述压缩机排出空气流动到所述还原剂模块过渡到使第二加热流体流动到所述还原剂模块的指令。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二加热流体包括在所述燃气涡轮发动机中产生的废气。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统是简单循环系统。
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