CN116517694A - 燃气轮机系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种燃气轮机系统，包括：透平机构；燃烧机构，以及配置有空气供给组件的湿化机构。燃烧机构被构造成通过氨燃料燃烧向透平机构的进气端输出燃气，空气供给组件被构造成输入压缩空气，再通过湿化机构对压缩空气加湿，以向燃烧机构输出湿化空气，使得湿化空气与燃气混合形成混合工质，从而提高燃烧机构输出的混合工质的总流量。燃烧机构以氨燃料燃烧产生的燃气作为主要工质驱动透平机构对外做功，并使燃气轮机系统产生的尾气达到零碳排放的要求；湿化机构所输出的湿化空气与燃气混合，既增加了进入透平机构的混合工质的流量，又抑制了燃气中的氮氧化物的生成，同时提高了透平机构的效率。
Description
技术领域
本公开的至少一种实施例涉及透平机构技术领域，更具体地，涉及一种氨燃料的燃气轮机系统。
背景技术
透平机构适用于以连续流动的气体作为工质驱动叶轮旋转，以使透平机构对外做功，被广泛应用于船舶、航空及发电等诸多领域当中。
基于减少碳排放的要求，在配置有透平机构的燃气轮机系统中，既需要满足使透平机构具有较高效率，还需尽量减少尾气中的有机物。
为此，氨燃料作为一种零碳燃料，且具有易获取，可再生等诸多有点是一种较为理想的替代燃料。在此基础上，如何配置一种以氨燃料为燃料并通过系统集成方式，维持甚至提高透平机构的工作效率的燃气轮机系统，成为亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种燃气轮机系统，燃烧机构适用于以氨燃料燃烧产生的工质驱动透平机构对外做功，以使燃气轮机系统产生的尾气达到零碳排放的要求，湿化机构适用于容纳湿化空气与燃气混合，这样既增加了进入透平机构的混合工质的流量，又抑制了燃气中的氮氧化物的生成，同时提高了透平机构的效率。
本公开的实施例提供一种燃气轮机系统，包括：透平机构；燃烧机构，被构造成通过氨燃料燃烧向上述透平机构的进气端输出燃气；以及湿化机构，被构造成向上述燃烧机构输出湿化空气，并使上述湿化空气与上述燃气混合形成混合工质，以提高上述燃烧机构输出的上述混合工质的总流量。
根据本公开的实施例，上述湿化机构包括：湿化器，被构造成与上述燃烧机构的进气端连通；空气供给组件，被构造成与上述湿化器连通，以向上述湿化器供给空气；以及水供给组件，被构造成与上述湿化器连通，以向上述湿化器供给水蒸气，以与上述空气在上述湿化器内混合形成上述湿化空气。
根据本公开的实施例，燃气轮机系统还包括尾气循环机构，设置于上述透平机构的排气端及上述湿化器之间，以使上述透平机构排出的一部分尾气经上述湿化器回流至上述燃烧机构。
根据本公开的实施例，上述尾气循环机构包括混合器，上述混合器进气端与上述透平机构的排气端连通，上述混合器的排气端和上述湿化器的进气端连通；上述混合器还与上述水供给组件连通，适用于通过上述水供给组件输入的水吸收上述透平机构排出的尾气中的至少一部分氨气，以形成氨水。
根据本公开的实施例，上述尾气循环机构还包括第一换热组件，设置于上述透平机构的排气端及上述混合器之间，适用于将上述透平机构排出的尾气的一部分热量进行余热回收。
根据本公开的实施例，上述第一换热组件被构造成多级换热。
根据本公开的实施例，上述第一换热组件被构造成以上述透平机构排出的尾气作为热流，对上述氨水、上述湿化空气及上述氨燃料中的至少一个进行加热，以形成蒸汽。
根据本公开的实施例，上述湿化机构还包括第二换热组件，设置于上述空气供给组件及上述湿化器之间，被沟通成以上述湿化器内的液体作为冷流，对上述空气进行降温。
根据本公开的实施例，上述燃烧机构包括：燃烧器，适用于容纳上述氨燃料燃烧并与湿化空气混合，以向上述透平机构供给混合工质；以及氨燃料供给组件，和上述燃烧器连通，适用于向上述燃烧器供给上述氨燃料。
根据本公开的实施例，上述燃烧机构还包括氨燃料配给组件，设置于上述燃烧器及上述氨燃料供给组件之间，以使一部分上述氨燃料进入燃烧器，并使另一部分未经燃烧的上述氨燃料与上述混合工质进一步混合，以用作还原剂去除上述混合工质中的一部分氮氧化物。
根据本公开提供的燃气轮机系统，透平机构适用于产生机械能或电能以对外做功；燃烧机构以氨燃料燃烧产生的燃气作为主要工质驱动透平机构对外做功，并使燃气轮机系统产生的尾气达到零碳排放的要求；湿化机构所输出的湿化空气与燃气混合，既增加了进入透平机构的混合工质的流量，又抑制了燃气中的氮氧化物的生成，同时提高了透平机构的效率。
附图说明
图1是根据本公开的一种示意性的实施例的燃气轮机系统的连接关系示意图。
所述附图中，附图标记含义具体如下：
1、湿化机构；
11、空气供给组件；
12、湿化器；
13、水供给组件；
14、第一循环泵；
15、第二循环泵；
16、第二换热组件；
17、第一可控阀；
18、第二可控阀；
2、透平机构；
3、燃烧机构；
31、氨燃料供给组件；
32、第三循环泵；
33、氨燃料配给组件；
34、燃烧器；
4、尾气循环机构；
41、第一换热组件；
411、回热器；
412、第一换热器；
IB232137
413、第二换热器；
42、混合器；以及
43、第四循环泵。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。
图1是根据本公开的一种示意性的实施例的燃气轮机系统的连接关系示意图。
根据本公开提供的燃气轮机系统，如图1所示，包括透平机构2、燃烧机构3及湿化机构1。燃烧机构3被构造成通过氨燃料燃烧向透平机构2的进气端输出燃气，以使透平机构2对外做功。湿化机构1，被构造成向燃烧机构3输出湿化空气，并使湿化空气与燃气混合形成混合工质，以提高燃烧机构3输出的混合工质的总流量。
在一种示意性的实施例中，氨燃料包括但不限于采用液氮。液氮被构造成在燃烧机构3中通过直接或间接方式吸收热量形成高温燃气，湿化机构1被构造成与高温燃气混合，以形成混合工质并输出至透平机构中，以使透平机构在透平机构中膨胀做功。
这样的实施方式中，透平机构适用于产生机械能或电能以对外做功；燃烧机构适用于以氨燃料燃烧产生的燃气作为主要工质驱动透平机构对外做功，并使燃气轮机系统产生的尾气达到零碳排放的要求；湿化机构输出湿化空气，湿化空气与燃气混合后增加了进入透平机构的混合工质的总流量，使透平机构的透平机构输出功加大，提高透平机构循环的功率及效率。并且，通过湿化空气与燃气混合，还可抑制燃气中的氮氧化物的生成，减少了透平机构排出的尾气中的氮氧化物的浓度。进一步的，经湿化空气与燃气混合后的混合工质，相较于燃烧机构输出的燃气的温度较低，有利于对透平机构的叶片进行冷却，以延长透平机构的使用寿命。
根据本公开的实施例，如图1所示，湿化机构1包括湿化器12、空气供给组件11及水供给组件。湿化器12被构造成与燃烧机构3的进气端连通。空气供给组件11被构造成与湿化器12连通，以向湿化器12供给空气。水供给组件13被构造成与湿化器12连通，以向湿化器12供给水蒸气，以与空气在湿化器12内混合形成湿化空气。
在一种示意性的实施例中，湿化器12内限定湿化腔，以容纳空气、水蒸气及由透平机构的排气端输出的至少一部分尾气进行混合，以形成湿化空气。进一步的，湿化腔内包括但不限于配置有雾化和/或喷淋装置，以使进入湿化器内的水被蒸发并与压缩空气混合形成湿化空气。
在一种示意性的实施例中，空气供给组件11包括压气机。详细地，水供给组件包括存储有水和/或使水发生为水蒸气的供水源。进一步的，压气机和透平机构2的输出端相连接，以通过透平机构2驱动压气机压缩空气。应当理解，本公开的实施例不限于此。
例如，空气供给组件11还可采用空气压缩机。
这样的实施方式中，压气机适用于将环境状态内的空气进行升温升压，以使流程终端的压缩空气的压力及温度均高于环境状态内的空气，水供给组件适用于向湿化器内供给所需的水。这样，进入湿化器的压缩空气与热水逆流接触，可使压缩空气被加热加湿。
根据本公开的实施例，如图1所示，湿化机构1还包括第二换热组件16。设置于空气供给组件11及湿化器12之间，被沟通成以湿化器12内的液体作为冷流，对空气进行降温。
在一种示意性的实施例中，如图1所示，第二换热组件16包括换热器。详细地，换热器的热侧设置于空气供给组件11(即压气机)及湿化器12之间，换热器的冷侧设置于湿化器12的排水端及湿化器12的进气端之间，适用于将湿化器内的液体(如水)作为冷流与通过换热器的热侧的压缩空气进行换热，以降低进入湿化器12内的压缩空气的温度。进一步的，第二换热组件16(即换热器)的冷侧与湿化器12之间连通的管路中配置有第二循环泵15，以使湿化器内的液体(如水)在管路中形成循环。
这样的实施方式中，通过对湿化器内的液体(如水)进行循环以和压缩空气换热，可使得压缩空气降低至较低的温度(如由300℃以上降低至300℃一下)进入湿化器，这样有利于减小混合工质的体积，并提升湿化器输出的混合工质的总流量。
根据本公开的实施例，如图1所示，燃气轮机系统还包括尾气循环机构4，设置于透平机构2的排气端及湿化器12之间，以使透平机构2排出的一部分尾气经湿化器12回流至燃烧机构3。
根据本公开的实施例，如图1所示，尾气循环机构4包括混合器42，混合器42进气端与透平机构2的排气端连通，混合器42的排气端和湿化器12的进气端连通。混合器42还与水供给组件13连通，适用于通过水供给组件13输入的水吸收透平机构2排出的尾气中的至少一部分氨气，以形成氨水。
在一种示意性的实施例中，如图1所示，混合器42内限定吸附腔，以容纳由透平机构2排出的尾气及水供给组件13输入的水进行混合，以使尾气中未燃烧的氨气被水吸收形成氨水。进一步的，混合器42还配置有排出口，以将经尾气循环机构4处理后的废气(如尾气中未被水吸收的气体)排出至外部环境中。
在一种示意性的实施例中，如图1所示，水供给组件13及混合器42之间配置有第一循环泵14，第一循环泵14适用于将水供给组件13输出的水泵入混合器42内，以对透平机构排出的尾气中的氨气进行吸收，以形成氨水。
这样的实施方式中，混合工质通过透平机构后，尾气经尾气循环机构降温降压，后进入混合器内，以吸收尾气中未燃烧的氨燃料，并回流至湿化器12内再次进入循环。
根据本公开的实施例，如图1所示，尾气循环机构4还包括第一换热组件41，设置于透平机构2的排气端及混合器42之间，适用于将透平机构2排出的尾气的一部分热量进行余热回收。
根据本公开的实施例，如图1所示，第一换热组件41被构造成多级换热。
根据本公开的实施例，如图1所示，第一换热组件41被构造成以透平机构2排出的尾气作为热流，对氨水、湿化空气及氨燃料中的至少一个进行加热，以形成蒸汽。
在一种示意性的实施例中，第一换热组件41包括由靠近透平机构2的一侧(如图1所示的上侧)向靠近混合器一侧(如图1所示的下侧)顺次设置的回热器411、第一换热器412及第二换热器413。详细地，回热器411、第一换热器412及第二换热器413均被配置成与透平机构2的排气端相连通，以使尾气作为回热器411、第一换热器412及第二换热器413的热流。进一步的，回热器411、第一换热器412及第二换热器413的热侧相串联，以对尾气中的余热进行分级回收。
这样的实施方式中，回热器设置于与透平机构的排气端较近的位置，以利于尾气中较高的温度对湿化气体进行换热，从而使由湿化器排出的湿化空气在传输过程中导致冷凝的水被再次被加热形成水蒸气，使湿化气体以较高的流量进入燃烧机构内与燃气混合。
根据本公开的实施例，如图1所示，燃烧机构3包括燃烧器34及氨燃料供给组件31。燃烧器34适用于容纳氨燃料燃烧并与湿化空气混合，以向透平机构2供给混合工质。氨燃料供给组件31被构造成和燃烧器34连通，适用于向燃烧器34供给氨燃料。
根据本公开的实施例，如图1所示，燃烧机构3还包括氨燃料配给组件33，设置于燃烧器34及氨燃料供给组件31之间，以使一部分氨燃料进入燃烧器34，并使另一部分未经燃烧的氨燃料与燃气混合，以用作还原剂去除混合工质中的一部分氮氧化物。
在一种示意性的实施例中，氨燃料供给组件31包括但不限于以液氨形式存储有氨燃料的容器(如储存有液氨的储罐)或发生氨燃料(如制取氨气的装置)的装置。进一步的，氨燃料配给组件33包括但不限于采用设置有至少两个支路的管路及配置于管路内，以使氨燃料在两个支路中传输或切换的阀体(如电磁阀)。
在一种示意性的实施例中，如图1所示，第一换热器412的冷侧设置于氨燃料供给组件31及燃烧器34之间，以使通过冷侧的氨燃料被气化成气态(氨气)进入燃烧器。进一步的，燃烧机构还包括设置于第一换热器412及氨燃料供给组件31之间的第三循环泵32，以将氨燃料顺次输出至氨燃料配给组件33及燃烧器34内。
这样的实施方式中，氨燃料配给组件33适用于对氨燃料供给组件31所输出的氨燃料进行分配，以使一部分未经燃烧的氨燃料被配置于燃烧器的下游，和混合工质进行混合。这样，未经燃烧的氨燃料用作还原剂，以对混合工质的氮氧化物(NOX)进行脱硝处理，无需配置其他的还原剂投入设备，从而简化燃气轮机系统的结构。
在一种示意性的实施例中，如图1所示，第二换热器413的冷侧设置于混合器42及湿化器12的进气端之间。详细地，第四循环泵43设置于第二换热器413及混合器42之间，以将氨水泵入通过第二换热器413的冷侧，使氨水加热形成氨气并回流至湿化器12。
在一种示意性的实施例中，如图1所示，第一循环泵14及第一换热器412的另一个冷侧之间配置有第一可控阀17。详细地，该冷侧的位于第一换热器412的下游的部分设置有开放的蒸汽外排口，第一可控阀17被配置成将水供给组件13及蒸汽外排口导通或关闭，以在外部需要水蒸气的场景下，使水供给组件13所供给的一部分水经与第一换热器412换热后形成水蒸气，并外排至所需的工作场景中进行应用。
在一种示意性的实施例中，如图1所示，湿化器12及混合器42之间配置有第二可控阀18。详细地，湿化器12内配置有液位传感器。进一步的，液位传感器被构造成与第二可控阀18通讯连接，以检测湿化器12内的液位，并在液位达到预设阈值的状态下，将第二可控阀18导通，以使湿化器12内的水回流至混合器42的内部。
在一种示意性的实施例中，第一可控阀17及第二可控阀18包括但不限于采用电磁阀。
在一种示意性的实施例中，第一换热组件及第二换热组件中所采用的的换热器包括但不限于采用表面式换热器、间壁式换热器或其他换热中的任一一种。
这样的实施方式中，第一换热组件通过所配置的回热器及多个换热器分别对冷侧的湿化空气、氨燃料及氨水进行加热，以满足不同流程的气体和/或液体所需的温度要求，以使尾气可被逐级降温降压，以被利用。从而满足以氨燃料燃烧作为燃气的燃气轮机系统的设计要求。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种燃气轮机系统，其特征在于，包括：
透平机构(2)；
燃烧机构(3)，被构造成通过氨燃料燃烧向所述透平机构(2)的进气端输出燃气；以及
湿化机构(1)，被构造成向所述燃烧机构(3)输出湿化空气，并使所述湿化空气与所述燃气混合形成混合工质，以提高所述燃烧机构(3)输出的所述混合工质的总流量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述湿化机构(1)包括：
湿化器(12)，被构造成与所述燃烧机构(3)的进气端连通；
空气供给组件(11)，被构造成与所述湿化器(12)连通，以向所述湿化器(12)供给空气；以及
水供给组件(13)，被构造成与所述湿化器(12)连通，以向所述湿化器(12)供给水蒸气，以与所述空气在所述湿化器(12)内混合形成所述湿化空气。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括尾气循环机构(4)，设置于所述透平机构(2)的排气端及所述湿化器(12)之间，以使所述透平机构(2)排出的一部分尾气经所述湿化器(12)回流至所述燃烧机构(3)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述尾气循环机构(4)包括混合器(42)，所述混合器(42)进气端与所述透平机构(2)的排气端连通，所述混合器(42)的排气端和所述湿化器(12)的进气端连通；
所述混合器(42)还与所述水供给组件(13)连通，适用于通过所述水供给组件(13)输入的水吸收所述透平机构(2)排出的尾气中的至少一部分氨气，以形成氨水。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述尾气循环机构(4)还包括第一换热组件(41)，设置于所述透平机构(2)的排气端及所述混合器(42)之间，适用于将所述透平机构(2)排出的尾气的一部分热量进行余热回收。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一换热组件(41)被构造成多级换热。
7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述第一换热组件(41)被构造成以所述透平机构(2)排出的尾气作为热流，对所述氨水、所述湿化空气及所述氨燃料中的至少一个进行加热，以形成蒸汽。
8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述湿化机构(1)还包括第二换热组件(16)，设置于所述空气供给组件(11)及所述湿化器(12)之间，被沟通成以所述湿化器(12)内的液体作为冷流，对所述空气进行降温。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃烧机构(3)包括：
燃烧器(34)，适用于容纳所述氨燃料燃烧并与湿化空气混合，以向所述透平机构(2)供给混合工质；以及
氨燃料供给组件(31)，被构造成和所述燃烧器(34)连通，适用于向所述燃烧器(34)供给所述氨燃料。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃烧机构(3)还包括氨燃料配给组件(33)，设置于所述燃烧器(34)及所述氨燃料供给组件(31)之间，以使一部分所述氨燃料进入燃烧器(34)，并使另一部分未经燃烧的所述氨燃料与所述混合工质进一步混合，以用作还原剂去除所述混合工质中的一部分氮氧化物。
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