CN207131473U - 用于燃气涡轮机系统的热管系统及燃气涡轮机系统 - Google Patents

用于燃气涡轮机系统的热管系统及燃气涡轮机系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种用于燃气涡轮机系统的热管系统及燃气涡轮机系统。所述热管系统的热管具有第一部分和第二部分，第一部分定位于燃气涡轮机排气处理系统的排气路径内，第二部分定位成与热交换流体的流动路径呈热交换关系。热交换流体的流动路径包括氨蒸发器，氨蒸发器构造成使从氨源接收的氨蒸发。热管构造成使热能从排气路径中的废气传递至热交换流体以使热交换流体能够使氨汽化而同时冷却废气以使燃气涡轮机排气处理系统能够更有效地处理废气。

Description

用于燃气涡轮机系统的热管系统及燃气涡轮机系统
技术领域
本实用新型公开的主题涉及涡轮机系统，并且更具体地，涉及用于燃气涡轮机系统的热管系统及燃气涡轮机系统。
背景技术
燃气涡轮机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、燃烧器和涡轮机。燃烧器构造成使燃料和压缩空气的混合物燃烧以产生热的燃烧气体，热的燃烧气体又接着驱动涡轮机的叶片。由燃气涡轮发动机产生的废气(exhaust gas)可包括某些副产品，诸如氮氧化物(NOX)、硫氧化物(SOX)、碳氧化物(COX)和未燃烧的碳氢化合物。
实用新型内容
在一个实施例中，一种燃气涡轮机系统包括排气处理系统(exhaust processingsystem)，排气处理系统流体联接至燃气涡轮发动机的涡轮机的出口，排气处理系统构造成接收具有由燃气涡轮发动机产生的具有燃烧产物的废气，并且构造成在废气离开燃气涡轮机系统之前处理废气；排气处理系统的排气路径(exhaust path)构造成使废气流经排气处理系统。所述系统还包括氨注入系统(ammonia injection system)以及热管(heat pipe)，氨注入系统具有氨源(source of ammonia)并构造成将汽化的氨引入排气路径；热管具有第一部分和第二部分，第一部分定位于排气路径内，第二部分定位成与用于氨注入系统中的热交换流体(heat exchange fluid)的流动路径呈热交换关系。热管构造成将热能从排气路径中的废气传递至热交换流体以使热交换流体能够使氨汽化而同时冷却废气以使排气处理系统能够更有效地处理废气。
进一步地，所述热管的所述第二部分沿着通向所述氨注入系统的氨蒸发器的环境空气流动路径定位。
更进一步地，所述氨蒸发器构造成接收经加热的环境空气的流并将所述经加热的环境空气放置成与氨水(aqueous ammonia)进行热交换以产生汽化的氨(vaporizedammonia)。
所述的系统进一步包括流控制装置，所述流控制装置沿所述环境空气流动路径定位并构造成控制经过(over)所述热管的所述第二部分的环境空气的流。
所述的系统进一步包括控制器，所述控制器通信地(communicatively)联接至所述流控制装置并构造成调整所述流控制装置以调整所述经加热的环境空气的温度。
所述的系统进一步包括喷氨格栅，所述喷氨格栅沿所述排气路径定位并流体联接至所述氨蒸发器，其中，所述喷氨格栅构造成从所述氨蒸发器接收所述汽化的氨并构造成将所述汽化的氨注入所述排气路径内。
更进一步地，所述热管的所述第一部分定位于所述喷氨格栅的下游。
进一步地，所述热管的所述第一部分定位于所述排气处理系统的选择性催化还原(SCR)催化剂的上游，所述选择性催化还原催化剂构造成减小所述废气中氮氧化物(NOX)的浓度。
进一步地，所述热管是使各自的第一部分均定位于所述排气路径内的多个热管中的一个热管。
进一步地，不是所述多个热管中的全部所述热管都使各自的第二部分定位成与所述热交换流体的所述流动路径呈所述热交换关系。
进一步地，所述多个热管中的第一组热管使各自的第二部分定位成与所述热交换流体的所述流动路径呈所述热交换关系，并且其中所述多个热管中的第二组热管使各自的第二部分与所述热交换流体的另外的流动路径呈单独的(separate)热交换关系，其中，所述另外的流动路径与所述流动路径分离并布置成关于(with respect to)所述流动路径平行。
进一步地，所述多个热管中的所有热管使各自的第二部分定位成与所述热交换流体的所述流动路径呈所述热交换关系。
进一步地，所述热管构造成使用包含于所述热管内的流体的相变使所述热能从所述废气中传递并传递至所述热交换流体。
进一步地，所述热管具有蒸汽腔(vapor cavity)、包围所述蒸汽腔的芯体(wick)以及流体，其中，所述热管构造成在所述第一部分处从所述废气接收热能并构造成使用所述热能来使所述流体蒸发以使所述流体从所述芯体中移动并进入所述蒸汽腔内以由此蒸发冷却(evaporatively cool)所述第一部分，并且其中，所述热管构造成在所述第二部分处将热能传递至所述热交换流体以使所述流体冷却并由所述芯体再吸收。
进一步地，所述氨源是保存氨水的储存罐，其中，所述热交换流体的所述流动路径构造成使所述氨水流动，所述热交换流体是所述氨水中的水使得所述热管构造成直接使所述氨蒸发。
在另一实施例中，热管具有第一部分和第二部分，第一部分定位于燃气涡轮机排气处理系统的排气路径内，第二部分定位成与热交换流体的流动路径呈热交换关系。热交换流体的流动路径包括氨蒸发器，氨蒸发器构造成使从氨源接收的氨蒸发。热管构造成使热能从排气路径中的废气传递至热交换流体以使热交换流体能够使氨汽化而同时冷却废气以使燃气涡轮机排气处理系统能够更有效地处理废气。
进一步地，所述热管构造成使用包含于所述热管内的流体的相变使所述热能从所述废气中传递并传递至所述热交换流体。
所述的系统进一步包括多个热管，所述多个热管包含所述一个热管，其中，所述燃气涡轮机排气处理系统包括选择性催化还原催化剂，所述选择性催化还原催化剂构造成减小所述废气内的NOX的浓度，并且所述多个热管构造成将所述废气的温度从第一温度降低至第二温度，其中，所述选择性催化还原催化剂在所述第二温度下比在所述第一温度下具有更好的催化活性。
进一步地，所述氨源包括氨水源，并且所述热交换流体是空气，或者是所述氨水中的水。
在又一实施例中，一种燃气涡轮机系统包括燃气涡轮发动机和排气处理系统，燃气涡轮发动机构造成使燃料和氧化剂的混合物燃烧并构造成释放由燃烧产生的废气；排气处理系统具有排气管道，排气管道流体连接至燃气涡轮发动机的涡轮机的出口，排气管道构造成接收由燃气涡轮发动机释放的废气。排气处理系统构造成使用选择性催化还原(SCR)催化剂处理废气以在废气离开燃气涡轮机系统之前减少废气中的NOX。排气处理系统的排气路径构造成使废气流经排气处理系统。氨注入系统具有构造成从氨源中接收氨水的氨蒸发器并使氨水中的氨汽化以使氨注入系统能够将汽化的氨引入至排气路径内。多个热管构造成从排气管道中的废气中接收热能以在废气到达SCR催化剂之前冷却废气，并将热能传递至用于氨蒸发器中的热交换流体以使氨汽化。
附图说明
当参考附图阅读下述详细说明时，本实用新型的这些及其它特征、方面和优点将得到更好地理解，其中附图中自始至终相同的符号表示相同的部件，其中：
图1示出了具有排气处理系统的燃气涡轮机系统的实施例的图解概述，其中排气处理系统使用热管进行废气冷却和氨蒸发；
图2示出了图1的燃气涡轮机系统的实施例的侧视平面图，其中热管具有定位于排气管道中的第一部分和定位于环境空气热交换器中的第二部分；
图3示出了图1的排气处理系统的实施例的示意性侧视平面图，其中排气处理控制系统控制环境空气的流和氨水的流以实现适于在排气处理系统中使用的氨蒸发水平；
图4示出了根据本公开内容的多个构型的热管的热交换构型的实施例的横截面平面图；以及
图5示出了图1的排气处理系统的另一实施例的示意性侧视平面图，其中热管被用于直接使氨汽化。
具体实施方式
下文将描述本实用新型的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，可能在说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须做出数个实施方式特定的决定以实现开发者的特定目的，诸如符合系统相关且业务相关的限制，这可能随实施方式的不同而变化。而且，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开内容的普通技术人员而言不过是设计、加工和制造的常规任务。
当介绍本实用新型的多个实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意在表示存在元件中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”的含义是包容性的并表示除列出的元件之外，可能还有其它元件。
如上所述，燃气涡轮发动机可产生多种燃烧产物。这些产物可包括氮氧化物(NOX)、硫氧化物(SOX)、碳氧化物(COX)和未燃烧的碳氢化合物。一般来说，降低这些产物在废气中的相对浓度可包括在存在催化剂的情况下使这种产物与其它反应物发生反应。例如，在存在选择性催化还原(SCR)系统的金属氧化物催化剂的情况下，NOX和诸如氨(NH3)的还原剂之间的反应可在排气管内发生。该催化剂降低NOX和氨之间的反应的活化能(activation energy)以产生氮气(N2)和水(H2O)，由此在废气从燃气涡轮机系统释放之前减少废气中NOX的量。这种催化剂体系可称为“降NOX(DeNOX)”系统。
SCR系统可被用于多种不同的燃气涡轮机系统中，其范围从相对较小规模的系统到较大的重型燃气涡轮机系统。小规模的系统产生的废气具有相对较低的温度，而重型燃气涡轮机系统产生的废气具有高得多的温度。虽然小规模系统(例如，航改系统(aero-derivative system))的废气的温度范围一般可用SCR工艺处理(amenable)，重型系统产生的废气的温度往往比SCR工艺可接受的工作范围(例如，适宜保持SCR催化剂的稳定性的温度)高很多。例如，根据本公开内容的一个实施例，由重型燃气涡轮发动机产生的废气的等温线温度可能超过约1000°F(例如，约540℃)，诸如介于约1100°F和约1300°F之间(例如，约590℃以及约705℃)，而“热”的SCR系统(相比其它SCR系统具有相对较高的工作温度范围的SCR系统)的可接受的工作范围可介于约800°F和约900°F之间(例如，约425℃以及约485℃)。
为了使这些热的废气的温度降低至SCR系统可接受的工作范围，废气可与调温空气(tempering air)混合以将热量从废气传递至调温空气并由此冷却废气。一般来说，调温空气的量和温度因此在很大程度上决定了从废气中去除的热的量。
如上所述，在SCR系统中，氨与废气中的NOX发生反应以产生氮和水。SCR系统可将氨注入废气气流中，并且所得的氨和废气的混合物被引至SCR系统的催化剂。氨源可包括“湿”氨，其是氨的水溶液，或“干”氨，其是基本上无水的压缩的氨或气相氨。在氨源是湿氨的实施例中，可希望将氨与水溶液中的水分离。这可通过在氨蒸发器中使氨从溶液中蒸发而实现，这利用馈送经加热的空气来促进蒸发过程。
根据本公开内容的各方面，来自废气的热量可被用于使用一个或多个热管来驱动氨蒸发过程。例如，现已认识到，沿废气的排气路径定位的一个或多个热管可将热量传导离开废气并传导至用于氨蒸发的一个或多个特征。举例来说，一个或多个热管可将热量传给空气流以产生用于氨蒸发器的经加热的空气。另外地或可替代地，一个或多个热管可将热量直接传给氨的水溶液以产生用于由SCR系统注入的干氨。因此，一般来说，本公开内容的热管可构造成将来自排气路径中废气的热能传递至热交换流体(例如，空气流或氨水溶液内的水)以使热交换流体能够使氨汽化同时冷却废气。废气的冷却可使降NOX(DeNOX)催化剂能够更有效地处理废气。
尽管本公开内容可适用于多种不同的燃气涡轮机系统，诸如联合循环，本实用新型所述的实施例在产生相对较高温度(例如，超过1000°F(约540℃))的废气的简单循环重型燃气涡轮机系统中可特别有用。图1中描绘了具有根据本公开内容的某些方面的构型的系统的一个示例，其是简单循环燃气涡轮机系统10的实施例的示意性视图。然而，应当注意，本实用新型所阐述的实施例也可应用于联合循环系统。
如图所示，简单循环(simple cycle)燃气涡轮机系统10包括燃气涡轮发动机12，燃气涡轮发动机12可包括重型燃气涡轮发动机或航改燃气涡轮发动机。然而，本公开内容可特别适用于燃气涡轮发动机12是重型燃气涡轮发动机的实施例，因为在这种发动机中产生的废气14的温度高得多。这些方面在下文进一步详细地论述。
燃气涡轮机系统10可以是发电厂的一部分，并且可包括由燃气涡轮发动机12(例如，将燃气涡轮发动机12驱动地联接至负载16的燃气涡轮发动机12的轴18)驱动的负载16。通过非限制性示例，负载16可包括构造成将电力输出至电网的发电机。燃气涡轮发动机12通过执行燃烧过程驱动负载16，燃烧过程产生废气14。
简单循环燃气涡轮机系统10还包括构造成从燃气涡轮发动机12接收废气14的排气处理系统20，其可使废气14能够从简单循环燃气涡轮机系统10中释放。更具体地，排气处理系统20可包括构造成在将废气14经由排气道释放并且/或者释放至另一过程22之前降低废气14的温度和/或废气14中某些燃烧产物的浓度的特征。一般来说，废气14从燃气涡轮发动机12沿排气路径24流动穿过排气处理系统20并流至排气道或其它过程22。
排气处理系统20包括选择性催化还原(SCR)催化剂26，其可以是构造成降低废气14内存在的NOX的浓度的SCR系统的一部分。更特别地，SCR催化剂26降低了NOX与作为还原剂的氨(NH3)之间的反应的活化能以产生氮气(N2)和水(H2O)。如上所述，尽管某些类型的SCR催化剂在相对较高的温度下是稳定的，由燃气涡轮发动机12产生的废气14的温度可能仍然远远高于适于这种催化剂的。
为了能够冷却废气14以便通过SCR催化剂26对废气14进行更有效的处理，定位成与排气路径24呈热交换关系的热管28将热能从废气14传递至环境空气30。这种热交换可通过环境空气热交换器32而促进，环境空气热交换器32构造成将环境空气30的流放置成与热管28呈热交换关系。下文将说明热管28、排气路径24和环境空气热交换器32的更特别的布置。此外，尽管本公开内容提及“环境空气”，这样的公开内容意在包含处理过的(例如，过滤的)环境空气或未经处理的环境空气。事实上，使用未经处理的环境空气可提供降低与燃气涡轮机系统10相关联的资金和运行成本的优点。
使用(通过非限制性示例)空气流控制系统34来控制环境空气30的流。空气流控制系统34可包括构造成能够监控并控制环境空气30的流进入环境空气热交换器32的特征。控制环境空气30的流进入环境空气热交换器32还可控制由热管28与环境空气30之间的热交换产生的经加热的环境空气36的温度和压力。
根据本公开内容的一方面，经加热的环境空气36有利于氨注入系统38中的氨汽化以产生汽化的氨40。汽化的氨40又接着与如上所述的排气处理系统20中的废气14发生反应。空气流控制系统34可将向氨注入系统38提供的经加热的环境空气36控制在特定工作范围内。例如，空气流控制系统34可根据经加热的环境空气36的适于实现适合排气处理系统20的氨汽化水平的特性而将经加热的环境空气36的流率、温度、压力或任意类似的参数调整至特定工作范围内。空气流控制系统34可以是集中式定位或分布的较大控制系统的一部分，这一点在下文进一步详细地说明。
在氨注入系统38不一定需要离开环境空气热交换器32的经加热的环境空气36的总量的情况下，空气流控制系统34可将经加热的环境空气36的至少一部分引至通风口或其它过程42。在这方面，空气流控制系统34可控制经加热的环境空气36在通向氨注入系统38的第一经加热空气流路径44与通向通风口或其它过程42的第二经加热空气流路径46之间的分流。
图2中示出了简单循环燃气涡轮机系统10的实施例的侧视立面图(sideelevational view)。燃气涡轮发动机12可总体上给燃气涡轮机系统10提供动力，并且包括一个或多个燃烧器50，在燃烧器50中，燃料52和压缩的氧化剂54(例如，压缩的空气)混合并经历燃烧。燃烧器中也可存在其它气流以在适当情况下调整燃烧参数(例如，废气稀释剂)。在一个或多个燃烧器50中产生的燃烧产物56流至涡轮机58，涡轮机58从燃烧产物56中提取功以使燃气涡轮发动机12的轴18旋转。涡轮机58经由轴18的旋转驱动氧化剂压缩机60的压缩级。氧化剂压缩机60的分级压缩建立了吸入环境空气30以继续压缩和燃烧循环的压力梯度。
燃烧产物56离开涡轮机58成为废气14，废气14被引至流体联接至涡轮机58的出口64的排气管道组件62内。排气管道组件62可包括彼此流体联接的区段，或可包括单个连续的管道。在某些实施例中，排气管道组件62可被区段化以允许在适当情况下的快速的(ready)维护和更换。
排气管道组件62包括构造成从燃气涡轮发动机12接收废气14的排气入口66，以及呈排气道70形式的废气出口68。一般来说，排气处理系统20的特征沿排气路径24位于排气管道组件62内并且构造成在废气从排气入口66流至排气出口68时相继地(sequentially)处理废气14。所述处理可包括激发废气14的涡流(这有利于热交换)、直接或间接的热交换以及催化剂副产品去除等等。
在所示的实施例中，这些特征包括、但不限于构造成将汽化的氨40注入排气路径24内的喷氨格栅(ammonia injection grid)72、SCR催化剂26和多个热管74，多个热管74具有沿SCR催化剂26上游的排气路径24定位的各自的第一部分76(例如，第一端部)。上文描述的关于图1所述的热管28可以是多个热管74中的一个热管，或者在其它实施例中，热管28可以是沿排气路径24定位的唯一热管。
多个热管74的各自的第一部分76示出为被定位于喷氨格栅72与SCR催化剂26之间。这种构型可通过激发涡流而促进废气14和汽化的氨40的混合。从构建性(compositional)和热这两个立场来看，以这种方式促进混合可激发汽化的氨40和废气14的同质性。然而，多个热管74可使它们各自的第一部分76定位在沿排气路径24的不同位置中的任何一个位置或这些不同位置的组合中，包括喷氨格栅72的上游和/或下游。
在简单循环燃气涡轮机系统10的运行期间，废气14在总体流动方向(bulk flowdirection)78上沿排气路径24流动。多个热管74的第一部分76(其相对于总体流动方向78横向取向)接触废气14(以及在所示的实施例中的汽化的氨40)并从废气14接收热能(并且冷却废气14)。因此，多个热管74的第一部分76对应于多个热管74的“热”侧或“热”端。
在一个非限制性示例中，从燃气涡轮发动机12进入排气管道组件62的废气14的温度介于约1000°F(约540℃)和约1200°F(约650℃)之间。这个温度范围可高于适合于SCR催化剂26的温度范围。多个热管74在废气14到达SCR催化剂26之前将废气14的温度降低至介于约800°F(约430℃)和约900°F(约480℃)之间，这可更适合于SCR催化剂26。也就是，SCR催化剂26在这样的温度下可更加有效催化汽化的氨40与废气14中的NOX之间的反应。
通过非限制性示例，多个热管74可布置成单个热管28的行(例如，基本上沿总体流动方向78对齐)、单个热管28的列(例如，基本上相对于总体流动方向78交叉对齐)、单个热管28的交错的行和列或上述各项的任意组合。因而，多个热管74的任何适合的布置可被用来使第一部分76能够接触废气14。
多个热管74的每个热管28均构造成将热能从其相应的第一部分76(热侧或热端)快速地传导至作为热管28的“冷”侧或“冷”端的相应的第二部分80或端部。目前认识到，多个热管74的第二部分80可被放置成与一个或多个流体(例如，热交换流体)热连通(例如，呈热交换关系)以集成排气处理系统20中利用的冷却过程和加热过程。在图2所示的实施例中，冷却过程包括废气14和汽化的氨40的冷却并且加热过程包括加热流体以或直接或间接地产生汽化的氨40。此外，图2所描绘的实施例并不限于所示的具体的热交换关系。
例如，在一个实施例中，多个热管74中的第一组热管可使各自的第二部分80定位成与环境空气30(例如，热交换流体的第一流动路径)呈热交换关系。此外，多个热管74的第二组热管可使各自的第二部分80与环境空气30(例如，热交换流体的第二流动路径)呈单独的热交换关系。第二流动路径可与第一流动路径分离并布置成与第一流动路径平行，并且可通向相同或不同的终点(例如，被用于相同或不同的目的)。
一个或多个流体可以能够从多个热管74的第二部分80接收热能(例如，从多个热管74的第二部分80排放热量(rejecting heat))。在所示的实施例中，热交换流体是被带入环境空气热交换器32内的环境空气30。然而，可利用其它热交换流体。例如，热交换流体可以是氨水中经历汽化的水。
如图所示，关于图1所述的空气流控制系统34可包括经加热空气流控制装置82，经加热空气流控制装置82构造成可控地关闭或打开将环境空气热交换器32的出口86联接至经加热空气操纵装置(motivator)88的经加热空气路径84(例如，经加热空气导管)。也就是，经加热空气流控制装置82构造成至少部分地控制流至经加热空气操纵装置88的经加热的环境空气36的流。通过非限制性示例，经加热空气流控制装置82可包括联接至致动机构(actuation mechanism)92的阻尼器(damper)90。致动机构92可以通信地联接至排气处理控制系统94，排气处理控制系统94构造成经由致动机构92控制阻尼器90的操作。在某些实施例中，经加热空气流控制装置82可包括多个流控制装置。
排气处理控制系统94还可调节排气处理系统20的其它操作方面。例如，排气处理控制系统94通信地联接至有利于调节用于实现对废气14的适合处理的各种流体的流率、温度、压力等的各种部件。
排气处理控制系统94可在任何适合的可编程架构上进行实施，诸如包括一个或多个处理器96以及一个或多个存储器98的架构。一旦编程完成，排气处理控制系统94可被认为构成了构造成至少基于与其编程相关联的算法结构来控制与排气处理系统20相关的具体方面的专门构造的装置。这样，排气处理控制系统94可构造成执行某些功能，并且这些功能应当被认为指示排气处理控制系统94的具体算法结构，例如，与一个或多个处理器96以及一个或多个存储器98相关联的结构。
通过非限制性示例，排气处理控制系统94可包括一个或多个特殊应用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个通用处理器或上述各项的任意组合。另外地，存储由排气处理控制系统94的处理器96执行的指令的存储器98可包括、但不限于诸如随机存取存储器(RAM)的易失存储器和/或诸如只读存储器(ROM)、光驱动器、硬盘驱动器或固态驱动器的非易失存储器。此外，排气处理控制系统94可被实施为更大控制系统(例如，燃气涡轮机控制系统)的一部分，并且/或者实施为贯穿简单循环燃气涡轮机系统10分布的多种控制装置和/或子系统(例如，分布式控制系统)。因此，控制装置和/或子系统可包括上述的处理和存储电路装置构型中任何一者或其组合。另外地，排气处理控制系统94将总体上包括各种输入装置，并且可包括呈显示器形式、或呈用户的计算设备可通过有线或无线连接访问的连接器形式的的用户界面。
排气处理控制系统94也通信地联接至经加热空气操纵装置88。经加热空气操纵装置88构造成促使经加热的环境空气36进入氨注入系统38，并且可包括鼓风机、风扇、泵、压缩机或类似装置。经加热空气操纵装置88可在环境空气热交换器32与其出口96之间建立压力梯度，压力梯度用以将环境空气30吸入至环境空气热交换器32内。因此，加经热空气操纵装置88的操作可被控制以影响环境空气30在环境空气热交换器32中的停留时间，这又影响经加热的环境空气36的温度和压力。
在经加热空气操纵装置88的上游存在另外的特征以处理环境空气30和/或经加热的环境空气36。例如，在环境空气热交换器32的入口100的上游、环境空气热交换器32内或沿经加热空气流动路径84或上述各项的任意组合可定位有一个或多个过滤器、消声器等等。
此外，经加热空气操纵装置88将经加热的环境空气36引至氨注入系统38用于氨的汽化。更特别地，在所示的实施例中，经加热的环境空气36被指引穿过经加热空气入口104进入氨注入系统38的氨蒸发器102内。氨蒸发器102还可包括构造成从氨源108接收氨(例如，氨水107)的氨入口106，以及由汽化氨流动路径111(例如，汽化氨导管)流体联接至喷氨格栅72的汽化氨出口110。
根据本实施例，氨水107(氢氧化铵)的汽化产生了汽化的氨40。氨水107可被保存在构造成在受控的条件下(例如，对周围环境关闭)储存氨水107的储存容器110中。储存容器110可包括允许氨水107被受控地取出(withdrawn)的罐或类似容器。
为了允许这样的控制，氨注入系统38可包括沿氨水流动路径112定位的各种流控制和操纵(motivation)特征，其中氨水流动路径12将储存容器110的出口114联接至氨蒸发器102的氨水入口106。在所示的实施例中，沿氨水流动路径112定位的氨操纵装置116构造成在氨源108与氨蒸发器102之间建立压力梯度。所述压力梯度使氨水107从储存容器110中被取出并朝向氨蒸发器102促动(motivate)。氨操纵装置116可包括泵或能够以适合的方式操纵具有氨水107的性质的流体的类似特征。例如，保存在储存容器110中的氨水107可包括体积或重量介于约15％至约20％之间的氨(NH3)，其余为水。在一个实施例中，氨水107是19重量％的氨的水溶液。
沿氨水流动路径112定位的氨流控制单元118可例如通过可控地限制流动路径112的大小(例如，可控地关闭或打开孔口)进一步调整氨水107的流量。氨流控制单元118可如所示那样定位于氨操纵装置116的下游，或可定位于其上游(位于氨源108与氨操纵装置116之间)。
排气处理控制系统94示出为通信地联接至氨操纵装置116和氨流控制单元118。根据所示实施例，排气处理控制系统94可控制氨操纵装置116和/或氨流控制单元118的一个或多个操作参数以随着时间推移控制提供给氨蒸发器102的氨水107的量。
氨蒸发器102示意性地描绘为具有流体联接至氨水流动路径112的注入喷嘴120。注入喷嘴120可构造成将氨水107的喷雾注入氨蒸发器102内以激发(encourage)雾化。也可使氨水107与经加热的环境空气36进行热交换，这进一步激发了氨水107的蒸发以产生汽化的氨40。氨水107与经加热的环境空气36之间的热交换可通过它们的相关联的流的直接接触进行，或通过氨蒸发器102内的热交换特征而间接进行。汽化的氨40可作为顶部蒸汽(overhead vapor)通过汽化氨出口110排放。
在所示的实施例中，汽化的氨40经由汽化氨流动路径111被提供给喷氨格栅72。喷氨格栅72包括构造成将汽化的氨40引入排气路径24内的多个喷雾注射器122。如所示的那样，多个喷雾注射器122可具有相同的沿流动方向78的轴向位置但具有不同的关于排气管道组件62的径向位置。
被引入排气路径24内的汽化的氨40的量可由排气处理控制系统94控制以实现特定目标。例如，被引入排气路径24内的汽化的氨40的量可随着时间的推移而被控制以使废气14内NOX的减少量(reduction)达到所需量(例如，最大的NOX减少量、将NOX减少至规定水平)。通过非限制性示例，被引入排气路径24内的汽化的氨40的量可由排气处理控制系统94根据各种参数诸如流经排气路径24的废气14的量、废气14的组成(例如，废气14中NOX的水平)、SCR催化剂26的活性等等而确定或以其它方式控制。
用于NOX减少的汽化的氨40的量又可接着决定排气处理控制系统94如何控制环境空气热交换器32中环境空气30的吸入以及加热。通过非限制性示例，排气处理控制系统94可将经加热的环境空气36的温度以及经加热的环境空气36的流率控制至适于产生合适量的汽化的氨40的相应水平(例如，根据时间、根据废气组成、或组合)。
可关于图3进一步理解排气处理控制系统94可监控并控制系统10的元件的方式，图3是燃气涡轮机系统10的实施例的示意性侧视图。更具体地，燃气涡轮机系统10的实施例包括沿排气管道62定位在排气流动方向72上的不同位置处的一个或多个排气传感器130。一个或多个排气传感器130可通信地联接至排气处理控制系统94以使得能够在废气14流经排气管道62时监控其一个或多个参数。通过非限制性示例，排气传感器130可使得能够监控温度、压力、氧气水平levels、NOX水平、CO水平和/或类似的参数。
在所示的实施例中，例如，排气传感器130可构造成在喷氨格栅72上游、在喷氨格栅72与多个热管74之间、在多个热管74与SCR催化剂26之间和/或在SCR催化剂26下游监控废气14的一个或多个参数。作为更具体的示例，可在SCR催化剂26上游监控废气14的温度以使排气处理控制系统94能够确定用于汽化的氨40、环境空气30、经加热的环境空气36等等的适当的流量和温度。排气传感器130中的定位于喷氨格栅72上游的第一排气传感器可监控废气14在与汽化的氨40混合之前的温度，而排气传感器130中的定位于喷氨格栅72与多个热管74之间的第二排气传感器可监控废气14和汽化的氨40的混合物的温度。通过排气传感器130中的定位于多个热管74与SCR催化剂26之间的第三排气传感器可获得与由多个热管74对该混合物进行冷却有关的反馈。另外地或可替代地，SCR催化剂26下游的处理过的废气132的废气组成(例如，NOX水平)可被监控以确定用于汽化的氨40、环境空气30、经加热的环境空气36等等的适当的流率和温度。
排气处理控制系统94也通信地联接至使排气处理控制系统94能够监控并控制这些流量和温度的特征。举例来说，环境空气传感器134可以是构造成使排气处理控制系统94能够监控环境空气30的温度的温度传感器。至少基于这些信息，排气处理控制系统94可确定环境空气30在环境空气热交换器32内应当被加热到何种程度。这可通过使用定位于环境空气热交换器32上游的一个或多个环境空气流控制装置136(例如，包括风扇和/或挡板(baffle))经由相关联的致动器138和/或使用位于环境空气热交换器32下游的流控制装置88、90控制环境空气30的流率而至少部分地实现。
环境空气传感器134定位于环境空气热交换器32的上游(例如，沿热交换流体的流动路径的上游)，其可将前馈信息提供给排气处理控制系统94。事实上，排气处理控制系统94可包括一个或多个空气流控制模块140(例如，以软件实施的代码)，一个或多个空气流控制模块140构造成使用前馈信息以及另外地或可替代地来自定位于环境空气热交换器32下游的经加热的环境空气传感器142的反馈信息提供空气流控制。
排气处理控制系统94也可通信地联接至氨注入系统38的特征，并且可包括一个或多个氨注入控制模块144(例如，以软件实施的代码)，一个或多个氨注入控制模块144构造成提供对氨注入系统38的操作方面的控制。例如，上述一个或多个氨注入控制模块144可控制氨注入系统38产生汽化的氨40的速率、汽化的氨40的温度或类似的参数。例如，上述控制可基于用于处理过的废气132的目标NOX水平以及从一个或多个排气传感器130(诸如排气传感器中的定位于SCR催化剂26下游的第四排气传感器)中获得的反馈而执行，其中，用于处理过的废气132的目标NOX水平可作为前馈输入。例如，反馈信息可包括处理过的废气132内的NOX的测量水平。
排气处理控制系统94可经由与一个或多个氨传感器146的通信而监控与氨注入系统38有关的参数，诸如氨水107的温度、氨水107流经氨注入系统38的流率等等。排气处理控制系统94可使用由一个或多个氨传感器146产生的反馈作为用于对将汽化的氨40注入排气管道62内的整体控制的控制输入。
此外，本公开内容的实施例可利用一个或多个热管28(例如，多个热管74)来冷却排气管道62内的废气14。在这方面，尽管图2和图3所示的实施例将热管28(或多个热管28)描述为被定位于喷氨格栅72与SCR催化剂26之间，但本公开内容不一定被限制于这种构型。事实上，本公开内容的实施例可使用在SCR催化剂26上游定位于沿排气流动方向78的任何点处的一个或多个热管28。因而，除定位于喷氨格栅72与SCR催化剂26之间的一个或多个热管之外或作为其替代，燃气涡轮机系统10的某些实施例可包括定位于喷氨格栅72上游的一个或多个热管28。
图4中描绘了热管28或多个热管74的热学构型的非限制性示例实施例。更具体地，图4示出了热管28的横截面立面图。热管28包括限定热管28的外表面的外部壳体160。吸收芯体(absorbent wick)162设置于外部壳体160内侧并包围蒸汽腔164。诸如金属(例如，钠)、碳氢化合物、氨或水的工作流体166设置于蒸汽腔164中。热管28的第一部分76(热侧或热端)设置成使得废气14流动穿过第一部分76，而第二部分80(冷侧或冷端)沿热交换流体的流动路径定位成与热交换流体呈热交换关系。如图所示，热交换流体可包括如图2和图3所示的环境空气30，或可包括存在于氨水107内出现的水，这一点在下文关于图5进一步详细地说明。
在第一部分76处，来自废气14的热能传递至热管28，使得第一部分76处的芯体162中的工作流体166蒸发并迁移到蒸汽腔164内。这种蒸发也可导致第一部分76的一定蒸发冷却以由此另外地冷却废气14并产生经冷却的废气168。
蒸汽沿蒸汽腔164迁移到第二部分80。蒸汽在第二部分80处冷凝并由芯体162吸收，从而将热能释放至热交换器(例如，环境空气热交换器32或氨蒸发器102)中的热交换流体。工作流体166经由芯体162迁移到第一部分76。
另外地或可替代地，热管28中的一个或多个热管28可具有其它构型。通过非限制性示例，热管28中的一个或多个热管28可以是固态(solid state)热管，在固态热管中，废气14的热能由设置于壳体160内的高导热固体介质吸收。在这种实施例中，第一部分76与第二部分80之间的温度差可导致热能迁移以使热管28能够加热环境空气30或直接使氨汽化。
如上所述，除了或代替对空气进行加热，热管28可构造成直接加热氨水107和使氨水107汽化。图5是具有这种构型的示例实施例的示意性平面图。在所示实施例中，热管28或多个热管74使它们各自的第二部分80定位于氨蒸发器102中。在这种实施例中，被加热以实现氨汽化的热交换流体可包括氨水107内的水。类似于图2中的实施例，排气处理控制系统94可使用诸如氨操纵装置116和/或氨流控制单元118及相关联的致动器180的一个或多个氨流控制装置控制氨水107流至氨蒸发器102。
尽管氨操纵装置116和/或氨流控制单元118可定位于氨蒸发器102的上游，一个或多个蒸发氨流控制装置182及相关联的致动器184可沿位于氨蒸发器102下游的蒸发氨流动路径111定位。排气处理控制系统94可与一个或多个蒸发氨流动控制装置182及相关联的致动器184通信以使得能够经由喷氨格栅72另外控制蒸发氨的注入。图5的排气处理控制系统94可具有与上文关于图3所阐述的基本相同的构型，但可响应于来自排气传感器130、氨传感器146等等的反馈对作为主要控制参数和/或唯一控制参数的氨流量进行调整。
用于图5的系统10的另外或可替代的构型也是可能的。例如，不是导致氨水107直接并且完全汽化，热管28而是可用于对氨水107进行预加热以减少对其它热源的依赖(reliance on)。例如，热管28可用于对氨水107进行预加热以使得能够使用由环境空气的电动空气加热产生的经加热的环境空气实现更容易的氨蒸发。这可减少对用以驱动电动加热器的电能的依赖而同时能够使用另外的控制机构(例如，电动加热器)实现对最终蒸发氨温度的可调控制。
事实上，可使用本实用新型所述的实施例中的任何实施例来替代其它独立的热交换流体流动路径，或除了其它独立的热交换流体流动路径外还可使用本实用新型所述的实施例中的任何实施例，所述其它独立的热交换流体流动路径可独立于并且平行于本实用新型所述的流动路径。作为更具体的示例，某些实施例、诸如图3的实施例也可利用用于环境空气30的另外的独立且平行的流动路径，其使环境空气30在电动加热器上方流动以使得能够使用用于氨蒸发器的另外的温度控制机构。
本实用新型的技术效果包括来自燃气涡轮发动机的废气释放与减少废气中的NOX的排气处理系统中的氨蒸发的热集成。热集成可使用一个或多个热管来实现，其中，一个或多个热管将热能从燃气涡轮机烟道气体(所述废气)传递至热交换介质，热交换介质最终被用于氨汽化。这可减少对其它形式的能量的依赖，否则的话将需要其它形式的能量用于氨蒸发，由此提高了废气处理过程的效率。
本书面说明使用示例来公开本实用新型，包括最佳模式，并且也使本领域技术人员能够实践本实用新型，包括制作并使用任意装置或系统并执行任意所包含的方法。本实用新型的可授权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示例。如果这些其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言具有非实质性差异的等效结构元件，这些其它示例意在落入权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮机系统，所述燃气涡轮机系统包括：
排气处理系统，所述排气处理系统流体联接至燃气涡轮发动机的涡轮机的出口，所述排气处理系统构造成接收具有由所述燃气涡轮发动机产生的具有燃烧产物的废气，并且构造成在所述废气离开所述燃气涡轮机系统之前处理所述废气；
所述排气处理系统的排气路径，所述排气处理系统的所述排气路径构造成使所述废气流经所述排气处理系统；
氨注入系统，所述氨注入系统具有氨源并构造成将汽化的氨引入所述排气路径；以及
热管，所述热管具有第一部分和第二部分，所述第一部分定位于所述排气路径内，所述第二部分定位成与用于所述氨注入系统中的热交换流体的流动路径呈热交换关系，并且其中，所述热管构造成将热能从所述排气路径中的废气传递至所述热交换流体以使所述热交换流体能够使所述氨汽化而同时冷却所述废气。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热管的所述第二部分沿着通向所述氨注入系统的氨蒸发器的环境空气流动路径定位。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述氨蒸发器构造成接收经加热的环境空气的流并将所述经加热的环境空气放置成与氨水进行热交换以产生汽化的氨。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括流控制装置，所述流控制装置沿所述环境空气流动路径定位并构造成控制经过所述热管的所述第二部分的环境空气的流。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器通信地联接至所述流控制装置并构造成调整所述流控制装置以调整所述经加热的环境空气的温度。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括喷氨格栅，所述喷氨格栅沿所述排气路径定位并流体联接至所述氨蒸发器，其中，所述喷氨格栅构造成从所述氨蒸发器接收所述汽化的氨并构造成将所述汽化的氨注入所述排气路径内。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述热管的所述第一部分定位于所述喷氨格栅的下游。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热管的所述第一部分定位于所述排气处理系统的选择性催化还原催化剂的上游，所述选择性催化还原催化剂构造成减小所述废气中氮氧化物的浓度。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热管是使各自的第一部分均定位于所述排气路径内的多个热管中的一个热管。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，不是所述多个热管中的全部所述热管都使各自的第二部分定位成与所述热交换流体的所述流动路径呈所述热交换关系。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个热管中的第一组热管使各自的第二部分定位成与所述热交换流体的所述流动路径呈所述热交换关系，并且其中所述多个热管中的第二组热管使各自的第二部分与所述热交换流体的另外的流动路径呈单独的热交换关系，其中，所述另外的流动路径与所述流动路径分离并布置成关于所述流动路径平行。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个热管中的所有热管使各自的第二部分定位成与所述热交换流体的所述流动路径呈所述热交换关系。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热管构造成使用包含于所述热管内的流体的相变使所述热能从所述废气中传递并传递至所述热交换流体。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热管具有蒸汽腔、包围所述蒸汽腔的芯体以及流体，其中，所述热管构造成在所述第一部分处从所述废气接收热能并构造成使用所述热能来使所述流体蒸发以使所述流体从所述芯体中移动并进入所述蒸汽腔内以由此蒸发冷却所述第一部分，并且其中，所述热管构造成在所述第二部分处将热能传递至所述热交换流体以使所述流体冷却并由所述芯体再吸收。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氨源是保存氨水的储存罐，其中，所述热交换流体的所述流动路径构造成使所述氨水流动，所述热交换流体是所述氨水中的水使得所述热管构造成直接使所述氨蒸发。
16.一种用于燃气涡轮机系统的热管系统，所述系统包括：
一个热管，所述热管具有第一部分和第二部分，所述第一部分定位于燃气涡轮机排气处理系统的排气路径内，所述第二部分定位成与热交换流体的流动路径呈热交换关系，并且
其中，所述热交换流体的所述流动路径包括氨蒸发器，所述氨蒸发器构造成使从氨源接收的氨蒸发，并且其中，所述热管构造成使热能从所述排气路径中的废气传递至所述热交换流体以使所述热交换流体能够使所述氨汽化而同时冷却所述废气。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述热管构造成使用包含于所述热管内的流体的相变使所述热能从所述废气中传递并传递至所述热交换流体。
18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括多个热管，所述多个热管包含所述一个热管，其中，所述燃气涡轮机排气处理系统包括选择性催化还原催化剂，所述选择性催化还原催化剂构造成减小所述废气内的氮氧化物的浓度，并且所述多个热管构造成将所述废气的温度从第一温度降低至第二温度，其中，所述选择性催化还原催化剂在所述第二温度下比在所述第一温度下具有更好的催化活性。
19.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述氨源包括氨水源，并且所述热交换流体是空气，或者是所述氨水中的水。
20.一种燃气涡轮机系统，所述燃气涡轮机系统包括：
燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机构造成使燃料和氧化剂的混合物燃烧并构造成释放由所述燃烧产生的废气；
排气处理系统，所述排气处理系统具有排气管道，所述排气管道流体连接至所述燃气涡轮发动机的涡轮机的出口，所述排气管道构造成接收由所述燃气涡轮发动机释放的所述废气，其中，所述排气处理系统构造成使用选择性催化还原催化剂处理所述废气以在所述废气离开所述燃气涡轮机系统之前减少所述废气中的氮氧化物；
所述排气处理系统的排气路径，所述排气处理系统的所述排气路径构造成使所述废气流经所述排气处理系统；
氨注入系统，所述氨注入系统具有氨蒸发器，所述氨蒸发器构造成从氨源中接收氨水并使所述氨水中的氨汽化并构造成使所述氨注入系统能够将汽化的氨引入至所述排气路径内；以及
多个热管，所述多个热管构造成从所述排气管道中的废气中接收热能以在所述废气到达所述选择性催化还原催化剂之前冷却所述废气并构造成使所述热能传递至用于所述氨蒸发器中的热交换流体以使所述氨汽化。
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