用于排放来自燃气涡轮发动机的燃烧气体的系统和方法

用于排放来自燃气涡轮发动机的燃烧气体的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2014年6月11日提交的标题为"SYSTEM AND METHOD FOR EXHAUSTING COMBUSTION GASES FROM GAS TURBINE ENGINES" 的美国非临时专利申请 14/ 301,979以及于2013年6月28 日提交的标题为 "SYSTEM AND METHOD FOR EXHAUSTING COMBUSTION GASES FROM GAS TURBINE ENGINES" 的美国临时专利申请61/841,209的优先 权和权益，上述所有申请通过引用被整体合并于此以用于各种目的。
技术领域
[0003] 本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于排放来自燃气涡轮 发动机的燃烧气体的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 燃气涡轮发动机的应用领域非常广泛，例如发电、航空器以及各种机械装置。燃气 涡轮发动机通常在燃烧器部燃烧燃料和氧化剂(例如，空气）以生成热燃烧产物，然后该产 物驱动涡轮部中的一个或多个涡轮级。进而涡轮部驱动压缩机部的一个或多个压缩机级。 此外，在燃烧器部内燃料和氧化剂混合，然后燃烧以产生热燃烧产物。来自涡轮部的热燃烧 产物的热能可以被用于产生蒸汽。但是，热燃烧产物在被用于产生蒸汽之前可以被处理。例 如，催化剂可以被用于处理热燃烧产物，以减少某些化合物的量。不幸地，热燃烧产物在与 催化剂接触之前不充分混合和/或分布可能降低催化剂的性能和/或缩短催化剂的寿命。另 外，燃气涡轮发动机一般消耗大量空气作为氧化剂，并输出相当大量的排气进入大气。换句 话说，排气一般作为燃气涡轮操作的副产品被浪费。

【发明内容】

[0005] 在与原始要求保护的发明范围相称的某些实施例被总结如下。这些实施例不意图 限制要求保护的发明的范围，但是这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。 实际上，本发明可包括可类似于或异于下面阐述的实施例的多种形式。
[0006] 在一个实施例中，一种系统，其包括燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括燃 烧器部、涡轮部，所述燃烧器部具有被配置以产生燃烧产物的一个或多个燃烧器，并且所述 涡轮部在上游端和下游端之间具有一个或多个涡轮级。所述一个或多个涡轮级被所述燃烧 产物驱动。燃气涡轮发动机还包括排气部，所述排气部被设置在所述涡轮部的下游端的下 游。所述排气部具有被配置为接收作为排气的所述燃烧产物的排气通路。燃气涡轮发动机 还包括设置在排气部内的混合装置，所述混合装置被配置为将所述排气分成第一排气和第 二排气，并在混合区域内组合第一排气和第二排气，以产生混合排气。
[0007]在第二个实施例中，一种系统，其包括被配置为安装在燃气涡轮发动机的涡轮部 下游的涡轮排气部。涡轮排气部包含被配置为接收来自所述涡轮部的排气的排气通路。该 系统还包括设置在所述涡轮排气部内的混合装置。混合装置被配置为将所述排气分为第一 排气和第二排气，并且组合所述第一排气和第二排气以产生混合排气。
[0008] 在第三个实施例中，一种系统，其包括配置为安装到燃气涡轮发动机的涡轮排气 部内的涡轮混合装置。所述混合装置包含第一部和第二部，所述第一部被配置为将来自所 述涡轮排气部的排气的内部部分传送到混合区域，并且所述第二部被配置为将所述排气的 外部部分传送到所述混合区域。所述第二部周向围绕所述第一部，并且所述混合区域被配 置为混合所述排气的内部部分和外部部分以产生混合排气。
[0009] 在第四个实施例中，一种方法，其包括在涡轮燃烧器的燃烧部分内将燃料与氧化 剂和排气燃烧以产生燃烧产物，使用来自所述涡轮燃烧器的燃烧产物驱动涡轮，使来自涡 轮的燃烧产物膨胀通过排气部内的排气通路，使用混合装置将来自排气部的燃烧产物分成 第一排气和第二排气，以及使用混合装置组合第一排气和第二排气以产生混合排气，使得 混合排气的下游径向均匀性高于燃烧产物的上游径向均匀性。
【附图说明】
[0010] 当参照附图阅读下列【具体实施方式】时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将 变得更加容易理解，其中在整个附图中相同的符号表示相同的部件，其中：
[0011] 图1是具有联结/耦连(couple)到烃类生产系统的基于涡轮的服务系统的系统的 实施例的示意图；
[0012] 图2是图1的系统实施例的示意图，其进一步示出控制系统和组合循环系统；
[0013] 图3是图1和图2的系统实施例的示意图，其进一步示出燃气祸轮发动机、排气供给 系统和排气处理系统的细节；
[0014] 图4是用于运行图1-3的系统的过程实施例的流程图；
[0015]图5是被布置在燃气涡轮发动机和热回收蒸汽发生器(HRSG)之间的混合装置实施 例的不意图；
[0016]图6是混合装置实施例的原理图；
[0017]图7是混合装置实施例的轴向横截面视图；
[0018] 图8是混合装置实施例径向透视图；
[0019] 图9是混合装置实施例第一部的局部透视图；
[0020] 图10是具有扇形波瓣(lobe)的混合装置实施例的局部透视图；
[0021] 图11是具有多个波瓣的混合装置实施例的局部径向透视图；
[0022] 图12是具有成角度波瓣的混合装置实施例的局部径向透视图；
[0023] 图13是具有肋状波瓣的混合装置实施例的局部径向透视图；
[0024] 图14是具有锯齿波瓣的混合装置实施例的局部径向透视图；
[0025] 图15是混合装置实施例的轴向横截面示图，其中所述装置的第二部的凹形表面朝 向第一部；
[0026] 图16是混合装置实施例的轴向横截面示图，其中所述装置的第二部的凸形表面朝 向第一部；
[0027] 图17是具有漩涡发生器的混合装置实施例的第二部的局部透视图；
[0028] 图18是具有半球形突起的混合装置实施例的第二部的局部透视图；
[0029] 图19是具有导流叶片的混合装置实施例的第二部的局部透视图；
[0030] 图20是具有开放波瓣的混合装置实施例的第二部的局部透视图；
[0031] 图21是具有闭合波瓣的混合装置实施例的第二部的局部透视图；
[0032] 图22是混合装置和布置在燃气涡轮发动机和热回收蒸汽发生器(HRSG)之间的排 气注入系统实施例的示意图；以及
[0033] 图23是混合装置和排气注入系统实施例的轴向横截面示图。
【具体实施方式】
[0034] 本发明的一个或多个具体实施例将在下面描述。为了提供这些实施例的简要描 述，实际实施方式的所有特征可能没有在本说明书中描述。应认识到，在任何此类实际实施 方式的开发中（例如在工程规划或设计项目中），需要做出众多与实施方式相关的决定以实 现指定目标，例如符合在不同实施方式中彼此不同的系统相关约束和/或商业相关约束。而 且，应认识到，这种开发工作可能是复杂和费时的，然而，对受益于本公开的本领域普通技 术人员来说，承担设计、装配和制造仍然是例行工作。
[0035] 本文公开了详细的示例性实施例。但是，本文公开的特定结构和功能细节仅仅代 表描述示例性实施例的目的。而本发明的实施例可以体现为许多替代形式，并且不应仅限 于本文阐述的实施例。
[0036] 因此，虽然示例性实施例能够具有各种修改和替换形式，但其实施例通过附图中 的示例的方式示出并将在本文详细描述。然而，应当理解的是，本发明并不打算将示例性实 施例局限于所公开的特定形式，而是相反，示例性实施例旨在覆盖落入本发明的范围内的 所有修改、等效和替代实施例。
[0037] 本文所使用的术语仅用于描述某些实施例，并不是为了限制示例性实施例。正如 本文所使用，单数形式"一"、"一个"、"该"也包括复数形式，除非上下文中明确指出不同含 意。当用于本文时，术语"包括"和/或"包含"指定存在所陈述特征、整数、步骤、操作、元件 和/或组件，但不排除存在和添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或 其群组。
[0038] 虽然术语第一、第二、主要、次要等可以在本文中被用于描述各个元件，但是这些 元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如但不限 于，在没有偏离示例性实施例的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，以及同样， 第二元件可以被称为第一元件。正如本文所使用的，术语"和/或"包括一个或多个关联列出 项目中的任意一个、全部及其组合。
[0039] 本文可能使用某些术语，这仅为了方便读者而不应被视为对本发明的范围的限 制。例如，诸如"上面"、"下面"、"左侧"、"右侧"、"前面"、"后面"、"顶部"、"底部"、"水平"、 "垂直"、"上游"、"下游"、"前部"、"后部"等词组仅描述在附图中示出的构形。事实上，本发 明的实施例的一个或多个元件可以被取向在任何方向，因此，所述术语应当被理解为包含 这类变化，除非以其他方式指出不同。
[0040] 如下面所详细讨论的，所公开的实施例总体涉及带有排气再循环(EGR)的燃气涡 轮系统，尤其是涉及使用EGR的燃气涡轮系统的化学计量操作。例如，燃气涡轮系统可以被 配置为沿着排气再循环路径再循环排气，使燃料和氧化剂与至少某些再循环排气一起以化 学计量燃烧，以及收集排气用于各个目标系统。排气的再循环还可以与化学计量燃烧一起 帮助增加排气中的二氧化碳(CO2)浓度水平，然后二氧化碳可以被后处理以分离和纯化CO2 和氮气(N2)用于各个目标系统。燃气涡轮系统还可以采用沿着排气再循环路径的各种排气 处理(例如热回收、催化剂反应等），从而增加 CO2的浓度水平，减少其他排放物(例如一氧化 碳、氮氧化物以及未燃烧烃类)的浓度水平，并增加能量回收(例如用热回收单元）。另外，燃 气涡轮发动机可以被配置为使用扩散火焰(例如，使用扩散燃料喷嘴）、预混火焰(例如，使 用预混燃料喷嘴)或它们的任意组合的一个或多个来燃烧燃料和氧化剂。在某些实施例中， 扩散火焰可以帮助将稳定性和操作维持在化学计量燃烧的某些限制内，其进而帮助增加 CO2的生成量。例如，当与使用预混火焰运行的燃气涡轮系统相比，使用扩散火焰运行的燃 气涡轮系统可以实现更大量的EGR。进而，增加的EGR的量帮助增加 CO2的生成量。可能的目 标系统包括管线、存储罐、固碳系统和烃类生产系统，诸如强化油回收(EOR)系统。
[0041] 所公开的实施例提供具有联结/耦连(couple)到带有EGR的燃气涡轮发动机的排 气部的混合装置的系统和方法。燃气涡轮发动机可以包括具有配置为产生燃烧产物的一个 或多个燃烧器的燃烧器部。燃气涡轮发动机还可以包括在上游端和下游端之间具有一个或 多个涡轮级的涡轮部。一个或多个涡轮级可以由燃烧产物来驱动。燃气涡轮发动机还可以 包括布置在所述涡轮部的下游端下游的排气部。排气部可以包括被配置为接收作为排气的 燃烧产物的排气通路。此外，燃气涡轮发动机可包括联结/耦连(couple)到所述排气部的混 合装置。混合装置可以将排气分为第一排气和第二排气。另外，该混合装置可以在混合区域 中组合第一排气和第二排气，以产生混合排气。在某些实施例中，进入混合装置的排气可具 有不均勾分布，诸如不均勾的径向分布和/或不均勾的周向分布。例如，排气的内部部分可 以具有与排气的外部部分不同的特性。具体地说，排气的内部部分的压力、温度、流速和/或 成分可以不同于排气的外部部分。
[0042] 排气的内部部分和外部部分之间的不同特性可以影响排气部下游的设备操作和/ 或处理。例如，催化剂可以被布置在排气部下游，以减少来自排气的某些成分的量。催化剂 性能可以受到排气的内部部分和外部部分之间成分的不同的负面影响。例如，催化剂的某 些部分可以比催化剂的其他部分以更快的速度用完或污染。如下面详细描述的，混合装置 的实施例可以改善排气的径向和/或周向的均匀性。具体而言，混合装置可以将所述排气分 为第一排气和第二排气，所述第一排气和第二排气可对应于上述的排气的内部部分和外部 部分。混合装置可以在混合区域中组合第一排气和第二排气，以产生混合排气，其可具有反 映第一排气和第二排气两者的属性。因此，不是催化剂接收具有不同属性的第一排气和第 二排气，而是混合装置将具有均匀属性特性的混合排气提供到催化剂。通过使用混合装置 以提供混合排气到催化剂，催化剂性能可以被改善。另外，在某些实施例中，该混合装置可 以具有低压力降的特性，这可以改善燃气涡轮发动机的排气部的压力恢复。因此，该混合装 置的实施例可以改善燃气涡轮发动机的整体效率和成本效益。
[0043] 图1是具有与基于涡轮的服务系统14关联的烃类生产系统12的系统10的实施例的 示意图。如下面进一步详细讨论的，基于涡轮的服务系统14的各种实施例被配置为向烃类 生产系统12提供各种服务例如电力、机械功和流体(例如排气）以促进油和/或气的生产或 回收。在图示的实施例中，烃类生产系统12包括油/气抽取系统16和强化油回收(EOR)系统 18,二者联结/耦连(couple)到地下储层20(例如油、气或烃类储层）。油/气抽取系统16包括 各种地面设备22,例如联结到油/气井26的圣诞树或生产树24。此外，井26可以包括通过地 球32中的钻孔30延伸到地下储层20的一个或多个管件28。树24包括一个或多个阀门、扼流 圈、隔离套、防喷器以及各种流量控制装置，其调节压力并且控制去到和来自地下储层20的 流动。虽然树24通常被用于控制从地下储层20流出的生产流体(例如油或气）的流动，EOR系 统18可以通过将一种或多种流体注入地下储层20中来增加油或气的生产量。
[0044]因此，EOR系统18可以包括流体注入系统34，该流体注入系统具有通过地球32中的 孔30延伸到地下储层20的一个或多个管件36。例如，EOR系统18可以将一种或多种流体40例 如气体、蒸汽、水、化学物质或其任何组合输送到流体注入系统34中。例如，如下面所进一步 详细讨论的，EOR系统18可以被联结到基于涡轮的服务系统14,使得系统14将排气42(例如， 基本没有氧气或完全没有氧气)输送到EOR系统18用作注入流体40。流体注入系统34通过一 个或多个管件36将流体40(例如排气42)输送到地下储层20中，如箭头44所指示。注入流体 40通过与油/气井26的管件28间隔开一偏移距离46的管件36进入地下储层20。因此，注入流 体40使布置在地下储层20中的油/气48移位，并驱动油/气48通过烃类生产系统12的一个或 多个管件28上升，如箭头50所指示。如下面所进一步详细讨论的，注入流体40可以包括源自 基于涡轮的服务系统14的排气42,该基于涡轮的服务系统能够根据烃类生产系统12的需要 在现场生成排气42。换句话说，基于涡轮的服务系统14可以同时生成供烃类生产系统12使 用的一种或多种服务(例如电力、机械功、蒸汽、水(例如淡化水）以及排气(例如基本没有氧 气）），从而降低或消除这类服务对外部源的依赖。
[0045]在图示的实施例中，基于涡轮的服务系统14包括化学计量排气再循环(SEGR)燃气 涡轮系统52和排气(EG)处理系统54。燃气涡轮系统52可以被配置为以化学计量燃烧运行模 式(例如化学计量控制模式)和非化学计量燃烧运行模式(例如非化学计量控制模式)如稀 燃料控制模式或富燃料控制模式运行。在化学计量控制模式中，燃烧通常以燃料和氧化剂 的大致化学计量比发生，从而产生大致化学计量燃烧。特别地，化学计量燃烧通常包括在燃 烧反应中消耗几乎全部的燃料和氧化剂，使得燃烧产物基本没有或完全没有未燃烧燃料和 氧化剂。化学计量燃烧的一个量度是当量比或phi( Φ )，其是实际燃料/氧化剂比率相对于 化学计量燃料/氧化剂比率的比率。大于1.0的当量比导致燃料和氧化剂的富燃料燃烧，而 小于1.0的当量比导致燃料和氧化剂的稀燃料燃烧。相反，1.0的当量比导致既不是富燃料 又不是稀燃料的燃烧，从而在燃烧反应中基本消耗所有的燃料和氧化剂。在本公开实施例 的背景下，术语化学计量或基本化学计量可以指的是大约0.95到大约1.05的当量比。然而， 本公开的实施例也可以包括1.0加上或减去0.01、0.02、0.03、0.04、0.05或更多的当量比。 再者，在基于涡轮的服务系统14中的燃料和氧化剂的化学计量燃烧可以导致基本没有剩下 的未燃烧燃料或氧化剂的燃烧产物或排气(例如42)。例如，排气42可以具有小于1 %、2 %、 3%、4%或5 %体积百分比的氧化剂(例如氧气）、未燃烧燃料或烃类(例如HC)、氮氧化物(例 如NOx )、一氧化碳(CO )、硫氧化物(例如SOx )、氢和其他未完全燃烧产物。通过进一步的不例， 排气 42 可以具有小于大约 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、 2000、3000、4000或5000每百万份体积(ppmv)的氧化剂(例如氧）、未燃烧燃料或烃类(例如 HC )、氮氧化物（例如NOx )、一氧化碳(CO )、硫氧化物（例如SOx )、氢和未完全燃烧的其他产 物。然而，本公开实施例还可以在排气42中产生其他范围的残留燃料、氧化剂和其他排放物 水平。如本文所使用，术语排放物、排放物水平和排放物目标可以指的是某些燃烧产物(例 如NO x、CO、SOx、O2、N2、H2、HC等）的浓度水平，所述燃烧产物可以存在于再循环气体流、排出气 体流(例如排放到大气中）以及用在各种目标系统(例如烃类生产系统12)中的气体流。 [0046]虽然不同实施例中的SEGR燃气涡轮系统52和EG处理系统54可以包括各种组件，但 图示的EG处理系统54包括热回收蒸汽发生器(HRSG)56和排气再循环(EGR)系统58,二者接 收并处理源自SEGR燃气涡轮系统52的排气60 ARSG 56可以包括一个或多个热交换器、冷凝 器和各种热回收设备，它们一起用于将热量从排气60传递至水流，由此产生蒸汽62。蒸汽62 可以被用在一个或多个蒸汽涡轮、EOR系统18或烃类生产系统12的任何其他部分中。例如， HRSG 56可以生成低压、中压和/或高压蒸汽62,其可以被选择性应用于低压、中压和高压蒸 汽涡轮级或EOR系统18的不同应用中。除了蒸汽62之外，经处理的水64例如淡化水也可以由 HRSG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分或SEGR燃气涡轮系统52生成。经处理的 水64(例如淡化水)在例如内陆或沙漠地区等水短缺区域可能是特别有用的。经处理的水64 可以至少部分由于驱动SEGR燃气涡轮系统52内的燃料燃烧的大体积空气而生成。虽然蒸汽 62和水64的现场生成在许多应用（包括烃类生产系统12)中是特别有利的，但排气42、60的 现场生成对EOR系统18来说是特别有利的，这是由于所述排气从SEGR燃气涡轮系统52获得 低氧含量、高压和热度。因此，HRSG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分可以将排 气66输出或再循环到SEGR燃气涡轮系统52中，同时还将排气42输送到EOR系统18以供烃类 生产系统12使用。同样，可以从SEGR燃气涡轮系统52直接抽取排