專利名稱：使用排氣再循環(huán)系統(tǒng)加熱燃料的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及2007年10月30日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請11/928， 038[GE 巻號227348] ;2007年12月10日提交的美國專利申請11/953， 524[GE巻號228179] ;2007 年ll月7日提交的美國專利申請11/936， 996[GE巻號228178];以及2007年12月19日 提交的美國專利申請11/960， 198[GE巻號229464]。 本發(fā)明涉及從渦輪機(jī)排放的排氣，且更具體而言涉及一種利用渦輪機(jī)作為在排氣 再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)內(nèi)再循環(huán)的排氣的原動機(jī)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
氮氧化物(下文稱"NOx" ) 、二氧化碳(下文稱"C02")和硫氧化物(SOx)排放物
對環(huán)境的長期影響受到日益關(guān)注。渦輪機(jī)如燃?xì)廨啓C(jī)可排放的排放物的允許水平受到嚴(yán)格
管制。渦輪機(jī)的操作者期望有降低所排放的NOx、 C02和SOx的水平的方法。 排氣流中存在大量的可冷凝蒸汽。這些蒸汽通常含有多種組分，例如水、酸、醛、碳
氫化合物、硫氧化物，以及氯化合物。在未進(jìn)行處理的情況下，這些組分如果被允許進(jìn)入渦
輪機(jī)則將加速內(nèi)部構(gòu)件的腐蝕和結(jié)垢。 EGR通常包括使一部分已排放的排氣流穿過渦輪機(jī)的進(jìn)口系統(tǒng)進(jìn)行再循環(huán)。排氣 流然后在燃燒前與進(jìn)入的空氣流相混合。EGR過程有利于去除和隔離濃縮的C02，并且還可 降低NOx和SOx排放水平。然后再循環(huán)的排氣與進(jìn)入的空氣流相混合以產(chǎn)生進(jìn)口流體。
在EGR過程期間再循環(huán)的排氣流通常以高達(dá)約1500華氏度的溫度范圍離開渦輪 機(jī)。這些溫度可能過高而不允許排氣流再循環(huán)到渦輪機(jī)的進(jìn)口段中。EGR過程將排氣流的 溫度降低到用于再循環(huán)到渦輪機(jī)中的允許范圍。從排氣流去除的熱量可視為低值熱量。
渦輪機(jī)所消耗的燃料的溫度通常要求在指定范圍內(nèi)。該燃料可包括但不局限于各 類燃料油、天然氣或合成氣。 一些渦輪機(jī)的燃燒系統(tǒng)要求"加熱的"燃料如加熱的天然氣。 通常，天然氣供給裝置(supply)不會將天然氣加熱到渦輪機(jī)的要求溫度。此處，使用燃料 加熱器來提高天然氣的溫度，以滿足渦輪機(jī)要求。燃料氣體加熱器需要能量源來操作。此 能量源通常為寄生負(fù)荷并且降低了渦輪機(jī)站的整體效率。如果使用低值熱量源來加熱由渦 輪機(jī)所消耗的天然氣和/或其它燃料，則渦輪機(jī)站的操作者將會表示欣賞。
鑒于上述原因，需要一種減少與加熱由渦輪機(jī)所消耗的燃料相關(guān)聯(lián)的寄生負(fù)荷的 系統(tǒng)，其中渦輪機(jī)與EGR系統(tǒng)一體地形成。該系統(tǒng)將使用低值熱量來提高由渦輪機(jī)所消耗 的燃料的溫度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，一種用于提高燃料的溫度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括渦輪 機(jī)，其包括用于朝渦輪機(jī)的壓縮機(jī)段引導(dǎo)進(jìn)口流體的進(jìn)口系統(tǒng)以及用于燃燒燃料和空氣 流的燃燒系統(tǒng)，其中該進(jìn)口流體包括空氣流和排氣流；以及排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其包括 至少一個EGR滑道(skid)和至少一個熱交換裝置，其中該至少一個EGR系統(tǒng)構(gòu)造成從渦輪機(jī)的排氣段接收處于第一溫度的排氣流；其中該排氣流包括處于第一水平的組分；允許 排氣流進(jìn)入EGR滑道，該EGR滑道將組分降低到第二水平；允許排氣流以第二溫度離開EGR 滑道并進(jìn)入進(jìn)口系統(tǒng)；以及其中該至少一個熱交換裝置接收處于第一溫度的燃料并排出處 于第二溫度的燃料，同時一部分排氣流穿過該至少一個熱交換裝置的一部分流動。
根據(jù)本發(fā)明的一個備選實(shí)施例，一種提高燃料的溫度的方法，該方法包括提供 渦輪機(jī)，其中該渦輪機(jī)包括用于朝渦輪機(jī)的壓縮機(jī)段引導(dǎo)進(jìn)口流體的進(jìn)口系統(tǒng)以及用于燃 燒燃料和空氣流的燃燒系統(tǒng)，其中該進(jìn)口流體包括空氣流和排氣流；以及提供排氣再循環(huán) (EGR)系統(tǒng)，其包括至少一個EGR滑道和至少一個熱交換裝置；從渦輪機(jī)的排氣段接收處于 第一溫度的排氣流，其中排氣流包括處于第一水平的組分；將組分降低到第二水平；允許 排氣流以第二溫度離開EGR滑道并允許排氣流進(jìn)入進(jìn)口系統(tǒng)；以及其中該至少一個熱交換 裝置接收處于第一溫度的燃料；以及排放處于第二溫度的燃料，同時一部分排氣流穿過該 至少一個熱交換裝置的一部分流動。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于加熱由渦輪機(jī)所消耗的燃料的系統(tǒng) 的實(shí)例的示意圖。 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的用于加熱由渦輪機(jī)所消耗的燃料的系統(tǒng) 的實(shí)例的示意圖。零件清單
100EGR系統(tǒng)105EGR滑道110EGR流動循環(huán)裝置115EGR進(jìn)口風(fēng)門(damper)120EGR排氣風(fēng)門125排氣流130流動通路135進(jìn)口流體140渦輪機(jī)145壓縮機(jī)段147燃燒系統(tǒng)150渦輪段155排氣管160進(jìn)口系統(tǒng)165雨罩(weather hood)170進(jìn)口過濾器系統(tǒng)175進(jìn)口管道180進(jìn)口室(plenum)185燃料供給190燃料排出
195 熱交換裝置
200 燃料氣體加熱器
具體實(shí)施例方式
以下對優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述參照附圖，附圖示出了本發(fā)明的特定實(shí)施例。具有 不同結(jié)構(gòu)和操作的其它實(shí)施例并不背離本發(fā)明的范圍。 文中所使用的特定術(shù)語只是為了方便讀者而不應(yīng)視為對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。
例如，用詞如"上"、"下"、"左"、"右"、"前"、"后"、"頂"、"底"、"水平"、"豎直"、"上游"、"下
游"、"在前"和"在后"等僅描述圖中所示的構(gòu)造。實(shí)際上，本發(fā)明的實(shí)施例的一個或多個元
件可沿任何方向取向，且因此應(yīng)將術(shù)語理解為包含此類變化，除非另有所指。 本發(fā)明的一個實(shí)施例采用這樣一種系統(tǒng)的形式，即該系統(tǒng)可使用在EGR過程期間
從排氣流去除的熱量來加熱由渦輪機(jī)所消耗的燃料。本發(fā)明的元件可由能夠耐受EGR系統(tǒng)
可運(yùn)行和操作的操作環(huán)境的任何材料制作。 通常，本發(fā)明的一個實(shí)施例的排氣再循環(huán)系統(tǒng)包括多個元件。這些元件的構(gòu)造和 順序可由排氣流的組成規(guī)定。 一般而言，包括排氣再循環(huán)過程的步驟為冷卻、凈化、除霧、 高效去除微粒和液滴，以及混合。當(dāng)利用本發(fā)明時，可將混有進(jìn)口空氣的轉(zhuǎn)向排氣流引導(dǎo)到 渦輪進(jìn)口。存在多種可用來實(shí)現(xiàn)EGR的裝置。 本發(fā)明可應(yīng)用于各種產(chǎn)生氣態(tài)流體的渦輪機(jī)，例如但不局限于重型燃?xì)廨啓C(jī)或航 空改型燃?xì)廨啓C(jī)等。本發(fā)明的一個實(shí)施例可應(yīng)用于單個渦輪機(jī)或多個渦輪機(jī)。本發(fā)明的一 個實(shí)施例可應(yīng)用于在簡單循環(huán)構(gòu)造或聯(lián)合循環(huán)構(gòu)造中操作的渦輪機(jī)。 本發(fā)明的一個實(shí)施例可包括至少一個EGR滑道。該至少一個EGR滑道可利用至少 一個洗滌器；或者至少一個洗滌器和至少一個下游熱交換器；或者至少一個洗滌器和至少 一個上游熱交換器；或者至少一個洗滌器、至少一個下游熱交換器和至少一個上游熱交換 器；或者它們的各種組合。此外，該至少一個EGR滑道還可包括噴射器，該噴射器可引導(dǎo)用 于在排氣流內(nèi)降低有害組分水平的試劑；以及用于去除這些組分的濕式靜電沉淀器。
現(xiàn)在參照附圖，其中全部若干圖中各種標(biāo)號代表相似的元件，圖1是示出根據(jù)本 發(fā)明的第一實(shí)施例的用于加熱由渦輪機(jī)所消耗的燃料的系統(tǒng)的實(shí)例的示意圖。圖l示出了 渦輪機(jī)140和EGR系統(tǒng)100。 渦輪機(jī)140通常包括壓縮機(jī)段145、燃燒段147和渦輪段150。進(jìn)口段160可位于 壓縮機(jī)段145的上游。進(jìn)口段可包括雨罩165、進(jìn)口過濾器系統(tǒng)170、進(jìn)口管道175和進(jìn)口 室180。排氣管155可位于渦輪段150的下游。 EGR系統(tǒng)100包括EGR滑道105 ;EGR流動循環(huán)裝置110 ;EGR進(jìn)口風(fēng)門115 ;EGR 排氣風(fēng)門120，其可與渦輪機(jī)140的渦輪段150 —體地形成；以及溫度調(diào)節(jié)裝置195。
該至少一個EGR系統(tǒng)100可具有一定的尺寸并由這樣的材料制造，即能夠耐受排 氣流125的物理特性，例如但不限于包括從約10， 000Lb/hr(磅/小時)到約50， 000， 000Lb/ hr的范圍的流速和高達(dá)約1500華氏度的溫度。進(jìn)口段160和渦輪段150可界定EGR系統(tǒng) 100的流動通路130。 EGR滑道105通常包括降低來自于排氣流125的上述組分水平的EGR系統(tǒng)100構(gòu) 件。這些構(gòu)件可包括例如但不限于至少一個熱交換器、至少一個洗滌器、至少一個除霧器或類似的構(gòu)件(這些在圖中均未示出)。EGR流動循環(huán)裝置110可在EGR系統(tǒng)100的操作期 間使排氣循環(huán)。 溫度調(diào)節(jié)裝置195通常用于提高通向燃燒系統(tǒng)147的燃料供給裝置185的溫度。 溫度調(diào)節(jié)裝置195可采用但不限于熱交換器的形式。溫度調(diào)節(jié)裝置195的一部分可直接地 或間接地定位在流動通路130內(nèi)。溫度調(diào)節(jié)裝置195可包括用于接收和排出排氣流125和 燃料的多個端口 (未示出)。溫度調(diào)節(jié)裝置195還可包括用于從排氣流125傳熱到燃料的 熱交換段(未示出)。 在本發(fā)明的此第一實(shí)施例中，溫度調(diào)節(jié)裝置195經(jīng)由燃料供給裝置185接收處于 第一溫度的燃料并經(jīng)由燃料排出裝置190排出處于第二溫度的燃料。此處，第二溫度高于 第一溫度。同時，溫度調(diào)節(jié)裝置195接收以第一排氣溫度流進(jìn)流動通路130的排氣流125， 并將排氣流125以第二排氣溫度排出到流動通路130。此處，第二溫度低于第一溫度。例如 但不限于，溫度調(diào)節(jié)裝置195可經(jīng)由燃料供給裝置185在從約30華氏度到約100華氏度的 溫度范圍接收燃料；并且然后可經(jīng)由燃料排出裝置190在從約200華氏度到約400華氏度 的溫度范圍排出燃料。 使用中，在EGR系統(tǒng)100的操作期間，EGR排氣風(fēng)門120可打開，以允許來自渦輪 段150的排氣流125進(jìn)入EGR系統(tǒng)100。排氣風(fēng)門120可在非再循環(huán)的排氣與排氣流125 之間分配總的排氣流。然后，溫度調(diào)節(jié)裝置195允許排氣流125或直接地或間接地貫穿流 動，同時提高燃料的溫度，如上所述。接下來，EGR滑道105可降低排氣流125內(nèi)組分的水 平。接下來，EGR進(jìn)口風(fēng)門115可打開，以允許再循環(huán)的排氣流125進(jìn)入渦輪機(jī)140的進(jìn)口 段160。排氣流125然后可與進(jìn)入進(jìn)口系統(tǒng)160的進(jìn)口空氣混合，形成進(jìn)口流體135。全部 附圖中進(jìn)口空氣均由位于雨罩165外部的箭頭表示。進(jìn)口流體135然后可向下游流到渦輪 機(jī)140的壓縮機(jī)段145。在上述過程期間，EGR流動循環(huán)裝置110可使排氣流125貫穿EGR 系統(tǒng)100流動。 渦輪機(jī)140包括具有轉(zhuǎn)子(未示出)的壓縮機(jī)段145。渦輪機(jī)140的操作通常包 括以下過程。從進(jìn)口系統(tǒng)160導(dǎo)出的進(jìn)口流體135進(jìn)入壓縮機(jī)段145，經(jīng)受壓縮并且然后排 出到燃燒系統(tǒng)147，燃燒系統(tǒng)147可從燃料排出裝置190接收燃料。燃料燃燒并提供驅(qū)動渦 輪段150的高能燃燒氣體。在渦輪段150中，熱氣體的能量被轉(zhuǎn)換為功，其中一部分功用來 驅(qū)動壓縮機(jī)段145。 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的用于加熱由渦輪機(jī)140所消耗的燃料的系
統(tǒng)的實(shí)例的示意圖。圖2示出了渦輪機(jī)140和EGR系統(tǒng)100。圖2示出了本發(fā)明的備選實(shí)
施例。對圖2的討論集中在第一實(shí)施例與圖2的實(shí)施例之間的差別上。 第二實(shí)施例的EGR系統(tǒng)100可一體地形成有至少一個燃料氣體加熱器200。當(dāng)EGR
系統(tǒng)100包括多個EGR滑道105(圖2中僅示出一個)時可采用本發(fā)明的此第二實(shí)施例。此
處，需要附加的加熱源來將燃料的溫度提高到期望范圍。本發(fā)明提供了定位該至少一個燃
料氣體加熱器200的靈活性，即定位在溫度調(diào)節(jié)裝置195的上游和/或下游。 如圖2所示，在本發(fā)明的此第二實(shí)施例中，燃料氣體加熱器200可將燃料升溫到第
一溫度。然后該至少一個燃料氣體加熱器200可經(jīng)由燃料供給裝置185將燃料排出到溫度
調(diào)節(jié)裝置195。此處，燃料可升溫到第二溫度。溫度調(diào)節(jié)裝置195可經(jīng)由燃料排出裝置190
以第三溫度排出燃料，該第三溫度可處于用于渦輪機(jī)的期望溫度范圍內(nèi)。同時，溫度調(diào)節(jié)裝置195接收以第一排氣溫度流進(jìn)流動通路130的排氣流125，并以第二排氣溫度將排氣流 125排出到流動通路130。此處，第二溫度低于第一溫度。例如但不限于，溫度調(diào)節(jié)裝置195 可經(jīng)由燃料供給裝置185在從約70華氏度到約120華氏度的溫度范圍接收燃料；并且然后 經(jīng)由燃料排出裝置190在從約200華氏度到約400華氏度的溫度范圍排出燃料。
文中所使用的術(shù)語只是為了描述具體實(shí)施例，并非旨在成為本發(fā)明的限制。如文 中所用，單數(shù)形式"一"、"一個"和"該"旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文明顯另有所指。還 應(yīng)當(dāng)理解的是，用語"包括"和/或"包含"當(dāng)用于本說明書中時，特指所述特征、整數(shù)、步驟、 操作、元件和/或構(gòu)件的存在，而非排除一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、構(gòu)件 和/或它們的組合的存在或附加。 盡管文中已示出和描述了特定的實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解的是，適于實(shí)現(xiàn)相同目的的 任何裝置都可代替所示的特定實(shí)施例，并且本發(fā)明在其它環(huán)境中具有其它應(yīng)用。本申請旨 在涵蓋本發(fā)明的任何改型或變型。所附權(quán)利要求決非旨在將本發(fā)明的范圍局限于文中所述 的特定實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種用于提高燃料的溫度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括渦輪機(jī)(140)，其包括進(jìn)口系統(tǒng)(160)，用于朝所述渦輪機(jī)(140)的壓縮機(jī)段(145)引導(dǎo)進(jìn)口流體(135)，其中，所述進(jìn)口流體(135)包括空氣流和排氣流(125)；以及燃燒系統(tǒng)(147)，用于燃燒燃料和所述空氣流；以及排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)(100)，包括至少一個EGR滑道(105)和至少一個熱交換裝置(195)；其中，所述至少一個EGR系統(tǒng)(100)構(gòu)造成從所述渦輪機(jī)(140)的排氣段接收處于第一溫度的排氣流(125)；其中，所述排氣流(125)包括處于第一水平的組分；允許所述排氣流(125)進(jìn)入所述EGR滑道(105)，所述EGR滑道(105)將所述組分降低到第二水平；允許所述排氣流(125)以第二溫度離開所述EGR滑道(105)并進(jìn)入所述進(jìn)口系統(tǒng)(160)；以及其中，所述至少一個熱交換裝置(195)接收處于第一溫度的燃料并排出處于第二溫度的燃料，同時所述排氣流(125)的一部分穿過所述至少一個熱交換裝置(195)的一部分流動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料的第一溫度包括從約30華氏度到約IOO華氏度的范圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料的第二溫度包括從約200華氏度到約400華氏度的范圍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排氣流(125)的溫度高達(dá)約1500華氏度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述EGR系統(tǒng)(100)包括至少一個EGR排氣風(fēng)門(120)，所述排氣風(fēng)門(120)控制流進(jìn)所述EGR系統(tǒng)(100)的排氣流(125)的量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括構(gòu)造成用以提高所述燃料的溫度的至少一個燃料氣體加熱器(200)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個燃料氣體加熱器(200)從所述至少一個熱交換裝置(195)接收燃料并允許所述燃料流向所述燃燒系統(tǒng)(147)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個燃料氣體加熱器(200)供給燃料到所述至少一個熱交換裝置(195)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個熱交換裝置(195)位于所述EGR滑道(105)的上游。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個熱交換裝置(195)位于所述EGR滑道(105)的下游。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用排氣再循環(huán)系統(tǒng)加熱燃料的系統(tǒng)和方法。具體而言，本發(fā)明的一個實(shí)施例可采取這樣一種系統(tǒng)的形式，即該系統(tǒng)可使用在排氣再循環(huán)過程期間從排氣流(125)去除的熱量來加熱由渦輪機(jī)(140)所消耗的燃料。
文檔編號F02C3/34GK101725414SQ200910209240
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者A·J·加西亞-克雷斯波, A·S·托普拉尼 申請人:通用電氣公司