使用排氣再循環保護燃氣輪機發動機中組件的系統和方法
【專利說明】使用排氣再循環保護燃氣輪機發動機中組件的系統和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年 10月 29 日提交的名為"SYSTEMANDMETHORDFORPROTECTING COMPNENTSINAGASTURBINEENGINEWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION" 的美國非臨 時專利申請號14/066, 488、2012年12月28日提交的名為"SYSTEMANDMETHORDFOR PROTECTINGC0MPNENTSINAGASTURBINEENGINEWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION"的 美國臨時專利申請號61/747, 206、2012年11月2日提交的名為"SYSTEMANDMETHORDFOR DIFFUSIONCOMBUSTIONINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINE SYSTEM"的美國臨時專利申請號61/722, 118、2012年11月2日提交的名為"SYSTEMAND METHORDFORDIFFUSIONCOMBUSTIONWITHFUEL-DILUENTMIXINGINASTOICHIOMETRIC EXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM" 的美國臨時專利申請號 61/722, 115、 2012 年 11 月 2 日提交的名為"SYSTEMANDMETHORDFORDIFFUSIONCOMBUSTIONWITH FUEL-DILUENTMIXINGINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINE SYSTEM"的美國臨時專利申請號61/722, 114、和2012年11月2日提交的名為"SYSTEMAND METHORDFORLOADCONTROLWITHDIFFUSIONCOMBUSTIONINASTOICHIOMETRICEXHAUST GASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM"的美國臨時專利申請號61/722, 111的優先權和 權益,全部這些為了所有目的在本文通過引用以其全文并入。
[0003] 發明背景
[0004] 本文公開的主題涉及燃氣輪機發動機,并且更具體地涉及保護燃氣輪機發動機中 組件的系統和方法。
[0005] 燃氣輪機發動機在多種多樣的應用中被使用,諸如發電、航空器和各種機器。燃氣 輪機發動機通常在燃燒室部分燃燒燃料與氧化劑(例如,空氣)以生成熱燃燒產物,其然后 驅動渦輪部分的一個或多個渦輪級。渦輪部分又驅動壓縮機部分的一個或多個壓縮機級, 從而壓縮氧化劑以便連同燃料吸入至燃燒室部分中。再次,在燃燒室部分中混合燃料和氧 化劑,并且然后燃燒以產生熱燃燒產物。不幸地,燃燒室部分和排氣部分的某些組件暴露于 高溫,其可在組件上導致熱膨脹、應力和/或磨損。排氣還可泄露進燃燒室部分和/或排氣 部分的某些腔中,其中的組件對高溫排氣可具有較低的耐受性。此外,燃氣輪機發動機通常 消耗大量作為氧化劑的空氣,并且輸出相當大量的排氣進入大氣。換句話說,排氣通常作為 燃氣輪機運行的副產物被浪費。
【發明內容】
[0006] 下文概述了在范圍上與原始要求保護的發明相稱的某些實施方式。這些實施方式 不意欲限制要求保護的發明的范圍,而是這些實施方式只意欲提供本發明的可能形式的簡 要概述。事實上,本發明可包含與下文列出的實施方式相似或不同的各種形式。
[0007] 在第一實施方式中,系統包括燃氣輪機發動機,所述燃氣輪機發動機包括燃燒室 部分,其具有配置為生成燃燒產物的一個或多個燃燒室;和渦輪部分,其在上游端和下游端 之間具有一個或多個渦輪級。一個或多個渦輪級由燃燒產物驅動。燃氣輪機發動機還包括 布置在渦輪部分的下游端的下游的排氣部分。排氣部分具有配置為接收燃燒產物作為排氣 的排氣通道。燃氣輪機發動機還包括連接至排氣部分的流體供應系統。流體供應系統被配 置為將冷卻氣體輸送至排氣部分。冷卻氣體具有比排氣更低的溫度,其中冷卻氣體包括提 取的排氣、從提取的排氣分離的氣體、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物或其組合。
[0008] 在第二實施方式中,系統包括渦輪排氣部分,其配置為安裝在燃氣輪機發動機的 渦輪部分的下游。渦輪排氣部分包括配置為從渦輪部分接收排氣的排氣通道和延伸通過渦 輪排氣部分的結構的冷卻氣體通道。系統還包括連接至排氣部分的流體供應系統。流體供 應系統被配置為將冷卻氣體輸送至排氣部分中的冷卻氣體通道。冷卻氣體具有比排氣更低 的溫度。冷卻氣體包括提取的排氣、從提取的排氣分離的氣體、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化 物或其組合。
[0009]在第三實施方式中,系統包括渦輪排氣部分,其配置為安裝在燃氣輪機發動機的 渦輪部分的下游。渦輪排氣部分包括配置為從渦輪部分接收排氣的排氣通道和延伸通過渦 輪排氣部分的結構的冷卻氣體通道,以將冷卻氣體輸送至渦輪排氣部分。冷卻氣體具有比 排氣更低的溫度。冷卻氣體包括提取的排氣、從提取的排氣分離的氣體、二氧化碳、一氧化 碳、氮氧化物或其組合。
[0010] 在第四實施方式中,方法包括在渦輪燃燒室的燃燒部分中燃燒燃料與氧化劑和排 氣以生成燃燒產物,使用來自渦輪燃燒室的燃燒產物驅動渦輪,通過排氣部分中的排氣通 道膨脹和冷卻來自渦輪的燃燒產物,和將冷卻氣體從流體供應系統輸送至排氣部分。冷卻 氣體包括提取的排氣、從提取的排氣分離的氣體、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物或其組合
【附圖說明】
[0011] 當參閱附圖閱讀以下發明【具體實施方式】時,本發明的這些和其它特征、方面和優 勢將變得更好理解,其中,貫穿附圖,相同的字符表示相同的部件,其中:
[0012] 圖1是系統的實施方式的圖,所述系統具有連接至烴開采系統的基于渦輪的服務 系統;
[0013] 圖2是圖1的系統的實施方式的圖,其進一步圖解說明了控制系統和聯合循環系 統;
[0014] 圖3是圖1和2的系統的實施方式的圖,其進一步圖解說明了燃氣輪機發動機、排 氣供應系統和排氣加工系統的細節;
[0015] 圖4是用于運行圖1-3的系統的過程的實施方式的流程圖;
[0016] 圖5是燃氣輪機發動機的流體供應系統的圖;
[0017] 圖6是連接至燃氣輪機發動機的流體供應系統的實施方式的圖;
[0018] 圖7是連接至流體供應系統的燃氣輪機發動機的部分的橫截面視圖;和
[0019] 圖8是連接至流體供應系統的燃氣輪機發動機的排氣部分的部分的橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0020] 將在下文描述本發明的一個或多個【具體實施方式】。試圖提供這些實施方式的簡潔 描述,可不在說明書中描述實際實施的全部特征。應當理解的是,在任何這樣的實際實施的 開發中,如在任何工程或設計項目中,必須做出眾多實施特異性的決定以實現開發者的具 體目標,諸如遵守系統相關和商業相關的約束,其可在一個實施與另一個之間改變。而且, 應當理解的是,這樣的開發努力可以是復雜且耗時的,但是對于具有本公開內容的益處的 本領域普通技術人員來說,其將只不過是設計、制作和制造的常規任務。
[0021] 當介紹本發明的各種實施方式的元件時,冠詞"一個(a)"、"一個(an)"、"該/所 述(the)"和"所述(said)"意欲意為存在一個或多個元件。術語"包括(comprising)"、 "包括(including) "和"具有(having) "意欲是開放性的并意為存在除所列元件外的額外 元件。
[0022] 如下文詳細討論的,公開的實施方式一般地涉及具有排氣再循環(EGR)的燃氣輪 機系統,并具體地涉及使用EGR的燃氣輪機系統的化學計量操作。例如,燃氣輪機系統可被 配置為沿著排氣再循環通路再循環排氣,化學計量地燃燒燃料和氧化劑連同再循環的排氣 中的至少一些,并且捕獲排氣以在各種目標系統中使用。排氣的再循環連同化學計量的燃 燒可幫助升高排氣中二氧化碳(C02)的濃度水平,其可然后被后處理以分離和凈化0)2和 氮氣(N2),以在各種目標系統中使用。燃氣輪機系統還可沿著排氣再循環通路應用各種排 氣加工(例如,熱回收、催化劑反應等),從而升高C02的濃度水平、減小其它排放物(例如, 一氧化碳、氮氧化物和未燃燒的烴類)的濃度水平、和提高能量回收(例如,使用熱回收單 元)。此外,燃氣輪機發動機可被配置為使用一個或多個擴散火焰(例如,使用擴散燃料噴 嘴)、預混合火焰(例如,使用預混合燃料噴嘴)或其任意組合燃燒燃料和氧化劑。在某些 實施方式中,擴散火焰可幫助維持穩定性和操作在化學計量的燃燒的某些限制內,其又幫 助提高C02的產量。例如,使用擴散火焰運行的燃氣輪機系統與使用預混合火焰運行的燃 氣輪機系統相比可使得產生更多數量的EGR。轉而,增多數量的EGR幫助提高C02產量。可 能的目標系統包括管道、儲罐、碳封存系統和烴開采系統,諸如提高采收率法采油(E0R)系 統。
[0023] 公開的實施方式提供了使用EGR保護燃氣輪機發動機的組件(例如,經由保護性 氣流)的系統和方法。燃氣輪機發動機可包括在上游端和下游端之間具有一個或多個渦輪 級的渦輪部分。燃氣輪機發動機還可包括布置在渦輪部分的下游端的下游的排氣部分。另 外,燃氣輪機發動機可包括連接至排氣部分的流體供應系統(例如,保護性或惰性氣體供 應)。流體供應系統可輸送保護性氣體(例如,惰性氣體)至燃氣輪機發動機的排氣部分。 例如,保護性氣體可以基本上或完全地不含氧氣、空氣或其任意組合,并且保護性氣體還可 以基本上或完全地不含燃料或未燃燒的烴類。因此,保護性氣體可被描述為無氧或基本無 氧保護性氣體,并且也是無燃料或基本無燃料保護性氣體。保護性氣體可包括惰性氣體,其 可以是稀有氣體(noblegas)或基本不反應氣體。盡管可在公開的實施方式中使用各種保 護性氣體,但是以下討論集中于作為非限制性實例的惰性氣體。由流體供應系統輸送的惰 性氣體的實例包括,但不限于,氮氣、二氧化碳、氬氣、排氣或其任意組合。惰性氣體可被用 于在排氣部分的各種結構和組件中冷卻、吹掃、流體密封或稀釋腔。例如,由流體供應系統 輸送的惰性氣體可被用于冷卻外護罩腔、內護罩腔、葉片、軸承腔或其任意組合。惰性氣體 可經由連接至流體供應系統的惰性氣體通道,從流體供應系統被輸送至這些結構或組件中 的一個或多個。
[0024] 由于輸送自流體供應系統的惰性氣體的溫度可以小于流經排氣部分的排氣通道 的排氣的溫度,惰性氣體可幫助冷卻排氣部分的結構和組件。因而,惰性氣體可幫助延長排 氣部分的結構和組件的壽命。在冷卻排氣部分的組件和結構后,惰性氣體可與流經排氣部 分的排氣通道的排氣結合。在某些實施方式中,相對于其它冷卻流體,諸如空氣,在排氣部 分中使用惰性氣體用于冷卻可提供數個優勢。例如,可在某些應用中使用來自燃氣輪機發 動機的排氣,其中排氣中氧氣的低濃度是期望的。與空氣相比,惰性氣體可包括極少至不包 括氧氣。因而,使用惰性氣體用于排氣部分的冷卻可引入極少至無氧氣的排氣。此外,可在 燃氣輪機發動機的排氣部分使用各種機油和潤滑油。在排氣部分的冷卻期間,惰性氣體可 與潤滑油或機油中的一個或多個接觸。與空氣相比,惰性氣體可極少至不造成機油和/或 潤滑油的劣化。換句話說,惰性氣體通常不與機油和/或潤滑油反應。因而,使用惰性氣體 用于冷卻排氣部分可延長在排氣部分中使用的機油和潤滑油的壽命。額外地或可選地,當 將惰性氣體用于冷卻時,可在排氣部分中使用較便宜的機油和/或潤滑油。另外,惰性氣體 可被用于幫助清除和/或稀釋泄漏進排氣部分的腔內的排氣。額外地或可選地,惰性氣體 可被用于對腔增壓以抵抗泄漏排氣進入腔內。
[0025]圖1是具有與基于渦輪的服務系統14相關聯的烴開采系統12的系統10的實施方 式的圖。如在下文進一步細節中討論的,基于渦輪的服務系統14的各種實施方式被配置為 向烴開采系統12提供各種服務,諸如電功率、機械功率和流體(例如,排氣),以促進油和/ 或氣的開采或回收。在圖解說明的實施方式中,烴開采系統12包括連接至地下儲層20(例 如,油、氣或烴儲層)的油/氣提取系統16和提高采收率法采油(E0R)系統18。油/氣提 取系統16包括連接至油/氣井26的各種地面設備22,諸如采油樹或生產樹24。此外,井 26可包括通過土地32中的鉆探孔30延伸至地下儲層20的一個或多個管件(tubular) 28。 采油樹24包括一個或多個閥門、節流器、隔離套筒、防噴器和各種流速控制裝置,其調節壓 力和控制至地下儲層20和來自地下儲層20的流動。雖然采油樹24通常被用于控制來自 地下儲層20的開采流體(例如,油或氣)的流動,但是E0R系統18可通過向地下儲層20 注入一種或多種流體增加油或氣的開采。
[0026] 因此,E0R系統18可包括流體注入系統34,其具有通過土地32中的鉆孔38延伸 至地下儲層20的一個或多個管件36。例如,E0R系統18可將一種或多種流體40,諸如氣 體、蒸汽、水、化學品或其任意組合,輸送至流體注入系統34內。例如,如在下文進一步細節 中討論的,E0R系統18可連接至基于渦輪的服務系統14,使得系統14將排氣42 (例如,基 本上或完全地不含氧氣)用作注入流體40輸送至E0R系統18。如箭頭44所指示的,流體 注入系統34將流體40 (例如,排氣42)通過一個或多個管件36輸送至地下儲層20內。注 入流體40通過管件36進入地下儲層20,所述管件36距離油/氣井26的管件28偏距46。 因此,如箭頭50所指示的,注入流體40驅替布置在地下儲層20中的油/氣48,并且驅動 油/氣48向上通過烴開采系統12的一個或多個管件28。如在下文進一步細節中討論的, 注入流體40可包括起源于基于渦輪的服務系統14的排氣42,所述基于渦輪的服務系統14 能夠通過烴開采系統12根據需要現場生成排氣42。換句話說,基于渦輪的系統14可同時 地生成烴開采系統12使用的一個或多個服務(例如,電功率、機械功率、蒸汽、水(例如,淡 化水)和排氣(例如,基本上不含氧氣)),從而減少或消除對外部來源的這類服務的依賴。
[0027] 在圖解說明的實施方式中,基于渦輪的服務系統14包括化學計量的排氣再循環 (SEGR)燃氣輪機系統52和排氣(EG)加工系統54。燃氣輪機系統52可被配置為以化學 計量的燃燒模式的操作(例如,化學計量控制模式)和非化學計量的燃燒模式的操作(例 如,非化學計量控制模式)運轉,諸如貧油控制模式或富油控制模式。在化學計量控制模式 中,燃燒通常以燃料和氧化劑的基本化學計量比發生,從而導致基本化學計量的燃燒。具體 而言,化學計量的燃燒通常涉及在燃燒反應中基本上消耗全部的燃料和氧化劑,使得燃燒 產物基本上或完全地不含未燃燒的燃料和氧化劑。化學計量的燃燒的一個測量是當量比 或Cp(☆),其是實際燃料/氧化劑比相對于化學計量的燃料/氧化劑比的比率。大于1. 〇 的當量比導致燃料和氧化劑的富油燃燒,而小于1. 〇的當量比導致燃料和氧化劑的貧油燃 燒。相比之下,1.0的當量比導致既不是富油也不是貧油的燃燒,從而在燃燒反應中基本上 消耗全部的燃料和氧化劑。在公開的實施方式的上下文中,術語化學計量或基本化學計量 可以是指大約〇. 95至大約1. 05的當量比。然而,公開的實施方式還可包括1. 0±0. 01、 0. 02、0. 03、0. 04、0. 05或更多的當量比。另外,基于渦輪的服務系統14中的燃料和氧化劑 的化學計量的燃燒可導致基本上沒有未燃燒的燃料或氧化劑剩余的燃燒產物或排氣(例 如,42)。例如,排氣42可具有按體積計小于百分之1、2、3、4或5的氧化劑(例如,氧氣)、 未燃燒的燃料或烴類(例如,HC)、氮氧化物(例如,NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如, SOx)、氫氣和不完全燃燒的其它產物。進一步的實例,排氣42可具有按體積計小于大約百萬 分之(ppmv)10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000 或5000的氧化劑(例如,氧氣)、未燃燒的燃料或烴類(例如,HC)、氮氧化物(例如,NOx)、 一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如,SOx)、氫氣和不完全燃燒的其它產物。然而,公開的實施 方式還可產生其它范圍的殘余燃料、氧化劑和排氣42中的其它排放污染程度。如本文使用 的,術語排放物、排放污染程度和排放目標是指某些燃燒產物(例如,N0X、CO、S0X、02、N2、H2、 HC等)的濃度水平,其可存在于再循環氣流、排放氣流(例如,排入大氣中)和各種目標系 統(例如,烴開采系統12)中使用的氣流。
[0028] 盡管SEGR燃氣輪機系統52和EG加工系統54在不同實施方式中可包括各種組件, 但是圖解說明的EG加工系統54包括熱回收蒸汽發生器(HRSG) 56和排氣再循環(EGR)系 統58,其接收并處理來源自SEGR燃氣輪機系統52的排氣60。HRSG56可包括一個或多個 熱交換器、冷凝器和各種熱回收設備,其共同地作用以將熱從排氣60轉移至水流,從而生 成蒸汽62。可在一個或多個蒸汽渦輪、E0R系統18或烴開采系統12的任何其它部分中使 用蒸汽62。例如,HRSG56可生成低壓、中壓和/或高壓蒸汽62,其可被可選擇地施加于低、 中和高壓蒸汽渦輪級,或者E0R系統18的不同應用。除蒸汽62外,可由HRSG56、EGR系統 58和/或EG加工系統54的另一個部分或SEGR燃氣輪機系統52生成處理過的水64,諸如 淡化水。處理過的水64(例如,淡化水)在水短缺區域,諸如內陸或沙漠地區可以是特別有 用的。由于SEGR燃氣輪機系統52內大體積的空氣驅動的燃料燃燒,可至少部分地生成處 理過的水64。雖然蒸汽62和水64的現場生成在許多應用(包括烴開采系統12)中可以是 有利的,但是由于其來源自SEGR燃氣輪機系統52的低氧氣含量、高壓和熱,排氣42、60的 現場生成對E0R系統18可以是特別有利的。因此,HRSG56、EGR系統58和/或EG加工系 統54的另一個部分可輸出或再循環排氣66進入SEGR燃氣輪機系統52,同時還輸送排氣 42至E0R系統18用于烴開采系統12。同樣地,可直接從SEGR燃氣輪機系統52提取排氣 42 (S卩,不穿過EG加工系統54)以在烴開采系統12的E0R系統18中使用。
[0029] 排氣再循環由EG加工系統54的EGR系統58處理。例如,EGR系統58包括一個或 多