用于涡轮发动机的废气再循环EGR的系统和方法.pdf

本发明涉及用于涡轮发动机的废气再循环(EGR)的系统和方法。该系统和方法可包括在压缩机的输入处经由进入区段接收进入空气，在压缩机处利用接收的进入空气产生压缩空气，和从压缩机向燃烧器提供压缩空气，其中，燃烧器进行涉及压缩空气和燃料的燃烧。该系统和方法还可包括在涡轮构件处接收与燃烧相关的燃烧产物，其中，涡轮构件释放废气，并且经由再循环管线将废气的至少一部分再循环至进入区段，其中再循环的废气提高进入空气的温度。

1.  一种用于废气再循环的方法，包括：
在压缩机(103，403或503)的输入处经由进入区段接收进入空气(202)；
利用接收的进入空气在所述压缩机处(103，403或503)处产生压缩空气(202)；
将所述压缩空气从所述压缩机(103，403或503)提供至燃烧器(104，404或504)(204)，其中，所述燃烧器(104，404或504)进行涉及所述压缩空气和燃料的燃烧；
在涡轮构件(106，406或506)处接收与所述燃烧相关的燃烧产物(206)，其中，所述涡轮构件释放废气；和
经由再循环管线将所述废气的至少一部分再循环至所述进入区段(210)，其中，再循环的废气提高所述进入空气的温度。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废气由所述涡轮构件(406，506)释放至热回收蒸汽发生器(HRSG)(408，508)，其中从所述HRSG(408，508)引导所述废气的再循环部分。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述废气是第一废气，并且所述HRSG(408，508)再加热用于蒸汽涡轮(409，509)的冷凝蒸汽，以及来自所述蒸汽涡轮的第二废气的至少一部分被引导至所述再循环管线。

4.  根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在控制模块(302)处从传感器(306)接收温度数据，其中至少部分地基于接收的温度数据，所述控制模块(302)可运行以控制经由所述再循环管线而再循环至所述进入区段的废气量。

5.  一种用于废气再循环的系统，包括：
压缩机(103，403或503)，其中，所述压缩机(103，403或503)经由进入区段接收进入空气并利用接收的进入空气产生压缩空气；
燃烧器(104，404或504)，其接收燃料和由所述压缩机(103，403或503)产生的压缩空气，其中，所述燃烧器(104，404或504)进行涉及所述压缩空气和燃料的燃烧；
涡轮构件(106，406或506)，其接收与所述燃烧相关的燃烧产物，其中，所述涡轮构件释放废气；和
再循环管线，其用于将所述废气的至少一部分循环至所述进入区段，其中，再循环的废气提高所述进入空气的温度。

6.  根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述废气由所述涡轮构件(406或506)释放至热回收蒸汽发生器(HRSG)(408，508)，其中从所述HRSG(408或508)引导所述废气的再循环部分。

7.  根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述废气是第一废气，并且所述HRSG(408或508)再加热用于蒸汽涡轮的冷凝蒸汽，以及来自所述蒸汽涡轮的第二废气的至少一部分被引导至所述再循环管线。

8.  根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述再循环管线包括热交换器(111，413或515)，其可运行以降低所述再循环管线中的废气的温度。

9.  根据权利要求5所述的系统，所述系统还包括：
控制模块(302)，其中，所述控制模块(302)从传感器接收温度数据，并且至少部分地基于接收的温度数据来控制阀(110，412或512-514)，所述阀用于经由再循环管线将所述废气的至少一部分再循环至所述进入区段。

10.  根据权利要求5所述的系统，所述系统还包括：
催化转化器，其用于处理由所述涡轮构件(106，406或506)释放的所述废气，其中，所述催化转化器从所述废气中去除污染物。

用于涡轮发动机的废气再循环(EGR)的系统和方法
技术领域
本发明的实施例的方面大体上涉及涡轮发动机，尤其涉及用于涡轮发动机的废气再循环(EGR)的使用。
背景技术
燃气涡轮发动机通常被调整至最优温度范围。如果在涡轮发动机的进口处的周围温度偏离最优温度范围，则燃气涡轮发动机和/或联合循环可在效率、性能、输出、应力等方面经历不希望的变化。因此，本行业需要在一定条件下将涡轮发动机进口的周围温度维持为最优温度，以便减小运行变化。
发明内容
本发明的实施例的技术效果可以是减小运行变化和/或对涡轮发动机和/或联合循环的影响。
根据本发明的实例性实施例，可存在用于废气再循环的方法。该方法可包括经由进入区段在压缩机的输入处接收进入空气，利用接收的进入空气在压缩机处产生压缩空气，和从压缩机向燃烧器提供压缩空气，其中燃烧器进行涉及压缩空气和燃料的燃烧。该方法还可包括在涡轮构件处接收与燃烧相关的燃烧产物并经由再循环管线将至少一部分废气再循环至进入区段，其中涡轮构件释放废气，再循环废气提高进入空气的温度。
根据本发明的另一实例性实施例，可存在用于废气再循环的系统。该系统可包括：压缩机，该压缩机经由进入区段接收进入空气并利用接收的进入空气产生压缩空气；燃烧器，该燃烧器接收燃料和由压缩机产生的压缩空气，其中燃烧器进行涉及压缩空气和燃料的燃烧；和涡轮构件，该涡轮构件接收与燃烧相关的燃烧产物，其中涡轮构件释放废气。该系统还可包括用于将至少一部分废气循环至进入区段的再循环管线，其中再循环的废气提高进入空气的温度。
根据本发明的又一实例性实施例，可存在用于废气再循环的系统。该系统可包括：压缩机，该压缩机经由进入区段接收进入空气并利用接收的进入空气产生压缩空气；燃烧器，该燃烧器接收燃料和由压缩机产生的压缩空气，该燃烧器进行涉及压缩空气和燃料的燃烧；涡轮构件，该涡轮构件接收与燃烧相关的燃烧产物，该涡轮构件释放废气；和用于将至少一部分废气循环至进入区段的装置，其中再循环的废气提高进入空气的温度。
附图说明
如此已概括地描述了本发明的方面，现在将对不必按比例绘制的附图作出参考，其中：
图1示出根据本发明的实例性实施例、利用废气再循环的涡轮系统的实例。
图2示出根据本发明的实例性实施例的图1的涡轮系统的运行。
图3示出根据本发明的实例性实施例、用于运行燃气涡轮发动机的控制模块，该燃气涡轮发动机包括用于燃气涡轮发动机的废气再循环。
图4和图5示出根据本发明的实例性实施例、利用废气再循环的涡轮系统的可选实例。
图6提供根据本发明的实例性实施例、表示周围温度变化对燃气涡轮输出(kW)、效率(EFF)和联合循环(cc)的影响。
部件列表：
100：系统
102：涡轮发动机
103：压缩机
104：燃烧器
105：转子或轴
106：涡轮构件
108：发电机
110：阀
111：交换器
112：过滤器
202-212：块
302：控制模块
304：促动器
306：传感器
400：涡轮系统
402：燃气涡轮发动机
403：压缩机
404：燃烧器
405：转子或轴
406：涡轮构件
408：发电机
409：蒸汽涡轮发动机
410：驱动发电机
411：转子或轴
412：阀
413：冷却器
414：过滤器
500：涡轮系统
502：燃气涡轮发动机
503：压缩机
504：燃烧器
505：转子或轴
506：涡轮构件
508：热回收蒸汽发生器
509：蒸汽涡轮发动机
510：发电机
511：转子或轴
512-514：阀
602：ISO日
具体实施方式
在下文中将参考示出本发明的某些实施例的附图更充分地描述本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应解释成局限于在此提出的实施例；相反地，提供这些实施例，以便本公开详尽和完全，并且向本领域的普通技术人员充分表达本发明的范围。在整个说明书中相同的附图标记指示相同的元件。
通常，本发明的实施例可提供用于将废气再循环至涡轮发动机的进气(例如进口)的系统和方法。根据本发明的实例性实施例，通过使废气再循环，可适当地提高涡轮发动机的进入空气的周围温度。实际上，废气的再循环可允许减小运行变化和对涡轮发动机的硬件的影响。根据本发明的实例性实施例，再循环的实例性方面可包括以下的一个或多个：除冰(de-icing)、降低燃烧动态性、消除宽范围的周围温度范围调整、消除或减小对进口放热(bleed heat)(IBH)的需求、减小转子上的过度应力、使压缩机喘振的危险最小。
图1示出根据本发明的实例性实施例、利用废气再循环的涡轮系统100的实例。在图1中，根据本发明的实例性实施例，存在诸如燃气涡轮发动机的涡轮发动机102，其包括压缩机103、燃烧器104、转子或轴105、涡轮构件106和发电机108。转子或轴105可物理地连接压缩机103和涡轮构件106。根据本发明的实例性实施例，压缩机103和涡轮构件106、或者它们的至少一部分可与转子或轴105一起旋转。同样地，发电机108(例如载荷)可连接到转子或轴105。应意识到的是，尽管图1示出发电机108位于涡轮发动机102的前部，但这种图示仅用于示意性目的，并且在不偏离本发明的实施例的情况下，发电机108可同样地位于涡轮发动机的后部。
现在将参考图2的流程图讨论图1的涡轮系统的运行。在块202处，压缩机103经由涡轮发动机102的进入区段接收进入空气。当进入空气通过压缩机103时，空气的压力增加并且在压缩机103的出口处产生压缩空气。可将在压缩机103的出口处产生的压缩空气、或该压缩空气的至少一部分提供至燃烧器104。在本发明的实例性实施例中，压缩机103可包括用于使空气通过压缩机以产生压缩空气的多个旋转风扇叶片。
在块204处，燃烧器104可接收压缩空气和诸如石油基燃料(例如煤油、喷气燃料等等)、丙烷、天然气、或另外的燃料或燃气的燃料。通常，燃烧器104可利用压缩空气和燃料进行燃烧。由于燃烧而可产生诸如热气的燃烧产物。然后将燃烧产物从燃烧器104提供到或排出到涡轮构件106，如块206所示。根据本发明的实例性实施例，燃烧产物可通过涡轮构件106，并使涡轮构件106的叶片运动(例如旋转)。在本发明的实施例中，涡轮构件106的叶片的运动可经由转子或轴105同样地驱动压缩机103和发电机108。然后废气经由涡轮发动机102的排出区段由涡轮构件106释放。根据本发明的实例性实施例，废气可在150-180华氏温度(大约65.56-82.22摄氏温度)的范围内。但是，在本发明的其它实施例中，废气也可在其它温度范围中，包括低于150华氏温度(大约65.56摄氏温度)或高于180华氏温度(大约82.22摄氏温度)的温度。尽管在此介绍了示意性的温度范围，但应意识到的是，这些温度范围仅用于示意性目的并且不用于限制与本发明的实例性实施例相关的运行温度范围。
在块208处，与涡轮发动机102相关的控制模块可能经由温度传感器可确定涡轮发动机的进入区段处的周围温度是否低于最佳的或期望的/预定的温度或温度范围(例如ISO进口温度)。如果控制模块确定需要提高进入区段处的温度，则控制模块可允许废气的至少一部分被引入或引导到由一个或多个阀110控制的再循环管线(例如管道)中，如块210所示。通过调节一个或多个阀110的位置(例如关闭、一个或多个打开位置)，可相应地调节再循环的废气量。例如，在本发明的示意性实施例中，可将范围10％至60％的废气引导至再循环管线。应意识到的是，在不偏离本发明的实施例的情况下，可将再循环废气的范围调节至10％至60％的示意性范围之外。根据本发明的实例性实施例，在涡轮发动机102的进口(例如进气)与排气之间可能存在压差，因此，不需要使再循环的废气沿再循环管线运动到涡轮发动机102的进入区段的增压。但是，在本发明的替代实施例中，可能由一个或多个风扇产生的增压可用于使废气同样地在再循环管线中运动或附加地运动。
另外，根据本发明的实例性实施例，再循环管线可任选地包括热交换器111与过滤器112中的一个或两个。热交换器111可在废气被提供至进入区段之前降低或减低再循环管线中的废气的温度。根据本发明的实例性实施例，热交换器111可以是冷却器。同样地，过滤器112可运行，以从再循环的废气中去除颗粒物质。还应意识到的是，催化转化器可作为用于废气的后处理任选地设置在再循环管线中或者在废气进入再循环管线之前。催化转化器可运行，以从废气中去除污染物。例如，可利用选择性催化还原(SCR)催化转化器从废气中去除氮氧化物(NO_X)。
仍然参考块210，可将未引导至再循环管线的所有废气提供至与涡轮构件106相关的排气管107，该排气管107可能将废气释放到大气中。应意识到的是，在本发明的替代的实施例中，还可重新捕获废气，用于驱动蒸汽涡轮或其它装置。
返回参考块208，控制模块可能确定不需要提高进入区段处的温度，在这种情况下废气被提供至排气管107，如块212所示。然而，应意识到的是，替代地，可重新捕获废气，以用于驱动蒸汽涡轮。
将参考图3进一步详细地描述使燃气涡轮发动机运行的控制模块，该燃气涡轮发动机包括用于燃气涡轮发动机的废气再循环。如图3所示，诸如基于模型的控制模块(MBC)的控制模块可从一个或多个传感器306接收数据并向一个或多个促动器304以及再循环管线的控制阀110和热交换器111提供控制信号。根据本发明的实例性实施例，促动器可根据涡轮发动机102的期望运行对涡轮发动机102的燃料流、进口导叶位置和进口放热气流进行调节。传感器306可包括温度传感器，其确定涡轮发动机102的进入区段(例如压缩机的输入)处、涡轮发动机的排出区段处、和涡轮发动机102上或周围的其它位置处的周围温度。应意识到的是，传感器306还可包括其它传感器，包括用于检测压缩机排出压力(PCD)、压缩机排出温度(TCD)和输出功率(MW)的传感器。
根据本发明的实例性实施例，进入区段处的温度传感器102可向控制模块302提供温度数据。基于该温度传感器，控制模块302可确定进入区段处的周围温度是否低于最优的或期望的/预定的温度或温度范围。在该情形下，控制模块302可通过利用一个或多个控制信号调节阀110的位置(例如将阀110设置于一个或多个打开位置)来增加引导至再循环管线的废气量。同样地，控制模块302还可根据需要使热交换器111运行，以降低再循环管线中的废气的温度。根据本发明的实例性实施例，热交换器111还可包括用于去除由热交换器111的运行产生的冷凝物的机构。
应意识到的是，可对以上参考图1-3讨论的涡轮系统作出许多变型。尽管以下图4和图5示出涡轮系统的某些替代实施例，但应意识到的是，在不偏离本发明的实施例的情况下可存在更进一步的变型。
图4示出根据本发明的实例性实施例、包括燃气涡轮发动机402和蒸汽涡轮发动机409的涡轮系统400。如图4所示，根据本发明的实例性实施例，类似于图1的涡轮发动机102的燃气涡轮发动机402可包括压缩机403、燃烧器404、转子或轴405、涡轮构件406和发电机408。根据本发明的实例性实施例，来自涡轮构件406的废气可提供至热回收蒸汽发生器(HSRG)408，以再加热来自蒸汽涡轮发动机409的蒸汽。特别地，可通过HSRG 408从蒸汽涡轮发动机409接收冷凝蒸汽，并且可将再加热的蒸汽返回至蒸汽涡轮发动机409。然后蒸汽涡轮发动机409可经由转子或轴411驱动发电机410。根据蒸汽涡轮再循环管线，同样地可将来自蒸汽涡轮409的废气返回地再循环至HSRG 408。
根据本发明的实例性实施例，可从HSRG 408提供引导至用于燃气涡轮发动机402的再循环管线的废气。特别地，根据本发明的实例性实施例，控制模块可调节阀412，以便引导由HSRG 408捕获的废气的至少一部分的再循环。如图4所示，HSRG 408处的这些废气的来源可包括燃气涡轮发动机402和/或蒸汽涡轮409。废气的附加源可以是HSRG 408内的一个或多个加热元件。根据本发明的实例性实施例，除对阀412进行控制之外，控制模块还可使冷却器413运行，以降低用于燃气涡轮发动机402的再循环管线的废气的温度。还应意识到的是，如果过滤器414是电子操作式过滤器，则它可同样地由控制模块控制，以帮助从再循环管线中的废气中去除颗粒物质。
图5示出根据本发明的实例性实施例、包括燃气涡轮发动机502和蒸汽涡轮发动机509的涡轮系统500。根据本发明的实例性实施例，类似于图1的涡轮发动机102的燃气涡轮发动机502可包括压缩机503、燃烧器504、转子或轴505、涡轮构件506和发电机510。根据本发明的实例性实施例，来自涡轮构件506的废气可提供至热回收蒸汽发生器(HSRG)508，以再加热来自蒸汽涡轮发动机509的蒸汽。特别地，可通过HSRG 508从蒸汽涡轮发动机509接收冷凝蒸汽，并且再加热的蒸汽可被返回至蒸汽涡轮发动机509。然后蒸汽涡轮发动机509可经由转子或轴511驱动发电机510。
如图5所示，可存在三个阀，其可控制废气到燃气轮机502的进入区段的再循环。例如，阀512和513可确定是否将来自蒸汽涡轮509的废气引导至HSRG 508、引导至用于燃气轮机502的进入区段的再循环管线、或引导至两者。例如，如果阀512关闭而阀513打开，则废气将被提供至进入区段，而不提供至HRSG 508。替代地，阀512和513可都打开，可将废气的第一部分引导至HSRG 508，而可将废气的第二部分引导至用于燃气轮机502的进入区段的再循环管线。另一方面，阀513可关闭而阀512可打开，以将废气引导至HSRG 508，而不引导至用于燃气轮机502的进入区段的再循环管线。另外，可设置阀514，以控制经由再循环管线从HSRG 508朝涡轮502的进入区段引导的废气的量。根据本发明的实例性实施例，控制模块可确定引向用于燃气涡轮发动机502的进入区段的再循环管线的废气的来源，即来自HSRG 508和/或蒸汽涡轮509。例如，如果进气处的温差较大，则可从HSRG 508为再循环管线提供较高温度的废气。另一方面，如果进气处的温差较小，则可从蒸汽涡轮509为再循环管线提供较低温度的废气。
应意识到在此描述的涡轮系统的许多变型。根据本发明的替代实施例，再循环的废气可以不与进入空气直接混合以提高进入空气的温度。相反，可经由一个或多个散热机构、包括与再循环管线相关的散热器或散热片从再循环管线中的再循环废气获取热。这样，可以不需要将诸如NO_X的性能降低的气体引入涡轮系统。
图6提供根据本发明的实例性实施例、表示周围温度变化对燃气涡轮输出(kW)、效率(EFF)和联合循环(cc)的影响。如图6所示，最佳温度可位于ISO日602的温度处或附近。根据本发明的实例性实施例，ISO日602(或标准日)的温度可为大约59°F。
通过受益于前述说明书和相关附图的教导，本发明所属领域的技术人员将想起在此提出的发明的许多其它变型和其它实施例。因此，要理解的是，本发明不局限于公开的特定实施例，并且意图使变型和其它实施例包括在权利要求的范围内。尽管在此采用了特定术语，但它们只用于一般的和描述性的意义，而不是为了进行限制。