專利名稱：功率裝置的制作方法
技術領域：
在此公開的主題涉及功率裝置，并且更具體地涉及包括廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)的功率裝置，該廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)朝向燃燒器再循環(huán)由燃氣渦輪發(fā)動機生成的廢氣的一部分。
背景技術：
當燃料利用來自渦輪壓縮機的空氣燃燒或者氧化時，氮氧化物(NOx)在燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器中生成，該空氣通常包括比用于燃燒所需的量更大的氧氣量。此過量的氧氣和高火焰溫度可產(chǎn)生NOx排放。與來自壓縮機的空氣相比，作為燃燒的結(jié)果生成的燃氣渦輪發(fā)動機廢氣包含更少的氧氣和大量的諸如氮氣和二氧化碳的惰性氣體。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供功率裝置，其包括具有燃燒器的燃氣渦輪發(fā)動機，壓縮氣體和燃料在該燃燒器中混合并燃燒；第一和第二供應線，其分別聯(lián)接于燃燒器并且分別構(gòu)造成供應壓縮氣體和燃料到燃燒器；和廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其朝向燃燒器再循環(huán)由燃氣渦輪發(fā)動機生成的廢氣。EGR系統(tǒng)聯(lián)接于第一和第二供應線并且構(gòu)造成將再循環(huán)廢氣的第一和第二部分分別與在第一和第二供應線處的壓縮氣體和燃料結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供功率裝置，其包括壓縮機，壓縮氣體沿著第一供應線從該壓縮機輸出；第二供應線，其構(gòu)造成提供燃料用于燃燒；燃燒器，其聯(lián)接于第一和第二供應線，壓縮氣體和燃料在該燃燒器中混合并且燃燒；渦輪，其可接納燃燒產(chǎn)物用于功率生成，燃燒產(chǎn)物作為廢氣從該渦輪輸出；和廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其朝向燃燒器再循環(huán)廢氣的一部分。該EGR系統(tǒng)包括第一導管，其聯(lián)接于第一供應線，廢氣的再循環(huán)部分的第一部分通過該第一導管與壓縮氣體結(jié)合；和第二導管，其聯(lián)接于第二供應線，廢氣的再循環(huán)部分的第二部分通過該第二導管與燃料結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供功率裝置，其包括壓縮機，壓縮氣體沿著第一供應線從壓縮機輸出；第二供應線，其構(gòu)造成提供燃料用于燃燒；燃燒器，其聯(lián)接于第一和第二供應線，該燃燒器包括預混合器和襯套，壓縮氣體和燃料在該預混合器中混合以產(chǎn)生混合物，混合物在該襯套中燃燒；渦輪，其可接納燃燒產(chǎn)物用于功率生成，燃燒產(chǎn)物作為廢氣從該渦輪輸出；和廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其朝向燃燒器再循環(huán)廢氣的一部分。該EGR系統(tǒng)包括第一導管，其聯(lián)接于第一供應線，廢氣的再循環(huán)部分的第一部分通過該第一導管與壓縮氣體結(jié)合；第二導管，其聯(lián)接于第二供應線，廢氣的再循環(huán)部分的第二部分通過該第二導管與燃料結(jié)合；和第三導管，其聯(lián)接于預混合器，廢氣的再循環(huán)部分的第三部分通過第三導管引導至預混合器。這些和其它優(yōu)點和特征從結(jié)合附圖的以下描述中將會變得更顯而易見。


被視為本發(fā)明的主題在本說明書的結(jié)尾處的權(quán)利要求中特別地指出和清楚地主張。本發(fā)明前述的和其它特征以及優(yōu)點從結(jié)合附圖的以下詳細描述中顯而易見，在附圖中
圖1是根據(jù)實施例的功率裝置的一部分的示意圖；和 圖2是根據(jù)另外實施例的圖1的功率裝置的燃燒器的示意圖。詳細的描述經(jīng)由示例參照附圖解釋本發(fā)明的示范性實施例連同優(yōu)點和特征。部件列表
10功率裝置
20燃氣渦輪發(fā)動機
30壓縮機
300出口
35第一供應線
36第二供應線
37稀釋劑流
40燃燒器400 預混合器
41內(nèi)部45 導管
50渦輪
51軸
52發(fā)電機55 導管60 HRSG
70EGR系統(tǒng)
71、72、73熱交換器 75分流器
80EGR導管
90EGR壓縮機
100第二分流器
110第一導管
120第二導管
130第三導管
140第四導管
150第三分流器
160ASU 161熱交換器
170空氣膨脹器。
具體實施例方式在高效率燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器中的諸如無碳合成氣體(在下文中提作“合成氣”)的高氫燃料的燃燒可生成相對高水平的熱的氮氧化物(NOx)并且需要被控制或減少。這種減少可通過在高氫或類似燃料和最初的燃燒空氣中混合再循環(huán)的冷卻的燃氣渦輪發(fā)動機廢氣而達成。參照圖1，提供功率裝置10。該功率裝置10包括燃氣渦輪發(fā)動機20，其由于在燃燒期間的高溫流體的生成而產(chǎn)生功率和/或電力；和廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)70，其再循環(huán)由燃氣渦輪發(fā)動機20生成的廢氣。燃氣渦輪發(fā)動機20包括壓縮機30、燃燒器40和渦輪50。該壓縮機30構(gòu)造成壓縮入口氣體并且具有出口 300，那些壓縮氣體通過該出口 300輸出。第一供應線35聯(lián)接于壓縮機30的出口 300，由此壓縮氣體沿著第一供應線35朝向燃燒器40從壓縮機30輸出。提供第二供應線36，其構(gòu)造成提供燃料用于燃燒。燃燒器40可操作地聯(lián)接于第一供應線35和第二供應線36，使得燃燒器40可接納壓縮氣體和燃料。燃燒器40形成以限定內(nèi)部41，壓縮氣體和燃料在內(nèi)部41中混合并且燃燒以生成作為燃燒產(chǎn)物的高溫壓縮流體。導管45運輸這些高溫壓縮流體到渦輪50，使得渦輪50可接納高溫壓縮流體。渦輪50使高溫流體膨脹以使軸51旋轉(zhuǎn)，這使功率和/或電力能夠在發(fā)電機52中產(chǎn)生。渦輪50然后輸出作為廢氣的膨脹和相對低溫的流體到導管55。在功率裝置10為聯(lián)合循環(huán)功率裝置的情形下，熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)60可沿著導管55布置。在這種情況下，HRSG60可接納廢氣并且構(gòu)造成產(chǎn)生蒸汽，功率和/或電力可由該蒸汽在蒸汽渦輪中產(chǎn)生。EGR系統(tǒng)70在可為HRSG60的上游或下游的位置處經(jīng)由第一分流器75而聯(lián)接于導管55。該EGR系統(tǒng)70構(gòu)造成朝向燃燒器40再循環(huán)來自導管55的廢氣的一部分。為此，EGR系統(tǒng)70包括EGR導管80，廢氣沿著其運輸；和EGR壓縮機90，其沿著EGR導管80布置并且構(gòu)造成在廢氣再循環(huán)回到燃燒器40之前壓縮廢氣。還可包括熱交換器71、72和73，并且該熱交換器71、72和73可沿著EGR導管80布置以冷卻EGR系統(tǒng)70中的廢氣。還可提供在圖中未示出的另外的熱交換器。EGR系統(tǒng)70還包括第二分流器100以及第一和第二導管110和120。第一導管110聯(lián)接于第二分流器100和第一供應線35。第一導管110運輸再循環(huán)廢氣的第一部分到第一供應線35，由此再循環(huán)廢氣的第一部分可與從壓縮機30輸出的壓縮氣體結(jié)合。第二導管120也聯(lián)接于第二分流器100和第二供應線36。第二導管120運輸再循環(huán)廢氣的第二部分到第二供應線36，由此再循環(huán)廢氣的第二部分可與燃料結(jié)合。根據(jù)一個方面，由第二供應線36供應的燃料類型可包括但不限于，天然氣、摻雜的天然氣(即例如與一些丙烷混合的天然氣)、液體燃料、合成氣和高氫燃料中的至少一種或多種。在所有情況下，再循環(huán)廢氣的第一和第二部分的分別的量值可根據(jù)燃料的類型和/或功率裝置10的操作模式(即起動、基準(baseline)、關閉等)而決定。根據(jù)實施例，可構(gòu)造成攜帶諸如氮、二氧化碳或蒸汽的稀釋劑供應的稀釋劑流37或其部分可添加到第一供應線35、第二供應線36和/或EGR系統(tǒng)70的任何導管(即第一導管110和第二導管120以及第三導管130和第四導管140，它們在下面描述)。該稀釋劑流37可構(gòu)造成提供稀釋劑到第一供應線35、第二供應線36和/或EGR系統(tǒng)70的任何導管，以從而減少在燃燒器40的內(nèi)部41中的過量的氧氣。根據(jù)另外的實施例，燃燒器40可包括預混合器400，壓縮氣體和燃料在作為混合物注入到燃燒器40的內(nèi)部41的燃燒區(qū)域中之前在該預混合器400中混合。第一和第二導管110和120在預混合器400上游的相應位置處分別聯(lián)接于第一和第二供應線35和36。此外，該EGR系統(tǒng)70還可包括第三導管130，其聯(lián)接于第二分流器100和預混合器400，使得第三導管130運輸再循環(huán)廢氣的第三部分到預混合器400，由此再循環(huán)廢氣的第三部分可與壓縮氣體和燃料的混合物結(jié)合。參照圖2，并且根據(jù)另外的實施例，燃燒器40可包括在燃燒器40的多個軸向隔開的級處的多個預混合器400，壓縮氣體和燃料在作為混合物注入到燃燒器40的內(nèi)部41的燃燒區(qū)域的多個軸向級中之前在預混合器400中混合。在這些實施例中，EGR系統(tǒng)70還可包括第四導管140，其各聯(lián)接于第二分流器100和多個預混合器400中的相應預混合器。因此，第四導管140運輸再循環(huán)廢氣的第四部分到多個預混合器400，由此再循環(huán)廢氣的第四部分可與壓縮氣體和燃料的混合物結(jié)合，如上所述。參照回到圖1，從壓縮機30輸出的壓縮氣體的一部分可在第三分流器150處從第一供應線35抽吸。該抽吸用來考慮由EGR系統(tǒng)70再循環(huán)的再循環(huán)廢氣的額外的體積，使得渦輪50不過載。也就是說，抽吸部分的量值根據(jù)廢氣的再循環(huán)部分的數(shù)量而決定。如圖1所示，抽吸部分可引導到空氣分離單元160和/或空氣膨脹器170中的一個。在抽吸部分引導到空氣分離單元160的情形下，該抽吸部分可首先引導穿過熱交換器161，由此稀釋劑(諸如氮氣)和燃料可在各自分別運輸?shù)饺紵?0之前加熱。加熱的稀釋劑可經(jīng)由第一供應線35、第二供應線36和/或EGR系統(tǒng)70的任何導管作為稀釋劑流37運輸?shù)饺紵?br> 40。在抽吸部分引導到空氣膨脹器170的情形下，該抽吸部分膨脹并且用來產(chǎn)生冷卻劑，其獨立地或者與來自壓縮機30的抽吸氣體結(jié)合地用于渦輪50。如在此所述，包含相對高數(shù)量的氧氣并且從壓縮機30輸出的壓縮氣體的至少一部分被從渦輪50輸出的廢氣的至少一部分替換。由于廢氣包含相對低數(shù)量的氧氣，故該替換減少燃燒器40使用的氧氣量而不明顯地增加通過渦輪50的質(zhì)量流。這導致在至少燃燒器40內(nèi)的降低的火焰溫度和產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)的相應的減少。盡管本發(fā)明僅僅結(jié)合有限數(shù)量的實施例而描述，但是應當容易理解，本發(fā)明不限于這種公開的實施例。相反地，本發(fā)明可修改以合并任何數(shù)量的變化、更改、替換或迄今為止未描述的等同的安排，但是它們與本發(fā)明的精神和范圍相稱。另外地，盡管本發(fā)明的各種實施例已被描述，但是應當理解，本發(fā)明的方面可僅僅包括描述的實施例的一些。因此，本發(fā)明不被視作受限于在前的描述，但是僅僅受限于附屬權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種功率裝置，其包括 具有燃燒器的燃氣渦輪發(fā)動機，壓縮氣體和燃料在所述燃燒器中混合和燃燒； 第一和第二供應線，其分別聯(lián)接于所述燃燒器并且分別構(gòu)造成供應所述壓縮氣體和所述燃料到所述燃燒器；和 廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其用于朝向所述燃燒器再循環(huán)由所述燃氣渦輪發(fā)動機生成的廢氣， 所述EGR系統(tǒng)聯(lián)接于所述第一和第二供應線并且構(gòu)造成將所述再循環(huán)廢氣的第一和第二部分分別與在所述第一和第二供應線處的所述壓縮氣體和所述燃料結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率裝置，其特征在于，所述再循環(huán)廢氣的第一部分和第二部分的相應量值根據(jù)所述燃料的類型決定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率裝置，其特征在于，所述燃燒器包括預混合器，所述壓縮氣體和所述燃料在所述預混合器中混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率裝置，其特征在于，所述EGR系統(tǒng)聯(lián)接于所述預混合器的上游的所述第一和第二供應線。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率裝置，其特征在于，所述EGR系統(tǒng)還構(gòu)造成朝向所述預混合器弓I導所述再循環(huán)廢氣的第三部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率裝置，其特征在于，所述燃燒器包括在所述燃燒器的多個軸向級處的預混合器，所述壓縮氣體和所述燃料在所述預混合器中混合，所述EGR系統(tǒng)還構(gòu)造成朝向在所述燃燒器的多個軸向級處的所述預混合器中的至少一個引導所述再循環(huán)廢氣的第四部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率裝置，其特征在于，所述壓縮氣體的一部分從所述第一供應線抽吸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率裝置，其特征在于，所述抽吸部分的量值根據(jù)所述廢氣的再循環(huán)部分的數(shù)量決定。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率裝置，其特征在于，所述抽吸部分引導到空氣分離單元和空氣膨脹器中的一個或多個。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率裝置，其特征在于，還包括稀釋劑流，其構(gòu)造成提供稀釋劑到所述第一和第二供應線和/或所述EGR系統(tǒng)。
11.一種功率裝置，其包括 壓縮機，壓縮空氣沿著第一供應線從所述壓縮機輸出； 第二供應線，其構(gòu)造成提供燃料用于燃燒； 燃燒器，其聯(lián)接于所述第一和第二供應線，所述壓縮氣體和所述燃料在所述燃燒器中混合并燃燒； 渦輪，其可接納燃燒產(chǎn)物用于功率生成，所述燃燒產(chǎn)物作為廢氣從所述渦輪輸出；和 廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其朝向所述燃燒器再循環(huán)所述廢氣的一部分，所述EGR系統(tǒng)包括 第一導管，其聯(lián)接于所述第一供應線，所述廢氣的再循環(huán)部分的第一部分通過所述第一導管與所述壓縮氣體結(jié)合，和 第二導管，其聯(lián)接于第二供應線，所述廢氣的再循環(huán)部分的第二部分通過所述第二導管與所述燃料結(jié)合。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率裝置，其特征在于，所述廢氣的再循環(huán)部分的第一和第二部分的相應量值根據(jù)所述燃料的類型決定。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率裝置，其特征在于，所述燃燒器包括預混合器，所述壓縮氣體和所述燃料在所述預混合器中混合。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率裝置，其特征在于，所述第一和第二導管分別聯(lián)接于所述預混合器的上游的所述第一和第二供應線。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率裝置，其特征在于，所述EGR系統(tǒng)還包括第三導管，其聯(lián)接于所述預混合器，所述廢氣的再循環(huán)部分的第三部分通過所述第三導管引導到所述預混合器。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率裝置，其特征在于，所述燃燒器包括在所述燃燒器的多個軸向級處的預混合器，所述壓縮氣體和所述燃料在所述預混合器中混合， 所述EGR系統(tǒng)還包括第四導管，其分別聯(lián)接于在所述燃燒器的多個軸向級處的各個所述預混合器，所述廢氣的再循環(huán)部分的第四部分通過所述第四導管引導到各個所述預混合器。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率裝置，其特征在于，從所述壓縮機輸出的所述壓縮氣體的一部分從所述第一供應線抽吸。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的功率裝置，其特征在于，所述抽吸部分的量值根據(jù)所述廢氣的再循環(huán)部分的數(shù)量決定。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的功率裝置，其特征在于，所述抽吸部分引導到空氣分離單元和空氣膨脹器中的一個以生成用于所述渦輪的冷卻劑。
20.—種功率裝置，其包括 壓縮機，壓縮氣體沿著第一供應線從所述壓縮機輸出； 第二供應線，其構(gòu)造成提供燃料用于燃燒； 燃燒器，其聯(lián)接于所述第一和第二供應線，所述燃燒器包括預混合器，所述壓縮氣體和所述燃料在所述預混合器中混合以生成混合物；和襯套，所述混合物在所述襯套中燃燒； 渦輪，其可接納燃燒產(chǎn)物用于功率生成，所述燃燒產(chǎn)物作為廢氣從所述渦輪輸出；和 廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其朝向所述燃燒器再循環(huán)所述廢氣的一部分，所述EGR系統(tǒng)包括 第一導管，其聯(lián)接于所述第一供應線，所述廢氣的再循環(huán)部分的第一部分通過所述第一導管與所述壓縮空氣結(jié)合， 第二導管，其聯(lián)接于所述第二供應線，所述廢氣的再循環(huán)部分的第二部分通過所述第二導管與所述燃料結(jié)合，和 第三導管，其聯(lián)接于所述預混合器，所述廢氣的再循環(huán)部分的第三部分通過所述第三導管引導到所述預混合器。
全文摘要
提供功率裝置，其包括具有燃燒器的燃氣渦輪發(fā)動機，壓縮氣體和燃料在該燃燒器中混合并且燃燒；第一和第二供應線，其分別聯(lián)接于燃燒器并且分別構(gòu)造成供應壓縮氣體和燃料到燃燒器；和廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其朝向燃燒器再循環(huán)由燃氣渦輪發(fā)動機生成的廢氣。該EGR系統(tǒng)聯(lián)接于第一和第二供應線并且構(gòu)造成將再循環(huán)廢氣的第一和第二部分分別與在第一和第二供應線處的壓縮氣體和燃料結(jié)合。
文檔編號F02C3/34GK103032169SQ20121027835
公開日2013年4月10日 申請日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月7日
發(fā)明者A.K.阿南德, T.R.N.雷迪, J.B.沙弗, W.D.約克 申請人:通用電氣公司