CN101463760A - 用于排气再循环***的原动机 - Google Patents

用于排气再循环***的原动机 Download PDF

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CN101463760A CNA2008101839780A CN200810183978A CN101463760A CN 101463760 A CN101463760 A CN 101463760A CN A2008101839780 A CNA2008101839780 A CN A2008101839780A CN 200810183978 A CN200810183978 A CN 200810183978A CN 101463760 A CN101463760 A CN 101463760A
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D·S·拜尔德
R·W·泰勒
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Abstract

本发明涉及用于排气再循环***的原动机。由涡轮机(140)产生的排气的一部分被排气再循环(EGR)***(100)再循环经过入口段(160)。在该排气流被再循环之前，该***降低了该排气流(125)内的成分水平。涡轮机(140)可用来驱动该排气流(125)穿过该EGR***(100)。

Description

用于排气再循环***的原动机
本申请涉及共同转让的、于2007年10月30日提交的美国专利申请11/928,038[GE文献227348]，于2007年12月19日提交的美国专利申请11/960,198[GE文献228179]，以及于2007年11月8日提交的美国专利申请11/936,996[GE文献228178]。
技术领域
本发明涉及从涡轮机排放的排气，更具体的讲，涉及利用涡轮机作为在排气再循环(EGR)***内再循环的排气的原动机的***和方法。
背景技术
氮氧化物(下文以NOx表示)、二氧化碳(下文以“CO2”表示)和硫氧化物(SOx)的排放对环境的长期影响正越来越受关注。涡轮机(例如燃气轮机)排放的许可排放水平受到严格的控制。涡轮机操作者渴求降低NOx，CO2和SOx排放水平的方法。
排气流中存在极大量的可冷凝蒸汽。这些蒸汽通常包含多种成分，例如水，酸，醛，碳氢化合物，硫氧化物和氯化合物。在未经处理的情况下，如果允许这些成分进入涡轮机，它们将加速内部构件的腐蚀和污塞。
排气再循环(EGR)大体包括使所排放的排气的一部分再循环经过涡轮机的入口部分。然后，在燃烧之前该排气与进入的空气流混合。该EGR过程有助于集中的CO2的去除和分离，还可以降低NOx和SOx的排放水平。
对目前已知的EGR***有些顾虑。有些EGR***使用风扇或鼓风机来驱动再循环排气通过该EGR***。该风扇或鼓风机要求额外的费用，维修，产生噪音，并且需要风门。
由于上述原因，需要一种用于驱动再循环排气穿过EGR***的***和方法。该***和方法不需要风扇或鼓风机来驱动排气穿过该ERG***。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种***，其用于降低由包括入口流体部分160、压缩机段145和排气段150的涡轮机140所产生的排气流125内的成分；该***包括至少一个排气再循环(EGR)***100，该排气再循环***100包括至少一个EGR台(EGR台)105；其中该至少一个EGR台105可以：接收来自该至少一个涡轮机140的排气段150的、处于第一温度的至少一个排气流125；接收包含处于第一水平的成分的排气流125；使该成分降低至第二水平；以及允许排气流125在第二温度下离开；并且，其中，该至少一个EGR***100使得离开该至少一个EGR台105的排气流125再循环至入口部分160；且其中，该涡轮机140驱动排气流125穿过该EGR***100。
该EGR***100还可以包括：固定的流量限制器165，EGR入口风门115和EGR排气风门120。
该固定的流量限制器165可位于压缩机段145的上游，该EGR排气风门120可位于排气段150的下游。此处，EGR排气风门120可以调节进入该EGR***100的排气流125的流量。此外，该固定的流量限制器165和该EGR排气风门120用于平衡EGR***100内的排气流125的流量。
或者，EGR***100还可包括：可动的流量限制器175和EGR排气风门120。此处，该EGR排气风门120调节进入该EGR***100的排气流125的流量。该可动的流量限制器175可调节进入入口段160的入口流体空气的流量。此外，该可动的流量限制器175和该EGR排气风门120可用于平衡该EGR***内排气流125的流量。该***还可包括EGR入口风门115。
附图简要说明
图1是与涡轮机集成的排气再循环***一个实例的图示说明。
图2是根据本发明第一实施例的、与涡轮机集成的排气再循环一个实例的图示说明。
图3是根据本发明第二实施例的、与涡轮机集成的排气再循环一个实例的图示说明。
图4是根据本发明第三实施例的、与涡轮机集成的排气再循环一个实例的图示说明。
零件列表：
EGR***  100
EGR台  105
EGR风扇  110
EGR入口风门  115
EGR排气风门  120
排气流  125
流动通道  130
入口流体  135
涡轮机  140
压缩机段  145
排气段  150
排气器  155
入口部分  160
固定的流量限制器  165
混合站  170
可动的流量限制器  175
具体实施方式
以下对优选实施例的详细说明参考附图来进行，附图表示了本发明的具体实施例。具有不同结构和操作的其它实施例不脱离本发明的范畴。
文中使用的一些用语只是为了读者方便，而不视作对本发明范畴的限制。例如，“上”，“下”，“左”，“右”，“前”，“后”，“顶部”，“底部”，“水平的”，“垂直的”，“上游”，“下游”，“前部”，“尾部”等仅描述图中所示的构造。事实上，本发明实施例的元件或多个元件可沿任何方向定向，因此，除非另有说明，这些用语应理解为包括这些变化。
本发明的一个实施例采用了可使至少一个涡轮机的一部分排气再循环的一种***的形式，其中排气可与入口流体空气混合且再次进入涡轮机，而不影响该器件的可靠性和有效性。
通常，本发明实施例的排气再循环***包含多个元件。这些元件的构造和顺序可由该排气的组成来决定。构成排气再循环处理的步骤大致为：冷却，涤气，除雾，高效率去除颗粒和微滴，以及混合。当使用本发明时，可以将与入口流体空气混和后的改向气体无害地引入涡轮机的入口。如下所述，存在多种可用来实现排气处理的布置。
本发明具有使用涡轮机来驱动和/或牵引再循环排气(下文称为“排气流”)通过EGR***的技术效果，该EGR***降低可能存在于排气流内的上述成分的水平。这些水平可从第一水平降低至第二水平。本发明的一个实施例可以用于去除和分离浓缩的CO2排放物。
本发明可应用于产生气态流体的多种涡轮机，例如但不限于重型燃气轮机，航改(aero-derivative)燃气轮机等(以下均称为“燃气轮机”)。本发明的一个实施例可应用于单个燃气轮机或多个燃气轮机。本发明的一个实施例可应用于以简单循环或联合循环构造来运行的燃气轮机。
如下所述，本发明的一个实施例可包括至少一个EGR台。该至少一个EGR台可利用至少一个涤气器；或至少一个涤气器和至少一个下游热交换器；或至少一个涤气器和至少一个上游热交换器；或至少一个涤气器，至少一个下游热交换器；以及至少一个上游热交换器；或者它们的各种组合。此外，该至少一个EGR台还可包括喷射器，该喷射器可采用用于降低该排气流内的有害成分水平的反应物；以及用于去除该成分的湿式静电过滤器。
本发明的元件可由任何能够承受该EGR***可作用和运行的运行环境的材料来制造。
现在参看附图，图中各数字代表所有多个视图中的类似元件，图1是与涡轮机140集成的排气再循环***一个实例的图示说明。图1显示了涡轮机140和EGR***100。
涡轮机140主要包括与排气段150集成的压缩机段145。入口段160可位于该压缩机段145的上游，并且可以包括混合站170。排气器155可位于排气段150的下游。
EGR***100包括：EGR台105；EGR风扇(或鼓风机)110；EGR入口风门115；以及EGR排气风门120，该排气风门120可与涡轮机140的排气段150集成。
该至少一个EGR***100可以是能够承受排气流125物理特性的尺寸，并且由能够承受排气流125物理特性的材料制造，这些物理特性为例如但不限于大约10,000Lb/hr至50,000,000LB/hr的流率以及高达约1500华氏度的温度。入口段160和排气段150可界定EGR***100的流动通道130。
EGR台105主要包括EGR***100的、降低来自排气流125的前述成分的水平的构件。这些构件可包括，例如但不限于，至少一个热交换器，至少一个涤气器，至少一个去雾器，或类似的构件(附图中均未示出)。EGR风扇110可在该EGR***100运行期间循环排气。
通常，在EGR***100运行期间，EGR排气风门120可打开，以容许来自排气段150的排气流125进入该EGR***100。排气风门120可在非再循环排气和该排气流125之间分配全部的排气流。然后，EGR台105可降低排气流125内的成分水平。接下来，EGR入口风门115可打开，以容许该再循环排气流125进入涡轮机140的入口段160。然后，该排气流125可与入口流体空气在混合站170内混合，从而形成入口流体135。该入口流体135然后可向该混合站170的下游流动到涡轮机140的压缩机段145。在上述过程中，EGR风扇110用于驱动该排气流125穿过EGR***100。
将EGR风扇110结合到EGR***100可能引起一些顾虑。EGR风扇110可能增加该EGR***100的硬件和维护的总成本。由于运行期间可能产生的噪声水平，EGR风扇110可能要求隔音。EGR风扇110可能需要阻尼以减小振动。EGR风扇110可能还需要比较大的EGR***100结构。另外，EGR风扇110可能增加控制EGR***100的控制***的复杂度。EGR风扇110通常需要能源，这就增加了EGR***100的运行成本。
现在参看图2，图2是根据本发明第一实施例的、与涡轮机140集成的排气再循环一个实例的图示说明。图2显示了涡轮机140和EGR***100。
在本发明的该第一实施例中，涡轮机140主要包括：与排气段150集成的压缩机段145；入口段160，其可位于该压缩机段145的上游；以及排气器155，其可位于该排气段150的下游。
该压缩机段145可包括固定的流量限制器165和混合站170。该固定的流量限制器165可限制进入入口段160的入口流体空气的流量。该固定的流量限制器165可以是能够承受涡轮机140和EGR***100的运行环境的尺寸，并且由能够承受该涡轮机140和EGR***100的运行环境的材料制成。例如但不限于，可以在涡轮机140的改型应用过程中结合该固定的流量限制器165。
在本发明的第一实施例中，EGR***100可包括：EGR台105；EGR入口风门115；以及EGR排气风门120，其可与该涡轮机140的排气段150集成。该EGR排气风门120可调节，以控制进入该EGR***100的排气流125的流量。该EGR***100的第一实施例不需要EGR风扇110来驱动排气流125。此处，由压缩机段145提供的吸入效应可驱动该排气流125穿过该EGR***100并进入到入口段160中。
在使用中，如图1所示，当涡轮机140运转时，本发明第一实施例的EGR***运行。EGR排气风门120可调节，以允许来自排气段150的排气流125进入EGR***100。如上所述，该EGR排气风门120可在非再循环排气和该排气流125之间分配全部排气流。固定的流量限制器165和EGR排气风门120可用于平衡涡轮机140和该EGR***100内的排气流125的流量。这可通过在EGR***100运行期间调整该EGR排气风门120的位置来实现。
其次，EGR台105可降低排气流125中的成分的水平。EGR入口风门115可以打开，以容许再循环排气流125进入涡轮机140的入口段160。然后，该排气流125可与入口流体空气在混合站170内混合，从而形成入口流体135。然后，该入口流体135可向该混合站170的下游流动到该涡轮机140的压缩机段145。在本发明第一实施例的运转期间，不存在与EGR风扇110相关的上述顾虑。
现在参看图3，图3是根据本发明第二实施例的、与涡轮机140集成的排气再循环一个实例的图示说明。图3显示了涡轮机140和EGR***100。
在本发明的该第二实施例中，涡轮机140主要包括：与排气段150集成的压缩机段145；入口段160，其可位于压缩机段145的上游；以及排气器155，其可位于排气段150的下游。
压缩机段145可包括可动的流量限制器175和混合站170。在第一位置，该可动的流量限制器175可使进入入口段160的入口流体空气的流量最大，并且可使进入该入口段160的排气流125的流量最小。在第二位置，该可动的流量限制器175可使进入入口段160的入口流体空气的流量最小，并且可使进入该入口段160的排气流125的流量最大。该可动的流量限制器175还可定位于该第一位置和该第二位置中间的多个位置，以调整入口流体空气和进入入口段160的排气流125之间的相对偏重。该可动的流量限制器175可以是能够承受该涡轮机140和EGR***100的运行环境的尺寸和材料。
在本发明的该第二实施例中，该EGR***100可包括：EGR台105；以及EGR排气风门120，其可与涡轮机140的排气段150相集成。该EGR排气风门120可调节，以控制进入EGR***100的排气流125的流量。此外，该EGR排气风门120可用来隔离没有在使用的该EGR***100。
EGR***100的第二实施例不需要EGR风扇110来驱动排气流125。此处，压缩机段145提供的吸入效应可驱动该排气流125穿过该EGR***100并进入入口段160。此外，该排气流125可在某压力时离开排气段150，该压力允许该排气流125流过该EGR***100。
在工作时，如图2所示，当涡轮机140运转时，本发明第二实施例的EGR***运行。EGR排气风门120可调节，以允许来自排气段150的排气流125进入该EGR***100。如上所述，该EGR排气风门120可在非再循环排气和排气流125之间分配全部排气流。
可动的流量限制器175和EGR排气风门120可用于平衡涡轮机140和EGR***100内的排气流125的流量。这可通过在该EGR***100运行期间调整该EGR排气风门120的位置来实现。
此外，可对可动的流量限制器175进行调节，以允许入口流体空气全流量进入入口段160。当例如但不限于涡轮机140运行而EGR***100未使用时，这个特征可能是有用的。
其次，EGR台105可降低排气流125中的成分的水平。EGR入口风门115可以打开，以允许该再循环排气流125进入涡轮机140的入口段160。然后，该排气流125可与入口流体空气在混合站170内混合，从而形成入口流体135。然后，该入口流体135可向该混合站170的下游流动到该涡轮机140的压缩机段145。在本发明第二实施例运行期间，不存在与EGR风扇110相关的上述顾虑。
现在参看图4，图4是根据本发明第三实施例的、与涡轮机集成的排气再循环一个实例的图示说明。图4显示了涡轮机140和EGR***100。
在本发明的该第三实施例中，涡轮机140主要包括：与排气段150集成的压缩机段145；入口段160，其可位于压缩机段145的上游；以及排气器155，其可位于该排气段150的下游。
压缩机段145可包括可动的流量限制器175和混合站170。该可动的流量限制器175可调节，以限制进入入口段160的部分入口流体空气的流量。该可动的流量限制器175可以是能够承受涡轮机140和EGR***100的运行环境的尺寸和材料。
在本发明的该第三实施例中，EGR***100可包括：EGR台105；EGR入口风门115；以及EGR排气风门120，其可与涡轮机140的排气段150集成。该EGR排气风门120可调节，以控制进入EGR***100的排气流125的流量。此外，该EGR排气风门120可用来隔离未在使用的EGR***100，
EGR***100的该第三实施例不需要EGR风扇110来驱动排气流125。此处，压缩机段145提供的吸入效应可牵引该排气流125经过EGR***100并进入入口段160。此外，该排气流125可在某压力时离开排气段150，该压力允许该排气流125流过该EGR***100。
在工作时，如图3所示，当涡轮机140运转时，本发明的该第三实施例的EGR***运行。EGR排气风门120可调节，以允许来自排气段150的排气流125进入该EGR***100。如前所述，该EGR排气风门120可在非再循环排气和排气流125之间分配全部排气流。
可动的流量限制器175和EGR排气风门120可用于使涡轮机140和EGR***100内的排气流125的流量保持平衡。这可通过在EGR***100运行期间调整该EGR排气风门120的位置来实现。
此外，该可动的流量限制器175可调节，以允许全流量的入口流体空气进入入口段160。例如但不限于当涡轮机140运行而该EGR***100不使用时，这个特征可能是有用的。
其次，该EGR台105可降低排气流125内的成分水平。EGR入口风门115可以打开，以允许该再循环排气流125进入涡轮机140的入口段160。然后，该排气流125可与入口流体空气在混合站170内混合，从而形成入口流体135。该入口流体135然后可向该混合站170的下游流到涡轮机140的压缩机段145。在本发明该第三实施例的运行期间，不存在与EGR风扇110相关的上述顾虑。
本文中使用的用语仅仅用于描述具体实施例的目的，而不意图限制本发明。除非上下文另有明确说明，文中所用的单数形式“一”和“该”意在也包括复数形式。还将理解的是，当用于本说明书时，用语“包含”和/或“包括”指存在所描述的特征，整体，步骤，操作，元件，和/或构件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征，整体，步骤，操作，元件，构件，和/或它们的组合。
尽管本文中对特定的实施例进行了示意说明和描述，但应理解的是，任何计划实现相同目的布置均可代替所示的特定实施例，并且发明在其它情况中具有其它应用。本申请目的在于覆盖本发明的任何修改或变更。所附的权利要求决不意图将本发明的范围限制于本文所描述的特定实施例。

Claims (10)

1.一种***，其用于降低由包括入口段(160)、压缩机段(145)和排气段(150)的涡轮机(140)所产生的排气流(125)内的成分；所述***包括：
至少一个排气再循环(EGR)***(100)，其包括至少一个EGR台(105)；其中，所述至少一个EGR台(105)可以：
接收来自所述至少一个涡轮机(140)的排气段(150)的、处于第一温度的至少一个排气流(125)；
接收包含处于第一水平的成分的排气流(125)；
使所述成分降低至第二水平；以及
允许所述排气流(125)在第二温度下离开；且
其中，所述至少一个EGR***(100)使得离开所述至少一个EGR台(105)的排气流(125)再循环至所述入口段(160)；以及
其中，所述涡轮机(140)驱动所述排气流(125)通过所述EGR***(100)。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述EGR***(100)还包括：固定的流量限制器(165)，EGR入口风门(115)，以及EGR排气风门(120)。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述固定的流量限制器(165)位于所述压缩机段(145)的上游，所述排气风门(120)位于所述排气段(150)的下游。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述EGR排气风门(120)调节进入所述EGR***(100)的所述排气流(125)的流量。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述固定的流量限制器(165)与所述EGR排气风门(120)运行，以平衡所述EGR***(100)内的所述排气流(125)的流量。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述EGR***(100)还包括可动的流量限制器(175)和EGR排气风门(120)。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述EGR排气风门(120)调节进入所述EGR***(100)的所述排气流(125)的流量。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述可动的流量限制器(175)调节进入所述入口段(160)的入口空气的流量。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述可动的流量限制器(175)和所述EGR排气风门(120)运行，以用于所述EGR***(100)内的所述排气流(125)的流量。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述***还包括EGR入口风门(115)。
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