专利名称：燃气涡轮机功率的增大的制作方法
生产工业电力的燃气涡轮机是设计成在预先规定的环境温度、气压、燃料热值和蒸汽喷射速率的范围内运转的。这种运转上的灵活性是由于将燃气涡轮机的空气压缩机和热气体膨胀器设计成能有效地在一个流率和压力比的范围内运转。在大多数运转状态下，空气压缩机限制了燃气涡轮机的功率，可是在有一些状态下，热气体膨胀器限制了燃气涡轮机的功率。这种运转上的灵活性的最后结果是，燃气涡轮机的功率没有充分利用，和/或热量消耗偏高。
现有技术曾经试图设计一种能够增加功率输出和/或把热消耗(效率)的损失减少到最少的热动力循环装置和工艺设备。在许多情况下，主要的注意力集中在用冷却法(较低的吸气温度，较高的密度)或用增湿法来增加空气的质量流量。也曾经考虑过进行中间冷却以减少压缩的能量消耗。
燃气涡轮机制造商曾把主要注意力集中在改进燃气涡轮机的机械设计和控制技术方法，以达到低热量消耗，减少NOx和CO的散发，更高的可靠性和更少的维修。在历史上，曾经将水或蒸汽喷入燃气涡轮机中，用以控制NOx(氮的氧化物)的散发，并且还有增大动力的附加效益。也常常只喷射蒸汽，用以增大动力。然而，随着干燥的低NOx(DLN)装置的开发，利用喷射水或蒸汽来控制NOx的散发已经减少了。
已经研制出一种燃气涡轮机操作系统，它包括了组合起来的空气分离和燃气涡轮机工作过程，它回收从空气分离设备送来的高纯度或废弃的氮气产品，把它喷射到燃气涡轮机内。另一种现有技术的装置包括一种组成一体的空气分离气化/部分氧化燃气涡轮机技术方法，该方法在空气分离设备分离一部分燃气涡轮机的空气，以制造氧气和氮气产品；利用氧气使碳质燃料气化或部分氧化，制造合成气体；在燃气涡轮机的燃烧器中燃烧上述合成气体；以及回收氮气产品，喷射到燃气涡轮机压缩机的排气口，和/或燃烧器中。
虽然已经证明，这些现有技术中的措施对于增大功率输出和/或提高效率是有用的，但仍然有需要一种更有效的技术和设备，以及更高的效率，以增大功率输出和降低NOx的散发，同时把热量的损失减少到最小。
本发明研制了一种经过改进的设备和工艺方法，用以增大燃气涡轮机的功率输出，并同时降低NOx的散发，并把热量的损失减少到最小。
本发明能使功率增大，并尽可能降低NOx的散发。在实践中，制备了一种混合燃料气体，它包含了预先设定了浓度的燃料和稀释剂，例如氮气和水蒸汽。混合燃料的热值用调节水蒸汽(相对较高的热容量)和氮气的浓度来协调。把过热的混合燃料气体输送到燃气涡轮机燃烧器装置的燃料气体总导管内。根据燃气涡轮机的设计，这种混合燃料气体需要在压力比燃气涡轮机的工作压力大的状态下输送。对于有些燃气涡轮机来说，这意味着燃料的压力必须在150-300psia的范围内，而对于另外一些燃气涡轮机则要高于300psia。本发明使得能利用低压蒸汽(压力低于所要求的混合燃料气体输送压力的蒸汽)来制备具有所要求的水蒸汽含量和过热状态的混合燃料气体。这种混合燃料气体是借助于使氮气加湿，然后把潮湿的氮气与燃料混合。为此，要从30pisa的压力或更大的压力，但不超过燃气涡轮机的燃料输送压力的蒸汽中取得水份。对于大多数市售的燃气涡轮机来说，最佳的蒸汽压力是低于燃气涡轮机的燃料疏松压力至少50psia。增加水份是由使氮气和热水在具有正确的设计和工程特点的逆流接触器中完成的，以便以最少的压力损失取得高数量的转换率。在潮湿的氮气中的水蒸汽含量可高达60％摩尔，一般在30-50％摩尔的范围内。在与燃料，例如天然气混合之前，潮湿的氮气要加热到过热，以防止凝结。混合是这样完成的，即，获得了热值和成分都是恒定的混合燃料气体。在混合燃料气体中的燃料的含量可为25-75％摩尔，一般为30-50％摩尔。最后得到的混合燃料气体加热达到50F的过热，以避免在燃气涡轮机的燃料气体的进气总管内凝结。本发明能使得低压蒸汽既用作水份的来源，又用作热能的来源。本发明还使得能主要从低压蒸汽取得水份，而利用压力较高的蒸汽作为附加的水份来源和/或热能的来源。然而，本发明并不排除使用压力比较高的蒸汽作为主要的水份来源和/或热能来源。把低量级的热能，例如低压蒸汽最大限度地利用起来，以使热量的损失减到最少。
与空气的冷却或空气的加湿相比，本发明在能够被喷射进燃气涡轮机内去的附加物质的量上提供了更大幅度的变化范围。本发明并不是依靠空气分离装置与燃气涡轮机的整体化。本发明可以利用位置很远的空气分离装置，或者从现场的装置用管道供应的氮气。本发明不是依靠用于空气分离的那些技术，例如低温蒸馏法，或压力回转吸附法，或真空压力回转吸附法，或薄膜技术。本发明既能使用高纯度的氮气产品(氧气少于10ppm)，也能使用低纯度的氮气产品，例如空气分离装置中的废氮气流(氧气少于5％)。
本文中公开的发明能在一定工作条件范围内增大燃气涡轮机的功率输出。它特别适用于由于现场的条件使得燃气涡轮机压缩机成为瓶颈的情况。它还特别适用于有大量低等级热量的场合，例如使用50-200psia的低压饱和蒸汽的场合。
下面，参照附图详细描述本发明的实施例。附图中
图1是本发明的第一实施例的示意图，其中的燃气涡轮机通过使用氮气和低等级热量的水蒸汽的过热混合物而提高了功率输出；图2是本发明另一个实施例的示意图，其中，较高热量的燃料和氮气都供入饱和器内；图3是表示用于潮湿的氮气和燃料流的单独的过热器的示意图；图4是另一个实施例的示意图，其中，所有的燃料都通过一个单独的燃料气体总导管供入燃烧器；图5是另一个实施例的示意图，其中所用的蒸汽具有足够的压力和温度，使得回收的水不必额外加热就可以供入饱和器。
在本文中使用的低压蒸汽这个术语是指它的压力低于燃气涡轮机制造商规定的最低燃料输送压力的蒸汽。
图1是代表本发明的用于增大燃气涡轮机的功率输出的第一实施例的示意图，这种燃气涡轮机利用潮湿氮气和燃料，例如天然气的过热的混合物。空气通过管线1流入燃气涡轮机的空气压缩机2内，经过压缩后，分成两部分。一部分空气(以下称为燃烧空气)供入燃烧器3内，另一部分(以下称为冷却空气)则流入热气体膨胀器4内，把叶片冷却到低于燃气涡轮机制造商规定的最高温度。
流过总导管系统5的包括燃料、氮气和水蒸汽的过热混合燃料气体流入燃烧器3内，在其中，混合物中的燃料成分与燃烧空气中的氧气发生反应。存在于燃料中的稀释剂、氮气和水蒸汽将形成较冷的火焰，并且因而散发出较少的NOx。除了在燃烧器中比较少的热量损失之外，燃烧反应所释放出来的热量都被燃烧产物、过剩的燃烧空气和稀释剂(燃料中的氮气和水蒸汽，以及任何其他进入燃料内的惰性成分，例如CO2)所吸收。燃烧后的热气体流入膨胀器4内，起工作气流的作用。在膨胀器4的某些部位，热的燃烧产物和冷的空气全部混合在一起，然后离开燃气涡轮机总成6。热气体膨胀器的输出功率用于驱动空气压缩机2，和发电机7(或者带动一个负载)。
从热气体膨胀器4排出的废气含有大量处于高温的热能，可以通过本技术领域公知的各种途径来回收。
通过总导管系统5供入的混合燃料气体是由增湿的氮气和与燃料混合的潮湿的氮气制备而成的。从管线8送来的氮气供入组合起来的，或者用盘叠起来的塔9的底部，下文中称为饱和塔。一个用泵进行循环的水管道10用作水份和热能的来源，以便获得水蒸汽与氮气的混合物，并通过管道11离开饱和塔的顶部。与此相关的冷却水流则通过管道12离开饱和塔的顶部。在饱和塔10的顶部包含一个除掉湿气的区段13，以防止带走液体的水。
从饱和塔9出来的氮气和水蒸汽的混合物在热交换器14(以下称为稀释剂过热器)内加热到过热温度。从管道15送来的低压蒸汽用作热能的来源，以达到所要求的过热程度(以避免在与从管道18送来的燃料混合时冷凝)。过热的氮气与水蒸汽的混合物通过管道16流出稀释剂过热器。上述蒸汽在完成它的加热任务后通过管道17排出。
从管道16送来的氮气与水蒸汽的过热混合物在标号50处与从管道18送来的燃料气体混合，标号50可以是一段管道，或者专门设计的混合装置。最后的混合燃料气体、氮气和水蒸汽通过管道19送到热交换器20内(以下称为燃料加热器)。从管道21送来的低压蒸汽用作热能的来源，以达到所要求的过热温度(以避免在总管道5中冷凝)。过热后的混合燃料气体通过管道22流出燃料加热器，并通过燃料气体总导管5流向燃气涡轮机。上述蒸汽在完成它的加热任务之后通过管道23流出。
阀40用于降低通过管道12离开饱和塔的水的压力，以便能利用低压蒸汽作为加湿和加热的来源。从饱和塔9流出来的一小部分水通过管道24排污，以防止在循环水中积聚杂质，并保持所要求的回收率。其余的水通过管道25与蒸汽/凝结水混合，这些蒸汽/凝结水是通过管道17从稀释剂过热器14，通过管道43从燃料加热器20，通过管道32从循环水加热器30流过来的，以及通过管道27流过来的补充水(或低压蒸汽)。泵29和抽吸管道26及排出管道28用于把循环水泵压到足够的压力，送到饱和塔中去。在饱和塔与泵之间安装了一个分离器(图中未示出)，以保证在抽吸管道中没有蒸汽。回收的水加热到目标温度，使饱和塔顶上的气体达到所要求的加湿程度。通过管道31的低蒸汽用于加热加热器30中的水。
请参阅图1，本发明包括利用把循环水的循环系统和蒸汽与称为饱和塔9的这种设备，以及直接接触水加热器45相结合，以制造一种湿氮气流的方法。目的是产生一种氮气和水蒸汽这两种成分的含量经过预先调配并且受到控制的稀释气体，用于与燃料混合。饱和塔9是一种连续逆流组合或叠盘式接触器，它能在不必增压就能把气体送入燃气涡轮机的燃烧器内的压力下运转。泵压的热水，液态物质借助于重力向下流动，并与上升的氮气接触。氮气在环境压力下供入饱和塔，但仍有足够的压力，以利于气体和液体的良好接触。饱和塔的设计能符合液体流量上预期的变化，这种流量的变化是为把所需要范围内的水蒸汽含量送入潮湿的稀释气体所要求的。对于产生为70MW功率的燃气涡轮机来说，上述饱和塔一般直径在5-6英尺，高度为15-30英尺。
离开饱和塔9的一部分水作为排污水排出，以便把水循环系统中的杂质减少到最少。剩余的水送入直接接触加热器45，用于再循环。离开潮湿的稀释剂过热器和燃料加热器的低压蒸汽和单相或双相H2O用作补充水的来源，也作为实现上述工艺过程所需要的热能的来源。上述直接接触加热器的压力值是这样选择的，即，消除了排出低压蒸汽。附录可以安装在图1中未表示的回收换热器，用以从排出的气流中回收热量。
请参阅图1，本发明包括利用把潮湿的稀释剂过热器和燃料加热器组合在一起来制造过热的燃料气体的工艺方法。氮气和处于露点的水蒸汽的混合气体在饱和塔9的顶上利用适当压力值的蒸汽让它过热。其目的是使稀释气体与燃料气体(例如天然气)接触时的凝结减少到最少。然后，上述混合气流在燃料加热器中过热，以达到燃气涡轮机制造商推荐的在燃气涡轮机的燃料气体总导管处的过热温度。一般，燃气涡轮机制造商推荐的最小过热值为50度F。因此，这种工艺方法可有效地使用较高的热值(压力较高的蒸汽)。
仍请参阅图1，本发明包括输出符合由燃气涡轮机制造商所建立的燃料互换性标准的燃料气体。这种标准中的一种是Wobbe系数，该系数是由通用电气公司制订的，它是燃料气体的低热值被燃料气体总导管处的比重与温度的乘积的平方根的比值。一般，燃料气体总导管设计成能容许Wobbe系数在5-10％的量值内变动。更大的变动要由使用分离的燃料气体总导管和/或在总导管内组合了其他技术特征来解决。按照本发明，如果按照Wobbe系数中所容许的变动来限制氮气和水蒸汽含量的调节，那么在输送到燃料气体总导管去的气体中的燃料含量，就能够保持在预先设定的值上。这样就能够利用蒸汽、氮气和燃料成分的热容量的差别，来协调燃料气体的热学性能。
以上所描述的本发明还使得能够利用压力比较高的蒸汽(压力大于输送到燃气涡轮机中去的燃料压力的蒸汽)作为热能的来源，也作为水份的来源。如果在稀释剂过热器14中所使用的蒸汽具有足够高的压力，那么，就能够直接把通过管道17流出来的蒸汽/冷凝物送到饱和塔9中。如果用于燃料加热器20的蒸汽具有足够高的压力，那么，就能够直接把通过管道23流出来的蒸汽/冷凝物送到饱和塔9中。如果用于回收水加热器30的蒸汽具有足够高的压力，那么，就能够直接把通过管道32流出来的蒸汽/冷凝物送到饱和塔9中。对于本技术领域的技术人员来说，这一点也是很明显的，即，通过管道17、23和32的蒸汽/冷凝物还可以分别或者混合在一起通过管道42送去作别的用途。
对于本技术领域的技术人员来说，这一点也是很明显的，即，本发明可以与把潮湿的氮气在一处或多处喷射到燃气涡轮机内部去结合起来进行。这个特点为增加功率输出提供了灵活性，同时控制了燃气涡轮机燃料中稀释剂的浓度，以保证稳定的燃烧。这个实施例包括了向空气压缩机的排气内，向燃烧器或者涡轮机内喷射所有各种类型，或者某些类型的稀释剂，或者不喷射稀释剂(氮气或作为氮气与水蒸汽的混合物的潮湿的氮气)的各种变型。
图2是本发明的用于增大功率输出和减少NOx的散发的另一个示意性的例子。高热值的燃料，例如天然气，和氮气分别通过管道35和8送入饱和塔9内。然后，加湿了的氮气和燃料的混合物经过过热，送入燃烧器内。这个实施例的工艺设备需要比较少的换热器，但是排出的废水需要进行专门的处理，以去除碳氢化合物和含硫的杂质。对于本技术领域的技术人员来说，这一点也是很明显的，即，全部或者一部分高热值的燃料可以通过一根单独的燃料总导管直接喷入燃烧器内，从而实现本发明的优点。
图3是本发明的用于增大功率输出和减少NOx的散发的另一种工艺设备的示意性的例子。稀释剂(氮气或氮气与水蒸汽的混合物)在过热器14中，而燃料则单独在燃料加热器20中加热。该实施例的目的是符合燃气涡轮机制造商所制订的过热指南，以防止液体进入燃料总导管，或在其中凝结。很明显，对于本技术领域的技术人员来说，有若干种换热器可以达到这个目的。例如，有一种变型能够完全取消燃料加热器，同时却增大了稀释剂的过热功能，并且使得燃料与稀释剂气体的混合不会导致凝结物的生成。
请参阅图3，流过管道15、21和31的蒸汽可以从同一个蒸汽源送来，虽然这可能会导致热动力效率有些降低。通过管道27的蒸汽也可以从同一个来源，或者从一个低压源，例如50psia的蒸汽源送来。在给定的饱和塔工作压力下，循环水(回收水)的温度越高，饱和塔顶部气体的加湿程度就越大。因此，本发明能使饱和塔的设计和运转状态最优化，在最小的热量损失下获得燃气涡轮机较大的功率输出。
图4是这种工艺设备的另一种设计方案。所有的燃料都通过单独的燃料气体总导管送入燃烧器内。稀释剂、氮气和/或氮气与水蒸汽的混合物与燃料分开喷射进燃气涡轮机内。有一些未在图4中表示，但对于本技术领域的技术人员是显而易见的可替换的方案包括，把稀释剂气体喷射到燃气涡轮机的空气压缩机的排出气体中，和/或燃烧器的排出气体中。
图5是实施本发明的工艺设备的另一种设计方案。它在管道15和/或27中使用温度和压力足够的蒸汽，使得管道28中回收的水不经过额外的加热就被送入饱和塔9内。
以上所描述的那些工艺设备，以及它们的未在本文中描述的，但对于本技术领域的技术人员却是显而易见的，在换热装置、燃料和稀释剂在燃气涡轮机中的喷射部位等等方面的变型，构成了本发明的在一定的运转条件范围内增大功率输出和降低NOx的散发的技术方案。本发明公开了一种用于在燃气涡轮机中增加氮气或氮气与水蒸汽的混合物，同时结合低压蒸汽的使用，以便把热量损失减少到最少的工艺方法和设备。它适用于由于燃气涡轮机的压缩机现场的条件而成为瓶颈的情况。它也特别适合于使用等级特别低的热源，例如低压蒸汽的情况。下面的表1总结了本发明的优点。
表1采用加湿的氮气后燃气涡轮机功率的增大(氮气与水蒸汽的混合物)
*基本参数燃气涡轮机轴的功率，kW＝64598热耗，Btu/kWh＝10860**Δ热耗＝增加的燃料消耗/增加的燃气涡轮机轴的功。
本技术领域的技术人员在阅读了本说明书之后，以上所公开的实施例以及本发明的其他实施例的各种其他变型将是显而易见的，或者是可以在不脱离本申请的权利要求书所限定的本发明的构思和范围内作出的。
权利要求
1.一种用于在用来驱动燃气涡轮机的燃料气体中加入氮气和从低压蒸汽中获得的水份的设备，该设备包括(a)一个饱和塔，它用于使氮气与热的水蒸汽接触，以形成水蒸汽与氮气的混合物；(b)管道装置，它用于让水蒸汽与氮气的混合物通过，流到一个换热器装置，其中，用低压蒸汽产生过热的水蒸汽与氮气的混合物；(c)管道装置，它用于让上述过热的混合物通过，流到一个腔室内，以便与送来的气体混合，形成混合燃料气体；(d)管道装置，它用于让由燃料气体、氮气和水蒸汽混合而成的混合燃料气体通过，流到一个换热器内，并在其中用低压蒸汽产生一种过热的混合燃料气体；(e)管道装置，它用于让过热的混合燃料气体通过，流到一台燃气涡轮机的燃烧器内。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，它还有下述装置(a)减压装置，它用于离开上述饱和塔的水，以利于借助于与低压蒸汽直接接触使上述水加热，或者凝结，或者形成两相的蒸汽—凝结物的混合物；(b)让热水返回上述饱和塔去的重新加压装置；以及(c)加热从饱和塔流出来的水的间接加热装置，以便回收到上述饱和塔内。
3.一种用于在用来驱动燃气涡轮机的燃料气体中加入氮气和从低压蒸汽中获得的水份的设备，该设备包括(a)一个饱和塔，它用于使氮气和高热量的燃料气体与热的水蒸汽接触，以形成水蒸汽与氮气和燃料气体的混合物；(b)管道装置，它用于让混合燃料气体通过，流到一个换热器装置，在其中，用低压蒸汽产生过热的混合燃料气体；(c)管道装置，它用于让上述过热的混合燃料气体通过，流到燃气涡轮机的燃烧器内。
4.一种用于在用来驱动燃气涡轮机系统的燃料气体中加入氮气和低压蒸汽的设备，该设备包括(a)一个饱和塔，它用于使氮气与热的水蒸汽接触，以形成水蒸汽与氮气的混合物；(b)管道装置，它用于让水蒸汽与氮气的混合物通过，流到一个换热器装置，在其中，用低压蒸汽产生过热的水蒸汽与氮气的混合物；(c)管道装置，它用于让上述燃料气体流到燃气涡轮机的燃烧器中；(d)管道装置，它用于让上述过热的水蒸汽与氮气的混合物通过，流到燃气涡轮机的燃烧器内；(e)管道装置，它用于把上述过热的水蒸汽与氮气的混合物加入从空气压缩机送来的压缩空气中，上述空气压缩机是由上述燃气涡轮机驱动的；(f)管道装置，它用于将上述过热的水蒸汽与氮气的混合物加入从燃气涡轮机的燃烧器排出的气体中。
5.如权利要求4所述的用于在用来驱动燃气涡轮机系统的燃料气体中加入低压蒸汽和氮气的设备，其特征在于，它还包括下列部件(a)一个饱和塔，它用于使氮气和热的水蒸汽接触，以形成水蒸汽与氮气的混合物；(b)管道装置，它用于让水蒸汽与氮气的混合物通过，流到一个换热器装置，在其中，用低压蒸汽产生过热的水蒸汽与氮气的混合物；(c)一个第二换热器装置，在其中，利用低压蒸汽来产生过热的燃料气体；(d)管道装置，它用于让上述燃料气体通过，流到燃气涡轮机的燃烧器内；(e)管道装置，它用于让上述过热的水蒸汽与氮气的混合物通过，流到燃气涡轮机的燃烧器内；(f)管道装置，它用于把上述过热的水蒸汽与氮气的混合物加入从空气压缩机送来的压缩空气中，上述空气压缩机是由上述燃气涡轮机驱动的；(g)管道装置，它用于将上述过热的水蒸汽与氮气的混合物加入从燃气涡轮机的燃烧器排出的气体中。
6.一种用于在用来驱动燃气涡轮机的燃料气体中加入氮气和最初从低压蒸汽产生的水份的设备，该设备包括(a)一个饱和塔，它用于使氮气与热的水蒸汽接触，以形成水蒸汽与氮气的混合物；(b)管道装置，它用于让水蒸汽与氮气的混合物通过，流到一个换热器装置，以产生过热的加湿的氮气；(c)一个在足够高的温度下运转的直接接触换热器装置，它使得从换热器中流出来的热水能够直接泵入上述饱和塔内；(d)管道装置，它用于让上述过热的加湿的氮气通过，流到燃气涡轮机的燃烧器内；(e)管道装置，它用于让上述燃料流到燃气涡轮机的燃烧器中。
7.一种增大燃气涡轮机系统的功率输出的方法，该燃气涡轮机带有一台的空气压缩机，用于产生压缩空气，并将其排入一个燃烧器内，以加热上述压缩空气和产生热气体，上述热气体被排入一个向应上述热气体的膨胀器内，用以驱动上述空气压缩机和一个负载，该方法包括下列步骤使一种包括燃料气体、氮气和水蒸汽的过热的燃料通过一根总导管进入上述燃烧器内，在其中，在上述混合物中的燃料成分与氧气发生反应，产生热的气体，这种热的气体流入上述膨胀器内，并用作一种工作流体，用于驱动负载。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在上述燃烧器中引入一种由燃料气体、氮气和水蒸汽的混合物所组成的第一过热燃料，并向从上述空气压缩机排出来的压缩空气和/或从上述燃烧器中排出来的热气体中引入由氮气和水蒸汽的混合物所组成的第二过热气体。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，把一种由燃料气体、氮气和水蒸汽的混合物所组成的过热燃料通过一根燃料总导管引入上述燃烧器内，并且，把一种高热值的第二燃料通过一根第二燃料总导管引入上述燃烧器内。
全文摘要
一种用于增大燃气涡轮机的功率输出的方法和设备。由于结合使用了低压蒸汽,向燃气涡轮机内加入了氮气或氮气与水蒸汽的混合物,从而增大了功率输出和消除了NOx,同时使热量的损失减少到最少。
文档编号F02C3/30GK1256358SQ9912432
公开日2000年6月14日 申请日期1999年11月12日 优先权日1998年11月13日
发明者R·F·德尔内维查, M·M·艾哈迈德 申请人:普拉塞尔技术有限公司