用于保护具有排气再循环的气体涡轮发动机中的组件的系统和方法
【专利说明】用于保护具有排气再循环的气体涡轮发动机中的组件的系 统和方法
[0001] 相关领域的交叉引用
[0002] 本申请要求 2013 年 12 月 19 日提交的题为"SYSTEMANDMETHODFORPROTECTING COMPONENTSINAGASTURBINEENGINEWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION(用于保护 具有排气再循环的气体涡轮发动机中的组件的系统和方法）"的美国非临时专利申请第 14/135, 055号的优先权和权益，以及2013年1月13日提交的题为"SYSTEMANDMETHODFOR PROTECTINGCOMPONENTSINAGASTURBINEENGINEWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION(用 于保护具有排气再循环的气体涡轮发动机中的组件的系统和方法）"的美国临时专利申请 第61/751，902号的优先权和权益，这些专利申请通过引用整体合并于此以用于所有目的。
技术领域
[0003] 本文公开的主题涉及气体涡轮发动机，并且更具体地涉及用于保护气体涡轮发动 机中的组件的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 气体涡轮发动机被用于多种应用中，诸如发电设备、飞行器和各种机械设备。气体 涡轮发动机通常使燃料与氧化剂（例如，空气）在燃烧器段中燃烧以产生热燃烧产物，该热 燃烧产物然后驱动涡轮段的一个或更多个涡轮级。涡轮段进而驱动压缩机段的一个或更多 个压缩机级，从而压缩氧化剂使其与燃料一起进入燃烧器段。再一次，燃料和氧化剂在燃烧 器段中混合，然后燃烧以产生热燃烧产物。不幸的是，燃烧器段和排气段的某些组件被暴露 于高温，这可能导致组件的热膨胀、热应力和/或热磨损。排气还可能泄漏至燃烧器段和/ 或排气段的某些腔体内，在这些腔体中组件可能对高温排气具有较小的抵抗力。此外，气体 涡轮发动机通常消耗大量的空气作为氧化剂，并输出相当大量的排气至大气内。换言之，排 气通常作为气体涡轮操作的副产品被浪费。
【发明内容】
[0005] 下面概括与最初要求保护的发明在范围上相当的某些实施例。这些实施例不意在 限制所要求保护的发明的范围，而仅意在提供本发明的可能形式的简要概括。事实上，本发 明可以涵盖可类似于或不同于下面阐明的实施例的各种形式。
[0006] 在第一实施例中，一种系统包括气体涡轮发动机，该气体涡轮发动机包括具有在 上游端和下游端之间的一个或更多个涡轮级的涡轮段、设置在涡轮段的下游端下游的排气 段和耦连到排气段的流体供应系统。该流体供应系统被配置为使惰性气体流通到排气段。
[0007] 在第二实施例中，一种系统包括涡轮排气段，该涡轮排气段被配置为安装在气体 涡轮发动机的涡轮段下游。该涡轮排气段包括被配置为从涡轮段接收排气的排气通道和延 伸穿过涡轮排气段的结构的惰性气体通道。该系统还包括耦连到排气段的流体供应系统。 该流体供应系统被配置为使惰性气体流通到排气段中的惰性气体通道。
[0008] 在第三实施例中，一种系统包括涡轮排气段，该涡轮排气段被配置为安装在气体 涡轮发动机的涡轮段下游。该涡轮排气段包括被配置为从涡轮段接收排气的排气通道和延 伸穿过涡轮排气段的结构的惰性气体通道。
[0009] 在第四实施例中，一种方法包括使燃料与氧化剂和排气在涡轮燃烧器的燃烧段中 燃烧以产生燃烧产物，用来自涡轮燃烧器的燃烧产物驱动涡轮，使来自涡轮的燃烧产物通 过排气段中的排气通道膨胀和冷却，以及使惰性气体从流体供应系统流通到排气段。
【附图说明】
[0010] 当参考附图阅读下面的【具体实施方式】时，本发明的这些和其它特征、方面和优点 将被更好的理解，在所有附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：
[0011]图1是具有耦连到烃生产系统的基于涡轮的服务系统的系统的实施例的示意图；
[0012] 图2是图1的系统的实施例的示意图，其进一步图示说明控制系统和组合循环系 统；
[0013] 图3是图1和图2的系统的实施例的示意图，且进一步图示说明气体涡轮发动机、 排气供应系统和排气处理系统的细节；
[0014] 图4是用于操作图1-3的系统的过程的实施例的流程图；
[0015] 图5是气体涡轮发动机的流体供应系统的示意图；
[0016] 图6是耦连到气体涡轮发动机的流体供应系统的实施例的示意图；以及
[0017] 图7是耦连到流体供应系统的一部分气体涡轮发动机的横截面视图。
【具体实施方式】
[0018] 下面将描述本发明的一个或更多个具体实施例。为了提供这些实施例的简要描 述，可能不在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当认识到，在任何这种实际实施方 式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多具体的实施决策以实现开发人员 的具体目标，诸如遵守系统相关的和业务相关的约束，其从一种实施方式到另一种实施方 式可以变化。此外，还应当认识到，这种开发工作可能是复杂的和耗时的，但对从本公开获 益的本领域技术人员来说不过是进行设计、生产和制造的例行工作。
[0019] 当介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词"一"、"一个"、"该"和"所述"意味着 有一个或更多个元件。术语"包括"、"包含"和"具有"旨在表示是包容性的，并意味着除了 列出的元件还可以有附加元件。
[0020] 如在下面详细讨论的，所公开的实施例总体涉及具有排气再循环（EGR)的气体涡 轮系统，并且特别涉及使用EGR的气体涡轮系统的化学计量操作。例如，气体涡轮系统可以 被配置为使排气沿排气再循环路径再循环，以化学计量燃烧燃料和氧化剂与至少一些再循 环的排气，并且捕集排气以便在各种目标系统中使用。排气的再循环与化学计量燃烧可以 有助于增加排气中的二氧化碳（CO2)的浓度水平，然后排气能够被后处理以分离和净化CO2 和队以便在各种目标系统中使用。气体涡轮系统还可以沿排气再循环路径采用各种排气处 理（例如，热回收、催化剂反应等），从而增加CO2的浓度水平、降低其它排放物（例如，一氧 化碳、氮氧化物和未燃烧烃类）的浓度水平，并且增加能量回收（例如，通过热回收装置）。 此外，气体涡轮发动机可以被配置为通过一种或更多种扩散火焰（例如，使用扩散燃料喷 嘴）、预混合火焰（例如，使用预混合燃料喷嘴）或其任何组合来燃烧燃料与氧化剂。在某 些实施例中，扩散火焰可以有助于将稳定性和操作维持在化学计量燃烧的某些限值内，这 进而有助于增加CO2的生产。例如，相比于以预混合火焰操作的气体涡轮系统，以扩散火焰 操作的气体涡轮系统可以确保实现更大量的EGR。转而，增加的EGR量有助于增加0)2生 产。可能的目标系统包括管线、存储箱、碳封存系统和烃生产系统，诸如增强型采油（EOR) 系统。
[0021] 所公开的实施例提供用于（例如，经由保护性气流）保护具有EGR的气体涡轮发 动机的组件的系统和方法。气体涡轮发动机可以包括具有在上游端与下游端之间的一个或 更多个涡轮级的涡轮段。气体涡轮发动机还可以包括设置在涡轮段的下游端下游的排气 段。进一步地，气体涡轮发动机可以包括耦连到排气段的流体供应系统（例如，保护性气体 或惰性气体供应源）。流体供应系统可以使保护性气体（例如，惰性气体）流通到气体涡轮 发动机的排气段。例如，保护性气体可以基本不含或完全不含氧气、空气或其任何组合，并 且保护性气体还可以基本不含或完全不含燃料或未燃烧烃类。因此，保护性气体可以被描 述为无氧气的或基本无氧气的保护性气体，并且还可以被描述为无燃料的或基本无燃料的 保护性气体。保护性气体可以包括惰性气体，其可以是稀有气体或基本非活性气体。虽然 多种保护性气体可以用于所公开的实施例，但下面的讨论集中于作为非限制性示例的惰性 气体。由流体供应系统传送的惰性气体的示例包括但不限于氮气、二氧化碳、氩气、排气或 其任何组合。惰性气体可以被用于冷却、吹扫、流体密封或稀释排气段的各个结构和组件中 的腔体。例如，由流体供应系统传送的惰性气体可以被用于冷却外护罩腔、内护罩腔、叶轮、 轴承腔或其任何组合。惰性气体可以经由耦连到流体供应系统的惰性气体通道从流体供应 系统流通到这些结构或组件中的一个或更多个。
[0022] 因为从流体供应系统传送的惰性气体的温度可以小于流过排气段的排气通道的 排气的温度，所以惰性气体可以有助于冷却排气段的结构和组件。因此，惰性气体可以有助 于延长排气段的组件和结构的寿命。在冷却排气段的组件和结构之后，惰性气体可以与流 过排气段的排气通道的排气混合。在某些实施例中，相比于其它冷却流体诸如空气，使用惰 性气体在排气段中进行冷却可以提供若干优点。例如，来自气体涡轮发动机的排气可以被 用于期望排气中的低氧气浓度的某些应用中。相比于空气，惰性气体可以包括很少氧气或 无氧气。因此，使用惰性气体来冷却排气段可以向排气引入很少氧气或不引入氧气。此外， 各种油和润滑剂可以被用于气体涡轮发动机的排气段。在排气段的冷却期间，惰性气体可 以与润滑剂或油中的一种或更多种接触。相比于空气，惰性气体可以导致油和/或润滑剂 的很少退化或无退化。换言之，惰性气体通常与油和/或润滑剂是不反应的。因此，使用惰 性气体来冷却排气段可以延长在排气段中使用的油和润滑剂的寿命。附加地或替代地，当 使用惰性气体进行冷却时，在排气段中可以使用较便宜的油和/或润滑剂。进一步地，惰性 气体可以被用于帮助吹扫和/或稀释泄漏至排气段的腔体内的任何排气。附加地或替代 地，惰性气体可以被用于给腔体加压以阻止排气泄漏至腔体内。
[0023] 图1是具有与基于涡轮的服务系统14关联的烃生产系统12的系统10的实施例 的示意图。如在下面进一步详细讨论的，基于涡轮的服务系统14的各个实施例被配置为提 供各种服务（诸如电功率、机械功率）和流体（例如，排气）至烃生产系统12,从而促进油 和/或气体的生产或恢复。在图示说明的实施例中，烃生产系统12包括油/气吸取系统16 和增强型采油（EOR)系统18,这些系统耦连到地下储层20 (例如，油、气体或烃类储层）。油 /气吸取系统16包括各种地表设施22,诸如耦连到油/气井26的圣诞树或生产树24。此 外，井26可以包括一个或更多个管状物28,这些管状物28延伸通过土地32中的钻孔30至 地下储层20。树24包括一个或更多个阀门、油嘴、隔离套筒、防喷器以及管理压力和控制往 返于地下储层20的流的各种流控制设备。虽然树24通常用于控制生产流体（例如，油或 气体）流出地下储层20,但EOR系统18可以通过将一种或更多种流体注入地下储层20来 增加油或气体生产。
[0024] 因此，EOR系统18可以包括流体喷射系统34,该流体喷射系统34具有延伸通过 土地32中的钻孔38至地下储层20的一个或更多个管状物36。例如，EOR系统18可以使 一种或更多种流体40 (诸如，气体、蒸汽、水、化学物质或其任何组合）流通到流体喷射系统 34内。例如，如在下面进一步详细讨论的，EOR系统18可以被耦连到基于涡轮的服务系统 14,以便系统14将排气42 (例如，基本不含或完全不含氧气）传送到EOR系统18以用作喷 射流体40。流体喷射系统34传送流体40 (例如，排气42)通过一个或更多个管状物36至 地下储层20内，如由箭头44所指示。喷射流体40通过远离油/气井26的管状物28的偏 移距离46处的管状物36进入地下储层20。因此，喷射流体40移置位于地下储层20中的 油/气体48,并驱动油/气体48向上通过烃生产系统12的一个或更多个管状物28,如箭 头50所指示。如在下面进一步详细讨论的，喷射流体40可以包括源于基于涡轮的服务系 统14的排气42,该基于涡轮的服务系统14能够根据烃生产系统12的需要在现场产生排气 42。换言之，基于涡轮的服务系统14可以同时产生由烃生产系统12使用的一种或更多种 服务（例如，电功率、机械功率、蒸汽、水（例如，脱盐水）和排气（例如，基本不含氧气））， 从而减小或消除对这些服务的外部源的依赖。
[0025]在图示说明的实施例中，基于涡轮的服务系统14包括化学计量排气再循环 (SEGR)气体涡轮系统52和排气（EG)处理系统54。气体涡轮系统52可以被配置为以化学 计量燃烧操作模式（例如，化学计量控制模式）和非化学计量燃烧操作模式（例如，非化学 计量控制模式）进行操作，诸如以稀燃料控制模式或富燃料控制模式进行操作。在化学计 量控制模式中，燃烧通常以燃料和氧化剂的基本化学计量比发生，从而导致基本化学计量 的燃烧。特别地，化学计量燃烧大体涉及在燃烧反应中基本消耗所有燃料和氧化剂，使得燃 烧的产物基本不含或完全不含未燃烧的燃料和氧化剂。化学计量燃烧的一种衡量是当量比 或Phi(〇)，其是实际燃料/氧化剂比相对于化学计量燃料/氧化剂比的比率。当量比大 于1. 〇导致燃料和氧化剂的富燃料燃烧，而当量比小于1. 〇导致燃料和氧化剂的贫燃料燃 烧。相比之下，当量比等于1. 0导致既不是富燃料也不是贫燃料的燃烧，从而在燃烧反应中 基本消耗所有的燃料和氧化剂。在所公开实施例的背景下，术语"化学计量"或"基本化学 计量"可以指大约〇. 95到大约1. 05的当量比。然而，所公开实施例还可以包括I. 0加上或 减去0. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05或更多的当量比。另外，燃料和氧化剂在基于涡轮的服务 系统14中的化学计量燃烧可以导致燃烧产物或排气（例如，42)基本不具有未燃烧的燃料 或剩余的氧化剂。例如，排气42可以具有小于1 %、2%、3%、4%或5%的体积百分比的氧 化剂（例如，氧气）、未燃烧燃料或烃类（例如，HC)、氮氧化物（例如，NOx)、一氧化碳（CO)、 硫氧化物（例如SOx)、氢气和其他不完全燃烧产物。通过进一步的示例，排气42可以具有 小于大约 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000 或 5000份每百万份体积（ppmv)的氧化剂（例如，氧气）、未燃烧燃料或烃（例如，HC)、氮氧化 物（例如，NOx)、一氧化碳（CO)、硫氧化物（例如SOx)、氢气和其他不完全燃烧产物。然而， 所公开的实施例还可以在排气42中产生其它范围的剩余燃料、氧化剂和其它排放物水平。 如本文所使用，术语"排放物"、"排放物水平"和"排放物目标"可以指某些燃烧产物（例如， N0X、C0、S0X、02、N2、H2、HC等）的浓度水平，这些燃烧产物可以存在于再循环的气流、排放的 气流（例如，排放至大气中的气流）和在各种目标系统（例如，烃生产系统12)中使用的气 流中。
[0026]虽然在不同实施例中SEGR气体涡轮系统52和EG处理系统54可以包括多种组件， 但所图示说明的EG处理系统54包括热回收蒸汽发生器（HRSG)56和排气再循环（EGR)系 统58,其接收和处理源于SEGR气体涡轮系统52的排气60。HRSG56可以包括一个或更多 个热交换器、冷凝器和各种热回收设施，这些装置共同起到将热量从排气60传递至水流以 由此产生蒸汽62的功能。蒸汽62可以用于一个或更多个蒸汽涡轮、EOR系统18或烃生产 系统12的任何其它部分。例如，HRSG56可以产生低压、中压和/或高压蒸汽62,其可以被 选择性地施加到低压、中压和高压蒸汽涡轮级或者EOR系统18的不同应用。除了蒸汽62 之外，净化水64 (诸如脱盐水）也可以由HRSG56、EGR系统58和/或EG处理系统54或 SEGR气体涡轮系统52的另一部分产生。净化水64 (诸如脱盐水）对于水短缺的地区诸如 内陆或沙漠地区可能特别有用。净化水64可以至少部分由于大体积的空气驱动SEGR气体 涡轮系统52内的燃料燃烧而产生。虽然蒸汽62和水64的现场生产在许多应用（包括烃 生产系统12)中可能是有益的，但排气42、60的现场生产可能由于其低氧气含量、高压和源 于SEGR气体涡轮系统52的热量而特别有益于EOR系统18。因此，HRSG56、EGR系统58和 /或EG处理系统54的另一部分可以将排气66输出或再循环至SEGR气体涡轮系统52内， 同时还使排气42流通到EOR系统18,以便与烃生产系统12 -起使用。同样地，排气42可 以直接从SEGR气体涡轮系统52吸取（即，不穿过EG处理系统54)，以用于烃生产系统12 的EOR系统18。
[0027]排气再循环由EG处理系统54的EGR系统58处理。例如