用于燃料喷嘴的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2014年6月11日提交的题为"SYSTEM AND METHOD FOR A FUEL NOZ化护的美国非临时专利申请14/302,028和于2014年6月28日提交的题为"SYSTEM AND MET册D FOR A FUEL NOZZLE"的美国临时专利申请61/841,201的优先权和权益，上述所有 申请通过引用整体合并于此W用于各种目的。
技术领域
[0003] 本文公开的主题设及燃气满轮发动机，并且更具体地设及用于燃气满轮发动机的 燃料喷嘴的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 燃气满轮发动机用于领域非常广泛的应用中，例如发电、航空器W及各种机械装 置。燃气满轮发动机通常在燃烧器部燃烧燃料和氧化剂(例如，空气）W生成热燃烧产物，然 后该产物驱动满轮部中的一个或多个满轮级。进而，满轮部驱动压缩机部的一个或多个压 缩机级。同样，燃料和氧化剂在燃烧器部中混合，然后燃烧产生热燃烧产物。燃气满轮发动 机通常包括一个或多个燃料喷嘴W将燃料与氧化剂混合。遗憾地是，燃料和氧化剂的不充 分混合会导致增加的一氧化碳排放和/或降低的燃烧效率。此外，燃气满轮发动机通常消耗 大量空气作为氧化剂，并且输出相当大量的排气进入大气。也就是说，排气通常作为燃气满 轮运行的副产物被浪费。
【发明内容】
[0005] 下面概述在范围上与最初要求保护的发明匹配的某些实施例。运些实施例并不旨 在限制要求保护的发明的范围，相反运些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简短概 括。事实上，本发明可能包含可与下面阐述的实施例类似或不同的各种形式。
[0006] 在第一实施例中，一种系统包括氧化剂压缩机和燃气满轮发动机。该燃气满轮发 动机包括具有满轮燃烧器的燃烧器部。该满轮燃烧器包括多个扩散燃料喷嘴。多个扩散燃 料喷嘴中的每一个包括被配置为通过多个第一氧化剂开口注入第一氧化剂的第一氧化剂 导管。多个第一氧化剂开口被配置为在第一旋转方向上施加满旋运动到第一氧化剂。多个 扩散燃料喷嘴中的每一个还包括被配置为通过多个第一燃料开口注入第一燃料的第一燃 料导管。第一燃料导管环绕第一氧化剂导管并且多个第一燃料开口被配置为在第二旋转方 向上施加满旋运动到第一燃料。多个扩散燃料喷嘴在的每一个还包括第二氧化剂导管，其 被配置为通过多个第二氧化剂开口注入第二氧化剂。第二氧化剂导管环绕第一燃料导管并 且多个第二氧化剂开口被配置为在第=旋转方向上施加满旋运动到第二氧化剂。燃气满轮 发动机还包括由来自满轮燃烧器的燃烧产物驱动的满轮W及由该满轮驱动的排气压缩机。 排气压缩机被配置为压缩且输送排气流到满轮燃烧器，并且氧化剂压缩机被配置为压缩且 输送第一氧化剂和第二氧化剂到满轮燃烧器。
[0007]在第二实施例中，一种系统包括扩散燃料喷嘴，该扩散燃料喷嘴包括第一氧化剂 导管，该第一氧化剂导管被配置为通过多个第一氧化剂开口注入第一氧化剂。所述多个第 一氧化剂开口被配置为在第一旋转方向上施加满旋运动到第一氧化剂。扩散燃料喷嘴还包 括第一燃料导管，该第一燃料导管被配置为通过多个第一燃料开口注入第一燃料。第一燃 料导管环绕第一氧化剂导管，并且所述多个第一燃料开口被配置为在第二旋转方向上施加 满旋运动到第一燃料。扩散燃料喷嘴还包括第二氧化剂导管，该第二氧化剂导管被配置为 通过多个第二氧化剂的开口注入第二氧化剂。第二氧化剂导管环绕第一燃料导管，并且所 述多个第二氧化剂开口被配置为在第=旋转方向上施加满旋运动到第二氧化剂。
[000引在第=实施例中，一种方法包括从第一氧化剂导管通过扩散燃料喷嘴的多个第一 氧化剂开口在第一周向方向上将第一氧化剂注入满轮燃烧器，从第一燃料导管通过扩散燃 料喷嘴的多个第一燃料开口在第二周向方向上将第一燃料注入满轮燃烧器，从第二氧化剂 导管通过扩散燃料喷嘴的多个第二氧化剂开口在第=周向方向上将第二氧化剂注入满轮 燃烧器，W及在扩散燃料喷嘴下游的满轮燃烧器内扩散燃烧第一氧化剂、第一燃料和第二 氧化剂。
【附图说明】
[0009] 当参照附图阅读W下详细说明时，本发明的运些和其他特征、方面和优点将变得 更容易被理解，其中相似符号在整个附图中代表相似部件，其中：
[0010] 图1是具有禪连到控类生产系统的基于满轮的服务系统的系统实施例的示意图；
[0011] 图2是图1的系统实施例的示意图，其进一步示出控制系统和组合循环系统；
[0012] 图3是图1和图2的系统实施例的示意图，其进一步示出燃气满轮发动机、排气供应 系统和排气处理系统的细节；
[0013] 图4是用于运行图1-3的系统的过程实施例的流程图；
[0014] 图5是图1-3的燃气满轮发动机的实施例的示意图，其进一步示出燃烧器、燃料喷 嘴和氧化剂流、燃料流和稀释剂流的细节；
[0015] 图6是燃烧器的端盖和扩散燃料喷嘴的实施例的透视图；
[0016] 图7是扩散燃料喷嘴的实施例的剖视图；
[0017] 图8是扩散燃料喷嘴的实施例的截面图；
[0018] 图9是具有五个导管的扩散燃料喷嘴的实施例的截面图；
[0019] 图10是具有中屯、燃料导管的扩散燃料喷嘴的实施例的截面图；W及
[0020] 图11是扩散燃料喷嘴的实施例的锥形尖端的前视图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明的一个或多个具体实施例将在下面描述。为了提供运些实施例的简要描 述，实际实施方式的所有特征可能没有在本说明书中描述。应认识到，在任何此类实际实施 方式的开发中（例如在工程规划或设计项目中），需要做出众多针对实施方式的决定W实现 特定目标，例如符合在不同实施方式中彼此不同的系统相关约束和/或商业相关约束。而 且，应认识到，运种开发工作可能是复杂和费时的，然而，对受益于本公开的本领域普通技 术人员来说，承担设计、装配和制造仍然是例行工作。
[0022] 本文公开了详细的示例性实施例。但是，本文公开的特定结构和功能细节仅仅代 表描述示例性实施例的目的。而本发明的实施例可W体现为许多替代形式，并且不应解释 为仅限于本文阐述的实施例。
[0023] 因此，虽然示例性实施例能够具有各种修改和替换形式，但其实施例通过附图中 的示例的方式示出并将在本文详细描述。然而，应当理解的是，本发明并不打算将示例性实 施例局限于所公开的具体形式，而是相反，示例性实施例旨在覆盖落入本发明的范围内的 所有修改、等同物和替代实施例。
[0024] 本文所使用的术语仅用于描述某些实施例，并不是为了限制示例性实施例。正如 本文所使用，单数形式"一"、"一个"、"该"也包括复数形式，除非上下文中明确指出不同含 意。当用于本文时，术语"包括"和/或"包含"指定存在所陈述特征、整数、步骤、操作、元件 和/或组件，但不排除存在和添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/ 或其群组。
[0025] 虽然术语第一、第二、主要、次要等可W在本文中被用于描述各个元件，但是运些 元件不应受运些术语限制。运些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如但不限 于，第一元件可W被称为第二元件，并且同样，第二元件可W被称为第一元件，而不偏离示 例性实施例的范围。正如本文所使用的，术语"和/或"包括一个或更多个关联列出项目中的 任意一个、全部及其组合。
[0026] 本文可能使用某些术语，运仅为了方便读者而不应被视为对本发明的范围的限 审IJ。例如，诸如"上面"、"下面"、"左侧"、"右侧"、"前面"、"后面"、"顶部"、"底部"、"水平"、 "垂直"、"上游"、"下游"、"前部"、"后部"等词仅描述在附图中示出的构形。事实上，本发明 的实施例的一个或多个元件可WW任何方向取向，因此，所述术语应当被理解为包含运类 变化，除非W其他方式指出不同。
[0027] 如下面所详细讨论的，所公开的实施例一般设及带有排气再循环化GR)的燃气满 轮系统，尤其是设及使用EGR的燃气满轮系统的化学计量操作。例如，燃气满轮系统可W被 配置为沿着排气再循环路径再循环排气，使燃料和氧化剂与至少某些再循环排气一起W化 学计量燃烧，并且收集排气用于各个目标系统。排气的再循环可W与化学计量燃烧一起帮 助增加排气中的二氧化碳(0)2)浓度水平，然后二氧化碳可W被后处理W分离和纯化C〇2和 氮气(化)用于各个目标系统。燃气满轮系统还可W采用沿着排气再循环路径的各种排气处 理(例如热回收、催化反应等），从而增加 C〇2的浓度水平，减少其他排放物(例如一氧化碳、 氮氧化物W及未燃烧控类）的浓度水平，并且(例如用热回收单元)增加能量回收。此外，燃 气满轮发动机可W被配置为使用一个或多个扩散火焰(例如，使用扩散燃料喷嘴）、预混合 火焰(例如，使用预混燃料喷嘴)或其任意组合来燃烧燃料和氧化剂。在某些实施例中，扩散 火焰可W帮助保持在对化学计量燃烧的某些极限内的稳定性和运行，其进而帮助增加 C〇2 的产量。例如，与使用预混合火焰运行的燃气满轮系统相比，使用扩散火焰运行的燃气满轮 系统可W允许更大量的EGR。进而，增加的EGR量有助于增加 C〇2产量。可能的目标系统包括 管线(pipelines)、储罐、碳封存系统和控类生产系统，诸如强化油回收化OR)系统。
[0028] 本公开的实施例提供用于具有EGR的燃气满轮系统的燃料喷嘴的系统和方法。具 体地，燃气满轮系统的满轮燃烧器可W包括多个扩散燃料喷嘴，所述多个扩散燃料喷嘴不 预混任何燃料和氧化剂。多个扩散燃料喷嘴中的每一个均可W包括第一氧化剂导管、第一 燃料导管和第二氧化剂导管。第一氧化剂导管可W通过多个第一氧化剂开口注入第一氧化 剂，第一燃料导管可W通过多个第一燃料开口注入第一燃料，并且第二氧化剂导管可W通 过多个第二氧化剂开口注入第二氧化剂。多个第一氧化剂开口可W在第一旋转方向上施加 满旋运动到第一氧化剂，第一氧化剂导管可W在第二旋转方向上施加满旋运动到第一燃 料，并且多个第二氧化剂开口可W在第=旋转方向上施加满旋运动到注入第二氧化剂。
[0029] 通过在第一、第二和第=旋转方向上分别施加满旋运动到第一氧化剂、第一燃料 和第二氧化剂，多个扩散燃料喷嘴可W提供许多优点，尤其对于具有EGR的燃气满轮系统。 例如，与先前的满轮燃烧器相比，第一燃料与第一氧化剂和第二氧化剂在扩散燃料喷嘴下 游的混合量可W被增加。具体而言，由于不同方向的满旋运动，第一燃料与第一和第二氧化 剂的混合可W在满轮燃烧器的轴向方向上W更快的速度发生。也就是说，与之前的燃烧器 相比，在更短的轴向距离上可W实现第一燃料与第一和第二氧化剂的彻底混合。第一燃料 与第一和第二氧化剂的运种提高的混合(即在燃料喷嘴的下游)可W降低由不充分的燃料-氧化剂混合造成的一氧化碳的产生量。另外，由扩散燃料喷嘴的实施例提供的提高的燃料-氧化剂混合(即在燃料喷嘴的下游)可W提高满轮燃烧器的燃烧效率。
[0030] 图1是具有与基于满轮的服务系统14关联的控类生产系统12的系统10的实施例的 示意图。如下面进一步详细讨论的，基于满轮的服务系统14的各种实施例被配置为向控类 生产系统12提供各种服务例如电力、机械力和流体(例如排气）W促进油和/或气的生产或 回收。在图示的实施例中，控类生产系统12包括油/气抽取系统16和强化油回收化OR)系统 18,二者被禪连到地下储层20(例如油、气或控类储层）。油/气抽取系统16包括各种地面设 备22,例如禪连到油/气井26的圣诞树或生产树24。此外，井26可W包括通过±地32中的钻 孔30延伸到地下储层20的一个或多个管件28。树24包括一个或多个阀口、扼流圈、隔离套、 防喷器W及各种流量控制装置，其调节压力并且控制去到和来自地下储层20的流动。虽然 树24通常被用于控制从地下储层20流出的生产流体(例如油或气）的流动，EOR系统18可W 通过将一种或多种流体注入地下储层20中来增加油或气的产量。
[0031] 因此，EOR系统18可W包括流体注入系统34,该流体注入系统34具有通过±地32中 的孔30延伸到地下储层20的一个或多个管件36。例如，EOR系统18可W将一种或多种流体40 例如气体、蒸汽、水、化学物质或其任何组合输送到流体注入系统34中。例如，如下面所进一 步详细讨论的，EOR系统18可W被禪连到基于满轮的服务系统14,使得系统14将排气42(例 如，基本没有氧气或完全没有氧气）输送到EOR系统18用作注入流体40。流体注入系统34通 过一个或多个管件36将流体40(例如排气42)输送到地下储层20中，如箭头44所指示。注入 流体40通过与油/气井26的管件28间隔开一偏移距离46的管件36进入地下储层20。因此，注 入流体40使安置在地下储层20中的油/气48移位，并驱动油/气48通过控类生产系统12的一 个或多个管件28上升，如箭头50所指示。如下面所进一步详细讨论的，注入流体40可W包括 源自基于满轮的服务系统14的排气42,该基于满轮的服务系统14能够根据控类生产系统12 的需要在现场生成排气42。换句话说，基于满轮的服务系统14可W同时生成供控类生产系 统12使用的一种或多种服务(例如电力、机械力、蒸汽、水(例如淡化水）W及排气(例如基本 没有氧气）），从而降低或消除运类服务对外部源的依赖。
[0032] 在图示的实施例中，基于满轮的服务系统14包括化学计量排气再循环(SEGR)燃气 满轮系统52和排气巧G)处理系统54。燃气满轮系统52可W被配置为W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)如稀 燃料控制模式或富燃料控制模式操作。在化学计量控制模式中，燃烧通常W燃料和氧化剂 的大致化学计量比发生，从而产生大致化学计量燃烧。特别地，化学计量燃烧通常包括在燃 烧反应中消耗几乎全部的燃料和氧化剂，使得燃烧产物基本没有或完全没有未燃烧燃料和 氧化剂。化学计量燃烧的一个量度是当量比或pM( (1))，其是实际燃料/氧化剂比率相对于 化学计量燃料/氧化剂比率的比率。大于1.0的当量比导致燃料和氧化剂的富燃料燃烧，而 小于1.0的当量比导致燃料和氧化剂的稀燃料燃烧。相反，1.0的当量比导致既不是富燃料 又不是稀燃料的燃烧，从而在燃烧反应中基本消耗所有的燃料和氧化剂。在本公开实施例 的背景下，术语化学计量或基本化学计量可W指的是大约0.95到大约1.05的当量比。然而， 本公开的实施例也可W包括1.0加上或减去0.01、0.02、0.03、0.04、0.05或更多的当量比。 再者，在基于满轮的服务系统14中的燃料和氧化剂的化学计量燃烧可W导致基本没有剩下 的未燃烧燃料或氧化剂的燃烧产物或排气(例如42)。例如，排气42可W具有小于1%、2%、 3%、4%或5 %体积百分比的氧化剂(例如氧气）、未燃烧燃料或控类(例如HC)、氮氧化物(例 如NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如SOx)、氨和其他未完全燃烧产物。通过进一步的示例， 排气 42 可 W 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每百万份体积(ppmv)的氧化剂(例如氧）、未燃烧燃料或控类(例如 HC)、氮氧化物(例如NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如SOx)、氨和未完全燃烧产物。然而， 本公开实施例还可W在排气42中产生其他范围的残留燃料、氧化剂和其他排放物水平。如 本文所使用，术语排放物、排放物水平和排放物目标可W指的是某些燃烧产物（例如NOx、 CO、SOx、〇2、此、HC等）的浓度水平，所述燃烧产物可W存在于再循环气体流、排出气体流(例 如排放到大气中似及用在各种目标系统(例如控类生产系统12)中的气体流。
[0033] 虽然不同实施例中的SEGR燃气满轮系统52和EG处理系统54可W包括各种组件，但 图示的EG处理系统54包括热回收蒸汽发生器化RSG)56和排气再循环化GR)系统58,二者接 收并处理源自SEGR燃气满轮系统52的排气60。皿SG 56可W包括一个或多个热交换器、冷凝 器和各种热回收设备，它们一起用于将热量从排气60传递至水流，由此产生蒸汽62。蒸汽62 可W被用在一个或多个蒸汽满轮、EOR系统18或控类生产系统12的任何其他部分中。例如， HRSG 56可W生成低压、中压和/或高压蒸汽62,其可W被选择性应用于低压、中压和高压蒸 汽满轮级或EOR系统18的不同应用中。除了蒸汽62之外，处理水64例如淡化水也可W由皿SG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分或SEGR燃气满轮系统52生成。处理水64(例如 淡化水)在例如内陆或沙漠地区等水短缺区域可能是特别有用的。处理水64可W至少部分 由于驱动SEGR燃气满轮系统52内的燃料燃烧的大体积空气而生成。虽然蒸汽62和水64的现 场生成在许多应用(包括控类生产系统12)中是特别有利的，但排气42、60的现场生成对EOR 系统18来说是特别有利的，运是由于所述排气从SEGR燃气满轮系统52获得低氧含量、高压 和热度。因此，皿SG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分可W将排气66输出或再 循环到SEGR燃气满轮系统52中，同时还将排气42输送到EOR系统18 W供控类生产系统12使 用。同样，可W从SEGR燃气满轮系统52直接抽取排气42(即无需经过EG处理系统54)，W用于 控类生产系统12的EOR系统18。
[0034] 排气再循环由EG处理系统54的EGR系统58来处理。例如，EGR系统58包括一个或多 个管道、阀口、鼓风机、排气处置系统(例如过滤器、微粒去除单元、气体分离单元、气体净化 单元、热交换器、热回收单元、湿气去除单元、催化剂单元、化学注入单元或其任何组合）W 及沿着从SEGR燃气满轮系统52的输出端（例如释放