专利名称：用于涡轮发动机的废气再循环(egr)的系统和方法
技术领域：
本发明的实施例的方面大体上涉及涡轮发动机，尤其涉及用于涡 專仑发动机的废气再循环(EGR)的使用。
背景技术：
燃气涡轮发动机通常被调整至最优温度范围。如果在涡轮发动机 的进口处的周围温度偏离最优温度范围，则燃气涡轮发动机和/或联合 循环可在效率、性能、输出、应力等方面经历不希望的变化。因此， 本行业需要在一定条件下将涡轮发动机进口的周围温度维持为最优 温度，以便减小运行变化。
发明内容
本发明的实施例的技术效果可以是减小运行变化和/或对涡轮发 动机和/或联合循环的影响。
根据本发明的实例性实施例，可存在用于废气再循环的方法。该 方法可包括经由进入区段在压缩机的输入处接收进入空气，利用接收 的进入空气在压缩机处产生压缩空气，和从压缩机向燃烧器提供压缩 空气，其中燃烧器进行涉及压缩空气和燃料的燃烧。该方法还可包括
一部分废气再循环至进入区段，其中涡轮构件释放废气，再循环废气 提高进入空气的温度。
根据本发明的另 一实例性实施例，可存在用于废气再循环的系 统。该系统可包括压缩机，该压缩机经由进入区段接收进入空气并 利用接收的进入空气产生压缩空气；燃烧器，该燃烧器接收燃料和由 压缩机产生的压缩空气，其中燃烧器进行涉及压缩空气和燃料的燃烧；和涡轮构件，该涡轮构件接收与燃烧相关的燃烧产物，其中涡轮 构件释放废气。该系统还可包括用于将至少一部分废气循环至进入区 段的再循环管线，其中再循环的废气提高进入空气的温度。
根据本发明的又一实例性实施例，可存在用于废气再循环的系
统。该系统可包括压缩机，该压缩机经由进入区段接收进入空气并 利用接收的进入空气产生压缩空气；燃烧器，该燃烧器接收燃料和由 压缩机产生的压缩空气，该燃烧器进行涉及压缩空气和燃料的燃烧； 涡轮构件，该涡轮构件接收与燃烧相关的燃烧产物，该涡轮构件释i文 废气；和用于将至少一部分废气循环至进入区段的装置，其中再循环 的废气提高进入空气的温度。
如此已概括地描述了本发明的方面，现在将对不必按比例绘制的 附图作出参考，其中
图1示出根据本发明的实例性实施例、利用废气再循环的涡轮系 统的实例。
图2示出根据本发明的实例性实施例的图1的涡轮系统的运行。 图3示出根据本发明的实例性实施例、用于运行燃气涡轮发动机
的控制模块，该燃气涡轮发动机包括用于燃气涡轮发动机的废气再循环。
图4和图5示出根据本发明的实例性实施例、利用废气再循环的 涡轮系统的可选实例。
图6提供根据本发明的实例性实施例、表示周围温度变化对燃气 涡轮输出(kW)、效率(EFF)和联合循环(cc)的影响。
部件列表
100:系统
102:涡轮发动机103:压缩枳j
104:燃烧器
105:转子或轴
106:涡轮构件
108:发电机
110:阀
111:交换器
112:过滤器
202-212:块
302:控制模块
304:促动器
306:传感器
400:涡轮系统
402:燃气涡轮发动机
403:压缩机
404:燃烧器
405:转子或轴
406:涡轮构件
408:发电机
409:蒸汽涡轮发动机
410:驱动发电枳i
411:转子或轴
412:阀
413:冷却器
414:过滤器
500:涡專&系统
502:燃气涡轮发动机
503:压缩^/L200910117938.0
103:压缩枳504:燃烧器
505:转子或轴
506:涡轮构件
508:热回收蒸汽发生器
509:蒸汽涡轮发动机
510:发电机
511:转子或轴
512-514:阀
602: ISO日
具体实施例方式
在下文中将参考示出本发明的某些实施例的附图更充分地描述 本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不 应解释成局限于在此提出的实施例；相反地，提供这些实施例，以便 本公开详尽和完全，并且向本领域的普通技术人员充分表达本发明的 范围。在整个说明书中相同的附图标记指示相同的元件。
进气(例如进口)的系统和方法。根据本发明的实例性实施例，通过使 废气再循环，可适当地提高涡轮发动机的进入空气的周围温度。实际 上，废气的再循环可允许减小运行变化和对涡轮发动机的硬件的影 响。根据本发明的实例性实施例，再循环的实例性方面可包括以下的 一个或多个除水(de-icing)、降低燃烧动态性、消除宽范围的周围温 度范围调整、消除或减小对进口放热(bleedheat)(IBH)的需求、减小转 子上的过度应力、使压缩机喘振的危险最小。
图1示出根据本发明的实例性实施例、利用废气再循环的涡轮系 统100的实例。在图l中，根据本发明的实例性实施例，存在诸如燃 气涡轮发动机的涡轮发动机102,其包括压缩机103、燃烧器104、转 子或轴105、涡轮构件106和发电一几108。转子或轴105可物理地连接压缩机103和涡轮构件106。根据本发明的实例性实施例，压缩机 103和涡轮构件106、或者它们的至少一部分可与转子或轴105 —起 旋转。同样地，发电机108(例如载荷)可连接到转子或轴105。应意识 到的是，尽管图1示出发电机108位于涡轮发动机102的前部，但这 种图示仅用于示意性目的，并且在不偏离本发明的实施例的情况下， 发电机108可同样地位于涡库仑发动机的后部。
现在将参考图2的流程图讨-i仑图1的涡轮系统的运行。在块202 处，压缩机103经由涡轮发动机102的进入区段接收进入空气。当进 入空气通过压缩冲几103时，空气的压力增加并且在压缩才几103的出口 处产生压缩空气。可将在压缩机103的出口处产生的压縮空气、或该 压缩空气的至少一部分提供至燃烧器104。在本发明的实例性实施例 中，压缩机103可包括用于使空气通过压缩机以产生压缩空气的多个 旋转风扇叶片。
在块204处，燃烧器104可接收压缩空气和诸如石油基燃料(例如 煤油、喷气燃料等等)、丙烷、天然气、或另外的燃料或燃气的燃料。 通常，燃烧器104可利用压缩空气和燃料进行燃烧。由于燃烧而可产 生诸如热气的燃烧产物。然后将燃烧产物从燃烧器104提供到或排出 到涡轮构件106,如块206所示。根据本发明的实例性实施例，燃烧 产物可通过涡轮构件106，并使涡轮构件106的叶片运动(例如旋转)。 在本发明的实施例中，涡轮构件106的叶片的运动可经由转子或轴105 同样地驱动压缩才几103和发电机108。然后废气经由涡4仑发动机102 的排出区段由涡轮构件106释放。根据本发明的实例性实施例，废气 可在150-180华氏温度(大约65.56-82.22摄氏温度)的范围内。但是， 在本发明的其它实施例中，废气也可在其它温度范围中，包括低于150 华氏温度(大约65.56摄氏温度)或高于180华氏温度(大约82.22摄氏 温度)的温度。尽管在此介绍了示意性的温度范围，但应意识到的是， 这些温度范围仅用于示意性目的并且不用于限制与本发明的实例性 实施例相关的运行温度范围。在块208处，与涡轮发动机102相关的控制模块可能经由温度传 感器可确定涡轮发动机的进入区段处的周围温度是否低于最佳的或 期望的/预定的温度或温度范围(例如ISO进口温度)。如果控制模块确 定需要提高进入区段处的温度，则控制模块可允许废气的至少一部分 被S1入或引导到由 一个或多个阀110控制的再循环管线(例如管道)中， 如块210所示。通过调节一个或多个阀110的位置(例如关闭、 一个或 多个打开位置)，可相应地调节再循环的废气量。例如，在本发明的示 意性实施例中，可将范围10%至60%的废气引导至再循环管线。应意 识到的是，在不偏离本发明的实施例的情况下，可将再循环废气的范 围调节至10%至60%的示意性范围之外。根据本发明的实例性实施例， 在涡轮发动机102的进口(例如进气)与排气之间可能存在压差，因此， 不需要使再循环的废气沿再循环管线运动到涡轮发动机102的进入区 段的增压。但是，在本发明的替代实施例中，可能由一个或多个风扇 产生的增压可用于使废气同样地在再循环管线中运动或附加地运动。
另外，才艮据本发明的实例性实施例，再循环管线可任选地包括热 交换器111与过滤器112中的一个或两个。热交换器111可在废气被 提供至进入区段之前降低或减低再循环管线中的废气的温度。根据本 发明的实例性实施例，热交换器111可以是冷却器。同样地，过滤器 112可运行，以从再循环的废气中去除颗粒物质。还应意识到的是， 催化转化器可作为用于废气的后处理任选地设置在再循环管线中或 者在废气进入再循环管线之前。催化转化器可运行，以从废气中去除 污染物。例如，可利用选择性催化还原(SCR)催化转化器从废气中去 除氮氧化物(NOx)。
仍然参考块210,可将未引导至再循环管线的所有废气纟是供至与 涡轮构件106相关的排气管107,该排气管107可能将废气释放到大 气中。应意识到的是，在本发明的替代的实施例中，还可重新捕获废 气，用于驱动蒸汽涡轮或其它装置。
返回参考块208,控制模块可能确定不需要提高进入区段处的温度，在这种情况下废气被提供至排气管107，如块212所示。然而， 应意识到的是，替代地，可重新捕获废气，以用于驱动蒸汽涡轮。 将参考图3进一步详细地描述使燃气涡轮发动机运行的控制模
3所示，诸如基于模型的控制模块(MBC)的控制模块可从一个或多个 传感器306接收数据并向一个或多个促动器304以及再循环管线的控 制阀IIO和热交换器111提供控制信号。根据本发明的实例性实施例， 促动器可根据涡轮发动机102的期望运行对涡轮发动机102的燃料 流、进口导叶位置和进口放热气流进行调节。传感器306可包括温度 传感器，其确定涡轮发动机102的进入区段(例如压缩机的输入)处、 涡轮发动机的排出区段处、和涡轮发动机102上或周围的其它位置处 的周围温度。应意识到的是，传感器306还可包括其它传感器，包括 用于检测压缩机排出压力(PCD)、压缩机排出温度(TCD)和输出功率 (MW)的传感器。
根据本发明的实例性实施例，进入区^R处的温度传感器102可向 控制模块302提供温度数据。基于该温度传感器，控制模块302可确 定进入区段处的周围温度是否低于最优的或期望的/预定的温度或温 度范围。在该情形下，控制模块302可通过利用一个或多个控制信号 调节阀IIO的位置(例如将阀IIO设置于一个或多个打开位置)来增加 引导至再循环管线的废气量。同样地，控制模块302还可根据需要使 热交换器lll运行，以降低再循环管线中的废气的温度。根据本发明 的实例性实施例，热交换器lll还可包括用于去除由热交换器111的 运4亍产生的冷凝物的沖几构。
应意识到的是，可对以上参考图1-3讨论的涡轮系统作出许多变 型。尽管以下图4和图5示出涡轮系统的某些替代实施例，但应意识 到的是，在不偏离本发明的实施例的情况下可存在更进一步的变型。
图4示出根据本发明的实例性实施例、包括燃气涡轮发动机402 和蒸汽涡轮发动机409的涡轮系统400。如图4所示，根据本发明的
10实例性实施例，类似于图1的涡轮发动机102的燃气涡轮发动机402 可包括压缩机403、燃烧器404、转子或轴405、涡轮构件406和发电 机408。根据本发明的实例性实施例，来自涡轮构件406的废气可提 供至热回收蒸汽发生器(HSRG)408,以再加热来自蒸汽涡轮发动机409 的蒸汽。特别地，可通过HSRG408从蒸汽涡轮发动机409接收冷凝 蒸汽，并且可将再加热的蒸汽返回至蒸汽涡轮发动机409。然后蒸汽 涡轮发动机409可经由转子或轴411驱动发电机410。根据蒸汽涡轮 再循环管线，同样地可将来自蒸汽涡轮409的废气返回地再循环至 HSRG歡
根据本发明的实例性实施例，可从HSRG 408提供引导至用于燃 气涡轮发动机402的再循环管线的废气。特别地，根据本发明的实例 性实施例，控制模块可调节阀412，以便引导由HSRG 408捕获的废 气的至少一部分的再循环。如图4所示，HSRG 408处的这些废气的 来源可包括燃气涡轮发动机402和/或蒸汽涡轮409。废气的附加源可 以是HSRG 408内的一个或多个加热元件。根据本发明的实例性实施 例，除对阀412进行控制之外，控制模块还可使冷却器413运行，以
到的是，如果过滤器414是电子操作式过滤器，则它可同样地由控制 模块控制，以帮助从再循环管线中的废气中去除颗粒物质。
图5示出根据本发明的实例性实施例、包括燃气涡轮发动机502 和蒸汽涡轮发动机509的涡轮系统500。根据本发明的实例性实施例， 类似于图1的涡轮发动机102的燃气涡轮发动机502可包括压缩机 503、燃烧器504、转子或轴505、涡轮构件506和发电机510。根据 本发明的实例性实施例，来自涡轮构件506的废气可提供至热回收蒸 汽发生器(HSRG)508,以再加热来自蒸汽涡轮发动机509的蒸汽。特 别地，可通过HSRG 508从蒸汽涡轮发动积i509接收冷凝蒸汽，并且 再加热的蒸汽可被返回至蒸汽涡轮发动机509。然后蒸汽涡轮发动机 509可经由转子或轴511驱动发电机510。如图5所示，可存在三个阀，其可控制废气到燃气轮机502的进 入区段的再循环。例如，阀512和513可确定是否将来自蒸汽涡轮509 的废气引导至HSRG 508、引导至用于燃气轮机502的进入区段的再 循环管线、或引导至两者。例如，如果阀512关闭而阀513打开，则 废气将被提供至进入区段，而不提供至HRSG 508。替代地，阀512 和513可都打开，可将废气的第一部分引导至HSRG 508，而可将废
一方面，阀513可关闭而阀512可打开，以将废气引导至HSRG508， 而不引导至用于燃气轮机502的进入区段的再循环管线。另外，可设 置阀514,以控制经由再循环管线从HSRG 508朝涡轮502的进入区 段引导的废气的量。根据本发明的实例性实施例，控制模块可确定引
即来自HSRG 508和/或蒸汽涡轮509。例如，如果进气处的温差较大， 则可从HSRG 508为再循环管线提供较高温度的废气。另一方面，如 果进气处的温差较小，则可从蒸汽涡轮509为再循环管线提供较低温 度的废气。
应意识到在此描述的涡轮系统的许多变型。才艮据本发明的替代实 施例，再循环的废气可以不与进入空气直接混合以提高进入空气的温 度。相反，可经由一个或多个散热机构、包括与再循环管线相关的散 热器或散热片从再循环管线中的再循环废气获取热。这样，可以不需 要将诸如NOx的性能降低的气体？ 1入涡轮系统。
图6提供根据本发明的实例性实施例、表示周围温度变化对燃气 涡轮输出(kW)、效率(EFF)和联合循环(cc)的影响。如图6所示，最佳 温度可位于ISO日602的温度处或附近。根据本发明的实例性实施例， ISO日602(或标准日)的温度可为大约59°F。
通过受益于前述说明书和相关附图的教导，本发明所属领域的技 术人员将想起在此提出的发明的许多其它变型和其它实施例。因此， 要理解的是，本发明不局限于公开的特定实施例，并且意图使变型和其它实施例包括在权利要求的范围内。尽管在此采用了特定术语，但 它们只用于一般的和描述性的意义，而不是为了进行限制。
权利要求
1.一种用于废气再循环的方法，包括在压缩机(103，403或503)的输入处经由进入区段接收进入空气(202)；利用接收的进入空气在所述压缩机处(103，403或503)处产生压缩空气(202)；将所述压缩空气从所述压缩机(103，403或503)提供至燃烧器(104，404或504)(204)，其中，所述燃烧器(104，404或504)进行涉及所述压缩空气和燃料的燃烧；在涡轮构件(106，406或506)处接收与所述燃烧相关的燃烧产物(206)，其中，所述涡轮构件释放废气；和经由再循环管线将所述废气的至少一部分再循环至所述进入区段(210)，其中，再循环的废气提高所述进入空气的温度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废气由所述涡 轮构件(406， 506)释放至热回收蒸汽发生器(HRSG)(408， 508)，其中从 所述HRSG(408， 508)引导所迷废气的再循环部分。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述废气是第一废 气，并且所述HRSG(408， 508)再加热用于蒸汽涡轮(409, 509)的冷凝蒸 汽，以及来自所述蒸汽涡轮的第二废气的至少一部分被引导至所述再 循环管线。
4. 根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括 在控制模块(302)处从传感器(306)接收温度数据，其中至少部分地基于接收的温度数据，所述控制模块(302)可运行以控制经由所述再循 环管线而再循环至所述进入区段的废气量。
5. —种用于废气再循环的系统，包括压缩机(103,403或503)，其中，所述压缩才几(103，403或503)经由 进入区段接收进入空气并利用接收的进入空气产生压缩空气；燃烧器(104, 404或504),其接收燃料和由所述压缩机(103,403或 503)产生的压缩空气，其中，所述燃烧器(104,404或504)进行涉及所 述压缩空气和燃料的燃烧；涡轮构件(106,406或506)，其接收与所述燃烧相关的燃烧产物， 其中，所述涡轮构件释放废气；和再循环管线，其用于将所述废气的至少一部分循环至所述进入区 段，其中，再循环的废气提高所述进入空气的温度。
6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述废气由所述涡 轮构件(406或506)释放至热回收蒸汽发生器(HRSG)(408， 508)，其中 >^人所述HRSG(408或508)引导所述废气的再循环部分。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述废气是第一废 气，并且所述HRSG(408或508)再加热用于蒸汽涡轮的冷凝蒸汽，以 及来自所述蒸汽涡轮的第二废气的至少 一部分被引导至所述再循环 管线。
8. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述再循环管线包 括热交换器(l 11， 413或515)，其可运行以降低所述再循环管线中的废 气的温度。
9. 根据权利要求5所述的系统，所述系统还包括 控制模块(302)，其中，所述控制模块(302)从传感器接收温度数据，并且至少部分地基于接收的温度数据来控制阀(IIO, 412或512-514), 所述阀用于经由再循环管线将所述废气的至少一部分再循环至所述 进入区段。
10. 根据权利要求5所述的系统，所述系统还包括 催化转化器，其用于处理由所述涡轮构件(106,406或506)释^:的所述废气，其中，所述催化转化器从所述废气中去除污染物。
全文摘要
本发明涉及用于涡轮发动机的废气再循环(EGR)的系统和方法。该系统和方法可包括在压缩机的输入处经由进入区段接收进入空气，在压缩机处利用接收的进入空气产生压缩空气，和从压缩机向燃烧器提供压缩空气，其中，燃烧器进行涉及压缩空气和燃料的燃烧。该系统和方法还可包括在涡轮构件处接收与燃烧相关的燃烧产物，其中，涡轮构件释放废气，并且经由再循环管线将废气的至少一部分再循环至进入区段，其中再循环的废气提高进入空气的温度。
文档编号F02C6/18GK101514657SQ200910117938
公开日2009年8月26日 申请日期2009年2月19日 优先权日2008年2月19日
发明者L·J·切罗内, M·J·鲍曼, S·M·霍伊特, S·阿尔亚贝里 申请人:通用电气公司