专利名称：具有排气再循环和再加热的涡轮机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有燃气涡轮机的涡轮机系统，该燃气涡轮机带有再加热燃烧系统和排气再循环(EGR)系统用于减少热的NOx。
技术背景随着有关工业排放对于环境影响的关注日益增加，对于容许排》文 的限制也是如此。由于为满足电力需求所需的大量燃料，故特别关注 大型燃气涡轮机系统。已经研制出许多燃烧方案来减小目前在大多数 商用系统上使用的高涡轮燃烧温度所产生的排放。这些燃烧方案中的 一些包括预混燃烧、分级燃烧、雾化液体燃料、注入多种稀释剂、催 化燃烧、排气再循环(EGR)，以及再加热燃烧。在典型的再加热涡轮机系统中，再加热燃烧器位于主燃烧器的下 游，并且提供通常更高的效率和更低的排放。EGR通常用于将排气重 新引入涡轮机的区段中，例如入口或燃烧室，以便通过降低高温气室 (pocket)中的温度以及还降低氧气浓度来改善排;改益处。发明内容在一个实施例中， 一种涡轮机系统包括构造成用以压缩气体的第 一压缩机；构造成用以将压缩气体与燃料相混合并燃烧该混合物的第 一燃烧器；构造成用以通过第一燃烧器的燃烧气体进行驱动的第一涡 轮；构造成用以将来自于第一涡轮的排气与燃料相混合并燃烧该混合 物的第二燃烧器；构造成用以通过来自于第二燃烧器的燃烧气体进行 驱动的第二涡轮；以及构造成用以由涡4仑机系统驱动的发电机。来自 于第二涡轮的排气的第一部分再次循环，以便在第一燃烧器中混合。在另一个实施例中， 一种操作涡轮4几系统的方法包括利用第一压缩机来压缩气体；将压缩气体与燃料相混合以形成第 一 混合物并且燃烧该第一混合物；利用因燃烧第一混合物而形成的燃烧气体来驱动 第一涡轮；将来自于第一涡轮的排气与燃料相混合以形成第二混合物 并且燃烧该第二混合物；利用因燃烧第二混合物而形成的燃烧气体来 驱动第二涡轮；以及〗吏来自于第二涡轮的排气的第一部分再次循环到 第一混合物中。在另外的实施例中， 一种涡轮机系统包括多个压缩机，各压缩机均 构造成用以压缩气体；多个燃烧器，各燃烧器均构造成用以将压缩气 体与燃料相混合并燃烧该混合物；多个涡轮，各涡轮均构造成用以由该多个燃烧器中的至少一个燃烧器的燃烧气体进行驱动；以及构造成 用以由涡轮机系统驱动的发电机。来自于至少一些涡轮中的部分排气 再次循环并S1入到至少 一些压缩才几中。
图1示意性地示出了具有单个轴的再加热涡轮^/L系统的示例性实 施例；图2示意性地示出了具有单个轴的再加热涡4仑^L系统的另一个示 例性实施例；图3示意性地示出了具有单个轴的再加热涡乾^几系统的另一个示 例性实施例；图4示意性地示出了具有双轴构造的再加热涡4仑^L系统的示例性 实施例；图5示意性地示出了具有同心双轴的再加热涡轮才几系统的另一个 示例性实施例；图6示意性地示出了具有同心轴布置的再加热涡轮机系统的另一 个示例性实施例；以及图7示意性地示出了具有同心的轴布置的再加热涡轮机系统的示 例性实施例。参看图1，根据示例性实施例的涡轮机系统2包括通过轴36可操 作地连接到压缩机6上的发电机4。压缩机6可以恒定的转速工作， 以便保持恒定量的进入空气8。压缩空气供送给主燃烧室或燃烧器10, 在该处，压缩空气与燃料12相混合。燃料12的制备例如可由煤的气 化系统实现。由压缩机6提供给主燃烧器10的空气量超出燃烧燃料12所需的 空气量。来自于主燃烧器10包括过量空气的燃烧气体14供送到通过 轴36而连接到压缩机上的高压(HP)涡轮16中。高压涡轮的排气18 供送给副燃烧器或再加热燃烧器20,并且与燃料22相混合。来自于 副燃烧器20的燃烧气体24供送给低压(LP)涡轮26，低压涡轮26通 过轴36连接到高压涡轮16、压缩机6以及发电机4上。发电机4、 压缩机6、高压涡轮16以及低压涡轮26之间的连接容许构件以相同 的速度运行。低压涡轮排气28分成大气排气30和再循环排气32。大气排气 30例如通过可选的热交换器(未示出)而排放到大气中。再循环排气32经由热交换器34供送，且冷却的未压缩的再循环 排气33与进入空气8 —起供送到压缩机6中。通过热交换器34从再 循环排气32中除去的热量可用于操作蒸汽涡轮设备，例如使得该系 统可成为复合循环系统。参看图2,在涡4仑机系统2的另一个示例性实施例中，再循环排 气32穿过热交换器34,且冷却的未压缩的再循环排气33供送给由马 达38或其它装置驱动的压缩器40。压缩的冷却的再循环排气42供送 到从压缩机6至主燃烧器IO的管线中。因此，压缩的再循环排气42 与压缩的进入空气8相混合，并且合成的压缩空气和气体9供送给主 燃烧器10。如图3中所示，根据涡轮机系统2的另一个示例性实施例，部分 冷却的未压缩的再循环排气47从热交换器34供送到由第二马达44操作的第二压缩机46中。压缩的部分冷却的再循环排气48从压缩机 46供送到从高压涡轮16至副燃烧器20的管线中，用以与高压涡轮排 气18相混合。低压涡4仑排气28的第二部分35可传送到HRSG(热回收蒸汽发生 器)80中。HRSG80产生蒸汽用以操作蒸汽涡轮82,使得该系统可成 为复合循环构造。应当认识到的是，本文所述的任何实施例均可设有 HRSG和蒸汽涡轮，以提供复合循环构造。参看图4，根据另一个示例性实施例的涡轮机系统2包括双轴50、 52。压缩机6和高压涡轮16通过第一轴50相连接，而低压涡轮26 和发电机4通过第二轴52相连接。第一轴50确保压缩机6和高压涡 轮16以相同的速度旋转，而第二轴52确保低压涡轮26和发电机4 以相同的速度旋转。参看图5，提供了热交换器34用以直接接收低压涡轮排气28。 在穿过热交换器34之后，低压涡轮排气28分成排放到大气中的冷却 大气排气31,以及与进入空气8相结合、引入到低压压缩机54中的 冷却的未压缩的再循环排气33。低压压缩机54连接到将压缩空气和 气体供送给主燃烧器10以便与燃料12相混合的高压压缩机56上。低压压缩机54、低压涡轮26以及发电机4由共同的轴58支承。 第二轴60将高压压缩机56和高压涡轮16相连接，以确保高压压缩 机56和高压涡轮16以相同的速度旋转。如图6中所示，根据涡轮机系统2的另一个示例性实施例，低压 涡轮排气28分成例如经由可选的热交换器(未示出)排放到大气中的大 气排气30，以及穿过热交换器34传送、包括未压缩的未冷却的再循 环排气62的第一部分。低压涡轮排气28还进一步分成由再循环排气 压缩机68压缩的再循环排气32。压缩的、未冷却的再循环排气43也 穿过热交换器34,且压缩的、冷却的再循环排气42供送到从压缩机 6至主燃烧器IO的管线中，以便添加到压缩的进入空气9中。流出热 交换器34的冷却的、未压缩的再循环排气63与进入空气8相结合，并且结合的空气和气体随后供送给压缩机6。压缩机6、高压涡轮16以及再循环排气压缩才几68通过第一轴64 相连接。低压涡轮26和发电机4通过第二轴66相连接，该第二轴66 确保低压涡轮26和发电机4以相同的速度旋转。参看图7，在高压涡轮16与低压涡轮26之间提供了中压(MP)涡 轮70。压缩的、冷却的再循环排气42供送到从压缩机6至主燃烧器 IO的管线中，以便添加到压缩的进入空气9中。未压缩的、未冷却的 再循环排气62的第二部分穿过热交换器34，且冷却的、未压缩的再 循环排气63的第二部分添加到引入压缩机6的进入空气8中。压缩 的、部分冷却的再循环排气48从热交换器34供送到在中压涡轮70 与副燃烧器20之间的管线中，以便添加到中压涡轮排气72中。压缩机6和高压涡轮16通过第一轴74相连接，以确保主压缩由 高压涡轮16供以动力。中压涡轮70和再循环排气压缩机68由第二 轴76支承。低压涡轮26和发电机4通过第三轴78相连接，第三轴 78确保这两个构件以相同的速度旋转。尽管已结合当前认作是最实用和优选的实施例描述了本发明，但 应当理解的是，本发明并不限于所公开的实施例，相反的是期望本发 明涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种^f'务改和等同布置。
权利要求
1.一种涡轮机系统(2)，包括第一压缩机(6)，其构造成用以压缩气体(8)；第一燃烧器(10)，其构造成用以将压缩气体(9)与燃料(12)相混合并燃烧该混合物；第一涡轮(16)，其构造成用以由所述第一燃烧器(10)的燃烧气体(14)驱动；第二燃烧器(20)，其构造成用以将来自于所述第一涡轮(16)的排气(18)与燃料(22)相混合并燃烧该混合物；第二涡轮(26)，其构造成用以由来自于所述第二燃烧器(20)的燃烧气体(24)驱动；以及发电机(4)，其构造成用以由所述涡轮机系统(2)驱动，其中，来自于所述第二涡轮(26)的排气(28)的第一部分(32)再次循环以便在所述第一燃烧器(10)中混合。
2. 根据权利要求1所述的涡轮机系统，其特征在于，来自于所述 第二涡轮(26)的排气(28)的所述第 一部分(32)再次循环以便引入所述 第一压缩才几(6)中。
3. 根据权利要求l或权利要求2所述的涡轮机系统，其特征在于， 所述涡4仑机系统还包括第二压缩机(40)，其构造成用以压缩来自于所述第二涡轮(26)的排 气(28)的所述第一部分(32)，其中，来自于所述第二涡轮(26)的排气(28) 的压缩的第一部分(42)与来自于在所述第一燃烧器(10)之前的所述第 一压缩机(6)的压缩空气(8)相混合。
4. 根据权利要求3所述的涡轮机系统，其特征在于，所述第二压 缩机(40)构造成用以在来自于所述第二涡轮(26)的排气(28)的所述第 一部分(32)由热交换器(34)冷却之前或之后压缩来自于所述第二涡轮 (26)的排气(28)的所述第一部分(32)。
5. 根据权利要求3或权利要求4所述的涡轮机系统，其特征在于， 所述涡4仑机系统还包括第三压缩机(46)，其构造成用以压缩已经由热交换器(34)部分地冷 却的来自于所述第二涡轮(26)的排气(28)的第二部分(47)，其中，来自 于所述第二涡轮(26)的排气(28)的压缩的第二部分(48)与来自于在所 述第二燃烧器(20)之前的所述第一涡轮(16)的排气(18)相混合。
6. 根据权利要求1至权利要求5中任意一项所述的涡轮机系统， 其特征在于，所述涡轮机系统还包括构造成用以产生蒸汽的蒸汽发生器(80);以及蒸汽涡轮(82)，其构造成用以由所述蒸汽发生器产生的蒸汽驱动， 其中，来自于所述第二涡轮(26)的排气(28)的第二部分(35)传送到所述 蒸汽发生器(80)用以产生蒸汽。
7. —种操作涡轮机系统(2)的方法，包括 利用第 一压缩机(6)压缩气体(8);将所述压缩气体(9)与燃料(12)相混合以形成第一混合物，以及燃 烧所述第一混合物；利用因燃烧所述第 一混合物而形成的燃烧气体(14)来驱动第 一涡 轮(16);将来自于所述第一涡轮(16)的排气(18)与燃料(22)相混合以形成 第二混合物，以及燃烧所述第二混合物；利用因燃烧所述第二混合物而形成的燃烧气体(24)来驱动第二涡 轮(26);以及使来自于所述第二涡轮(26)的排气(28)的第一部分(32)再次循环 进入所述第 一混合物中。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 冷却来自于所述第二涡轮(26)的所述排气(28)的第一部分(32); 将所述排气的冷却的第一部分(33)引入所述第一压缩机(6)中；以及使所述排气的冷却的第一部分(33)与进入空气(8)相混合。
9. 根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于，所述 方法还包括在冷却来自于所述第二涡轮(26)的排气(28)的第一部分(32)之前 或之后压缩来自于所述第二涡轮(26)的排气(28)的第一部分(32)。
10. 根据权利要求7至权利要求9中任意一项所述的方法，其特 征在于，所述方法还包括将来自于所述第二涡轮(26)的排气(28)的第二部分(35)传送到蒸 汽发生器(80)用以产生蒸汽；以及利用来自于所述蒸汽发生器(80)的蒸汽来操作蒸汽涡轮(82)。
全文摘要
本发明涉及具有排气再循环和再加热的涡轮机系统。具体而言，一种涡轮机系统包括构造成用以压缩气体的第一压缩机(6)；构造成将压缩气体与燃料相混合并燃烧该混合物的第一燃烧器(10)；构造成由第一燃烧器(10)的燃烧气体(14)驱动的第一涡轮(16)；构造成将来自于第一涡轮(16)的排气(18)与燃料(22)相混合并燃烧该混合物的第二燃烧器(20)；构造成由来自于第二燃烧器(20)的燃烧气体(24)驱动的第二涡轮(26)；以及构造成用以驱动压缩机(6)的发电机(4)。来自于第二涡轮(26)的排气(28)的第一部分(32)再次循环以用于在第一燃烧器(10)中混合。以及公布了一种操作涡轮机系统的方法。
文档编号F02C6/18GK101598066SQ20091014884
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月4日 优先权日2008年6月4日
发明者G·M·吉尔克里斯特, H·卡里姆, S·F·辛普森 申请人:通用电气公司