专利名称：氧燃料燃气涡轮机系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及布雷顿(Brayton)循环燃气涡轮机。更具体地，本发明涉及使用 过程气体来进行操作的燃气涡轮机。
背景技术：
燃气涡轮机广泛用于工业操作中，以便产生动力。图1示出了在现有技术中已知 的典型的燃气涡轮机10。如图1所示，燃气涡轮机10大体包括在前部处的压缩机12、在中 间附近的一个或多个燃烧器14，以及在后部处的涡轮16。压缩机12和涡轮16典型地共用 公共的转子18。压缩机12包括附连到转子18上的多级压缩机叶片20。环境空气作为工作流体 进入压缩机12的入口 22，且压缩机叶片20的旋转逐渐地压缩该工作流体。通过抽取端口 23从压缩机12中抽出一些经压缩的工作流体，以用作其它用途，而工作流体的剩余部分离 开压缩机12，且流向燃烧器14。工作流体在燃烧器14中与燃料混合，且该混合物点燃以产生具有高温、高压和高 速的燃烧气体。该燃烧气体离开燃烧器14，且流向涡轮16，在涡轮16中，燃烧气体膨胀做 功。环境空气在压缩机12中的压缩沿前向方向在转子18上产生朝向压缩机入口 22 的轴向力。燃烧气体在涡轮16中的膨胀沿后向方向在转子18上产生朝向涡轮排气口 24的 轴向力。在燃气涡轮机10的前部处的推力轴承26将转子18保持就位，且防止转子18的 轴向运动。为了减小转子18上的净轴向推力，并且由此减小推力轴承26的大小和相关联 的成本，燃气涡轮机10典型地设计成使得由压缩机12和涡轮16产生的轴向力大致相等但 相对。各种工业过程会产生流出的过程气体。例如，油田中的化学过程会产生大量加压 氧气、二氧化碳或氮气作为流出的过程气体。流出的过程气体被转移以进行存储和/或最 终处理。与过程气体的收集、存储和处理相关联的成本可能是很可观的，而且已经作了各 种尝试来使用过程气体操作燃气涡轮机系统。但是，过程气体具有与环境空气(燃气涡轮 机针对其而设计)不同的分子量、可压缩性、可燃性，以及其它物理特性。因此，存在对可使 用由工业操作产生的流出的过程气体来进行操作的燃气涡轮机的需要。
发明内容
本发明的各方面和优点下面在以下描述中有所阐述，或者根据该描述，本发明的 各方面和优点可能显而易见，或者可通过本发明的实践来认识本发明的各方面和优点。本发明的一个实施例是一种燃气涡轮机，其包括具有多个压力板的压缩机、在压 缩机的下游的至少一个燃烧器，以及在该至少一个燃烧器的下游且与压缩机沿轴向对准的 涡轮。燃烧器产生流向涡轮的燃烧气体。第一歧管连接到燃烧器上，且第一歧管包含用于在燃烧器中燃烧的第一过程气体。第二歧管连接在涡轮的上游，且第二歧管包含第二过程 气体。该第二过程气体的一部分流向压力板。在一个备选实施例中，一种燃气涡轮机包括具有多个压力板的压缩机、在该压缩 机的下游的至少一个燃烧器，以及在燃烧器的下游且与压缩机沿轴向对准的涡轮。燃烧器 产生流向涡轮的燃烧气体。第一歧管连接到燃气涡轮机上、涡轮的上游，且该第一歧管包含 用于在燃烧器中燃烧的第一过程气体。第二歧管连接到涡轮的上游，且该第二歧管包含第 二过程气体。该第二过程气体的一部分流向压力板。本发明还包括一种用于操作具有压缩机、多个燃烧器和涡轮的燃气涡轮机的方 法。该方法包括从压缩机中移除压缩机叶片，以及将多个压力板安装在该压缩机中。该方 法进一步包括将第一过程气体供应到燃气涡轮 机、涡轮的上游，以及使该第一过程气体在 燃烧器中的至少一个中燃烧。另外，该方法包括将第二过程气体供应到燃气涡轮机、涡轮的 上游，以及将该第二过程气体的至少一部分引导到压力板。在审阅说明书之后，本领域普通技术人员将更好地理解这种实施例的特征和方面 以及其它方面。
在说明书的剩余部分中(包括参照附图)对本发明的完整的且使得能够实施的公 开进行了更加具体的阐述，包括其对于本领域技术人员而言的最佳模式，在附图中图1是在本领域中已知的典型的燃气涡轮机的平面绘图；图2是用于存储和转移流出的过程气体的传统管道布置的简图；以及图3是根据本发明的一个实施例的燃气涡轮机的平面图。部件列表10现有技术燃气涡轮机12压缩机14燃烧器16 涡轮18 转子20压缩机叶片22压缩机入口23抽取端口24涡轮排气口26推力轴承28管道和存储系统30 容器32管道和阀34增压泵40燃气涡轮机42压缩机44燃烧器
46 涡轮48 转子50推力轴承52压力板54 壳体56涡轮排气口
58第一歧管60分支线路62第二歧管64分支线路66压缩机入口68抽取端口
具体实施例方式现在将对本发明的目前的实施例进行详细的参照，这些实施例的一个或多个实例 在附图中示出。详细描述使用标号和字母名称来指示图中的特征。使用图中和描述中相同 的或相似的名称来指示本发明的相同的或相似的部件。以阐述本发明而非限制本发明的方式来提供各个实例。实际上，对本领域技术人 员将显而易见的是可在不偏离本发明的范围或精神的情况下在本发明中作出修改和变化。 例如，可在另一个实施例上使用作为一个实施例的一部分来示意或描述的特征，以产生又 一个实施例。因此，意在本发明覆盖处在所附的权利要求书及其等效物的范围内的这样的 修改和变化。图2提供了用于由工业系统产生的流出的过程气体的典型的管道和存储系统28 的简图。如图2所示，可将流出的过程气体转移到一个或多个容器30，以便于后续使用或转 移。容器30可为用于保持流出的过程气体的任何贮藏器，例如桶、囊、缸、箱、储罐和本领域 技术人员已知的用于保持流体的其它结构。用于将流出的过程气体转移到容器30或者从容器30中转移流出的过程气体的各 种机构在本领域中是已知的。例如，如图2所示，传统的管道和阀布置32可在工业过程、容 器30和过程气体的最终处理过程之间提供流体连通。可使用一个或多个增压泵34、加压空 气或甚至重力来在各位置之间转移流出的过程气体。或者，流出的过程气体可收集和存储 在容器中的一个位置处，而且可通过公路、铁路、航空或水运将该容器运送到另一个位置， 以便于继续的存储或最终处理。图3提供了根据本发明的一个实施例的燃气涡轮机40的平面图。如图3所示，燃 气涡轮机40名义上包括在前部处的压缩机42、在中间附近的一个或多个燃烧器44，以及在 后部处的涡轮46。转子48连接压缩机42和涡轮46，且使压缩机42和涡轮46沿轴向对 准。燃气涡轮机40的前部处的推力轴承50将转子48保持就位，且防止转子48的轴向运 动。虽然图3示出了推力轴承50在燃气涡轮机40的前部处，但是推力轴承50可沿着转子 48位于任何位置处。已经从之前关于图1所描述的现有技术的压缩机对压缩机42进行了修改。特别地，已经移除了存在于典型的压缩机中的压缩机叶片，且用一个或多个压力板52代替压缩 机叶片。压力板52限定成包括基本防止或限制气体流或流体流沿任一方向经过该压力板 52的任何表面。压力板52可随转子48 —起旋转，或者可相对于转子48而固定。燃烧器44在压缩机42和涡轮46之间布置在燃气涡轮机40的周围。壳体54围 绕燃烧器44，且在燃烧器44周围提供密封封罩。燃烧器44产生流向涡轮46的燃烧气体。
涡轮46与压缩机42沿轴向对准。来自燃烧器44的燃烧气体在涡轮46中膨胀以 做功。燃烧气体在涡轮46中的膨胀沿后向方向在转子48上产生朝向涡轮排气口 56的轴 向力。包含第一过程气体的第一歧管58在涡轮46的上游的任何点处连接到燃气涡轮机 40上。如图3所示，分支线路60可为第一过程气体流提供从第一歧管58直接到燃烧器44 的流体连通。第一过程气体可为氧气或包含用于在燃烧器44中燃烧的过程气体的任何其 它氧气。包含第二过程气体的第二歧管62类似地在涡轮46的上游围绕燃气涡轮机40。分 支线路64为第二过程气体流提供从第二歧管62到燃气涡轮机40的流体连通。该第二过 程气体可为二氧化碳、氮气，或用于与第一过程气体混合的任何其它稀释剂。第二过程气体在燃烧器44周围流动，且远离涡轮46而流动。第二过程气体的一 部分流向压缩机42中的压力板52。抵靠压力板52的第二过程气体的压力沿前向方向在转 子48上产生朝向压缩机入口 66的轴向力。压缩机42中的转子48上的轴向力因此与涡轮 46中的转子48上的轴向力成相反的方向，从而减小转子48上的净轴向推力，并且因此减 小推力轴承50的大小和相关联的成本。第二过程气体的温度可加热压力板52和转子48。 因此，可将第三过程气体供应到压缩机42，以冷却压力板52和转子48。可通过已经存在于 压缩机42上的抽取端口 68将第三过程气体供应到压缩机42。第三过程气体可为具有适于 冷却压力板52和转子48的合适的温度的任何可用气体。除了比第二过程气体具有更低的 温度之外，第三过程气体甚至可与第二过程气体相同。第二过程气体的剩余部分在燃烧器44中与第一过程气体混合。第一过程气体和 第二过程气体的混合物点燃，以产生具有高温、高压和高速的燃烧气体。燃烧气体离开燃烧 器44，且流向涡轮46。如之前所描述的那样，燃烧气体在涡轮46中的膨胀做功，以及沿后 向方向在转子48上产生朝向涡轮排气口 56的轴向力。本发明的实施例还可提供一种用于操作现有的燃气涡轮机40来使用过程气体的 方法，如图3所示。如图3所示，如本领域中已知的那样，燃气涡轮机40名义上包括压缩机 42、一个或多个燃烧器44以及涡轮46。通过移除压缩机叶片来修改压缩机42，且在压缩机42中安装一个或多个压力板 52来代替压缩机叶片。第一歧管58将第一过程气体供应到燃气涡轮机40、涡轮46的上游，且燃烧器44 点燃该第一过程气体。第二歧管62将第二过程气体供应到燃气涡轮机40、涡轮46的上游。 第二过程气体的至少一部分流向压力板52。如之前所描述的那样，过程气体可为从另一个 工业系统中产生的任何流出的过程气体。可通过将第三过程气体供应到压力板52中的一个或多个以进行冷却来进一步修 改压缩机42。第三过程气体可为具有适于冷却压力板52和转子48的合适的温度的任何可用气体。除了比第二过程气体具有更低的温度之外，第三过程气体甚至可为与第二过程气 体相同的气体。
本领域技术人员应当理解，可在不偏离所附的权利要求书及其等效物中阐述的本 发明的范围和精神的情况下对本文阐述的本发明的实施例作出修改和变化。
权利要求
一种燃气涡轮机(40)，包括a.压缩机(42)，所述压缩机(42)包括多个压力板(52)；b.在所述压缩机(42)的下游的至少一个燃烧器(44)；c.在所述至少一个燃烧器(44)的下游且与所述压缩机(42)沿轴向对准的涡轮(46)，其中，所述至少一个燃烧器(44)产生流向所述涡轮(46)的燃烧气体；d.连接到所述至少一个燃烧器(44)上的第一歧管(58)，所述第一歧管(58)包含用于在所述至少一个燃烧器(44)中燃烧的第一过程气体；e.在所述涡轮(46)的上游连接的第二歧管(62)，所述第二歧管(62)包含第二过程气体，其中，所述第二过程气体的一部分流向所述多个压力板(52)。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机(40)，其特征在于，所述燃气涡轮机(40)进一步 包括多个燃烧器(44)。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮机(40)，其特征在于，所述第一歧管(58)连接到所 述多个燃烧器(44)中的各个上。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的燃气涡轮机(40)，其特征在于，所述 第二过程气体进入所述燃气涡轮机(40)，且远离所述涡轮(46)而流动。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的燃气涡轮机(40)，其特征在于，所述 燃气涡轮机(40)进一步包括邻近所述多个压力板(52)的所述压缩机(42)上的抽取端口 (68)，其中，第三过程气体流过所述抽取端口(68)，以冷却所述压力板(52)。
6.一种用于操作燃气涡轮机(40)的方法，所述燃气涡轮机(40)具有压缩机(42)、多 个燃烧器(44)和涡轮(46)，所述方法包括a.从所述压缩机(42)中移除压缩机叶片(20)；b.将多个压力板(52)安装在所述压缩机(42)中；c.将第一过程气体供应到所述燃气涡轮机(40)、所述涡轮(46)的上游；d.使所述第一过程气体在所述多个燃烧器(44)中的至少一个中燃烧；e.将第二过程气体供应到所述燃气涡轮机(40)、所述涡轮(46)的上游；以及f.将所述第二过程气体的至少一部分引导到所述多个压力板(52)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述第一过程气 体供应到所述多个燃烧器(44)中的各个。
8.根据权利要求6或7中任一个所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在燃烧 之前使所述第一过程气体与所述第二过程气体混合。
9.根据权利要求6至8中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二过程气体 是二氧化碳或氧气。
10.根据权利要求6至9中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法进一步 包括用第三过程气体冷却所述多个压力板(52)中的至少一个。
全文摘要
本发明涉及氧燃料燃气涡轮机系统和方法。一种燃气涡轮机(40)包括具有多个压力板(52)的压缩机(42)、在压缩机(42)的下游的燃烧器(44)，以及在燃烧器(44)的下游且与压缩机(42)沿轴向对准的涡轮(46)。燃烧器(44)产生流向涡轮(46)的燃烧气体。连接到燃烧器(44)上的第一歧管(58)包含用于在燃烧器(44)中燃烧的第一过程气体。连接到涡轮(46)的上游的第二歧管(62)包含第二过程气体，且第二过程气体的一部分流向该多个压力板(52)。
文档编号F02C7/12GK101968007SQ201010246418
公开日2011年2月9日 申请日期2010年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者A·S·托普拉尼, S·D·德雷珀 申请人:通用电气公司