专利名称：燃气轮机系统和工艺的制作方法
技术领域：
本公开涉及燃气轮机系统和エ艺。更具体而言，本公开涉及使用(X)2来冷却涡轮构件的系统和方法。
背景技术：
在动カ发生系统中，期望运行效率以较低的成本满足提高的能量需求。动カ系统中的碳封存(sequestration)从排气中捕捉ニ氧化碳，并且在封存エ艺中存储ニ氧化碳。 捕捉碳会消耗大量能量，并且会降低已知的动カ系统的性能效率。在已知的动カ发生系统中，用非导电性液体来冷却燃气轮机内的闭环冷却布置。 泵使液体循环，而且通过置于降低压カ的环路内的孔来增强热传递。已知的系统遭受的缺陷是，无法以合乎需要的效率提供碳捕捉。在另ー个已知的动カ发生系统中，使用了包括来自空气分离单元的氮的开环冷却布置。该系统遭受的缺陷是，其只能应用于整体气化联合循环(IGCC)运行中的基于氧气 (气化器)的系统。较高效且不遭受现有技术的缺陷的燃气轮机系统和エ艺在本领域中将是合乎需要的。
发明内容
在一个实施例中，ー种燃气轮机系统包括压缩机构件，其构造成压缩流体而形成压缩流体流；燃烧器，其构造成至少接收压缩流体流的第一部分，以及至少部分地燃烧合成气而形成燃烧器排出流；以及涡轮构件，其定位成接收燃烧器排出流，以及形成涡轮构件流。至少压缩流体流的第二部分被引导到涡轮构件流。从CO2捕捉系统中出引导的冷CO2 流冷却涡轮构件流。冷CO2流被涡轮构件流加热而至少形成经加热CO2流。经加热CO2流的至少一部分将热传递给从压缩机到燃烧器的压缩流体流。在一个实施例中，ー种燃气轮机系统包括压缩机构件，其构造成压缩流体而形成压缩流体流；燃烧器，其构造成至少接收压缩流体流的第一部分，以及至少部分地燃烧合成气而形成燃烧器排出流；以及涡轮构件，其定位成接收燃烧器排出流，以及形成涡轮构件流。至少压缩流体流的第二部分被引导到涡轮构件流。从第二系统中引导出的冷氮流冷却涡轮构件流。冷氮流被涡轮构件流加热而至少形成经加热氮流。经加热氮流的至少一部分将热传递给从压缩机到燃烧器的压缩流体流。在一个实施例中，一种エ艺包括提供包括用于形成冷CO2流的吸收器和气提器的 CO2捕捉系统；将冷CO2流引导到涡轮构件；将来自涡轮构件中的涡轮构件流的热传递给冷 CO2流而至少形成经加热(X)2流；以及通过热交換器而将经加热(X)2流的至少一部分引导到 CO2捕捉系统。根据结合附图得到的优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以实例的方式示出了本发明的原理。
图1示意性地显示了根据本公开的ー个实施例的示例性燃气轮机系统。图2示意性地显示了根据本公开的ー个实施例的示例性(X)2捕捉系统与示例性燃气轮机系统的简化描绘。图3示意性地显示了根据本公开的ー个实施例的示例性燃气轮机系统。在可能的情况下，将在所有图中使用相同參考标号来表示相同部件。
具体实施例方式提供了一种较高效且不遭受现有技术的缺陷的燃气轮机系统和方法。本公开的实施例容许公开的系统和方法应用于简单的和联合的循环IGCC运行，容许公开的系统和方法将(X)2捕捉エ艺结合到IGCC运行中，容许公开的系统和方法将其它系统结合到IGCC运行中，通过降低达到预定燃烧温度所需的燃料的量来容许有提高的效率，通过提高被引导到热回收蒸汽发生器的排气温度来容许有提高的效率，以及容许有较低成本的安装、运行和维护。图1显示了示例性燃气轮机系统100。系统100包括压缩机构件102、燃烧器106 和涡轮构件114。压缩机构件102构造成压缩流体(例如空气或另ー种大气气体)而形成压缩流体流104。燃烧器106构造成至少接收压缩流体流104的第一部分108，以及至少部分地燃烧合成气110而形成燃烧器排出流112。涡轮构件114定位成接收燃烧器排出流112 而形成涡轮构件流116。引导压缩流体流104的第二部分118来冷却涡轮构件流116。从CO2捕捉系统122中引导出的冷CO2流120冷却涡轮构件流116。冷(X)2流120 具有在温度上比燃气轮机压缩机排出空气低的大约300° F至大约600° F或大约100° F 至大约400° F的温度。在一个实施例中，冷CO2流120基本由气态CO2构成。在另ー个实施例中，冷CO2流120包括比空气的CO2处于更高浓度的CO2。冷CO2流120被涡轮构件流 116加热而至少形成经加热(X)2流124(例如具有大约1000° F以上的温度)。经加热CO2 流IM的一部分或全部将热传递给压缩流体流108。在一个实施例中，在没有泵的协助下将冷(X)2流120引导到涡轮构件流116。在一个实施例中，燃气轮机系统100包括热交換器134。热交換器134定位成将来自经加热(X)2流124的热传递给压缩(X)2流104的第一部分108。如将理解的那样，压缩机构件102和涡轮构件114的多个级容许压缩流体流104 和/或冷(X)2流120的任何适当的部分以多个压カ和/或温度关系与涡轮构件流116和/ 或燃烧排出流112交換热。可包括任何适当数量的级。例如，在一个实施例中，包括十八个压缩机级。在另ー个实施例中，第一压缩机级136是第九级，第二压缩机级138是第十三级， 而第三压缩机级140是第十八级。可将压缩流体流104的ー个或多个部分从多个压缩机级引导到涡轮构件114，从而冷却涡轮构件流116。在一个实施例中，第三压缩机级140将压縮流体流104的第二部分118引导到涡轮构件114中的第二涡轮级142。涡轮构件114包括第一涡轮级144和第二涡轮级142。在一个实施例中，涡轮构件 114进ー步包括第三涡轮级146。可包括任何适当数量的涡轮级。涡轮构件114的ー个或多个涡轮级定位成接收燃烧器排出流112而形成涡轮构件流116。引导到涡轮构件114的压缩流体流104的第二部分118冷却涡轮构件流116。在一个实施例中，第二压缩机级138 将压缩流体流104的第二部分118引导到第一涡轮级144、第二涡轮级142、第三涡轮级146 或它们的組合。涡轮构件流116进ー步在第一涡轮级144中被冷CO2流120冷却。在一个实施例中，冷CO2流120被引导到第一涡轮级144，热从第一涡轮级144中的涡轮构件流116传递给冷(X)2流120而至少形成经加热(X)2流124，并且经加热(X)2流124的至少一部分通过热交換器134而被引导到CO2捕捉系统122。在另ー个实施例中，涡轮构件114布置成和设置成接收来自燃烧器106的燃烧排出流112，并且热交換器134布置成和设置成将来自经加热 CO2流124的热至少传递给被引导到燃烧器106的压缩流体流104的部分108。在另ー个实施例中，使用(X)2来对涡轮构件114进行闭环冷却。在这个实施例中， 闭环CO2流包括经加热CO2流124和冷CO2流120。例如，燃烧排出流112被引导到涡轮构件114而形成涡轮构件流116，用闭环(X)2流的经冷却部分120来冷却涡轮构件流116，从而形成闭环(X)2流的经加热部分124，并且压缩流体流104被闭环(X)2流的经加热部分IM加热。在另ー个实施例中，闭环(X)2流的经冷却部分120的一部分被从碳捕捉系统122中引导出来，并且闭环(X)2流的经加热部分124的至少一部分被引导到碳捕捉系统122。在一个实施例中，燃气轮机系统100进ー步包括热回收蒸汽发生器126。在这个实施例中，涡轮构件流116被引导到热回收蒸汽发生器126。在一个实施例中，经加热CO2流 120的部分150或全部被引导到热回收蒸汽发生器126。来自热回收蒸汽发生器126的出 ロ流148的一部分被引导到CO2捕捉系统122，以进行CO2捕捉/封存。图2显示了示例性CO2捕捉系统122与燃气轮机系统100的简化描绘的示意图。 CO2捕捉系统122可为任何适当的(X)2捕捉系统。在一个实施例中，CO2捕捉系统122是化学吸收エ艺。例如，在一个实施例中，CO2捕捉系统122包括用于接收来自热回收蒸汽发生器126的烟道气的吸收器202。烟道气被过滤装置204过滤，通过热交換器206(例如交叉式热交換器)来传递热，并且行进到气提器208中。气提器208使CO2与烟道气的其它成分(例如NOx和SOx)分离。来自气提器208的含有(X)2的烟道气的一部分被冷凝器210冷凝，并且作为捕捉到的CO2而被引导到回流鼓212。捕捉到的CO2 120大体上被引导到单独的多级中间冷却压缩机系统(未显示)，以进行封存。捕捉到的C02120的一部分可被回流泵214改道到气提器208。气提器208中的烟道气的其它部分被引导到再沸器216，以进行分离，并且或者被回收设备218处理而形成煤泥226，或者在重新进入吸收器202且被排到烟囱(未显示)之前，被引导通过热交換器206、存储罐220、增压泵222和贫胺冷却器224。图3显示了另ー个示例性燃气轮机系统300。系统300包括压缩机构件102、燃烧器106和涡轮构件114。压缩机构件102构造成压缩流体(例如空气或另ー种大气气体) 而形成压缩流体流104。燃烧器106构造成至少接收压缩流体流104的第一部分108，以及至少部分地燃烧合成气110而形成燃烧器排出流112。涡轮构件114定位成接收燃烧器排出流112而形成涡轮构件流116。引导压缩流体流104的第二部分118来冷却涡轮构件流 116。从空气分离单元322或其它适当的エ艺中引导出的冷氮流320冷却涡轮构件流 116。冷氮流320被涡轮构件流116加热而至少形成经加热氮流3 (例如具有大约1000 ° F 以上的温度)。经加热氮流324的一部分或全部将热传递给压缩流体流108。
在一个实施例中，燃气轮机系统100包括热交換器134。热交換器134定位成将来自经加热氮流324的热传递给压缩流体流104的第一部分108。如将理解的那样，压缩机构件102和涡轮构件114的多个级容许压缩流体流104 和/或冷氮流320的任何适当的部分以多个压カ和/或温度关系与涡轮构件流116和/或燃烧排出流112交換热。涡轮构件流116进ー步在第一涡轮级144中被冷氮流320冷却。在一个实施例中，冷氮流320被引导到第一涡轮级144，热被从第一涡轮级144中的涡轮构件流116传递给冷氮流320而至少形成经加热氮流324，并且经加热氮流3M的至少一部分通过热交換器 134而被引导到热回收蒸汽发生器126。在另ー个实施例中，第一涡轮级144布置成和设置成接收来自燃烧器106的燃烧排出流112，并且热交換器134布置成和设置成将来自经加热氮流324的热至少传递给被引导到燃烧器106的压缩流体流104的部分108。虽然显示和描述了本发明的仅某些特征和实施例，但是本领域技术人员可想到许多修改和改变(例如大小、尺寸、结构、形状和各种元素的比例、參数(例如温度、压カ等) 的值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等的变化)，而在实质上不偏离权利要求中叙述的主题的新颖教导和优点。任何エ艺或方法步骤的順序或次序可根据备选实施例来改变或重新排序。因此，将理解，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。另外，为了致カ于提供示例性实施例的简洁描述，可能没有描述实际实现的所有特征(即与目前构想到的执行本发明的最佳模式无关的那些，或者与使得声明的发明能够实施无关的那些)。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现吋，必须作出许多对实现而言专有的决定。这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对不进行过度试验而受益于本公开的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。
权利要求
1.ー种燃气轮机系统(100)，包括压缩机构件(102)，其构造成压缩流体而形成压缩流体流(104)；燃烧器(106)，其构造成至少接收所述压缩流体流(108)的第一部分，以及至少部分地燃烧合成气(110)而形成燃烧器排出流(112)；以及涡轮构件(114)，其定位成接收所述燃烧器排出流(112)，以及形成涡轮构件流(116)；其中，至少所述压缩流体流(108)的第二部分(118)被引导到所述涡轮构件流(116)， 从CO2捕捉系统(122)中引导出的冷CCV流(120)冷却所述涡轮构件流(116)，所述冷CO2 流(122)被所述涡轮构件流(116)加热而至少形成经加热CO2流(IM)，并且所述经加热 CO2流(124)的至少一部分将热传递给被从所述压缩机(102)引导到所述燃烧器(106)的所述压缩流体流(108)。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述燃气轮机系统(100) 进ー步包括热回收蒸汽发生器(1 )，其中，所述涡轮构件流(116)被引导到所述热回收蒸汽发生器(126)。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，至少所述经加热CO2流 (124)的第二部分(118)被引导到所述热回收蒸汽发生器(1 )。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，来自所述热回收蒸汽发生器(1 )的出口流的至少一部分被引导到所述CO2捕捉系统(122)。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述燃气轮机系统(100) 进ー步包括热交換器(134)，所述热交換器(134)定位成将来自所述经加热CO2流(124)的热传递给所述压缩空气流(108)的所述第一部分。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述燃气轮机系统(100) 进ー步包括所述ω2捕捉系统(122)。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述压缩机构件(102)包括十八个压缩机级。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，第十八压缩机级将所述压縮流体流(108)的所述第二部分(118)引导到所述涡轮构件(114)的第二涡轮级(142)。
9.根据权利要求7所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，第九压缩机级和第十三压縮机级将所述压缩流体流(108)的所述第二部分(118)引导到所述涡轮构件(114)的第一涡轮级(144)、所述涡轮构件(114)的第二涡轮级(142)和所述涡轮构件(114)的第三涡轮级(146)。
10.根据权利要求1所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述涡轮构件(114)包括第一涡轮级(114)和第二涡轮级(142)。
11.根据权利要求10所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述涡轮构件(114)进一歩包括第三涡轮级(146)。
12.根据权利要求11所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述涡轮构件流(116) 被所述冷CO2流(120)冷却，以用于所述第二涡轮级(142)和所述第三涡轮级(146)。
13.根据权利要求11所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述压缩机构件(114) 包括第一压缩机级(136)、第二压缩机级(138)和第三压缩机级(140)。
14.根据权利要求1所述的燃气轮机系统(100)，其特征在干，所述CO2捕捉系统(122)包括用于形成所述冷CO2流(122)的吸收器(202)和气提器008)。
15.ー种燃气轮机系统(100)，包括压缩机构件(102)，其构造成压缩流体而形成压缩流体流(104)； 燃烧器(106)，其构造成至少接收所述压缩流体流(108)的第一部分，以及至少部分地燃烧合成气(110)而形成燃烧器排出流(112)；以及涡轮构件(114)，其定位成接收所述燃烧器排出流(112)，以及形成涡轮构件流(116)； 其中，至少所述压缩流体流(108)的第二部分(118)被引导到所述涡轮构件流(116)， 从第二系统中引导出的冷氮流(320)冷却所述涡轮构件流(116)，所述冷氮流(320)被所述涡轮构件流(116)加热而至少形成经加热氮流(3M)，并且所述经加热氮流(324)的至少ー 部分将热传递给从所述压缩机(10 到所述燃烧器(106)的所述压缩流体流(104)。
16.根据权利要求15所述的燃气轮机系统，其特征在干，所述第二系统是空气分离单元。
17.根据权利要求15所述的燃气轮机系统，其特征在干，所述燃气轮机系统进一歩包括热回收蒸汽发生器，其中，所述涡轮构件流被引导到所述热回收蒸汽发生器。
18.根据权利要求17所述的燃气轮机系统，其特征在干，至少所述经加热氮流的第二部分被引导到所述热回收蒸汽发生器。
19.ー种エ艺，包括提供(X)2捕捉系统，所述(X)2捕捉系统包括用于形成冷(X)2流的吸收器和气提器； 将所述冷CO2流引导到涡轮构件；将来自所述涡轮构件中的涡轮构件流的热传递给所述冷(X)2流而至少形成经加热CO2 流；以及通过热交換器而将所述经加热(X)2流的至少一部分引导到所述(X)2捕捉系统。
20.根据权利要求19所述的エ艺，其特征在干，所述涡轮构件布置成和设置成接收来自燃烧器的燃烧排出流，而所述热交換器布置成和设置成将来自所述经加热(X)2流的热传递给被引导到所述燃烧器的压缩流体流的至少一部分。
全文摘要
本发明涉及燃气轮机系统和工艺。一种燃气轮机系统100和工艺包括压缩机构件102，其构造成压缩流体而形成压缩流体流104；燃烧器106，其构造成至少接收压缩流体流108的第一部分，以及至少部分地燃烧合成气110而形成燃烧器排出流112；以及涡轮构件114，其定位成接收燃烧器排出流112，以及形成涡轮构件流116。在该系统和工艺中，从第二系统118中引导出的冷流冷却涡轮构件流116。
文档编号F02C7/18GK102588118SQ20111046280
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年1月3日
发明者A·K·沙马, B·佩米, I·马宗德, R·萨哈 申请人:通用电气公司