具有排气再循环和再加热的涡轮机系统.pdf

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。

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机(6)中。

3.  根据权利要求1或权利要求2所述的涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机系统还包括：
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，所述涡轮机系统还包括：
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.  一种操作涡轮机系统(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)。

具有排气再循环和再加热的涡轮机系统
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。
背景技术
随着有关工业排放对于环境影响的关注日益增加，对于容许排放的限制也是如此。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放益处。
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轮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，一种操作涡轮机系统的方法包括：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；以及使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引入到至少一些压缩机中。
附图说明
图1示意性地示出了具有单个轴的再加热涡轮机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轮机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轮机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轮机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机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。
具体实施方式
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8一起供送到压缩机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，在涡轮机系统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10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。
低压涡轮排气28的第二部分35可传送到HRSG(热回收蒸汽发生器)80中。HRSG 80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10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机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10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修改和等同布置。