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本发明涉及用于便于组合循环工作流体的改变及其燃烧的方法和系统，具体而言，涉及一种燃烧系统，其包括燃气涡轮发动机(100)和氧源(317，318)，该氧源(317，318)与燃气涡轮发动机以流连通的方式相联接。氧源构造成将氧引导至燃气涡轮发动机中，以便于替换被引导至燃气涡轮发动机的燃烧气体中的氮，并便于减少在燃气涡轮发动机中产生的排放物。

1.  一种燃烧系统，包括：
燃气涡轮发动机(100)；以及
氧源(317，318)，所述氧源(317，318)以流连通的方式与所述燃气涡轮发动机相联接且构造成将氧引导至所述燃气涡轮发动机以便于替换被引导至所述燃气涡轮发动机的燃烧气体中的氮并便于减少在所述燃气涡轮发动机中产生的排放物。

2.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述氧源(317，318)包括空气分离单元。

3.  根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述空气分离单元将进入所述空气分离单元的空气流分离成具有富氧内容物的第一流(317)和具有富氮内容物的第二流(326)。

4.  根据权利要求3所述的燃烧系统，其特征在于，第一流(317)是被引导至所述燃气涡轮发动机(100)以便于燃烧的富氧流，而第二流(326)是被引导至所述燃气涡轮发动机以便于所述燃气涡轮发动机的冷却的富氮流。

5.  根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧系统还包括构造成用于提供加压的空气至所述空气分离单元的至少一个压缩机组件(400)。

6.  根据权利要求5所述的燃烧系统，其特征在于，所述至少一个压缩组件包括与所述空气分离单元以流连通的方式相联接的增压式空气压缩机(404)和主空气压缩机(402)。

7.  根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述空气分离单元包括基于制冷循环的系统。

8.  根据权利要求5所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(100)以机械的方式联接到所述至少一个压缩机组件(400)上。

9.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧系统还包括联接在所述燃气涡轮发动机(100)下游处的至少一个余热回收蒸汽发生器(218，220)。

10.  一种组合循环动力系统，包括：
至少一个氧源(317，318)；
与所述至少一个氧源以流连通的方式相联接的第一燃气涡轮发动机(100)，所述燃气涡轮发动机在所述至少一个氧源的下游，并接收从所述至少一个源排出的氧流，以用于燃烧，其中，该氧流便于替换该燃气涡轮发动机的工作流体中的氮并便于减少在所述燃气涡轮发动机中产生的排放物；以及
在所述燃气涡轮发动机下游处以流连通的方式被联接的至少一个余热回收蒸汽发生器(218，220)，所述至少一个余热回收蒸汽发生器以流连通的方式联接在蒸汽轮机(222)的上游。

用于便于组合循环工作流体的改变及其燃烧的方法和系统
发明背景
本发明大致涉及燃烧系统，更详细地讲，涉及提供用于燃气涡轮发动机(gas turbine engine)的富氧的流体流及富氮的流体流的方法和系统。
至少一些已知的工业设施包括这样的燃烧系统，该燃烧系统通过燃烧带有燃料流的进口空气流以产生废气流来运行。至少一些已知的燃烧系统包括余热回收蒸汽发生器，该余热回收蒸汽发生器利用从燃气涡轮发动机放出的废气以产生一定量的蒸汽。蒸汽被引导经过蒸汽轮机(steam turbine)用于产生能量。已知的燃烧系统还可以包括热交换器、流量控制阀和发电机。另外，至少一些已知的系统还包括空气压缩机，该空气压缩机向燃气涡轮发动机提供压缩进口流体流。
至少一些已知的燃气涡轮发动机包括压缩机、燃气涡轮段及限定于压缩机与燃气涡轮段之间的燃烧室。燃烧室点燃压缩空气流与燃料流的混合物。通常，提供用于燃烧过程的压缩空气流包括空气的多种组分(包括氧和氮)。然而，燃烧过程中氮的存在可导致产生包括氮氧化物(NOx)等在内的有害的排放物(emissions)。为了便于改善燃烧过程中的排放效率(emission efficiency)，至少一些已知的系统建议使用更纯的流体流以用于燃烧过程。然而，提供纯化的流体流所需要的附加的部件增加了整个系统的复杂性，并增加了由系统中的部件导致的损耗(waste)的量。因此，这种系统的运行和维护费用由于这些部件而增加，并且系统的总效率可能降低。
发明内容
一方面，提供了组装燃烧系统的方法。该方法包括提供燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括联接在燃烧室下游处的燃气涡轮段。该方法还包括将氧源(source of oxygen)联接到燃气涡轮发动机上，以使得从该源排出的氧流促进燃气涡轮发动机的工作流体中的氮的替换(displacing)，并促进燃气涡轮发动机中产生的排放物的减少。
另一方面，提供了燃烧系统。该系统包括燃气涡轮发动机和氧源，氧源与燃气涡轮发动机以流连通的方式相联接且构造成将氧引导至燃气涡轮发动机中，以便于替换被引导至燃气涡轮发动机的燃烧气体(combustion gases)中的氮，并便于减少燃气涡轮发动机中所产生的排放物。
在又一方面，提供了组合循环动力系统(combined cycle powersystem)。动力系统包括至少一个氧源。动力系统还包括与该至少一个氧源以流连通的方式相联接的第一燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机在该至少一个氧源的下游，并接收从该至少一个源中排出的氧流以用于燃烧。该氧流便于替换燃气涡轮发动机的工作流体中的氮，并便于减少在燃气涡轮发动机中产生的排放物。动力系统还包括在燃气涡轮发动机下游处以流连通的方式被联接的至少一个余热回收蒸汽发生器。该余热回收蒸汽发生器在蒸汽轮机上游处以流连通的方式被联接。
附图说明
图1是示例性的燃气涡轮发动机的示意图；而
图2是示例性的组合循环动力系统的示意图，该组合循环动力系统可连同显示在图1中的燃气涡轮发动机一起使用。
具体实施方式
图1是示例性的燃气涡轮发动机100的示意图。在该示例性的实施例中，发动机100包括压缩机102和燃烧器组件(combustorassembly)104。燃烧器组件104包括燃烧器组件头(head)105，该燃烧器组件头105将燃料提供到燃烧室(combustion chamber)106中，该燃烧室106包括在其中延伸而过的中心线107。在该示例性的实施例中，发动机100包括多个燃烧器组件104。燃烧器组件104，更具体地讲，燃烧室106，被联接在从压缩机102的下游处且与其成流连通。发动机100还包括燃气涡轮发动机段108和压缩机/涡轮轴110(有时称作转子)。在该示例性的实施例中，燃烧室106大致为圆筒形并与燃气涡轮发动机段108以流连通的方式相联接。涡轮(turbine)108以机械的方式联接到轴110上，并驱动轴110。压缩机102也可转动地联接到轴110上。在该示例性的实施例中，燃烧器104为干式低氮氧化物(NOx)燃烧器，或DLN-型的燃烧器，特别地，燃烧器104为可从General ElectricCompany商购获得的干式低NOx系列的燃烧器系统。备选地，燃烧器104可以是通过使任意“燃料”类型与氧或者本文所述的任何含氧的流体结合以便于发动机100的运行的任何燃烧器。
在运行中，空气流过压缩机102，并且相当大部分所得到的压缩空气被供至燃烧器组件104。组件104也与燃料源(未显示在图1中)成流连通，并将燃料和空气引导至燃烧室106。在该示例性的实施例中，燃烧器组件104在燃烧室106中点燃诸如(举例来说)天然气或燃料油等的燃料并使其燃烧。高温的燃烧气体流(未显示在图1中)产生于室106中。备选地，组件104燃烧包括但不限于生产气体(process gas)和/或合成气体(合成气(syngas))的燃料。燃烧室106沿着中心线107将燃烧气体流引导至涡轮108，热能在涡轮108中转变成旋转机械能。
图2是示例性的组合循环动力系统200的示意图，该组合循环动力系统200可与燃气涡轮发动机，例如燃气涡轮发动机100(显示在图1中)一起使用。在该示例性的实施例中，系统200包括在燃气涡轮发动机201下游处以流连通的方式被联接的导管燃烧装置(duct-firingdevice)210。在该示例性的实施例中，导管燃烧装置210使从燃气涡轮发动机201中排出的废气流燃烧，如在下面更详细地描述的那样。
在该示例性的实施例中，系统200还包括蒸汽发生系统216。特别地，在该示例性的实施例中，系统216包括第一余热回收蒸汽发生器(HRSG)218和第二HRSG220。在一个实施例中，第一HRSG218包括内部热交换设备(internal heat transfer apparatus)(未示出)，该热交换设备用于利用来自燃气涡轮发动机201的热废气流来产生蒸汽。第二HRSG220同样包括第二热交换设备(未示出)，该第二热交换设备执行相同的能量交换机理和工艺来产生蒸汽。在该示例性的实施例中，第一HRSG218和第二HRSG220与蒸汽轮机222以流连通的方式相联接。
空气分离单元(ASU)300在该示例性的实施例中包括于系统200中，并与压缩机系统400以流连通的方式相联接。ASU300可为使空气的主要组分(例如氮和氧)分离的任何可商购获得的类型。备选地，ASU300可以是任何氧源，例如加工厂(processing plant)、生物质(biomass)或来自燃烧过程的废气。在一个实施例中，压缩机系统400经由第一空气供应管道(conduit)(未示出)和第二空气供应管道(未示出)与ASU300以流连通的方式相联接。在该示例性的实施例中，压缩机系统400包括第一压缩设备或主空气压缩机(MAC)402。特别地，在该示例性的实施例中，MAC402为低压轴流式压缩机(LPC)。备选地，可使用便于如本文所述的压缩机系统400的运行的任何压缩设备。在该示例性的实施例中，燃气涡轮发动机201用于供以动力至压缩机系统400(包括MAC402)。在该示例性的实施例中，燃气涡轮发动机201经由轴406以机械的方式联接到MAC402上。
在该示例性的实施例中，MAC402经由轴408联接到增压式(boost)空气压缩机(BAC)404上。在该示例性的实施例中，BAC404为GENuovo Pignone的六级离心式空气压缩机。备选地，BAC404可以是便于如本文所述的压缩机系统400运行的任何压缩机。在一个实施例中，BAC404包括以流连通的方式联接至BAC404的中间冷却式热交换器和后加冷却式热交换器(未示出)。热交换器接收至少一部分来自MAC402的加压的空气流，从该空气流中去除至少部分热量，并排出冷却的空气流至BAC404。
MAC402包括从环境中接收空气的进口部分410。备选地，进口部分410可接收在穿过任何类型的增压装置(未示出)之后处于比公称(nominal)大气压更高压力下的空气，该增压装置在环境空气进入MAC402之前对其加压。MAC402还可包括多个级(未示出)，该多个级与出口蜗壳(volute)412协作，以便于形成处于升高压力下的排出空气流302。在该示例性的实施例中，热交换器411联接在出口蜗壳412下游，以便于冷却排出空气流302，并便于降低与BAC404相关联的设计功率需求。另外，该热交换器可便于使运行维持在由处在MAC402往下游处的部件(包括但不限于ASU300)所限定的预定的温度范围内。必需的阀(未显示在411中)包括在热交换器411内，该阀对离开MAC402并被引导至BAC404或ASU300的流进行适当的控制。
ASU300以流连通的方式与MAC402和BAC404相联接。在该示例性的实施例中，ASU300是基于制冷循环的(refrigeration，cycle-based)系统，该系统主要地产生含至少50％纯氧的第一流(stream)316，以供在燃气涡轮201和228中使用，以及含氮的用于在燃气涡轮201和228中作冷却剂使用的第二流326。在该示例性的实施例中，ASU300包括将富氧的产物流(product stream)316引导至燃气涡轮发动机201和228和将富氮的产物流326引导至压缩机324的相应的第一和第二出口部分312和314。
运行中，空气经由空气进口(air inlet)410从大气环境供至MAC402。在一个实施例中，包括有进口过滤器(未示出)、过滤器壳体(未示出)且可选地包括增压装置(未示出)，以使空气可通过进口过滤器被吸入壳体中。
MAC进口部分410将空气引导至多个级，该多个级与出口蜗壳412协作，以便形成排出空气流302。在一个实施例中，热交换器411和防喘振装置(未示出)包括在MAC402中，并且空气流经由管道和防喘振装置被引导至热交换器。另外，在这种实施例中，热交换器便于降低被引导通过管道的空气流的温度(在该流进入ASU300之前)。
从MAC402中排出之后，空气流302经由热交换器411中的内部阀(未示出)分成两股空气流303和306。第一空气流303被引导至ASU300并进入ASU300(经由第一进口部分308)。第二空气流306被引导至BAC404，在那里，空气流306在被引导至ASU300之前由BAC404进行压缩。空气流304经由出口部分414离开BAC404并经由第二进口部分310进入ASU300。备选地，MAC402和BAC404可如本文所述地在便于ASU300的运行的任何流率下及在任何运行压力下产生任意数目的空气流。在该示例性的实施例中，MAC402和BAC404均由燃气涡轮发动机201提供动力。
在运行期间，ASU300将空气流303和304分离成氧流316和氮流326。氧流316经由第一出口部分312离开ASU300，并进一步分成两股流317和318。第一氧流部分317被导向燃气涡轮发动机201，在那里，其经由空气进口320进入燃气涡轮发动机201。第二氧流部分318被引导至燃气涡轮发动机228，在那里，其经由空气进口322进入燃气涡轮发动机228。
氮流326经由出口部分314从ASU300中排出并被引导至压缩机324。氮流326被加压至刚好高于进入燃气涡轮发动机段108所需的运行压力。第一氮流部分332经由第一出口部分328从压缩机324中排出，并被引导至燃气涡轮发动机201，用于冷却燃气涡轮发动机201。第二氮流部分334经由第二出口部分330从氮压缩机324中排出，并被引导至燃气涡轮发动机228，用于冷却燃气涡轮发动机228。可将从ASU300中流出的任何多余的氮储存用于后续使用和/或商业销售。
第一和第二废气流212和340分别地从第一和第二涡轮发动机201和228中离开。第一燃气涡轮发动机废气流212被引导至导管燃烧装置210，在那里，其在被提供给第一HRSG218之前与燃料流214混合以用于燃烧。在一个实施例中，燃料流214为低成本和/或低BTU的燃料流。第一HRSG218接收锅炉给水(未示出)以用于将锅炉给水加热成蒸汽。第二燃气涡轮发动机废气流340离开燃气涡轮发动机228并进入第二HRSG220。第二HRSG220接收锅炉给水(未示出)以用于将锅炉给水加热成蒸汽。
第一和第二蒸汽流260和262分别地从第一HRSG218和第二HRSG220中离开，并且各被引导至蒸汽轮机222，在那里，蒸汽中的热能转变成旋转能。该旋转能经由转子(未示出)传输到发电机232，在那里，发电机232将旋转能转变成电能，用于传输给至少一个负载(包括但不限于电力网)。蒸汽冷凝，然后作为锅炉给水返回。过量气体及蒸汽270和272分别地从第一HRSG218和第二HRSG220排出到大气中。
本文所描述的方法和设备能够使空气流分离成氧流和氮流，以供在包括燃烧系统的设施的运行中被使用。特别地，被提供给燃气涡轮进口流或燃气涡轮工作流体的更高的氧浓度促进了NOx排放物的减少，这是因为，燃气涡轮在工作流体中接收较低浓度的氮。NOx排放物的减少有助于在这样的区域中提高经济效益——在这些区域中，关于NOx信用(credit)的二级市场在起作用，或者，电厂许可要求规定了减少NOx排放物的需求。另外，氮流通过消除对于燃气涡轮发动机工作流体的内部排出(internal bleeding)的需要而促进了整个装置(plant)的效率的提高。同样，由于较高的氧浓度而导致的工作流体的一定程度上较高的分子量可帮助提高通过燃气涡轮发动机的工作流体的流率。从ASU系统喷射氮到燃气涡轮中以用作涡轮冷却剂有助于在较高的能量转换水平(conversion level)处提高电能的产生。另外，提高工作流体中氧的浓度有助于提供富氧的废气流，该废气流可在进入余热回收蒸汽发生器之前被提供给常规的导管燃烧过程(duct-burningprocess)。导管燃烧便于附加的蒸汽的产生，并由此便于总的电能的产生。在导管燃烧设备中较高的氧含量废气流便于改善导管燃烧的总的燃烧效率。该过程便于提高总的装置运行效率。以上描述旨在包括用于改变在热动力循环(在该实施例中为Brayton循环)中的工作流体的组分以在工业装置中改善热效率、机械效率、电效率或排放效率的一般过程的特定的示例，并且不应被视为限于所描述的具体实施例。
以上详细地进行了描述与工业设施相关的空气分离及燃烧的示例性的实施例。该方法和系统既不限于在此所描述的具体实施例，也不限于具体显示的组合循环燃烧系统和工业设施，相反，该方法的步骤和/或该系统的部件可与在此所描述的其它步骤和/或部件相分离地独立地被加以利用。另外，所描述的方法的步骤和/或系统的部件还可以被定义于其它方法和/或系统中，或与其它方法和/或系统组合使用，并且不限于仅利用在此所描述的方法和系统的实践。以上描述旨在包括用于改变在热动力循环(在该实施例中为Brayton循环)中工作流体的组分以在工业装置中改善热效率、机械效率、电效率或排放效率的一般过程的特定的示例，并且不应被视为限于所描述的具体实施例。
尽管根据各种具体的实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员可以认识到，本发明可在权利要求的精神和范围内在进行变更的情况下加以实践。