專利名稱：具有氮冷卻式燃氣輪機的整體氣化聯合循環系統的制作方法
技術領域：
本申請主要涉及燃氣渦輪發動機，且更具體地涉及具有閉合回路氮冷卻以及排放物控制的燃氣渦輪發動機。
背景技術：
公知的整體氣化聯合循環(“IGCC“)動力生成系統可包括與至少一個動力產生渦輪系統相整合的氣化系統。例如，公知的氣化器可將諸如煤的燃料與空氣或氧、蒸汽以及其它添加劑的混合物轉化成部分燃燒氣體的輸出，通常稱為"合成氣"。這些熱燃燒氣體可供送至燃氣渦輪發動機的燃燒器。燃氣渦輪發動機繼而向發電機供能以產生電功率或用以驅動其它類型的負載。來自于燃氣渦輪發動機的排氣可供送至熱回收蒸汽發生器，以便生成用于蒸汽輪機的蒸汽。由蒸汽輪機產生的動力也可驅動發電機或其它類型的負載。類似類型的動力生成系統也可為公知的。公知的氣化過程還可產生氮流。例如，空氣分離單元可用于產生供送至氣化器的氧?？諝夥蛛x單元可通過將供送的空氣中的氧與氮分離來產生氧。一部分氮可用于控制燃氣渦輪發動機所產生的排放物或用于增大渦輪的功率輸出。例如，氮可噴射到燃氣渦輪發動機的燃燒區中，以便降低燃燒溫度和降低一氧化二氮(“NOx")的排放物。燃氣渦輪發動機的渦輪區段經冷卻以將構件溫度保持在可容許的材料極限。由從壓縮機區段抽出的空氣所提供的冷卻降低了發動機功率輸出和熱耗率(heat rate)。因此，期望有一種改進的整體氣化聯合循環動力生成系統。此種IGCC系統優選將使用為生產目的而在其中產生的所有或大部分氮，同時改善整體的IGCC輸出和熱耗率。

發明內容
因此，本申請提供了一種整體氣化聯合循環系統。該整體氣化聯合循環系統可包括氮源、燃燒器以及渦輪。來自于氮源的氮流穿過渦輪并冷卻渦輪，且然后流入燃燒器中。本申請還提供了一種操作整體氣化聯合循環系統的方法。該方法可包括產生氮流、使氮流流過燃氣輪機、在氮流流過燃氣輪機時加熱氮流、將現在加熱的氮流的一部分噴射到燃燒器中，以及降低燃燒器操作溫度。本申請還提供了一種整體氣化聯合循環系統。該整體氣化聯合循環系統可包括用于產生氮流的空氣分離單元、用于壓縮氮流的壓縮機、燃燒器以及渦輪。壓縮的氮流穿過渦輪并冷卻渦輪，且然后流入燃燒器中。本領域的普通技術人員通過查閱以下詳細描述，同時結合多個附圖和所附權利要求，本申請的這些及其它特征和改進將變得明顯。


圖1為燃氣渦輪發動機的簡圖。圖2為燃氣輪機的多個級的簡圖。
圖3為可如本文所述那樣的具有氮冷卻式燃氣輪機的整體氣化聯合循環系統的一部分的簡圖。圖4為具有氮冷卻式燃氣輪機的整體氣化聯合循環系統的備選實施例。圖5為具有氮冷卻式燃氣輪機的整體氣化聯合循環系統的備選實施例。圖6為具有氮冷卻式燃氣輪機的整體氣化聯合循環系統的備選實施例。零件清單100燃氣渦輪發動機110壓縮機120空氣流130燃燒器140燃料流150燃燒氣流160 渦輪170 轉子180發電機190渦輪級200 第一級210第一級噴嘴220第一級輪葉230 第二級240第二級噴嘴250第二級輪葉260第三級270第三級噴嘴280第三級輪葉290熱氣體通路300 尖頂(tip)罩蓋350整體氣化聯合循環系統360空氣分離單元370 氮流380氮壓縮機390壓力控制閥400靜止構件冷卻流410旋轉構件冷卻流420三通閥430燃燒器流440返回流450氮冷卻器460整體氣化聯合循環系統
470燃料加熱器480整體氣化聯合循環系統490混合流500溫度控制閥510整體氣化聯合循環系統520附加氮流530混合氮流540混合閥
具體實施例方式現參看附圖，其中相似的標號在所有多個視圖中表示相似的元件，圖1示出了可如本文所述那樣的燃氣渦輪發動機100的簡圖。燃氣渦輪發動機100可包括壓縮機110。 壓縮機110壓縮進入的空氣流120。壓縮機110將壓縮的空氣流120輸送至燃燒器130。燃燒器130使壓縮的空氣流120與壓縮的燃料流140相混合，且點燃混合物以形成燃燒氣流 150。盡管僅示出了單個燃燒器130，但燃氣渦輪發動機100可包括任意數目的燃燒器130。 燃燒氣流150繼而輸送至渦輪160。燃燒氣流150驅動渦輪160，以便通過使渦輪轉子170 轉動來產生機械功。渦輪160中所產生的機械功通過渦輪轉子170而驅動壓縮機110和外部負載，如發電機180等。燃氣渦輪發動機100可使用天然氣、各種類型的合成氣，以及其它類型的燃料。燃氣渦輪發動機 100 可為由 General ElectricCompany (Schenectady, New York)等提供的任意數目的不同渦輪機。燃氣渦輪發動機100可具有其它構造，且可使用其它類型的構件。 這里還可使用其它類型的燃氣渦輪發動機。多個燃氣渦輪發動機100、其它類型的渦輪機以及其它類型的動力生成設備也可在這里一起使用。圖2示出了渦輪160的多個級190。第一級200可包括多個沿周向間隔開的第一級噴嘴210和輪葉220。同樣，第二級230可包括多個沿周向間隔開的第二級噴嘴240和輪葉250。此外，第三級260可包括多個沿周向間隔開的第三級噴嘴270和輪葉觀0。級200， 230,260可定位在穿過渦輪160的熱氣體通路四0中。這里可使用任何數目的級190。一個或多個輪葉220，250，280可具有位于其上的尖頂罩蓋300。其它類型的渦輪構造也可在這里使用。旋轉構件，也即輪葉220，250，280,以及靜止構件，也即噴嘴210，240, 270，可具有經由其延伸的一個或多個冷卻回路310。在該實例中，冷卻回路310可為閉合回路。冷卻介質可經由其傳送，以便冷卻熱氣體通路四0內的渦輪160構件。其它類型的冷卻構造也可在這里使用。圖3示出了可如本文所述那樣的整體氣化聯合循環系統350的部分。IGCC系統 350可包括如上文所述且還為相似構造的燃氣渦輪發動機100及其構件。IGCC系統350還可包括空氣分離單元360。如上文所述，空氣分離單元360可與氣化器(未示出)等連通。 空氣分離單元360可產生氧流和氮流370。其它氮源和/或其它氣源也可在這里使用。在該實例中，空氣分離單元360可經由一個或多個氮壓縮機380而與燃氣渦輪發動機100的渦輪160連通。氮壓縮機380可為常規設計。氮壓縮機380將氮流370壓縮至足夠的壓力，也即足以滿足壓縮機稀釋噴射要求加上因管路、設備、渦輪構件冷卻劑回路等造成的所有損失的壓力。也可使用壓力控制閥390。壓力控制閥390通過例如囊(balloon) 應力減輕和其它技術來防止過壓。氮流370可引導至冷卻回路310。氮流370可分成用以冷卻其中的靜止構件的靜止構件冷卻流400，以及用以冷卻其中的旋轉構件的旋轉構件冷卻流410。冷卻流400，410 然后可在渦輪160下游匯合。在三通閥420或類似類型的流動裝置處，氮流370可再次分離，此時分成燃燒器流 430和返回流440。燃燒器流430可作為稀釋噴射物輸送至燃燒器130，用于NOx的排放和 /或燃氣輪機的功率增大。返回流440可通過鍋爐給水或其它流動源來在氮冷卻器450中冷卻至適于通過壓縮機380壓縮的溫度。返回流440然后可再循環到冷卻回路310中或用于其它目的。氮冷卻器450可為任何類型的熱交換器等。其它構造也可在這里使用。其它類型的流也可在這里使用。圖4示出了整體氣化聯合循環系統460的部分的備選實施例。IGCC系統460可類似于上文所述的IGCC系統350且增加了燃料加熱器470。燃料加熱器470可與渦輪160下游的燃燒器流430以及燃料流140連通。燃燒器流430可基于燃燒系統設計要求，通過直接地與進入的燃料流140進行熱交換或經由中間熱交換環路來冷卻至可容許的最高溫度。 作為備選，燃燒器流430還可與鍋爐給水或其它類型的適合冷卻源交換熱。其它構造也可在這里使用。圖5示出了整體氣化聯合循環系統480的備選實施例。IGCC系統480可類似于上文所述的IGCC系統350。在該實例中，熱交換器450下游的返回流440可包括混合流490。 熱燃燒器流430可在噴射到燃燒器130中之前與冷卻的混合流490混合至可容許的最高溫度。溫度控制閥500也可在這里使用。其它構造也可在這里使用。在使用中，本文所述的IGCC 350，460，480使用氮流370以連續布置來進行熱氣體通路冷卻和燃燒稀釋噴射，以便提供功率輸出和熱耗率兩者的顯著操作性改善。具體而言， IGCC 350，460，480可減少從壓縮機110抽出的渦輪構件冷卻空氣量，可將來自熱氣體通路冷卻的高水平能量直接地傳送至燃燒系統，以及可容許優化隨氮冷卻流和溫度而變化的渦輪冷卻流和燃燒溫度。IGCC 350，460，480還可使用氮冷卻器450來加熱鍋爐給水或其它源，以產生蒸汽進入及底循環中，從而提高蒸汽輪機的功率輸出。因此，IGCC 350,460,480 使用通過空氣分離單元360等所產生的所有或大部分氮流370，和/或使氮流再循環以便進一步使用。相比于常規壓縮機抽出流，供送至渦輪160的氮流的較低溫度容許所需冷卻流的減少，以便能夠優化構件冷卻通道和整體燃氣輪機性能。因此，由構件冷卻方案(scheme) 通過熱燃燒器流430回收至燃燒器130的熱將減少總體燃料流140，且因此改善整個系統的熱耗率。氮流370的較低溫度還可導致其中總共所需的冷卻流的減少。圖6示出了整體氣化聯合循環系統510的另一備選實施例。IGCC系統510可類似于上文所述的IGCC系統350。在該實例中，氮流370在穿過渦輪冷卻通道400，410之后，與來自于氮壓縮機380的附加氮流520相混合。混合的氮流530然后可輸送至燃燒器130。 混合閥540可提供為用以控制兩股混合氮流370，520之間的流動分離。其它構造也可在這里使用。
很明顯，上文僅涉及本申請的一些實施例，且在不脫離由所附權利要求及其等同物所限定的本發明的總體精神和范圍的情況下，本領域的普通技術人員可在此作出許多變化和修改。
權利要求
1.一種整體氣化聯合循環系統，包括 氮源；燃燒器；以及渦輪；其中，來自于所述氮源的氮流穿過所述渦輪并冷卻所述渦輪，且然后流入所述燃燒器中。
2.根據權利要求1所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述氮源包括空氣分離單元。
3.根據權利要求1所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述整體氣化聯合循環系統還包括定位在所述氮源下游的一個或多個氮壓縮機。
4.根據權利要求1所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述氮流包括旋轉構件冷卻流和靜止構件冷卻流。
5.根據權利要求1所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述氮流包括所述渦輪下游的燃燒器流。
6.根據權利要求5所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述氮流還包括所述渦輪下游的返回流。
7.根據權利要求6所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述整體氣化聯合循環系統還包括定位在所述渦輪下游且與所述返回流連通的氮冷卻器。
8.根據權利要求7所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述返回流包括混合流，以及其中，所述混合流與所述燃燒器上游的燃燒器流相混合。
9.根據權利要求5所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述整體氣化聯合循環系統還包括燃料加熱器，所述燃料加熱器定位在所述燃燒器上游且與所述燃燒器流連通以加熱其中的燃料流。
10.一種操作整體氣化聯合循環系統的方法，包括 產生氮流；使所述氮流流過燃氣輪機； 在所述氮流流過所述燃氣輪機時加熱所述氮流； 將現在加熱的氮流的一部分噴射到燃燒器中；以及降低燃燒器操作溫度。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟利用現在加熱的氮流的剩余部分加熱流體流。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟將現在加熱的氮流的所述一部分與現在加熱的氮流的剩余部分的一部分相混合。
13.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟利用現在加熱的氮流的剩余部分加熱燃料流。
14.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟將現在加熱的氮流的剩余部分再循環至所述渦輪。
15.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟壓縮所述氮流。
16.一種整體氣化聯合循環系統，包括 用于產生氮流的空氣分離單元； 用于壓縮所述氮流的壓縮機； 燃燒器；以及渦輪；其中，壓縮的所述氮流穿過所述渦輪并冷卻所述渦輪，且然后流入所述燃燒器中。
17.根據權利要求16所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述氮流包括旋轉構件冷卻流和靜止構件冷卻流。
18.根據權利要求16所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述氮流包括所述渦輪下游的燃燒器流。
19.根據權利要求16所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述氮流還包括所述渦輪下游的返回流。
20.根據權利要求19所述的整體氣化聯合循環系統，其特征在于，所述整體氣化聯合循環系統還包括定位在所述渦輪下游且與所述返回流連通的氮冷卻器。
全文摘要
本發明涉及具有氮冷卻式燃氣輪機的整體氣化聯合循環系統。具體而言，本申請提供了一種整體氣化聯合循環系統。該整體氣化聯合循環系統可包括氮源、燃燒器以及渦輪。來自于氮源的氮流穿過渦輪并冷卻渦輪，且然后流入燃燒器中。
文檔編號F02C3/34GK102454482SQ201110335909
公開日2012年5月16日 申請日期2011年10月21日 優先權日2010年10月22日
發明者B·D·加迪納 申請人:通用電氣公司