用于在化学计量的排气再循环燃气轮机系统中扩散燃烧的系统和方法技术方案

提供一种具有涡轮燃烧室的系统，所述涡轮燃烧室具有第一扩散燃料喷嘴，其中第一扩散燃料喷嘴被配置为产生扩散火焰。系统包括由来自涡轮燃烧室中扩散火焰的燃烧产物驱动的涡轮。系统还包括排气压缩机，其中排气压缩机被配置为压缩排气并沿着排气再循环通路将排气从所述涡轮输送至涡轮燃烧室。此外，系统包括沿着排气再循环通路配置的第一催化剂单元。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2013年10月30日提交的名称为“SYSTEMANDMETHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM”的美国非临时专利申请号14/067,486、2012年11月2日提交的名称为“SYSTEMANDMETHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM”的美国临时专利申请号61/722,118、2012年11月2日提交的名称为“SYSTEMANDMETHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONWITHFUEL-DILUENTMIXINGINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM”的美国临时专利申请号61/722,115、2012年11月2日提交的名称为“SYSTEMANDMETHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONWITHOXIDANT-DILUENTMIXINGINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM”的美国临时专利申请号61/722,114、和2012年11月2日提交的名称为“SYSTEMANDMETHODFORLOADCONTROLWITHDIFFUSIONCOMBUSTIONINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM”的美国临时专利申请号61/722,111的优先权和权益，全部这些因所有目的在本文通过引用以其全文并入。专利技术背景本文公开的主题涉及燃气轮机发动机。燃气轮机发动机在多种多样的应用中被使用，诸如发电、航空器和各种机器。燃气轮机发动机通常在燃烧室部分中使用氧化剂(例如，空气)燃烧燃料以生成热燃烧产物，其然后驱动涡轮部分的一个或多个涡轮级。转而，涡轮部分驱动压缩机部分的一个或多个压缩机级，从而压缩氧化剂以连同燃料一起吸入燃烧室部分。另外，在燃烧室部分中混合燃料和氧化剂，并且然后燃烧以产生热燃烧产物。燃气轮机发动机通常沿着在燃烧室部分的燃烧腔的上游的一个或多个流动通路预混合燃料和氧化剂，并且因而燃气轮机发动机通常以预混合火焰运行。遗憾地，可能难以控制或维持预混合火焰，其可影响各种排气排放和动力需求。此外，燃气轮机发动机通常消耗大量作为氧化剂的空气，并且输出相当大量的排气进入大气。换句话说，排气通常作为燃气轮机运行的副产物被浪费。
技术实现思路
下文概述在范围上与原始要求保护的专利技术相称的某些实施方式。这些实施方式不意欲限制要求保护的专利技术的范围，而是这些实施方式只意欲提供本专利技术的可能形式的简要概述。事实上，本专利技术可包含与下文列出的实施方式相似或不同的各种形式。在第一实施方式中，提供一种系统，其带有具有第一扩散燃料喷嘴的涡轮燃烧室，其中第一扩散燃料喷嘴被配置为产生扩散火焰。系统包括由来自涡轮燃烧室中扩散火焰的燃烧产物驱动的涡轮。系统还包括排气压缩机，其中排气压缩机被配置为压缩排气和沿着排气再循环通路将排气从涡轮输送至涡轮燃烧室。此外，系统包括沿着排气再循环通路配置的第一催化剂单元。在第二实施方式中，一种方法包括独立地向涡轮燃烧室的腔注入燃料和氧化剂，其中燃料和氧化剂混合并作为扩散火焰燃烧以生成燃烧产物。方法进一步包括使用燃烧产物驱动涡轮并输出排气。方法进一步包括沿着排气再循环通路将排气再循环至排气压缩机。方法进一步包括使用沿着排气再循环通路的第一催化剂单元处理排气。方法进一步包括压缩排气并将排气输送至涡轮燃烧室。在第三实施方式中，一种方法包括将氧化剂引入至少一个氧化剂压缩机以产生压缩氧化剂流，并且将再循环的低氧含量气流引入燃气轮机发动机的压缩机部分以产生压缩低氧含量气流。方法进一步包括将基本上化学计量比的第一部分的压缩氧化剂流和燃料流引入至少一个涡轮燃烧室并在燃烧点处混合压缩氧化剂流和燃料流，并且燃烧压缩氧化剂流和燃料流的混合物。方法进一步包括将第一部分的压缩低氧含量气流引入至少一个涡轮燃烧室并在燃烧点后将其与压缩氧化剂和燃料的燃烧流混合，并且产生高温高压低氧含量流。方法进一步包括将高温高压低氧含量流引入燃气轮机发动机的膨胀机部分，并且使高温高压低氧含量流膨胀以产生机械功率和再循环的低氧含量气流。方法进一步包括使用第一部分的机械功率以驱动燃气轮机发动机的压缩机部分。方法进一步包括使用第二部分的机械功率以驱动发电机、至少一个氧化剂压缩机或至少一个其它机械装置中的至少一个。方法进一步包括在从膨胀机部分的出口至燃气轮机发动机的压缩机部分的入口的再循环回路中再循环所述再循环的低氧含量气流。方法进一步包括从燃气轮机发动机提取至少第二部分的压缩低氧含量气流，并且将至少第二部分的压缩低氧含量气流传输至第一至少一个氧化催化剂单元，并且产生低氧含量产物流。附图说明当参阅附图阅读以下专利技术具体实施方式时，本专利技术的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解，其中，贯穿附图，相同的字符表示相同的部件，其中：图1是系统的实施方式的图，所述系统具有连接至烃开采系统的基于涡轮的服务系统；图2是图1的系统的实施方式的图，其进一步图解说明了控制系统和联合循环系统；图3是图1和2的系统的实施方式的图，其进一步图解说明了燃气轮机发动机、排气供应系统和排气加工系统的细节；图4是运行图1-3的系统的过程的实施方式的流程图；图5是图1-3的排气加工系统的实施方式的图；图6是图1-3的排气供应系统的实施方式的图；图7是图1-3的燃气轮机发动机的实施方式的图，进一步图解说明了燃烧室、燃料喷嘴以及氧化剂、燃料和稀释剂的流动的细节；图8是图7的燃料喷嘴的实施方式的图，其图解说明了预混合燃料喷嘴的配置；图9是图7的燃料喷嘴的实施方式的图，其图解说明了预混合燃料喷嘴的配置；图10是图7的燃料喷嘴的实施方式的图，其图解说明了预混合燃料喷嘴的配置；图11是图7的燃料喷嘴的实施方式的图，其图解说明了扩散燃料喷嘴的配置；图12是图7的燃料喷嘴的实施方式的图，其图解说明了扩散燃料喷嘴的配置；图13是图7的燃料喷嘴的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，其包括：包括第一扩散燃料喷嘴的涡轮燃烧室，其中所述第一扩散燃料喷嘴被配置为产生扩散火焰；被来自所述涡轮燃烧室中的所述扩散火焰的燃烧产物驱动的涡轮；排气压缩机，其中所述排气压缩机被配置为压缩排气和沿着排气再循环通路将排气从所述涡轮输送至所述涡轮燃烧室；和沿着所述排气再循环通路配置的第一催化剂单元。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.02 US 61/722,118;2012.11.02 US 61/722,115;1.一种系统，其包括：
包括第一扩散燃料喷嘴的涡轮燃烧室，其中所述第一扩散燃料喷
嘴被配置为产生扩散火焰；
被来自所述涡轮燃烧室中的所述扩散火焰的燃烧产物驱动的涡
轮；
排气压缩机，其中所述排气压缩机被配置为压缩排气和沿着排气
再循环通路将排气从所述涡轮输送至所述涡轮燃烧室；和
沿着所述排气再循环通路配置的第一催化剂单元。
2.权利要求1所述的系统，其中所述第一催化剂单元被配置为控
制所述排气中一氧化碳、二氧化碳和未燃烧的烃类的浓度水平。
3.权利要求1所述的系统，其中所述第一催化剂单元包括氧化催
化剂、一氧化碳催化剂、氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化铂、
氧化钯、氧化钴、或混合金属氧化物、或其组合。
4.权利要求1所述的系统，其中所述氧化催化剂单元被配置为驱
动与所述排气和氧化剂燃料的氧化反应。
5.权利要求4所述的系统，其包括控制系统，所述控制系统配置
为调节所述氧化剂燃料的流量以控制所述氧化反应。
6.权利要求5所述的系统，其中所述控制系统被配置为响应于传
感器反馈调节所述氧化剂燃料的所述流量，并且所述传感器反馈包括
指示氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化物、未燃烧的烃类或其任意组合
的气体组成反馈。
7.权利要求1所述的系统，其包括沿着所述排气再循环通路配置
的第一热回收单元。
8.权利要求7所述的系统，其包括具有所述第一催化剂单元和所
述第一热回收单元的催化剂和热回收系统。
9.权利要求7所述的系统，其中所述第一催化剂单元被配置在所
述第一热回收单元上游、下游或与其整合。
10.权利要求7所述的系统，其包括沿着所述排气再循环通路配置
的第二热回收单元。
11.权利要求10所述的系统，其包括沿着所述排气再循环通路配
置的第二催化剂单元。
12.权利要求7所述的系统，其中所述第一热回收单元包括第一热
回收蒸汽发生器。
13.权利要求12所述的系统，其包括连接至所述第一热回收蒸汽
发生器的第一蒸汽涡轮。
14.权利要求10所述的系统，其中所述第一热回收单元包括第一
热回收蒸汽发生器且所述第二热回收单元包括第二热回收蒸汽发生
器。
15.权利要求14所述的系统，其包括连接至所述第一热回收蒸汽
发生器的第一蒸汽涡轮和连接至所述第二热回收蒸汽发生器的第二蒸
汽涡轮。
16.权利要求1所述的系统，其包括沿着所述排气再循环通路配置
的除湿系统。
17.权利要求16所述的系统，其中所述除湿系统包括热交换器、
冷凝器、水气分离器、过滤器或其任意组合。
18.权利要求1所述的系统，其包括沿着所述排气再循环通路配置
的微粒去除系统。
19.权利要求18所述的系统，其中所述微粒去除系统包括惯性分
离器、重力分离器、过滤器或其任意组合。
20.权利要求1所述的系统，其包括沿着所述排气再循环通路配置
的升压鼓风机。
21.权利要求1所述的系统，其包括沿着所述排气再循环通路配置
的热回收单元、升压鼓风机、除湿单元和微粒去除单元。
22.权利要求1所述的系统，其中所述第一扩散燃料喷嘴包括沿着
所述第一扩散燃料喷嘴相互隔离的第一燃料通道和第一氧化剂通道。
23.权利要求22所述的系统，其中所述第一燃料通道和所述第一
氧化剂通道是以同心布置配置的。
24.权利要求23所述的系统，其中所述第一氧化剂通道围绕所述
第一燃料通道延伸。
25.权利要求23所述的系统，其中所述第一燃料通道围绕所述第
一氧化剂通道延伸。
26.权利要求22所述的系统，其中所述第一扩散燃料喷嘴包括第
一稀释剂通道。
27.权利要求26所述的系统，其中所述第一稀释剂通道被配置为
将一部分所述排气流动通过所述第一扩散燃料喷嘴。
28.权利要求26所述的系统，其中所述第一稀释剂通道被配置为
将一部分所述排气、蒸汽、氮气、另一种惰性气体或其组合流动通过
所述第一扩散燃料喷嘴。
29.权利要求22所述的系统，其中所述第一扩散燃料喷嘴包括第
二燃料通道，其中所述第一燃料通道和第二燃料通道和所述第一氧化
剂通道沿着所述第一扩散燃料喷嘴相互隔离。
30.权利要求22所述的系统，其中所述第一扩散燃料喷嘴包括第
二氧化剂通道，其中所述第一氧化剂通道和第二氧化剂通道和所述第
一燃料通道沿着所述第一扩散燃料喷嘴相互隔离。
31.权利要求1所述的系统，其中所述涡轮燃烧室包括第二扩散燃
料喷嘴。
32.权利要求1所述的系统，其中所述涡轮燃烧室包括第一预混合
燃料喷嘴。
33.权利要求1所述的系统，其中所述涡轮燃烧室包括在所述第一
扩散燃料喷嘴下游配置的稀释剂注入系统。
34.权利要求33所述的系统，其中所述稀释剂注入系统被配置为
将一部分所述排气、蒸汽、氮气、或另一种惰性气体、或其任意组合
注入所述第一扩散燃料喷嘴下游的所述涡轮燃烧室的腔。
35.权利要求34所述的系统，其中所述稀释剂注入系统包括所述
涡轮燃烧室的衬垫中的多个开口，并且所述多个开口被配置为向所述
涡轮燃烧室的所述腔注入所述一部分排气。
36.权利要求34所述的系统，其中所述涡轮燃烧室包括围绕所述
腔配置的第一壁、围绕所述第一壁配置的第二壁、和在所述第一壁和

\t第二壁之间配置的排气通道，其中所述稀释剂注入系统包括延伸通过
所述涡轮燃烧室的所述第一壁和第二壁的多个稀释剂注入器。
37.权利要求36所述的系统，其中所述多个稀释剂注入器被配置
为向所述涡轮燃烧室的所述腔中注入所述一部分排气、蒸汽、氮气或
另一种惰性气体。
38.权利要求1所述的系统，其包括配置为提取一部分所述排气的
排气提取系统。
39.权利要求38所述的系统，其包括配置为处理所述一部分排气
的排气处理系统。
40.权利要求39所述的系统，其中所述排气处理系统包括配置为
将所述一部分排气分离为多个气流的气体分离系统。
41.权利要求40所述的系统，其中所述多个气流包括富二氧化碳
(CO2)的第一流和贫二氧化碳(CO2)的第二流。
42.权利要求41所述的系统，其中所述第一流是贫氮气(N2)的且
所述第二流是富氮气(N2)的。
43.权利要求41所述的系统，其中所述排气处理系统包括配置为
接收所述第一流或第二流中至少一个的气体压缩系统、除湿系统、微
粒去除系统或其组合。
44.权利要求40所述的系统，其中所述排气处理系统包括配置为
净化所述多个气流中至少一个的气体净化系统。
45.权利要求40所述的系统，其包括配置为接收所述多个流中至
少一个的目标系统，其中所述目标系统包括烃开采系统、地下储层、
碳封存系统、管道、储罐或其任意组合。
46.权利要求39所述的系统，其中所述排气处理系统包括配置为
压缩所述一部分排气的压缩系统。
47.权利要求39所述的系统，其中所述排气处理系统包括除湿系
统和/或微粒去除系统。
48.权利要求1所述的系统，其包括响应于传感器反馈调节一个或
多个运行参数以控制当量比或所述排气中的排放水平的控制系统。
49.权利要求48所述的系统，其中所述一个或多个运行参数包括
至所述涡轮燃烧室的氧化剂流速和/或燃料流速。
50.权利要求48所述的系统，其中所述控制系统被配置为维持所
述当量比在大约0.95和1.05之间。
51.权利要求48所述的系统，其中所述传感器反馈包括关于氧气、
一氧化碳、氢气、氮氧化物、未燃烧的烃类或其任意组合的气体组成
反馈。
52.权利要求48所述的系统，其中所述控制系统被连接至配置为
获取所述传感器反馈的多个传感器，并且所述多个传感器沿着所述排
气再循环通路、所述涡轮燃烧室、所述涡轮、所述排气压缩机或其组
合配置。
53.权利要求1所述的系统，其包括从所述排气压缩机至所述涡轮
的旁路管线，其中所述旁路管线包括配置为冷却从所述排气压缩机至
所述涡轮的所述排气的旁路流的热交换器。
54.权利要求1所述的系统，其包括具有所述涡轮燃烧室、所述涡
轮和所述排气压缩机的燃气轮机发动机，其中所述燃气轮机发动机是
化学计量的排气再循环(SEGR)燃气轮机发动机。
55.权利要求54所述的系统，其包括连接至所述燃气轮机发动机
的排气提取系统。
56.权利要求55所述的系统，其包括连接至所述排气提取系统的
排气处理系统。
57.权利要求55所述的系统，其包括连接至所述排气提取系统的
烃开采系统。
58.一种方法，其包括：
单独向涡轮燃烧室的腔注入燃料和氧化剂，其中所述燃料和所述
氧化剂混合并作为扩散火焰燃烧以生成燃烧产物；
使用所述燃烧产物驱动涡轮并输出排气；
沿着排气再循环通路将所述排气再循环至排气压缩机；
使用沿着所述排气再循环通路的第一催化剂单元处理所述排气；
和
压缩和输送所述排气至所述涡轮燃烧室。
59.权利要求58所述的方法，其中处理包括控制所述排气中一氧
化碳、二氧化碳和未燃烧的烃类的浓度水平。
60.权利要求58所述的方法，其中处理包括驱动与所述排气和氧
化剂燃料的氧化反应。
61.权利要求60所述的方法，其包括控制至所述第一催化剂单元
的所述氧化剂燃料的流量以控制所述氧化反应。
62.权利要求61所述的方法，其包括响应于传感器反馈控制所述
氧化剂燃料的所述流量，并且所述传感器反馈包括指示氧气、一氧化
碳、氢气、氮氧化物、未燃烧的烃类或其任意组合的气体组成反馈。
63.权利要求58所述的方法，其包括使用第一热回收单元、第二
热回收单元或其组合沿着所述排气再循环通路从所述排气回收热。
64.权利要求63所述的方法，其包括在所述第一热回收单元或第
二热回收单元内、上游或下游使用所述第一催化剂单元驱动第一催化
反应。
65.权利要求64所述的方法，其包括在所述第一热回收单元或第
二热回收单元内、上游或下游使用所述第二催化剂单元驱动第二催化
反应。
66.权利要求63所述的方法，其包括使用所述第一热回收单元的
第一热回收蒸汽发生器生成第一蒸汽、使用所述第二热回收单元的第
二热回收蒸汽发生器生成第二蒸汽、或其组合。
67.权利要求66所述的方法，其包括使用所述第一蒸汽驱动第一
蒸汽涡轮或使用所述第二蒸汽驱动第二蒸汽涡轮。
68.权利要求58所述的方法，其包括使用沿着所述排气再循环通
路配置的除湿系统从所述排气中去除湿气。
69.权利要求68所述的方法，其中所述除湿系统包括热交换器、
冷凝器、水气分离器、过滤器或其任意组合。
70.权利要求58所述的方法，其包括使用沿着所述排气再循环通
路配置的微粒去除系统从所述排气中去除微粒。
71.权利要求70所述的方法，其中所述微粒去除系统包括惯性分
离器、重力分离器、过滤器或其任意组合。
72.权利要求58所述的方法，其包括使用沿着所述排气再循环通
路配置的升压鼓风机推动所述排气的流动。
73.权利要求58所述的方法，其包括沿着所述排气再循环通路配
置的热回收单元、升压鼓风机、除湿单元和微粒去除单元。
74.权利要求58所述的方法，其中注入包括从各自的第一燃料通
道和氧化剂通道单独地注入所述燃料和所述空气，所述各自的第一燃
料通道和氧化剂通道沿着第一扩散燃料喷嘴是相互隔离的。
75.权利要求74所述的方法，其中所述第一燃料通道和所述第一
氧化剂通道是以同心布置配置的。
76.权利要求74所述的方法，其中所述第一氧化剂通道围绕所述
第一燃料通道延伸。
77.权利要求74所述的方法，其中所述第一燃料通道围绕所述第
一氧化剂通道延伸。
78.权利要求58所述的方法，其包括向所述腔注入至少一种稀释
剂。
79.权利要求78所述的方法，其中所述至少一种稀释剂包括一部
分所述排气、蒸汽、氮气、另一种惰性气体或其组合。
80.权利要求78所述的方法，其包括通过所述第一扩散燃料喷嘴
注入稀释剂流。
81.权利要求78所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·A·亨廷顿，S·K·德哈努卡，I·A·斯洛巴蒂安斯克伊，
申请(专利权)人：埃克森美孚上游研究公司，
类型：发明
国别省市：美国;US