用于保護(hù)具有排氣再循環(huán)的氣體渦輪發(fā)動機(jī)中的組件的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于保護(hù)具有排氣再循環(huán)的氣體渦輪發(fā)動機(jī)中的組件的系 統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)領(lǐng)域的交叉引用
[0002] 本申請要求 2013 年 12 月 19 日提交的題為"SYSTEMANDMETHODFORPROTECTING COMPONENTSINAGASTURBINEENGINEWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION(用于保護(hù) 具有排氣再循環(huán)的氣體渦輪發(fā)動機(jī)中的組件的系統(tǒng)和方法）"的美國非臨時專利申請第 14/135, 055號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，以及2013年1月13日提交的題為"SYSTEMANDMETHODFOR PROTECTINGCOMPONENTSINAGASTURBINEENGINEWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION(用 于保護(hù)具有排氣再循環(huán)的氣體渦輪發(fā)動機(jī)中的組件的系統(tǒng)和方法）"的美國臨時專利申請 第61/751，902號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，這些專利申請通過引用整體合并于此以用于所有目的。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本文公開的主題涉及氣體渦輪發(fā)動機(jī)，并且更具體地涉及用于保護(hù)氣體渦輪發(fā)動 機(jī)中的組件的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 氣體渦輪發(fā)動機(jī)被用于多種應(yīng)用中，諸如發(fā)電設(shè)備、飛行器和各種機(jī)械設(shè)備。氣體 渦輪發(fā)動機(jī)通常使燃料與氧化劑（例如，空氣）在燃燒器段中燃燒以產(chǎn)生熱燃燒產(chǎn)物，該熱 燃燒產(chǎn)物然后驅(qū)動渦輪段的一個或更多個渦輪級。渦輪段進(jìn)而驅(qū)動壓縮機(jī)段的一個或更多 個壓縮機(jī)級，從而壓縮氧化劑使其與燃料一起進(jìn)入燃燒器段。再一次，燃料和氧化劑在燃燒 器段中混合，然后燃燒以產(chǎn)生熱燃燒產(chǎn)物。不幸的是，燃燒器段和排氣段的某些組件被暴露 于高溫，這可能導(dǎo)致組件的熱膨脹、熱應(yīng)力和/或熱磨損。排氣還可能泄漏至燃燒器段和/ 或排氣段的某些腔體內(nèi)，在這些腔體中組件可能對高溫排氣具有較小的抵抗力。此外，氣體 渦輪發(fā)動機(jī)通常消耗大量的空氣作為氧化劑，并輸出相當(dāng)大量的排氣至大氣內(nèi)。換言之，排 氣通常作為氣體渦輪操作的副產(chǎn)品被浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 下面概括與最初要求保護(hù)的發(fā)明在范圍上相當(dāng)?shù)哪承?shí)施例。這些實(shí)施例不意在 限制所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍，而僅意在提供本發(fā)明的可能形式的簡要概括。事實(shí)上，本發(fā) 明可以涵蓋可類似于或不同于下面闡明的實(shí)施例的各種形式。
[0006] 在第一實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括氣體渦輪發(fā)動機(jī)，該氣體渦輪發(fā)動機(jī)包括具有在 上游端和下游端之間的一個或更多個渦輪級的渦輪段、設(shè)置在渦輪段的下游端下游的排氣 段和耦連到排氣段的流體供應(yīng)系統(tǒng)。該流體供應(yīng)系統(tǒng)被配置為使惰性氣體流通到排氣段。
[0007] 在第二實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括渦輪排氣段，該渦輪排氣段被配置為安裝在氣體 渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪段下游。該渦輪排氣段包括被配置為從渦輪段接收排氣的排氣通道和延 伸穿過渦輪排氣段的結(jié)構(gòu)的惰性氣體通道。該系統(tǒng)還包括耦連到排氣段的流體供應(yīng)系統(tǒng)。 該流體供應(yīng)系統(tǒng)被配置為使惰性氣體流通到排氣段中的惰性氣體通道。
[0008] 在第三實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括渦輪排氣段，該渦輪排氣段被配置為安裝在氣體 渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪段下游。該渦輪排氣段包括被配置為從渦輪段接收排氣的排氣通道和延 伸穿過渦輪排氣段的結(jié)構(gòu)的惰性氣體通道。
[0009] 在第四實(shí)施例中，一種方法包括使燃料與氧化劑和排氣在渦輪燃燒器的燃燒段中 燃燒以產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，用來自渦輪燃燒器的燃燒產(chǎn)物驅(qū)動渦輪，使來自渦輪的燃燒產(chǎn)物通 過排氣段中的排氣通道膨脹和冷卻，以及使惰性氣體從流體供應(yīng)系統(tǒng)流通到排氣段。
【附圖說明】
[0010] 當(dāng)參考附圖閱讀下面的【具體實(shí)施方式】時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn) 將被更好的理解，在所有附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，其中：
[0011]圖1是具有耦連到烴生產(chǎn)系統(tǒng)的基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)的系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；
[0012] 圖2是圖1的系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖，其進(jìn)一步圖示說明控制系統(tǒng)和組合循環(huán)系 統(tǒng)；
[0013] 圖3是圖1和圖2的系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖，且進(jìn)一步圖示說明氣體渦輪發(fā)動機(jī)、 排氣供應(yīng)系統(tǒng)和排氣處理系統(tǒng)的細(xì)節(jié)；
[0014] 圖4是用于操作圖1-3的系統(tǒng)的過程的實(shí)施例的流程圖；
[0015] 圖5是氣體渦輪發(fā)動機(jī)的流體供應(yīng)系統(tǒng)的示意圖；
[0016] 圖6是耦連到氣體渦輪發(fā)動機(jī)的流體供應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；以及
[0017] 圖7是耦連到流體供應(yīng)系統(tǒng)的一部分氣體渦輪發(fā)動機(jī)的橫截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面將描述本發(fā)明的一個或更多個具體實(shí)施例。為了提供這些實(shí)施例的簡要描 述，可能不在說明書中描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在任何這種實(shí)際實(shí)施方 式的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，必須做出許多具體的實(shí)施決策以實(shí)現(xiàn)開發(fā)人員 的具體目標(biāo)，諸如遵守系統(tǒng)相關(guān)的和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束，其從一種實(shí)施方式到另一種實(shí)施方 式可以變化。此外，還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜的和耗時的，但對從本公開獲 益的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說不過是進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造的例行工作。
[0019] 當(dāng)介紹本發(fā)明的各個實(shí)施例的元件時，冠詞"一"、"一個"、"該"和"所述"意味著 有一個或更多個元件。術(shù)語"包括"、"包含"和"具有"旨在表示是包容性的，并意味著除了 列出的元件還可以有附加元件。
[0020] 如在下面詳細(xì)討論的，所公開的實(shí)施例總體涉及具有排氣再循環(huán)（EGR)的氣體渦 輪系統(tǒng)，并且特別涉及使用EGR的氣體渦輪系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量操作。例如，氣體渦輪系統(tǒng)可以 被配置為使排氣沿排氣再循環(huán)路徑再循環(huán)，以化學(xué)計(jì)量燃燒燃料和氧化劑與至少一些再循 環(huán)的排氣，并且捕集排氣以便在各種目標(biāo)系統(tǒng)中使用。排氣的再循環(huán)與化學(xué)計(jì)量燃燒可以 有助于增加排氣中的二氧化碳（CO2)的濃度水平，然后排氣能夠被后處理以分離和凈化CO2 和隊(duì)以便在各種目標(biāo)系統(tǒng)中使用。氣體渦輪系統(tǒng)還可以沿排氣再循環(huán)路徑采用各種排氣處 理（例如，熱回收、催化劑反應(yīng)等），從而增加CO2的濃度水平、降低其它排放物（例如，一氧 化碳、氮氧化物和未燃燒烴類）的濃度水平，并且增加能量回收（例如，通過熱回收裝置）。 此外，氣體渦輪發(fā)動機(jī)可以被配置為通過一種或更多種擴(kuò)散火焰（例如，使用擴(kuò)散燃料噴 嘴）、預(yù)混合火焰（例如，使用預(yù)混合燃料噴嘴）或其任何組合來燃燒燃料與氧化劑。在某 些實(shí)施例中，擴(kuò)散火焰可以有助于將穩(wěn)定性和操作維持在化學(xué)計(jì)量燃燒的某些限值內(nèi)，這 進(jìn)而有助于增加CO2的生產(chǎn)。例如，相比于以預(yù)混合火焰操作的氣體渦輪系統(tǒng)，以擴(kuò)散火焰 操作的氣體渦輪系統(tǒng)可以確保實(shí)現(xiàn)更大量的EGR。轉(zhuǎn)而，增加的EGR量有助于增加0)2生 產(chǎn)?？赡艿哪繕?biāo)系統(tǒng)包括管線、存儲箱、碳封存系統(tǒng)和烴生產(chǎn)系統(tǒng)，諸如增強(qiáng)型采油（EOR) 系統(tǒng)。
[0021] 所公開的實(shí)施例提供用于（例如，經(jīng)由保護(hù)性氣流）保護(hù)具有EGR的氣體渦輪發(fā) 動機(jī)的組件的系統(tǒng)和方法。氣體渦輪發(fā)動機(jī)可以包括具有在上游端與下游端之間的一個或 更多個渦輪級的渦輪段。氣體渦輪發(fā)動機(jī)還可以包括設(shè)置在渦輪段的下游端下游的排氣 段。進(jìn)一步地，氣體渦輪發(fā)動機(jī)可以包括耦連到排氣段的流體供應(yīng)系統(tǒng)（例如，保護(hù)性氣體 或惰性氣體供應(yīng)源）。流體供應(yīng)系統(tǒng)可以使保護(hù)性氣體（例如，惰性氣體）流通到氣體渦輪 發(fā)動機(jī)的排氣段。例如，保護(hù)性氣體可以基本不含或完全不含氧氣、空氣或其任何組合，并 且保護(hù)性氣體還可以基本不含或完全不含燃料或未燃燒烴類。因此，保護(hù)性氣體可以被描 述為無氧氣的或基本無氧氣的保護(hù)性氣體，并且還可以被描述為無燃料的或基本無燃料的 保護(hù)性氣體。保護(hù)性氣體可以包括惰性氣體，其可以是稀有氣體或基本非活性氣體。雖然 多種保護(hù)性氣體可以用于所公開的實(shí)施例，但下面的討論集中于作為非限制性示例的惰性 氣體。由流體供應(yīng)系統(tǒng)傳送的惰性氣體的示例包括但不限于氮?dú)?、二氧化碳、氬氣、排氣?其任何組合。惰性氣體可以被用于冷卻、吹掃、流體密封或稀釋排氣段的各個結(jié)構(gòu)和組件中 的腔體。例如，由流體供應(yīng)系統(tǒng)傳送的惰性氣體可以被用于冷卻外護(hù)罩腔、內(nèi)護(hù)罩腔、葉輪、 軸承腔或其任何組合。惰性氣體可以經(jīng)由耦連到流體供應(yīng)系統(tǒng)的惰性氣體通道從流體供應(yīng) 系統(tǒng)流通到這些結(jié)構(gòu)或組件中的一個或更多個。
[0022] 因?yàn)閺牧黧w供應(yīng)系統(tǒng)傳送的惰性氣體的溫度可以小于流過排氣段的排氣通道的 排氣的溫度，所以惰性氣體可以有助于冷卻排氣段的結(jié)構(gòu)和組件。因此，惰性氣體可以有助 于延長排氣段的組件和結(jié)構(gòu)的壽命。在冷卻排氣段的組件和結(jié)構(gòu)之后，惰性氣體可以與流 過排氣段的排氣通道的排氣混合。在某些實(shí)施例中，相比于其它冷卻流體諸如空氣，使用惰 性氣體在排氣段中進(jìn)行冷卻可以提供若干優(yōu)點(diǎn)。例如，來自氣體渦輪發(fā)動機(jī)的排氣可以被 用于期望排氣中的低氧氣濃度的某些應(yīng)用中。相比于空氣，惰性氣體可以包括很少氧氣或 無氧氣。因此，使用惰性氣體來冷卻排氣段可以向排氣引入很少氧氣或不引入氧氣。此外， 各種油和潤滑劑可以被用于氣體渦輪發(fā)動機(jī)的排氣段。在排氣段的冷卻期間，惰性氣體可 以與潤滑劑或油中的一種或更多種接觸。相比于空氣，惰性氣體可以導(dǎo)致油和/或潤滑劑 的很少退化或無退化。換言之，惰性氣體通常與油和/或潤滑劑是不反應(yīng)的。因此，使用惰 性氣體來冷卻排氣段可以延長在排氣段中使用的油和潤滑劑的壽命。附加地或替代地，當(dāng) 使用惰性氣體進(jìn)行冷卻時，在排氣段中可以使用較便宜的油和/或潤滑劑。進(jìn)一步地，惰性 氣體可以被用于幫助吹掃和/或稀釋泄漏至排氣段的腔體內(nèi)的任何排氣。附加地或替代 地，惰性氣體可以被用于給腔體加壓以阻止排氣泄漏至腔體內(nèi)。
[0023] 圖1是具有與基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14關(guān)聯(lián)的烴生產(chǎn)系統(tǒng)12的系統(tǒng)10的實(shí)施例 的示意圖。如在下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的，基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14的各個實(shí)施例被配置為提 供各種服務(wù)（諸如電功率、機(jī)械功率）和流體（例如，排氣）至烴生產(chǎn)系統(tǒng)12,從而促進(jìn)油 和/或氣體的生產(chǎn)或恢復(fù)。在圖示說明的實(shí)施例中，烴生產(chǎn)系統(tǒng)12包括油/氣吸取系統(tǒng)16 和增強(qiáng)型采油（EOR)系統(tǒng)18,這些系統(tǒng)耦連到地下儲層20 (例如，油、氣體或烴類儲層）。油 /氣吸取系統(tǒng)16包括各種地表設(shè)施22,諸如耦連到油/氣井26的圣誕樹或生產(chǎn)樹24。此 外，井26可以包括一個或更多個管狀物28,這些管狀物28延伸通過土地32中的鉆孔30至 地下儲層20。樹24包括一個或更多個閥門、油嘴、隔離套筒、防噴器以及管理壓力和控制往 返于地下儲層20的流的各種流控制設(shè)備。雖然樹24通常用于控制生產(chǎn)流體（例如，油或 氣體）流出地下儲層20,但EOR系統(tǒng)18可以通過將一種或更多種流體注入地下儲層20來 增加油或氣體生產(chǎn)。
[0024] 因此，EOR系統(tǒng)18可以包括流體噴射系統(tǒng)34,該流體噴射系統(tǒng)34具有延伸通過 土地32中的鉆孔38至地下儲層20的一個或更多個管狀物36。例如，EOR系統(tǒng)18可以使 一種或更多種流體40 (諸如，氣體、蒸汽、水、化學(xué)物質(zhì)或其任何組合）流通到流體噴射系統(tǒng) 34內(nèi)。例如，如在下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的，EOR系統(tǒng)18可以被耦連到基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng) 14,以便系統(tǒng)14將排氣42 (例如，基本不含或完全不含氧氣）傳送到EOR系統(tǒng)18以用作噴 射流體40。流體噴射系統(tǒng)34傳送流體40 (例如，排氣42)通過一個或更多個管狀物36至 地下儲層20內(nèi)，如由箭頭44所指示。噴射流體40通過遠(yuǎn)離油/氣井26的管狀物28的偏 移距離46處的管狀物36進(jìn)入地下儲層20。因此，噴射流體40移置位于地下儲層20中的 油/氣體48,并驅(qū)動油/氣體48向上通過烴生產(chǎn)系統(tǒng)12的一個或更多個管狀物28,如箭 頭50所指示。如在下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的，噴射流體40可以包括源于基于渦輪的服務(wù)系 統(tǒng)14的排氣42,該基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14能夠根據(jù)烴生產(chǎn)系統(tǒng)12的需要在現(xiàn)場產(chǎn)生排氣 42。換言之，基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14可以同時產(chǎn)生由烴生產(chǎn)系統(tǒng)12使用的一種或更多種 服務(wù)（例如，電功率、機(jī)械功率、蒸汽、水（例如，脫鹽水）和排氣（例如，基本不含氧氣））， 從而減小或消除對這些服務(wù)的外部源的依賴。
[0025]在圖示說明的實(shí)施例中，基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14包括化學(xué)計(jì)量排氣再循環(huán) (SEGR)氣體渦輪系統(tǒng)52和排氣（EG)處理系統(tǒng)54。氣體渦輪系統(tǒng)52可以被配置為以化學(xué) 計(jì)量燃燒操作模式（例如，化學(xué)計(jì)量控制模式）和非化學(xué)計(jì)量燃燒操作模式（例如，非化學(xué) 計(jì)量控制模式）進(jìn)行操作，諸如以稀燃料控制模式或富燃料控制模式進(jìn)行操作。在化學(xué)計(jì) 量控制模式中，燃燒通常以燃料和氧化劑的基本化學(xué)計(jì)量比發(fā)生，從而導(dǎo)致基本化學(xué)計(jì)量 的燃燒。特別地，化學(xué)計(jì)量燃燒大體涉及在燃燒反應(yīng)中基本消耗所有燃料和氧化劑，使得燃 燒的產(chǎn)物基本不含或完全不含未燃燒的燃料和氧化劑?；瘜W(xué)計(jì)量燃燒的一種衡量是當(dāng)量比 或Phi(〇)，其是實(shí)際燃料/氧化劑比相對于化學(xué)計(jì)量燃料/氧化劑比的比率。當(dāng)量比大 于1. 〇導(dǎo)致燃料和氧化劑的富燃料燃燒，而當(dāng)量比小于1. 〇導(dǎo)致燃料和氧化劑的貧燃料燃 燒。相比之下，當(dāng)量比等于1. 0導(dǎo)致既不是富燃料也不是貧燃料的燃燒，從而在燃燒反應(yīng)中 基本消耗所有的燃料和氧化劑。在所公開實(shí)施例的背景下，術(shù)語"化學(xué)計(jì)量"或"基本化學(xué) 計(jì)量"可以指大約〇. 95到大約1. 05的當(dāng)量比。然而，所公開實(shí)施例還可以包括I. 0加上或 減去0. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05或更多的當(dāng)量比。另外，燃料和氧化劑在基于渦輪的服務(wù) 系統(tǒng)14中的化學(xué)計(jì)量燃燒可以導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物或排氣（例如，42)基本不具有未燃燒的燃料 或剩余的氧化劑。例如，排氣42可以具有小于1 %、2%、3%、4%或5%的體積百分比的氧 化劑（例如，氧氣）、未燃燒燃料或烴類（例如，HC)、氮氧化物（例如，NOx)、一氧化碳（CO)、 硫氧化物（例如SOx)、氫氣和其他不完全燃燒產(chǎn)物。通過進(jìn)一步的示例，排氣42可以具有 小于大約 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000 或 5000份每百萬份體積（ppmv)的氧化劑（例如，氧氣）、未燃燒燃料或烴（例如，HC)、氮氧化 物（例如，NOx)、一氧化碳（CO)、硫氧化物（例如SOx)、氫氣和其他不完全燃燒產(chǎn)物。然而， 所公開的實(shí)施例還可以在排氣42中產(chǎn)生其它范圍的剩余燃料、氧化劑和其它排放物水平。 如本文所使用，術(shù)語"排放物"、"排放物水平"和"排放物目標(biāo)"可以指某些燃燒產(chǎn)物（例如， N0X、C0、S0X、02、N2、H2、HC等）的濃度水平，這些燃燒產(chǎn)物可以存在于再循環(huán)的氣流、排放的 氣流（例如，排放至大氣中的氣流）和在各種目標(biāo)系統(tǒng)（例如，烴生產(chǎn)系統(tǒng)12)中使用的氣 流中。
[0026]雖然在不同實(shí)施例中SEGR氣體渦輪系統(tǒng)52和EG處理系統(tǒng)54可以包括多種組件， 但所圖示說明的EG處理系統(tǒng)54包括熱回收蒸汽發(fā)生器（HRSG)56和排氣再循環(huán)（EGR)系 統(tǒng)58,其接收和處理源于SEGR氣體渦輪系統(tǒng)52的排氣60。HRSG56可以包括一個或更多 個熱交換器、冷凝器和各種熱回收設(shè)施，這些裝置共同起到將熱量從排氣60傳遞至水流以 由此產(chǎn)生蒸汽62的功能。蒸汽62可以用于一個或更多個蒸汽渦輪、EOR系統(tǒng)18或烴生產(chǎn) 系統(tǒng)12的任何其它部分。例如，HRSG56可以產(chǎn)生低壓、中壓和/或高壓蒸汽62,其可以被 選擇性地施加到低壓、中壓和高壓蒸汽渦輪級或者EOR系統(tǒng)18的不同應(yīng)用。除了蒸汽62 之外，凈化水64 (諸如脫鹽水）也可以由HRSG56、EGR系統(tǒng)58和/或EG處理系統(tǒng)54或 SEGR氣體渦輪系統(tǒng)52的另一部分產(chǎn)生。凈化水64 (諸如脫鹽水）對于水短缺的地區(qū)諸如 內(nèi)陸或沙漠地區(qū)可能特別有用。凈化水64可以至少部分由于大體積的空氣驅(qū)動SEGR氣體 渦輪系統(tǒng)52內(nèi)的燃料燃燒而產(chǎn)生。雖然蒸汽62和水64的現(xiàn)場生產(chǎn)在許多應(yīng)用（包括烴 生產(chǎn)系統(tǒng)12)中可能是有益的，但排氣42、60的現(xiàn)場生產(chǎn)可能由于其低氧氣含量、高壓和源 于SEGR氣體渦輪系統(tǒng)52的熱量而特別有益于EOR系統(tǒng)18。因此，HRSG56、EGR系統(tǒng)58和 /或EG處理系統(tǒng)54的另一部分可以將排氣66輸出或再循環(huán)至SEGR氣體渦輪系統(tǒng)52內(nèi)， 同時還使排氣42流通到EOR系統(tǒng)18,以便與烴生產(chǎn)系統(tǒng)12 -起使用。同樣地，排氣42可 以直接從SEGR氣體渦輪系統(tǒng)52吸取（即，不穿過EG處理系統(tǒng)54)，以用于烴生產(chǎn)系統(tǒng)12 的EOR系統(tǒng)18。
[0027]排氣再循環(huán)由EG處理系統(tǒng)54的EGR系統(tǒng)58處理。例如