CN1864032A - 采用催化燃烧的换热气体涡轮发动机系统和方法 - Google Patents

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Abstract

采用催化燃烧的换热气体涡轮发动机系统和相关方法，其中，可以在从满载荷到部分载荷以及从热天到冷天条件的广范围工作条件下，将燃烧室入口温度控制为保持在所需要的最低催化剂工作温度以上。燃料与空气和来自涡轮的废气中的一部分一起经过压缩机。对再循环废气的流速进行控制以控制燃烧室入口温度。

Description

采用催化燃烧的换热气体涡轮发动机系统和方法
技术领域
本发明涉及采用催化燃烧的换热气体涡轮(recuperated gasturbine)发动机系统
背景技术
对燃烧或氧化使用催化处理是有可能减少来自气体涡轮发动机系统的氮氧化物(NOx)排放级别的公知方法。存在将燃料中的化学能转化为转化产物中的热能的多种处理。基本的处理是：1)气相燃烧，2)催化燃烧，以及3)催化氧化。还存在对这些处理的组合，例如第一阶段为催化氧化处理随后进行气相燃烧处理的处理(通常称为降温(cata-thermal))。在催化氧化中，在有催化剂的情况下使空气-燃料混和物氧化。在所有的催化处理中，催化剂使得发生氧化的温度相对于非催化燃烧的温度可以有所下降。氧化温度降低使得NOx产物减少。在催化氧化中，所有的反应都在催化面上发生；不存在局部高温，因此将形成NOx的可能性最低。在催化燃烧或者降温燃烧(catathermalcombustion)中，一部分反应以气相发生，这增加了局部温度并且导致形成NOx的可能性较高。使用催化氧化，在最优的催化氧化条件下，可以实现低于百万分之一的NOx量级；利用常规的非催化燃烧室、催化燃烧、或者降温燃烧通常不能实现这种低量级。在本申请中，术语“催化燃烧室”用于表示利用催化作用的任何燃烧室，优选地表示利用催化氧化的燃烧室。
催化燃烧室中采用的催化剂往往在特定的温度条件下最佳地工作。特别地，通常存在最低温度，在该最低温度以下给定的催化剂将不起作用。例如，当天然气作为燃料时，钯催化剂要求空气-燃料混和物的燃烧室入口温度高于800K。此外，催化氧化的缺点在于为了碳氢化合物燃料的完全氧化而必须提供的物理反应面随着燃烧室入口温度的下降而指数上升，这大大增加了燃烧室的成本并且使总体设计变得复杂。对相对较高的燃烧室入口温度的需要是催化燃烧(特别是催化氧化)总体上尚未在气体涡轮发动机系统中得到广泛应用的主要原因之一。更具体地，除非采用换热循环，否则这种高燃烧室入口温度通常不能在以小于约40的压缩机压缩比工作的气体涡轮中实现。在换热循环中，在燃烧之前，通过与涡轮废气的热交换来对空气-燃料混和物进行预加热。因此，至少在一些情况下，换热可以帮助实现催化剂正常工作所需要的燃烧室入口温度。然而，常常会遇到即使利用换热也仍然不能实现最低要求的燃烧室入口温度的其它工作条件。
例如，当在小型气体涡轮中应用换热时，换热器中的材料温度限制可能限制空气或者空气-燃料混和物的最高温度。作为示例，利用换热器中的常规高温材料，换热器的最高安全工作温度可以是大约900K，因此大约800到850K的空气-燃料混和物温度大致是可以实现的最高温度。该温度范围高于某些类型的催化剂的最低催化剂工作温度，因此催化燃烧室可以在一个特定工作条件(例如百分之百载荷和标准日环境条件)下正常地工作。然而，在其它工作条件(例如部分载荷和/或寒冷环境条件)下，燃烧室入口温度可能降到最低温度以下。
希望能够克服这些问题以使得可以在小型气体涡轮发动机系统中实现催化氧化的低NOx量级。此外，存在利用催化处理可以实现的其它好处。这些处理扩展了气态碳氢化合物燃料(包括但不限于填埋气(landfillgas)、厌氧性消化池气(anaerobic digester gas)、天然气和沼气)的工作可燃极限。因此，可以按比常规燃烧稀(贫)得多的燃料/空气比来进行处理。这使得燃料气体可以在压缩处理之前或者在压缩处理期间与空气混和，使得均匀的燃料-空气混和物进入燃烧室。继而，这使得可以略去非常昂贵(尤其对于小型气体涡轮来说)的燃料气体压缩机。燃料气体压缩机可以使通常在$600-$900/kW范围内的发动机成本增加$60/kW或更多。此外，因为为了让发动机工作燃料气体压缩机必须工作，所以燃料气体压缩机使发动机的可靠性和可用性降低，并且因为油料、过滤器、机械或者电损耗等而使维护成本增加。
发明内容
本发明通过提供采用催化氧化或燃烧或者降温燃烧的换热气体涡轮发动机系统以及相关方法而解决了上述需求并且实现了其它优点，其中，可以在从满载荷到部分载荷以及从热天到冷天条件的广范围工作条件下将燃烧室入口温度控制为保持在最低需要的催化剂工作温度以上并且进一步将其优化为燃料/空气比的函数。
根据本发明的方法方面，用于操作气体涡轮发动机的方法包括以下步骤：在压缩机中压缩空气；将燃料与来自压缩机的经压缩空气相混和以产生空气-燃料混和物；在催化燃烧室中燃烧该空气-燃料混和物以产生灼热的燃烧气体；在涡轮中使该燃烧气体膨胀以产生机械能并使用该机械能来驱动压缩机；以及使来自涡轮的废气经过换热器，在该换热器中所述空气-燃料混和物通过与废气的热交换而得到预加热。所述方法进一步包括将来自涡轮的废气中的一部分导入压缩机的步骤。还使燃料与空气和这一部分废气一起经过压缩机。废气的再循环将燃烧室的入口温度提升得高于没有废气再循环的情况下的燃烧室入口温度。最后进入燃烧室的是被优化为满足能量输出、最大化效率、并且最小化空气污染的空气、燃料和废气的混和物。
可以各种方式来实现空气、燃料和废气的混和。在一个实施例中，在压缩机的上游实现废气与燃料的混和，并且将经混和的废气和燃料与空气分离地导入压缩机。另选地，可以在压缩机的上游实现燃料与空气的至少部分混和，并且可以将经混和的燃料和空气与废气分离地导入压缩机。作为又一另选实施例，将空气、燃料和废气彼此分离地导入压缩机，并且在压缩机内或者与压缩机和其它部件相关联的通道内进行混和。
根据本发明，响应于与发动机相关联的一个或更多个参数对导入压缩机的废气的流速进行控制，所述一个或更多个参数中的至少一个是燃料/空气比。例如，控制步骤可以包括响应于测量到的燃烧室入口温度来控制流速以将该燃烧室入口温度保持为高于催化燃烧室在该燃料/空气比进行正常操作所必需的预定最低温度。以这种方式，可以对进入压缩机的废气的流速进行优化以补偿环境温度和/或者相对发动机载荷的变化。
可以在换热器的下游点将导入压缩机的一部分废气与其余废气相分离。在这种情况下，再循环的废气由于其经过换热器而温度降低。另选地，可以在换热器的上游点将导入压缩机的一部分废气与其余废气相分离，从而再循环的废气绕过换热器。在这种方案下，送到压缩机的再循环废气的温度较高，因此再循环废气的流速可以低于前述方案中的流速。
根据本发明的采用催化燃烧的换热气体涡轮发动机系统包括：压缩机，被设置为接收空气并压缩空气；燃料系统，可以进行操作以向压缩机提供燃料，从而从压缩机排出经压缩空气和燃料的混和物；催化燃烧室，可以进行操作以燃烧该混和物从而产生灼热的燃烧气体；涡轮，被设置为接收该燃烧气体并且使该气体膨胀以产生驱动压缩机的机械能；换热器，被设置为接收来自涡轮的废气和从压缩机排出的混和物，并且使得在这二者之间发生热交换，从而使所述混和物进入催化燃烧室之前得到预加热；以及再循环系统，可以进行操作以将一部分涡轮废气导入压缩机，从而通过该废气来提高从压缩机排出的混和物的温度，由此提高催化燃烧室的入口温度。
再循环系统可以包括：可以对其进行控制以可变地调节进入压缩机的废气的流速的阀；以及可操作地连接到所述阀的控制系统。可以将可进行操作以对表示燃料/空气比和燃烧室入口温度的参数进行测量的传感器连接到所述控制系统，所述控制系统可以进行操作以按如下方式控制所述阀：使得燃烧室入口温度超过催化燃烧室的正常工作所必需的预定最低温度并与针对所测量到的燃料/空气比的最优温度相匹配。注意，所述阀可以位于换热器的上游或下游。
根据本发明的换热发动机系统在包括小型发电系统的多种应用中具有实用性。因此，可以设置发电机以由涡轮进行驱动。
本系统不限于单绕轴(spool)涡轮发动机，而是还可以应用于多绕轴发动机或者单绕轴发动机的成组系统(ganged system)。
本系统和方法对于催化氧化处理最为有利，但是采用催化作用的所有处理都能受益。
附图说明
已经如此总体上描述了本发明，现在参照附图，附图未必是按比例绘制的，在附图中：
图1是根据现有技术的涡轮发动机系统的图解描述；
图2是根据本发明的第一实施例的涡轮发动机系统的图解描述；
图3是根据本发明的第二实施例的涡轮发动机系统的图解描述；
图4是示出针对在压缩机入口没有混和废气的现有技术涡轮发动机系统以及根据本发明的在压缩机入口处混和有废气的涡轮发动机系统这两种情况的涡轮入口温度、燃烧室入口温度、效率、以及压缩机入口温度作为相对载荷的函数的模型计算的曲线图；
图5A图示出本发明的另一实施例，其中将燃料和废气混和并且将其与空气分离地送入压缩机，从而与空气的混和完全在压缩机中进行；
图5B示出又一实施例，其中在将空气和燃料送入压缩机之前对其进行混和，并且将废气独立地送入压缩机；以及
图5C示出又一实施例，其中将空气、燃料和废气全部独立地送入压缩机，在压缩机中使空气、燃料和废气混和。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的部分但并不是全部的实施例。事实上，可以按多种不同的形式来实现本发明，不应将本发明理解为限于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。相同的标号通篇表示相同的部件。
图1中示出了由利用催化燃烧的换热气体涡轮发送机驱动的现有技术发电系统10。该系统包括气体涡轮发动机12，该气体涡轮发动机12包括：压缩机14和通过轴18相连接以驱动该压缩机的涡轮16，以及催化燃烧室20。该系统还包括热交换器或换热器22，该热交换器或换热器22具有用于压缩机排出流体的一个或更多个通道24，这一个或更多个通道24被设置为与用于涡轮废气的一个或更多个通道26有热传递关系。该系统还包括用于将空气和燃料放在一起并使其混和并且将混和物送入压缩机14的装置28。
经压缩的空气-燃料混和物在换热器22中被预加热，随后被送入催化燃烧室20，在催化燃烧室20内发生燃烧。将灼热的燃烧气体从燃烧室引入涡轮16，涡轮16使该灼热气体膨胀以产生机械能，通过轴18将该机械能传送给压缩机16。发电机30也耦接到该轴，该发电机30受驱动以产生提供给载荷的电流。
在如图1所示的系统中，可以将发动机部件设计为：在相对较高的发动机载荷和标准日条件下，送入催化燃烧室20的空气-燃料混和物的温度处于或者高于催化反应正常工作所需要的催化剂最低温度。应用最广泛的钯催化剂需要至少800K的燃烧室入口温度。然而，在低载荷和/或寒冷环境的条件下，燃烧室入口温度可能降到催化剂最低温度以下。参见图4中的虚线，其表示在图1所示的现有技术型循环的情况下作为相对载荷的函数的各种热力学变量的模型计算。在100％载荷条件下，燃烧室入口温度为大约850K，但是在大约80％载荷时下降到800K的催化剂最低温度。在更低的载荷，燃烧室入口温度低得无法支持催化燃烧室的正常工作。
本发明提供了克服该问题的气体涡轮发动机系统和方法。图2示出了由根据本发明第一实施例的涡轮发动机系统驱动的发电机系统。通过如上所述地具有压缩机14、涡轮16、轴18以及催化燃烧室20的涡轮发动机12来驱动发电机30。如上所述，在将空气-燃料混和物引入燃烧室之前采用换热器22对其进行预加热。
然而，通过将一部分涡轮废气引入压缩机来调节燃烧室入口温度。该废气具有比进入压缩机的环境空气高得多的温度，因此用于提高经过压缩机的流体的温度，这继而提高了燃烧室入口温度。
因此，该系统包括设置在换热器22下游的可操纵阀(actuatablevalve)40，该可操纵阀40用于使一部分涡轮废气通过线路42转向混和器44。混和器44也接收空气、燃料和废气中的至少两种，并且至少部分地混和这三种成分中的至少两种。接着将混和物送入压缩机14，在压缩机14中可以进一步进行混和。可将任何的第三种未混和流与其它两种同时地引入压缩机并且在该压缩机中或者在到达换热器之前的后续通道中对其进行混和。
阀40可以进行操作以选择性地改变通过线路42传送到混和器44的涡轮废气的量。此外，可以由对来自被设置为检测燃烧室入口温度的温度传感器52的温度信号敏感的控制系统50(可以是PC、PLC、神经网络等)来控制该阀。该控制系统也可以对来自被设置为检测空气流速的气流传感器54的气流信号以及来自被设置为检测燃料流速的燃料流传感器56的燃料流信号敏感。如果需要，还可以在换热器之后的排气管道中设置用于检测排放物(特别是未燃烧的碳氢化合物)的传感器58，并且控制系统将测量到的排放情况纳入考虑范围。另选地，可以根据燃烧室入口温度和燃料/空气比，使用由理论和发动机试验而确定的模型来计算排放物。此外，还可以采用测量换热器入口温度的传感器60。虽然在图2和3中没有示出传感器54、56、58和60与控制系统50之间的连接线路，但应该理解这些传感器是连接到控制系统的。对控制系统适当地进行编程以控制阀40的操作，从而根据需要来调节燃烧室入口温度。具体地，控制系统优选地包括按如下方式对阀40进行开环或闭环控制的逻辑：使得燃烧室入口温度总是等于或者超过燃烧室中的正常催化反应所必需的预定最低温度。优选地，也可以按如下方式来执行控制：使得换热器入口温度不超过最高允许换热器入口温度，优选地，同时使排放最少(或者将排放保持在希望的限度之下)并最大化效率。通常，随着载荷下降，涡轮废气的必须回馈到压缩机的比例将上升，以将燃烧室入口温度保持在预定的最低水平之上。
图4上的实线示出了废气与空气和燃料相混和的效果。随着载荷下降，压缩机入口温度上升，反映在再循环到压缩机的废气的比例越来越大。因此，压缩机入口温度对于所有的载荷条件都可以保持在800K以上。同时，在优选实施例中，通过同时控制再循环废气的流速以及燃料/空气比，在所有工作条件下都防止了换热器入口温度超过其最高允许值，并且优化了发动机的效率。
应该理解，上述系统和方法可以补偿环境温度的变化。因此，随着环境温度下降，如果有必要，则可以增大再循环废气的比例以保持所需要的燃烧室入口温度。通过本发明的系统和方法也可以对载荷和环境温度变化的组合影响进行补偿。
图3示出本发明的第二实施例，其总体上类似于图2所示的实施例，除了阀40位于换热器22的上游而不是下游。由此，线路42绕过换热器，因此，废气在再循环之前不会在换热器中冷却。因为再循环废气的温度较高，所以在所有其它因素都相同的情况下，必须再循环的废气的相对比例低于图2的实施例的废气比例。在其它方面，该系统的操作与图2的系统的操作相同。
在对本发明的实践中，可以改变废气再循环以及与空气和燃料相混和的方式。图5A至C示出了几种可能性，不过它们不是穷举的，并且可以使用其它变型例。这些示例全部基于阀40位于换热器22下游的情况，但是它们同样适用于阀位于换热器上游的系统。在图5A的实施例中，再循环的废气在混和器44中与燃料相混和，得到的混和物与空气分离地送入压缩机14。此方案在燃料初始为液体形式(例如丙烷)时是有利的，因为灼热的废气使得燃料在送入压缩机之前至少部分地汽化。
在图5B的方案中，空气和燃料在混和器44中混和，得到的混和物送入压缩机。来自线路42的废气单独地送入压缩机，并且在压缩机中与空气和燃料相混和。
在图5C中示出了另一种可能性，其中，空气、燃料和废气都单独地送入压缩机，并且在压缩机中进行这三者之间的混和。
本文所述的发明所属领域的技术人员受益于上述说明和相关附图中给出的教义，可以想到本发明的许多变型例和其它实施例。因此应该理解，本发明不限于所公开的具体实施例，旨在将变型例和其它实施例包括在所附权利要求的范围内。虽然本文采用了特定术语，但是它们仅仅用于一般性和描述性的意义，而不是用于限制。

Claims (33)

1、一种采用催化燃烧的换热气体涡轮发动机系统，包括：
压缩机，被设置为接收空气并压缩空气；
燃料系统，可以进行操作以向压缩机提供燃料，从而从压缩机排出燃料与经压缩空气的混和物；
催化燃烧室，可以进行操作以燃烧所述混和物以产生灼热的燃烧气体；
涡轮，被设置为接收该燃烧气体并且使该气体膨胀以产生驱动压缩机的机械能；
换热器，被设置为接收来自涡轮的废气和从压缩机排出的混和物，并且使得在它们之间发生热交换以使得该混和物在进入催化燃烧室之前得到预加热；以及
如下的系统：可以进行操作以将一部分涡轮废气导入压缩机，从而由所述废气来提高从压缩机排出的混和物的温度，由此提高催化燃烧室的入口温度。
2、根据权利要求1所述的换热气体涡轮发动机系统，其中，所述可以进行操作以将一部分涡轮废气导入压缩机的系统包括：可以对其进行控制以可变地调节进入压缩机的废气的流速的阀；以及可操作地连接到所述阀的控制系统。
3、根据权利要求2所述的换热气体涡轮发动机系统，其中，所述控制系统包括可以进行操作以对表示燃烧室入口温度的参数进行测量的传感器，所述控制系统可以进行操作以按使得燃烧室入口温度超过催化燃烧室的正常工作所必需的预定最低温度的方式来控制所述阀。
4、根据权利要求3所述的换热气体涡轮发动机系统，其中，所述控制系统进一步包括可以进行操作以测量空气流速的传感器和可以进行操作以测量燃料流速的传感器、以及可以进行操作以测量换热器入口温度的传感器，所述控制系统可以进行操作以基于空气、燃料和废气的流速来确定进入燃烧室的混和物的燃料/空气比，并控制进入压缩机的废气的流速以按使得不超过最高允许换热器温度的方式针对所述燃料/空气比来对燃烧室入口温度进行优化。
5、根据权利要求4所述的换热气体涡轮发动机系统，其中，所述控制系统进一步可以进行操作以按使得发动机的效率最大的方式针对所述燃料/空气比来控制燃烧室入口温度。
6、根据权利要求5所述的换热气体涡轮发动机系统，进一步包括用于确定来自发动机的排放级别的装置，并且其中，所述控制系统可以进行操作以按使得不超过最大允许排放极限的方式针对所述燃料/空气比来控制燃烧室入口温度。
7、根据权利要求6所述的换热气体涡轮发动机系统，其中，所述用于确定排放级别的装置包括排放物传感器。
8、根据权利要求5所述的换热气体涡轮发动机系统，进一步包括用于确定来自发动机的排放级别的装置，并且其中，所述控制系统可以进行操作以按使得排放最少的方式针对所述燃料/空气比来控制燃烧室入口温度。
9、根据权利要求2所述的换热气体涡轮发动机系统，其中，所述阀位于换热器的下游，从而废气在导入压缩机之前在换热器中冷却。
10、根据权利要求2所述的换热气体涡轮发动机系统，其中，所述阀位于换热器的上游，从而所述一部分废气绕过换热器并且随后导入压缩机。
11、根据权利要求1所述的换热气体涡轮发动机系统，进一步包括被设置为由所述涡轮驱动的发电机。
12、一种用于操作气体涡轮发动机的方法，包括以下步骤：
在压缩机中压缩空气；
将燃料与来自压缩机的经压缩空气相混和，以产生空气一燃料混和物；
在催化燃烧室中燃烧所述空气一燃料混和物，以产生灼热的燃烧气体；
在涡轮中使该燃烧气体膨胀以产生机械能，并使用该机械能来驱动压缩机；
使来自涡轮的废气经过换热器，并且使所述空气一燃料混和物经过该换热器，以通过与所述废气的热交换来预加热所述混和物；
将来自涡轮的废气中的一部分废气导入压缩机以提高燃烧室的入口温度；并且
其中，使燃料与空气和所述一部分废气一起经过压缩机。
13、根据权利要求12所述的方法，其中，在压缩机的上游完成废气与燃料的混和。
14、根据权利要求13所述的方法，其中，将经混和的废气和燃料与空气分离地导入压缩机。
15、根据权利要求12所述的方法，其中，在压缩机的上游完成燃料与空气的至少部分混和。
16、根据权利要求15所述的方法，其中，将经混和的燃料和空气与废气分离地导入压缩机。
17、根据权利要求12所述的方法，其中，将空气、燃料和废气彼此分离地导入压缩机，并且在压缩机中进行混和。
18、根据权利要求12所述的方法，进一步包括对导入压缩机的废气的流速进行控制的步骤。
19、根据权利要求18所述的方法，其中，所述控制步骤包括响应于与发动机相关联的参数来控制流速的步骤。
20、根据权利要求19所述的方法，其中，所述控制步骤包括响应于测量到的燃烧室入口温度来控制流速的步骤。
21、根据权利要求20所述的方法，其中，按总是将燃烧室入口温度保持为高于催化燃烧室的正常工作所必需的预定最低温度的方式对流速进行控制。
22、根据权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：推导进入燃烧室的混和物的燃料/空气比，并且如下地控制燃烧室入口温度：按使得在任何时候都不超过最高允许换热器温度的方式针对所述燃料/空气比来对燃烧室入口温度进行优化。
23、根据权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：推导进入燃烧室的混和物的燃料/空气比，并且如下地控制燃烧室入口温度：按使得不超过最大允许排放极限的方式针对所述燃料/空气比来对燃烧室入口温度进行优化。
24、根据权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤：推导进入燃烧室的混和物的燃料/空气比，并且如下地控制燃烧室入口温度：按使得发动机效率最大的方式针对所述燃料/空气比来对燃烧室入口温度进行优化。
25、根据权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：推导进入燃烧室的混和物的燃料/空气比，并且如下地控制燃烧室入口温度：按使得排放最少的方式针对所述燃料/空气比来对燃烧室入口温度进行优化。
26、根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤：推导进入燃烧室的混和物的燃料/空气比，并且如下地控制燃烧室入口温度：按使得效率最大的方式针对所述燃料/空气比来对燃烧室入口温度进行优化。
27、根据权利要求19所述的方法，其中，所述控制步骤包括对流速进行控制以补偿环境温度的变化的步骤。
28、根据权利要求27所述的方法，其中，当环境温度下降时，导入压缩机的废气的相对份额增加。
29、根据权利要求19所述的方法，其中，所述控制步骤包括对流速进行控制以补偿相对发动机载荷的变化的步骤。
30、根据权利要求29所述的方法，其中，当相对发动机载荷下降时，导入压缩机的废气的相对份额增加。
31、根据权利要求12所述的方法，其中，在换热器的下游点将所述导入压缩机的一部分废气与其余废气分离。
32、根据权利要求12所述的方法，其中，在换热器的上游点将所述导入压缩机的一部分废气与其余废气分离，从而所述一部分废气绕过换热器。
33、根据权利要求12所述的方法，进一步包括用所述涡轮来驱动一发电机的步骤。
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