用於排氣再循環系統的原動機的製作方法

2023-05-25 09:07:06 1

專利名稱：用於排氣再循環系統的原動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及從渦輪機排放的排氣，更具體的講，涉及利用渦輪機 作為在排氣再循環(EGR)系統內再循環的排氣的原動機的系統和方 法。
背景技術：
氮氧化物(下文以NOx表示)、二氧化石友(下文以"C02，，表示)和石克 氧化物(SOx)的排放對環境的長期影響正越來越受關注。渦輪機(例如 燃氣輪機)排放的許可排放水平受到嚴格的控制。渦輪機操作者渴求降 低N0X, C02和S0X排放水平的方法。
排氣流中存在極大量的可冷凝蒸汽。這些蒸汽通常包含多種成 分，例如水，酸，醛，碳氫化合物，硫氧化物和氯化合物。在未經處 理的情況下，如果允許這些成分進入渦輪機，它們將加速內部構件的 腐蝕和汙塞。
排氣再循環(EGR)大體包括使所排放的排氣的一部分再循環經過 渦輪機的入口部分。然後，在燃燒之前該排氣與進入的空氣流混合。 該EGR過程有助於集中的C02的去除和分離，還可以降低NOx和S0X 的排放水平。
對目前已知的EGR系統有些顧慮。有些EGR系統使用風扇或鼓 風機來驅動再循環排氣通過該EGR系統。該風扇或鼓風機要求額外的費用，維修，產生噪音，並且需要風門。
由於上述原因，需要一種用於驅動再循環排氣穿過EGR系統的 系統和方法。該系統和方法不需要風扇或鼓風機來驅動排氣穿過該 ERG系統。

發明內容
根據本發明的一個實施例，提供了一種系統，其用於降低由包括 入口流體部分160、壓縮機段145和排氣段150的渦輪機140所產生 的排氣流125內的成分；該系統包括至少一個排氣再循環(EGR)系統 100，該排氣再循環系統100包括至少一個EGR臺(EGR臺)105;其 中該至少一個EGR臺105可以接收來自該至少一個渦輪機140的 排氣段150的、處於第一溫度的至少一個排氣流125;接收包含處於 第一水平的成分的排氣流125;使該成分降低至第二水平；以及允許 排氣流125在第二溫度下離開；並且，其中，該至少一個EGR系統 IOO使得離開該至少一個EGR臺105的排氣流125再循環至入口部分 160;且其中，該渦輪機140驅動排氣流125穿過該EGR系統100。
該EGR系統100還可以包括固定的流量限制器165, EGR入 口風門115和EGR排氣風門120。
該固定的流量限制器165可位於壓縮機段145的上遊，該EGR 排氣風門120可位於排氣段150的下遊。此處，EGR排氣風門120可 以調節進入該EGR系統100的排氣流125的流量。此外，該固定的 流量限制器165和該EGR排氣風門120用於平衡EGR系統100內的 排氣流125的流量。
或者，EGR系統100還可包括可動的流量限制器175和EGR 排氣風門120。此處，該EGR排氣風門120調節進入該EGR系統100 的排氣流125的流量。該可動的流量限制器175可調節進入入口賴160 的入口流體空氣的流量。此外，該可動的流量限制器175和該EGR 排氣風門120可用於平4軒該EGR系統內排氣流125的流量。該系統還可包括EGR入口風門115。
附圖簡要說明


圖1是與渦輪機集成的排氣再循環系統一個實例的圖示說明。
圖2是根據本發明第一實施例的、與渦輪機集成的排氣再循環一
個實例的圖示說明。
圖3是根據本發明第二實施例的、與渦輪機集成的排氣再循環一 個實例的圖示說明。
圖4是根據本發明第三實施例的、與渦輪機集成的排氣再循環一 個實例的圖示說明。
零件列表 EGR系統 100 EGR臺 105 EGR風扇 110 EGR入口風門 115 EGR排氣風門 120 排氣流 125 流動通道 130 入口流體 135 渦輪機 140 壓縮才幾段 145 排氣段 150 排氣器 155 入口部分 160 固定的流量限制器 165 混合站 170 可動的流量限制器 17具體實施例方式
以下對優選實施例的詳細說明參考附圖來進行，附圖表示了本發 明的具體實施例。具有不同結構和操作的其它實施例不脫離本發明的 範疇。
文中使用的 一些用語只是為了讀者方便，而不視作對本發明範疇 的限制。例如，"上"，"下"，"左，，，"右"，"前"，"後，，， "頂部"，"底部"，"水平的"，"垂直的，，，"上遊，，，"下遊"， "前部"，"尾部，，等僅描述圖中所示的構造。事實上，本發明實施 例的元件或多個元件可沿任何方向定向，因此，除非另有說明，這些 用語應理解為包括這些變化。
本發明的 一個實施例採用了可使至少 一個渦輪機的 一部分排氣 再循環的一種系統的形式，其中排氣可與入口流體空氣混合且再次進 入渦輪機，而不影響該器件的可靠性和有效性。
通常，本發明實施例的排氣再循環系統包含多個元件。這些元件 的構造和順序可由該排氣的組成來決定。構成排氣再循環處理的步驟
大致為冷卻，滌氣，除霧，高效率去除顆粒和微滴，以及混合。當 使用本發明時，可以將與入口流體空氣混和後的改向氣體無害地引入 渦輪機的入口。如下所述，存在多種可用來實現排氣處理的布置。
本發明具有使用渦輪機來驅動和/或牽引再循環排氣(下文稱為 "排氣流")通過EGR系統的技術效果，該EGR系統降低可能存在於 排氣流內的上述成分的水平。這些水平可從第 一水平降低至第二水 平。本發明的一個實施例可以用於去除和分離濃縮的C02排放物。
本發明可應用於產生氣態流體的多種渦輪機，例如但不限於重型 燃氣輪機，航改(aero-derivative)燃氣輪機等(以下均稱為"燃氣輪機")。 本發明的一個實施例可應用於單個燃氣輪機或多個燃氣輪機。本發明 的 一個實施例可應用於以簡單循環或聯合循環構造來運行的燃氣輪 機。
如下所述，本發明的一個實施例可包括至少一個EGR臺。該至
7少一個EGR臺可利用至少一個滌氣器；或至少一個滌氣器和至少一 個下遊熱交換器；或至少一個滌氣器和至少一個上遊熱交換器；或至 少一個滌氣器，至少一個下遊熱交換器；以及至少一個上遊熱交換器； 或者它們的各種組合。此外，該至少一個EGR臺還可包括噴射器， 該噴射器可採用用於降低該排氣流內的有害成分水平的反應物；以及 用於去除該成分的溼式靜電過濾器。
本發明的元件可由任何能夠承受該EGR系統可作用和運行的運 行環境的材料來製造。
現在參看附圖，圖中各數字代表所有多個^L圖中的類似元件，圖 1是與渦輪機140集成的排氣再循環系統一個實例的圖示說明。圖1 顯示了渦輪機140和EGR系統100。
渦輪機140主要包括與排氣段150集成的壓縮機段145。入口段 160可位於該壓縮機段145的上遊，並且可以包括混合站170。排氣 器155可位於排氣段150的下遊。
EGR系統100包括EGR臺105; EGR風扇(或鼓風機)l 10; EGR 入口風門115;以及EGR排氣風門120,該排氣風門120可與渦4侖機 140的排氣段150集成。
該至少一個EGR系統100可以是能夠承受排氣流125物理特性 的尺寸，並且由能夠承受排氣流125物理特性的材料製造，這些物理 特性為例如但不限於大約10,000Lb/hr至50，000,000LB/hr的流率以及 高達約1500華氏度的溫度。入口段160和排氣段150可界定EGR系 統100的流動通道130。
EGR臺105主要包括EGR系統100的、降低來自排氣流125的 前述成分的水平的構件。這些構件可包括，例如但不限於，至少一個 熱交換器，至少一個滌氣器，至少一個去霧器，或類似的構件(附圖中 均未示出)。EGR風扇110可在該EGR系統IOO運行期間循環排氣。
通常，在EGR系統IOO運行期間，EGR排氣風門120可打開， 以容許來自排氣段150的排氣流125進入該EGR系統100。排氣風門120可在非再循環排氣和該排氣流125之間分配全部的排氣流。然後， EGR臺105可降低排氣流125內的成分水平。接下來，EGR入口風 門115可打開，以容許該再循環排氣流125進入渦輪機140的入口段 160。然後，該排氣流125可與入口流體空氣在混合站170內混合， /人而形成入口流體135。該入口流體135然後可向該混合站170的下 遊流動到渦輪才幾140的壓縮機段145。在上述過程中，EGR風扇110 用於驅動該排氣流125穿過EGR系統100。
將EGR風扇110結合到EGR系統100可能引起一些顧慮。EGR 風扇110可能增加該EGR系統100的硬體和維護的總成本。由於運 行期間可能產生的噪聲水平，EGR風扇IIO可能要求隔音。EGR風 扇IIO可能需要阻尼以減小振動。EGR風扇IIO可能還需要比較大的 EGR系統100結構。另外，EGR風扇110可能增加控制EGR系統100 的控制系統的複雜度。EGR風扇IIO通常需要能源，這就增加了 EGR 系統100的運4亍成本。
現在參看圖2,圖2是根據本發明第一實施例的、與渦輪機140 集成的排氣再循環一個實例的圖示說明。圖2顯示了渦輪機140和 EGR系統100。
在本發明的該第一實施例中，渦輪機140主要包括與排氣段150 集成的壓縮機段145;入口段160,其可位於該壓縮機段145的上遊； 以及排氣器155,其可位於該排氣段150的下遊。
該壓縮機段145可包括固定的流量限制器165和混合站170。該 固定的流量限制器165可限制進入入口段160的入口流體空氣的流 量。該固定的流量限制器165可以是能夠承受渦輪機140和EGR系 統100的運行環境的尺寸，並且由能夠承受該渦輪機140和EGR系 統100的運行環境的材料製成。例如但不限於，可以在渦輪機140的 改型應用過程中結合該固定的流量限制器165。
在本發明的第一實施例中，EGR系統100可包括EGR臺105; EGR入口風門115;以及EGR排氣風門120,其可與該渦輪機140的排氣段150集成。該EGR排氣風門120可調節，以控制進入該EGR 系統100的排氣流125的流量。該EGR系統100的第一實施例不需 要EGR風扇IIO來驅動排氣流125。此處，由壓縮機段145提供的吸 入效應可驅動該排氣流125穿過該EGR系統100並進入到入口段160 中。
在使用中，如圖1所示，當渦輪機140運轉時，本發明第一實施 例的EGR系統運行。EGR排氣風門120可調節，以允許來自排氣段 150的排氣流125進入EGR系統100。如上所述，該EGR排氣風門 120可在非再循環排氣和該排氣流125之間分配全部排氣流。固定的 流量限制器165和EGR排氣風門120可用於平衡渦輪機140和該EGR 系統100內的排氣流125的流量。這可通過在EGR系統100運行期 間調整該EGR排氣風門120的位置來實現。
其次，EGR臺105可降低排氣流125中的成分的水平。EGR入 口風門115可以打開，以容許再循環排氣流125進入渦輪機140的入 口段160。然後，該排氣流125可與入口流體空氣在混合站170內混 合，/人而形成入口流體135。然後，該入口流體135可向該混合站170 的下遊流動到該渦輪機140的壓縮機段145。在本發明第一實施例的 運轉期間，不存在與EGR風扇IIO相關的上述顧慮。
現在參看圖3 ,圖3是根據本發明第二實施例的、與渦輪機140 集成的排氣再循環一個實例的圖示說明。圖3顯示了渦輪機140和 EGR系統100。
在本發明的該第二實施例中，渦輪機140主要包括與排氣段150 集成的壓縮機段145;入口段160,其可位於壓縮機段145的上遊； 以及排氣器155，其可位於排氣段150的下遊。
壓縮機段145可包括可動的流量限制器175和混合站170。在第 一位置，該可動的流量限制器175可使進入入口段160的入口流體空 氣的流量最大，並且可使進入該入口段160的排氣流125的流量最小。 在第二位置，該可動的流量限制器175可使進入入口段160的入口流體空氣的流量最小，並且可使進入該入口段160的排氣流125的流量 最大。該可動的流量限制器175還可定位於該第一位置和該第二位置 中間的多個位置，以調整入口流體空氣和進入入口段160的排氣流125 之間的相對偏重。該可動的流量限制器175可以是能夠承受該渦輪機 140和EGR系統100的運行環境的尺寸和材料。
在本發明的該第二實施例中，該EGR系統100可包括EGR臺 105;以及EGR排氣風門120，其可與渦輪機140的排氣段150相集 成。該EGR排氣風門120可調節，以控制進入EGR系統100的排氣 流125的流量。此外，該EGR排氣風門120可用來隔離沒有在使用 的該EGR系統100。
EGR系統100的第二實施例不需要EGR風扇110來驅動排氣流 125。此處，壓縮機段145提供的吸入效應可驅動該排氣流125穿過 該EGR系統100並進入入口^殳160。此外，該排氣流125可在某壓力 時離開排氣段150,該壓力允許該排氣流125流過該EGR系統100。
在工作時，如圖2所示，當渦輪機140運轉時，本發明第二實施 例的EGR系統運行。EGR排氣風門120可調節，以允許來自排氣段 150的排氣流125進入該EGR系統100。如上所述，該EGR排氣風 門120可在非再循環排氣和排氣流125之間分配全部排氣流。
可動的流量限制器175和EGR排氣風門120可用於平衡渦輪才幾 140和EGR系統100內的排氣流125的流量。這可通過在該EGR系 統IOO運行期間調整該EGR排氣風門120的位置來實現。
此外，可對可動的流量限制器175進行調節，以允許入口流體空 氣全流量進入入口段160。當例如但不限於渦輪機140運行而EGR系 統100未使用時，這個特徵可能是有用的。
其次，EGR臺105可降低排氣流125中的成分的水平。EGR入 口風門115可以打開，以允許該再循環排氣流125進入渦輪機140的 入口l更160。然後，該排氣流125可與入口流體空氣在混合站170內 混合，/人而形成入口流體135。然後，該入口流體135可向該混合站
ii170的下遊流動到該渦輪機140的壓縮機段145。在本發明第二實施 例運行期間，不存在與EGR風扇IIO相關的上述顧慮。
現在參看圖4，圖4是根據本發明第三實施例的、與渦輪機集成 的排氣再循環一個實例的圖示說明。圖4顯示了渦輪;機140和EGR 系統100。
在本發明的該第三實施例中，渦輪機140主要包括:與排氣段150 集成的壓縮機段145;入口段160，其可位於壓縮機段145的上遊； 以及排氣器155，其可位於該排氣段150的下遊。
壓縮機段145可包括可動的流量限制器175和混合站170。該可 動的流量限制器175可調節，以限制進入入口段160的部分入口流體 空氣的流量。該可動的流量限制器175可以是能夠承受渦輪機140和 EGR系統100的運行環境的尺寸和材料。
在本發明的該第三實施例中，EGR系統100可包括EGR臺105; EGR入口風門115;以及EGR排氣風門120,其可與渦輪機140的排 氣段150集成。該EGR排氣風門120可調節，以控制進入EGR系統 100的排氣流125的流量。此外，該EGR排氣風門120可用來隔離未 在4吏用的EGR系統100,
EGR系統100的該第三實施例不需要EGR風扇IIO來驅動排氣 流125。此處，壓縮機段145提供的吸入效應可牽引該排氣流125經 過EGR系統100並進入入口段160。此外，該排氣流125可在某壓力 時離開排氣段150，該壓力允許該排氣流125流過該EGR系統100。
在工作時，如圖3所示，當渦輪機140運轉時，本發明的該第三 實施例的EGR系統運行。EGR排氣風門120可調節，以允許來自排 氣段150的排氣流125進入該EGR系統100。如前所述，該EGR排 氣風門120可在非再循環排氣和排氣流125之間分配全部排氣流。
可動的流量限制器175和EGR排氣風門120可用於使渦輪機140 和EGR系統100內的排氣流125的流量保持平衡。這可通過在EGR 系統IOO運行期間調整該EGR排氣風門120的位置來實現。此外，該可動的流量限制器175可調節，以允許全流量的入口流 體空氣進入入口段160。例如但不限於當渦輪機140運行而該EGR系 統100不使用時，這個特徵可能是有用的。
其次，該EGR臺105可降低排氣流125內的成分水平.EGR入 口風門115可以打開，以允許該再循環排氣流125進入渦輪機140的 入口段160。然後，該排氣流125可與入口流體空氣在混合站170內 混合，/人而形成入口流體135。該入口流體135然後可向該混合站170 的下遊流到渦輪機140的壓縮機l殳145。在本發明該第三實施例的運 行期間，不存在與EGR風扇110相關的上述顧慮。
本文中使用的用語僅僅用於描述具體實施例的目的，而不意圖限 制本發明。除非上下文另有明確說明，文中所用的單數形式"一"和 "該"意在也包括複數形式。還將理解的是，當用於本說明書時，用 語"包含"和/或"包括"指存在所描述的特徵，整體，步驟，操作， 元件，和/或構件，但不排除存在或添加一個或多個其它特徵，整體， 步驟，操作，元件，構件，和/或它們的組合。
儘管本文中對特定的實施例進行了示意說明和描述，但應理解的 是，任何計劃實現相同目的布置均可代替所示的特定實施例，並且發 明在其它情況中具有其它應用。本申請目的在於覆蓋本發明的任何修 改或變更。所附的權利要求決不意圖將本發明的範圍限制於本文所描 述的特定實施例。
權利要求
1. 一種系統，其用於降低由包括入口段(160)、壓縮機段(145)和排氣段(150)的渦輪機(140)所產生的排氣流(125)內的成分；所述系統包括至少一個排氣再循環(EGR)系統(100)，其包括至少一個EGR臺(105)；其中，所述至少一個EGR臺(105)可以接收來自所述至少一個渦輪機(140)的排氣段(150)的、處於第一溫度的至少一個排氣流(125)；接收包含處於第一水平的成分的排氣流(125)；使所述成分降低至第二水平；以及允許所述排氣流(125)在第二溫度下離開；且其中，所述至少一個EGR系統(100)使得離開所述至少一個EGR臺(105)的排氣流(125)再循環至所述入口段(160)；以及其中，所述渦輪機(140)驅動所述排氣流(125)通過所述EGR系統(100)。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述EGR系統(IOO) 還包括固定的流量限制器(165)， EGR入口風門(115),以及EGR排 氣風門(120)。
3. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述固定的流量限 制器(165)位於所述壓縮機段(145)的上遊，所述排氣風門(120)位於所 述排氣段(150)的下遊。
4. 才艮據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述EGR排氣風 門(120)調節進入所述EGR系統(100)的所述排氣流(125)的流量。
5. 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述固定的流量限 制器(l65)與所述EGR排氣風門(120)運行，以平衡所述EGR系統(IOO) 內的所述排氣流(125)的流量。
6. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述EGR系統(IOO)還包括可動的流量限制器(l75)和EGR排氣風門(120)。
7. 根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述EGR排氣風 門(120)調節進入所述EGR系統(100)的所述排氣流(125)的流量。
8. 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述可動的流量限 制器(175)調節進入所述入口段(160)的入口空氣的流量。
9. 根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述可動的流量限 制器(175)和所述EGR排氣風門(120)運行，以用於所述EGR系統(IOO) 內的所述排氣流(125)的流量。
10. 根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括 EGR入口風門(115)。
全文摘要
本發明涉及用於排氣再循環系統的原動機。由渦輪機(140)產生的排氣的一部分被排氣再循環(EGR)系統(100)再循環經過入口段(160)。在該排氣流被再循環之前，該系統降低了該排氣流(125)內的成分水平。渦輪機(140)可用來驅動該排氣流(125)穿過該EGR系統(100)。
文檔編號F02C3/00GK101463760SQ200810183978
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月19日 優先權日2007年12月19日
發明者D·S·拜爾德, J·R·希布希曼二世, R·J·奇拉, R·W·泰勒 申請人:通用電氣公司