用于操作燃气涡轮发动机单元的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于操作燃气涡轮发动机单元(10)的方法，燃气涡轮发动机单元包括至少具有压气机部(14)和涡轮机部(16)的燃气涡轮发动机(12，12a，12b，12c)，其中压气机部(14)和涡轮机部(16)可通过工作流体(18，20)来操作，并且燃气涡轮发动机单元进一步包括用于氧气提取处理的单元(22)，其中方法包括如下步骤：将来自压气机部(14)的压气机(24)的富氧工作流体(18)的总量排出至用于氧气提取处理的单元(22)以及通过氧气提取处理从富氧工作流体(18)中提取O2。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于操作燃气涡轮发动机单元的方法，该燃气涡轮发动机单元包括至少具有压气机部和涡轮机部的燃气涡轮发动机，其中压气机部和涡轮机部可通过工作流体操作，并且燃气涡轮发动机单元还包括用于氧气提取处理的单元。本专利技术还涉及实施为执行专利技术方法的燃气涡轮发动机单元。
技术介绍
在燃气涡轮发动机中，由压气机压缩过的工作流体进入燃烧器部，在燃烧器件中，发生工作流体与燃料的混合物的燃烧。所得到的燃烧气体借助于通过燃气涡轮发动机的涡轮机的气体的膨胀和偏转来驱动涡轮机。涡轮机工作或其一部分通过互连轴被传送至压气机。重要的是使燃烧过程燃尽并且具有低CO、NOx和未燃烧的碳氢化合物排放。燃气涡轮发动机的燃烧器被特定地构造，以便执行这样的燃烧过程。进入燃气涡轮发动机的工作流体基本上具有大气氧气(O2)含量，即约21％的O2。因此，这种含量的氧气在燃烧过程中存在于燃烧器部中，并且燃烧器适于利用包括约20％氧气的工作流体来执行燃烧。由于燃烧器可以补偿该氧气含量的微小变化，因此已知的是在燃烧过程之前提取少量工作流体，以便将其用于氧气提取处理，其中O2贫化的工作流体被再次传送至燃气涡轮发动机的燃烧器部以便燃烧。目前，在不对燃气轮机的燃烧性能造成不利影响的情况下，只能分离少量的总工作流体可用于氧气提取。此外，用于制氧的大规模空气分离目前是通过低温处理来执行，而这种低温处理成本高、占地面积大并且耗电量大。本专利技术的第一目的是提供一种用于操作燃气涡轮发动机单元的方法，其能够实现大量的氧气提取并且具有高效低排放燃烧性能。本专利技术的另一目的是提供一种燃气涡轮发动机单元，其能够提取大量氧气并且执行高效低排放燃烧。这些目的可以通过根据独立权利要求的方案的方法和燃气涡轮发动机单元来解决。
技术实现思路
因此，本专利技术提供一种用于操作燃气涡轮发动机单元的方法，燃气涡轮发动机单元包括至少具有压气机部和涡轮机部的燃气涡轮发动机，其中压气机部和涡轮机部可通过工作流体来操作，并且燃气涡轮发动机单元进一步包括用于氧气提取处理的单元。提出的方法包括如下步骤：将来自压气机部的压气机的富氧工作流体的总量排出至用于氧气提取处理的单元和通过氧气提取处理从富氧工作流体中提取O2。由此，可以产生大量氧气，并且可以获得所有设备高的效率。此外，尤其可以建设性地容易使用具有足够高的O2含量的工作流体，因为传统的涡轮发动机包括提供富氧工作流体的压气机部。因此，富氧工作流体被压缩。此外，作为专利技术方法的进一步的结果，取代像从现有技术的低温处理中已知的那样从发电获得氧气提取处理所需的能量，从燃料输入获得氧气提取处理所需的能量。这节省了进一步的成本。因此，与现有的过程相比，所提出的构思在氧气产生和热效率方面是极有利的。即使术语“压气机、燃烧室、涡轮机、壁、旁路、出口、返回通道、入口、密封构件、外壁、内壁、通道、壳体、腔、燃烧器和膜”在权利要求和说明书中以单数或具体数字的形式使用，但专利(申请)的范围不应该限于单数或具体数字的形式。还应该存在于专利技术的范围中的是具有多于一个或多个的上面提到的结构。燃气涡轮发动机单元旨在意味着至少具有燃气涡轮发动机和用于氧气提取处理的单元的单元。还可以提供进一步的器具、部件、组件或单元。在该上下文中，燃气涡轮发动机是整个设备，至少具有压气机部和涡轮机部。此外且优选地，燃气涡轮发动机还可以包括燃烧器/燃烧部。用于氧气提取处理的单元可以是适于执行氧气的提取或分离的任何装置或组件。尤其是，提取单元是燃气涡轮发动机的外部单元。其在独立于燃气涡轮发动机的所供给的工作流体下操作或起作用。工作流体可以是对于本领域技术人员来说可行的包含氧气并且优选像空气一样的气态工作流体的任何介质或流体。“富氧”应该理解为具有约18％至30％的氧气含量，并且优选地理解为具有接近大气或近似20％至21％的氧气含量。有利地，燃气涡轮发动机进一步包括具有至少一个燃烧室的燃烧部。此外，当方法进一步包括如下步骤时是有利的：向燃烧部的至少一个燃烧室馈送从氧气提取处理产生的贫氧工作流体。因此，工作流体可以有利地循环返回以用在涡轮发动机的进一步的过程步骤中。这减少了对新供给与从压气机部抽出的工作流体等量的工作流体的需要。在该上下文中，“贫氧”应该理解为具有低于压气机进料流或约10％至16％或甚至更低的氧气含量。因此，氧气提取处理可以提取高达20％的O2含量并且正常情况下至少约10％的O2含量。通常，所提取的量取决于操作模式和归因于所使用的燃烧系统的过程和规格而可能的量。词语“从氧气提取处理产生的”应该理解为“通过氧气提取处理所处理的”。系统中的、尤其是在氧气提取之前和之后的压力水平强烈地取决于负载、环境条件和氧气提取处理。对于100％负载和15℃环境空气温度的示例将在O2分离之前是20.2巴(a)压力和在O2分离之后的19.95巴(a)。优选地，方法进一步包括如下步骤：使从氧气提取处理产生的贫氧工作流体在燃烧部的至少一个燃烧室中燃烧。这进一步减少了附加馈送的工作流体的需要。在专利技术的尤其有益的实施例中，提供了方法进一步包括如下步骤：使燃烧的贫氧工作流体膨胀通过涡轮机部的涡轮机用于产生电。因此，本专利技术的高度是在产生氧气的同时获取功率产生而不是功率消耗。因此，方法通过使用循环路径/布置来实现，该循环路径/布置适于将离开压气机部的被压缩的富氧工作流体供给至用于氧气提取处理的外部单元，并且将贫氧工作流体分别馈送回涡轮发动机或燃烧部的燃烧室以在其中燃烧。该构思的优点是使用所有燃气涡轮发动机压气机工作流体用于氧气处理，使得能够实现高的氧气产生。此外，将经过处理的工作流体引导到燃气涡轮发动机中有利地使得能够实现燃气涡轮发动机循环的全面性能。在专利技术的优选实施例中，方法进一步包括如下步骤：在旁路通过燃烧室时通过富氧工作流体或贫氧工作流体将燃烧部的燃烧室的至少一个壁冷却。归因于此，可以有利地降低燃烧温度，避免了像NOx一样的大量有害燃烧产物。取决于燃气涡轮发动机的燃烧部的构造，冷却在O2提取处理之前或之后发生。在燃烧之前使用用于冷却的工作流体以获得良好的燃烧是非常重要的。在冷却空气通过膜冷却、喷射冷却或类似方式进入穿过燃烧装置壁的并行冷却的情况中，处理空气会较低并且火焰温度会较高，造成更多NOx的产生。当在氧气提取处理中分别集成燃气涡轮发动机或其燃烧器部时，并且尤其是当使用具有现代性能数据和高涡轮机入口温度的燃气涡轮发动机时，富氧工作流体的作为冷却介质的使用是非常重要的。该冷却构思使用了串联冷却的燃烧装置，例如与冷空气穿过壁创建冷空气层的并行冷却相比，对于完全烧尽是有利的。此外，方法进一步包括如下步骤：将旁路通过至少一个燃烧室时的富氧工作流体或贫氧工作流体加热。因此，燃烧室的辐射热可以高效地用于提供富氧工作流体的温度升高，其中温度升高例如对于随后的氧气提取处理是必要的。这降低了氧气产生的成本，并因此降低了得到的氧气的总价格。此外，可以有利地节省燃气涡轮发动机单元的空间、部件和成本。术语“在旁路通过”燃烧室时在这里应该理解为“通过旁路通过燃烧室时”、“在经过燃烧室时”或者“在沿着邻接于燃烧室的通道行进时”。尤其是，工作流体不进入燃烧室并且不在燃烧室中加热或燃烧。本专利技术进一步涉及一种燃气涡轮发动机单元，包括至少具有压气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于操作燃气涡轮发动机单元(10)的方法，所述燃气涡轮发动机单元包括至少具有压气机部(14)和涡轮机部(16)的燃气涡轮发动机(12，12a，12b，12c)，其中所述压气机部(14)和所述涡轮机部(16)能通过工作流体(18，20)来操作，并且所述燃气涡轮发动机单元进一步包括用于氧气提取处理的单元(22)，其中所述方法包括如下步骤：‑将来自所述压气机部(14)的压气机(24)的富氧工作流体(18)的总量排出至所述用于氧气提取处理的单元(22)；和‑通过氧气提取处理从所述富氧工作流体(18)中提取O2。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.27 EP 14170006.2;2014.10.27 EP 14190479.71.一种用于操作燃气涡轮发动机单元(10)的方法，所述燃气涡轮发动机单元包括至少具有压气机部(14)和涡轮机部(16)的燃气涡轮发动机(12，12a，12b，12c)，其中所述压气机部(14)和所述涡轮机部(16)能通过工作流体(18，20)来操作，并且所述燃气涡轮发动机单元进一步包括用于氧气提取处理的单元(22)，其中所述方法包括如下步骤：-将来自所述压气机部(14)的压气机(24)的富氧工作流体(18)的总量排出至所述用于氧气提取处理的单元(22)；和-通过氧气提取处理从所述富氧工作流体(18)中提取O2。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃气涡轮发动机(12，12a，12b，12c)进一步包括具有至少一个燃烧室(28，28a，28b，28c)的燃烧部(26，26a，26b，26c)，并且其中所述方法进一步包括如下步骤：-向所述燃烧部(26，26a，26b，26c)的至少一个燃烧室(28，28a，28b，28c)馈送从所述氧气提取处理产生的贫氧工作流体(20)；和/或-使从所述氧气提取处理产生的贫氧工作流体(20)在所述燃烧部(26，26a，26b，26c)的所述至少一个燃烧室(28，28a，28b，28c)中燃烧。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法进一步包括如下步骤：-使所燃烧的贫氧工作流体(20)膨胀通过所述涡轮机部(16)的涡轮机(30)、特别是用于产生电。4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述方法进一步包括如下步骤：-在旁通所述至少一个燃烧室(28，28a，28b，28c)时通过所述富氧工作流体(18)或所述贫氧工作流体(20)将所述燃烧部(26，26a，26b，26c)的所述至少一个燃烧室(28，28a，28b，28c)的至少一个壁(32，46)冷却；和-在旁通所述至少一个燃烧室(28，28a，28b，28c)时将所述富氧工作流体(18)或所述贫氧工作流体(20)加热。5.一种燃气涡轮发动机单元(10)，包括：至少具有压气机部(14)和涡轮机部(16)的燃气涡轮发动机(12，12a，12b，12c)，其中所述压气机部(14)和所述涡轮机部(16)能通过工作流体(18，20)和至少一个旁路(34)来操作，并且所述燃气涡轮发动机单元进一步包括用于氧气提取处理的单元(22)，其中所述至少一个旁路(34)以将来自所述压气机部(14)的压气机(24)的富氧工作流体(18)的总量排出至所述用于氧气提取处理的单元(22)的方式来实施，并且其中所述用于氧气提取处理的单元(22)以从所述富氧工作流体(18)中提取O2的方式来实施。6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机单元，其中所述至少一个旁路(34)从所述燃气涡轮发动机(12，12a，12b，12c)的压气机部(14)的至少一个出口(36)延伸至所述燃烧部(26，26a，26b，26c)的至少一个出口(38)...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·林德曼，M·斯乔丁，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE