專利名稱：用于燃氣渦輪的自動化燃料混合和控制的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對干式低NOJDLN)燃氣渦輪的運行而將低廉的輔助氣體與主要氣體燃料相混合的靈活且自動的系統(tǒng)和方法。根據(jù)第一方面，提供了一種DLN燃氣渦輪，其容許使用主要氣體燃料和輔助氣體的燃料混合物的運行。燃氣渦輪包括主要氣體燃料供應系統(tǒng)和輔助氣體供應系統(tǒng)。多個燃燒器各包括單個下游燃燒區(qū)域，該單個下游燃燒區(qū)域由居中位于燃燒器的軸線上的中心燃料噴嘴和多個圍繞中心噴嘴而同心地布置的主要噴嘴供應。主要噴嘴和中心燃料噴嘴將燃料混合物與用于燃燒器的空氣預混合。燃料混合物包括來自主要氣體燃料供應系統(tǒng)的主要氣體燃料和來自輔助氣體供應系統(tǒng)的輔助氣體。
DLN燃氣渦輪還提供了一種燃氣渦輪控制系統(tǒng)、排放控制監(jiān)測系統(tǒng)以及混合燃料控制功能?；旌先剂峡刂乒δ馨ㄈ剂掀焚|(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和燃燒動力監(jiān)測系統(tǒng)，適合于根據(jù)燃料混合物的品質(zhì)的預定范圍和燃燒動力的避免而控制來自主要氣體燃料供應的主要氣體燃料和來自輔助氣體供應系統(tǒng)的輔助氣體的燃料混合物。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，針對燃燒器提供了一種使用主要氣體燃料和輔助氣體的燃料混合物來操作DLN燃氣渦輪的方法，這種燃燒器具備單個下游燃燒區(qū)域，該單個下游燃燒區(qū)域由居中位于燃燒器的軸線上的中心燃料噴嘴和多個圍繞中心噴嘴而同心地布置的主要噴嘴供應。主要噴嘴和中心燃料噴嘴將燃料混合物與用于燃燒器的空氣預混合。
該方法包括供應來自主要氣體燃料供應的主要氣體燃料和供應來自輔助氣體供應的輔助氣體，并使用主要氣體燃料和輔助氣體的預定范圍內(nèi)的燃料混合物來操作燃氣渦輪的至少一個燃燒器。該方法還包括在使用燃料混合物的運行期間監(jiān)測燃料混合物的品質(zhì)和監(jiān)測燃燒噪聲。該方法根據(jù)燃料混合物的品質(zhì)的可允許的范圍和燃燒動力的避免而控制來自主要氣體燃料供應的主要氣體燃料和來自輔助氣體供應系統(tǒng)的輔助氣體的燃料混合 物。


當參照附圖并閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些以及其它的特 征、方面和優(yōu)勢，其中，在所有附圖中，相似的標號表示相似的部件，其中 圖1提供了顯示替代燃料(例如氫氣、丙烷、丁烷等)的注入對天然氣燃料的麗I 的影響的圖； 圖2顯示了渦輪排放和燃料控制的示意圖； 圖3顯示了用于本發(fā)明的燃料混合和控制系統(tǒng)的實施例的示意圖；以及 圖4顯示了將輔助氣體與主要氣體燃料混合的方法的流程。 潘歹ll表 105+5 %沃泊邊界 110+5%沃泊邊界 120 丁烷氣體混合物 130丙烷氣體混合物 140氫氣燃料混合物 200燃料控制系統(tǒng) 205入口導管 210入口導向葉片 215壓縮機 220驅(qū)動軸 230渦輪 235發(fā)電機 240燃料 245燃料輸送系統(tǒng) 246鏈路 250壓縮空氣 255燃燒器 256熱氣體 260排氣導管 285燃燒聲音監(jiān)測器 286控制信號 305主要氣體燃料供應 290控制器 295排放監(jiān)測 296對控制器的排氣排放反饋 305主要氣體燃料供應 310主要氣體燃料加熱器
315主要燃料流控制 320輔助氣體供應 325輔助氣體加熱器 330輔助氣體流控制 335氣體燃料傳感器 336/341主要溫度/輔助溫度 337/342主要壓力/輔助壓力 338/343主要流速/輔助流速 339/344主要燃料成分/輔助燃料成分 355所計算的混合流的麗I 360傳感器 365所測量的混合燃料的麗I 375燃燒動力監(jiān)測儀器 380控制器
具體實施例方式
本發(fā)明的以下實施例具有許多優(yōu)勢，包括提供了一種將所需數(shù)量的替代氣體混合到用于DLN燃氣渦輪的主要天然氣燃料中的方法和系統(tǒng)。替代氣體可以是替代氣體燃料(例如氫氣、乙烷、丁烷、丙烷、LNG等)或惰性氣體，例如氮氣和二氧化碳。實施例提供了一種靈活且自動的控制方法論，由此可補充相對廉價的替代氣體作為燃氣渦輪的天然氣消耗部分。本發(fā)明的關(guān)鍵要素包括將現(xiàn)有燃氣渦輪控制器與用于引入所需數(shù)量的替代氣體的替代氣體注入模塊、用于測量混合后的燃料混合物的屬性的燃料品質(zhì)傳感器(例如氣體色譜儀系統(tǒng))以及用于監(jiān)測燃燒過程的傳感器一體地結(jié)合。根據(jù)現(xiàn)場配置和現(xiàn)有的燃料輸送系統(tǒng)硬件，替代燃料注入模塊可與氣體燃料加熱器、燃料管路(管道) 一體地結(jié)合，或者作為分開/獨立的用于調(diào)制混合后的燃料氣體屬性的臺架。燃氣渦輪中的替代氣體燃料的消耗可導致為發(fā)電廠的物主節(jié)省相當多的天然氣燃料，減少溫室氣體的排放并節(jié)省了運行成本。此外，可消除與工藝氣體的設(shè)置(例如儲存、凈化、燃燒等)相關(guān)聯(lián)的另外成本。
該系統(tǒng)通過使發(fā)電廠混合一定數(shù)量的替代氣體而增加了裝配有干式低N0X排放燃燒系統(tǒng)的燃氣渦輪的燃料靈活性。這種燃料靈活性可導致相當可觀的天然氣燃料節(jié)省，并為發(fā)電廠的物主降低了燃氣渦輪的運行成本。容許5%的氫氣混合的方案可導致估計為每個渦輪每年節(jié)省幾百萬美元的燃料。用戶燃料的節(jié)省可隨著天然氣價格的提高而提高，或者隨著增加氫氣混合的量而提高。 以下呈現(xiàn)的方法論將控制主要氣體燃料和輔助氣體的比率，使得混合燃料的燃料屬性(例如麗I、溫度、壓力)的變化處于典型的低NOx排放燃燒系統(tǒng)的可接受的范圍內(nèi)。燃氣渦輪的燃料靈活性增強并允許替代燃料的消耗，且無需對燃燒系統(tǒng)進行昂貴的硬件改進。另外，這里公開的自動且靈活的控制方法論可用于混合若干輔助氣體燃料，例如氫氣、乙烷、丁烷、丙烷、LNG等以及其它稀釋氣體。 圖1顯示了輔助氣體燃料(例如氫氣、丙烷、丁烷等)的注入對具備主要天然氣燃料的燃料混合物的麗I的影響。天然氣成分與北美 的某些部分中的發(fā)電廠基于條例所消耗的典型的管路品質(zhì)天然氣燃料相對應。在燃氣渦輪工業(yè)中，對于燃料噴嘴而言，通常接受土5%的麗I允許變化。圖1顯示了燃料混合物(氣體在華氏300度)的麗I的百分比變化對具備天然氣的燃料混合物中的特定輔助氣體燃料的百分比。對于大約5%的丁烷氣體下的丁烷氣體燃料混合物120而言，越過了 +5%的沃泊邊界105。對于大約8%的丙烷氣體燃料混合物下的丙烷氣體燃料混合物130而言，越過了 +5%的沃泊邊界105。對于大約18%的氫氣下的氫氣燃料混合物140而言，越過了 _5%的沃泊邊界110。雖然附圖顯示了某些輔助燃料的相對較大的百分比的混合將麗I改變小于5%，但是存在著防止混合大量輔助燃料的其它實際的運行約束。 本發(fā)明的燃料供應系統(tǒng)將包括燃料品質(zhì)監(jiān)測傳感器(例如氣體色譜儀系統(tǒng)或其它用于測量氣體種類濃度的裝置)，從而確定燃料氣體成分，因而容許計算進入的氣體燃料的LHV。所確定的進入氣體燃料的LHV繼而用于確定瞬時的麗I，并自動地調(diào)制主要氣體燃料和輔助氣體燃料的混合比。還通過將增加或降低氣體預熱溫度的需求反饋至燃料加熱器控制系統(tǒng)，從而可采用寬得多的燃料成分范圍和由此引起的麗I水平，而不發(fā)生燃燒動力水平的顯著變化和N0X排放的最小變化。 輔助氣體供應系統(tǒng)用于將受控數(shù)量的輔助氣體混合到主要氣體燃料供應系統(tǒng)中。輔助氣體供應系統(tǒng)可包括氣體控制閥、停止閥、互連管道、壓力計、質(zhì)量流量計、溫度計等，并可類似于主要天然氣燃料供應系統(tǒng)的現(xiàn)有布置。輔助氣體供應系統(tǒng)可為模塊化的形式。
可對燃氣渦輪控制器軟件進行改進，使得輔助氣體供應可根據(jù)需求信號而注入所需量的輔助氣體，需求信號可建立在控制器中或可由操作員設(shè)定。 圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的DLN燃氣渦輪排放的基本示意圖和燃料控制系統(tǒng)200的示意圖。入口導管205接收外部空氣206，并將空氣供應至入口導向葉片210。入口導向葉片210控制流向壓縮機215的空氣。壓縮機215可由燃氣渦輪230的驅(qū)動軸220驅(qū)動。運行渦輪230的驅(qū)動軸220驅(qū)動用于發(fā)電的發(fā)電機235。來自燃料輸送系統(tǒng)245的燃料240和來自壓縮機215的壓縮空氣250被供應至多個燃燒器255，在燃燒器中，燃料和空氣混合并燃燒，以產(chǎn)生熱的氣體。輸送熱氣體256以驅(qū)動渦輪230，并通過排氣導管260排出。燃氣渦輪控制器290(例如，通用電氣公司的SpeedtronicTM商標的控制器)提供了對燃氣渦輪的全部控制。 控制器290可接收來自燃料輸送系統(tǒng)245的混合燃料的測量值和計算值。這種計算值可包括燃料混合物的麗I?？刂破?90可要求燃料混合物的各種計算值保持在允許的限制內(nèi)，尤其是混合燃料的麗I保持在允許的限制內(nèi)。如果混合燃料的測量麗I值或計算麗I值落在允許的范圍外，則控制器290可通過使用與燃料輸送系統(tǒng)245的鏈路246來響應調(diào)整燃料240的溫度和混合。 排放監(jiān)測系統(tǒng)295對來自排氣導管260的排氣261進行取樣，并向控制器290提供指示和控制信號296。如果排放在使用混合燃料混合物的運行下保持在規(guī)格內(nèi)，則控制器290可通過發(fā)信號246通知調(diào)整燃料輸送系統(tǒng)245的燃料240的溫度和混合而起響應?？刂葡到y(tǒng)還可包括位于燃燒器255上的燃燒聲音監(jiān)測器285，向控制器290提供指示和控制信號286，這可說明燃燒器255是否安全地運行。如果燃燒器255未安全地運行在混合的燃料混合物下，則控制器290可通過調(diào)整246燃料輸送系統(tǒng)245的燃料240的溫度和混合而起響應。
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圖3顯示了本發(fā)明的燃料混合和控制系統(tǒng)的實施例的示意圖。通過主要燃料加熱器310和主要燃料流控制315而提供了主要氣體燃料供應305。通過輔助氣體加熱器325和輔助氣體流控制330而提供了輔助氣體供應320。 用于主要氣體燃料和輔助氣體的氣體供應硬件可包括停止閥、控制閥、限位開關(guān)、壓力計和溫度計、連接法蘭、連接管道等。通過燃氣渦輪控制器可電動或氣動地激活這些閥。 提供主要氣體燃料傳感器335以測量主要燃料參數(shù)，提供輔助氣體傳感器以測量輔助氣體參數(shù)。用于主要氣體燃料和用于輔助氣體的測量參數(shù)可包括溫度336、341，壓力337、342，流速338、343以及氣體成分339、344。 燃料品質(zhì)監(jiān)測可能需要提供氣體色譜儀或其它用于氣體成分的測量的相似儀器。備選地，具備現(xiàn)有氣體色譜儀的發(fā)電廠可將這些儀器集成到系統(tǒng)的實施例中。燃料品質(zhì)監(jiān)測傳感器可安裝在主要氣體燃料和輔助氣體的單獨的流路徑或混合燃料的流路徑中。氣體色譜儀提供了單獨的氣體成分(例如甲烷、乙烷、丁烷、丙烷、氫氣)的相對濃度，從而可在系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行加權(quán)計算，以確定所測量的氣體流的LHV和麗I。 針對主要燃料流和輔助氣體流而提供的傳感器分別產(chǎn)生這兩個流的測量，這可用于計算混合流355的麗I。備選地，傳感器360可測量或直接監(jiān)測混合燃料，用于確定混合燃料的麗I 365。 構(gòu)件可完全封閉在緊湊的臺架中，或者可根據(jù)典型的發(fā)電廠中的可用空間作為單獨的工件而安裝。根據(jù)典型的發(fā)電廠的配置，可為輔助氣體供應管路添加其它所需的硬件，例如燃料加熱器、過濾器、氣體壓縮機等。 可對現(xiàn)有的燃氣渦輪控制器軟件進行改進，以允許輔助氣體注入并允許混合燃料運行?？上蚩刂栖浖砑硬僮鲉T接口模塊，以提供使渦輪操作員傳送所需燃料混合需求信號的能力。備選地，操作員接口可與發(fā)電廠控制器一體地結(jié)合，從而可將自動的輔助氣體混合需求信號發(fā)送至燃氣渦輪控制器。 提供燃燒動力監(jiān)測儀器375以感測用于燃氣渦輪的多個燃燒器255內(nèi)的性能。燃燒動力監(jiān)測儀器將向控制器380提供燃燒噪聲輸入，該控制器將用于對于給定的混合燃料混合物評估低N0X燃燒系統(tǒng)中的可接受的動力水平。如果使用混合燃料的運行產(chǎn)生了不可接受的燃燒動力水平，那么，控制器可改進用于主要氣體燃料和/或輔助氣體的燃料混合或溫度。 燃料混合需求信號將容許輔助氣體燃料供應以預定的斜率注入所需的量的輔助燃料，使得麗I保持在燃料噴嘴的規(guī)定限制內(nèi)。 操作員通知警報器也將警告控制室操作員引入燃氣渦輪中的輔助燃料的量。如果混合燃料超出允許的范圍外，則控制器軟件將啟動燃氣渦輪返回至100%的主要氣體燃料。
控制系統(tǒng)380還可與排放監(jiān)測系統(tǒng)370 —體地結(jié)合，以調(diào)整燃料混合物和溫度，從而可減小對排放的影響。 圖4顯示了將輔助氣體與主要氣體燃料混合的方法的流程。在第一步驟410中，對于將與主要氣體燃料相混合的輔助氣體，規(guī)定了混合百分比。在步驟420中，由系統(tǒng)控制器命令輔助氣體供應系統(tǒng)在規(guī)定的溫度下提供指定百分比的輔助氣體，從而供應與燃氣渦輪的運行條件所需要的燃料溫度相一致的混合燃料。在步驟430中，規(guī)定的輔助氣體的添加
9可斜線上升到所需的混合度。在步驟440中，儀器和燃料品質(zhì)傳感器監(jiān)測燃料混合物。燃料品質(zhì)傳感器可以是色譜儀或其它確定燃料混合物的分子成分的儀器。在步驟445中，可從測量參數(shù)中計算出混合燃料的麗I 。在步驟450中，可將混合燃料的麗I與所需的麗I相比，該麗I由系統(tǒng)控制器針對燃料而提供。如果混合燃料的麗I在預先設(shè)計的公差內(nèi)不符合燃料的所需麗I，那么，在步驟455中，可調(diào)整輔助氣體溫度，并可減少輔助氣體流。如果混合燃料的麗I在預先設(shè)計的公差內(nèi)，那么，在步驟440中，繼續(xù)監(jiān)測混合燃料。
此外，在步驟460中，當使用主要氣體燃料和輔助氣體的混合物來進行運行時，排放控制傳感器監(jiān)測燃氣渦輪的排氣排放。在步驟465中，將排放與規(guī)定的排放限制相比。如果排放在限制內(nèi)，那么在每個步驟460中繼續(xù)排放的監(jiān)測。如果在步驟465中，排放落在規(guī)定的排放范圍外，那么控制器可在步驟455中調(diào)整主要氣體燃料和輔助氣體的溫度以及主要氣體燃料流和輔助氣體流，以使排放恢復到步驟465中的區(qū)間內(nèi)。 此外，在步驟470中，燃燒聲學傳感器可監(jiān)測燃燒器內(nèi)的噪聲水平，并向控制器提供以用于分析。在步驟475中，控制器分析燃燒過程，并且，在步驟480中，確定燃燒過程是否使用混合燃料來安全地進行運行。如果燃燒過程不在可接受的限制內(nèi)，那么，在步驟455中，可調(diào)整用于主要氣體燃料和輔助氣體的溫度和流速，以恢復令人滿意的燃燒動力。如果燃燒運行另人滿意，那么在每個步驟470中繼續(xù)監(jiān)測燃燒。 在對不令人滿意的麗I、燃燒動力或排放的任何以上響應中，響應可包括返回至使用100%的主要氣體燃料的運行。 混合燃料系統(tǒng)和方法將容許發(fā)電廠客戶降低運行成本，并在對公用電網(wǎng)系統(tǒng)的電力銷售的日常投標中更好地競爭。此外，這種混合燃料系統(tǒng)和方法是環(huán)保的。這種混合燃料系統(tǒng)可在現(xiàn)有的燃氣渦輪系統(tǒng)上進行改裝，或者應用于新的提案。 在本發(fā)明的一個這種實施例中，可將作為輔助氣體燃料的氫氣與天然氣燃料混合。在這種混合物中，所需的天然氣燃料和輔助氫氣的混合可包括大約5%的氫氣的優(yōu)選混合。另一實施例可包括作為輔助氣體燃料的大約10%的氫氣與作為主要氣體燃料的天然氣的組合。 此外，混合系統(tǒng)硬件和控制方法論可按比例地適應各種燃氣渦輪框架的尺寸。
雖然本文中描述了各種實施例，但從說明書中應該領(lǐng)會，可進行其要素、變型或改進的各種組合，且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種干式低NOX(DLN)燃氣渦輪(200)，包括主要氣體燃料供應系統(tǒng)(305)；輔助氣體供應系統(tǒng)(320)；燃燒器(255)，包括單個下游燃燒區(qū)域，該單個下游燃燒區(qū)域由居中位于所述燃燒器的軸線上的中心燃料噴嘴和圍繞所述中心噴嘴而同心地布置的多個主要噴嘴供應，其中，所述主要噴嘴和所述中心燃料噴嘴將燃料混合物與用于所述燃燒器的空氣預混合，此外，所述燃料混合物包括來自所述主要氣體燃料供應系統(tǒng)的主要氣體燃料(305)和來自所述輔助氣體供應系統(tǒng)的輔助氣體(320)；燃氣渦輪控制系統(tǒng)(290)；排放控制監(jiān)測系統(tǒng)(295)；以及混合燃料控制功能(300)，包括燃料品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)(380)和燃燒動力監(jiān)測系統(tǒng)(375)，適合于根據(jù)所述燃料混合物(355)的品質(zhì)的預定范圍和燃燒動力的避免而控制來自所述主要氣體燃料供應的主要氣體燃料(305)和來自輔助氣體供應系統(tǒng)的輔助氣體(320)的燃料混合物(355)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DLN燃氣渦輪(200)，其特征在于，所述混合燃料控制功能(300)還適合于根據(jù)預定限制(380)內(nèi)的控制排放(370)而控制來自所述主要氣體燃料供應系統(tǒng)的主要氣體燃料(305)和來自所述輔助氣體供應系統(tǒng)的輔助氣體(320)的混合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DLN燃氣渦輪(200)，其特征在于，所述主要氣體燃料(305)包括天然氣，所述輔助氣體(320)包括稀釋氣體和氣體燃料中的至少一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的DLN燃氣渦輪(200)，其特征在于，所述輔助氣體燃料(320)包括氫氣、乙烷、丁烷、丙烷以及液化天然氣中的至少一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DLN燃氣渦輪(200)，其特征在于，所述燃料品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包括燃料品質(zhì)監(jiān)測傳感器(364)，適合于測量所述燃料混合物(355)的氣體種類測量濃度；針對所述燃料混合物(355)的溫度測量(361)，以及計算器(365)，用于計算所述燃料混合物(355)的修正沃泊指數(shù)(麗I)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的DLN燃氣渦輪(200)，其特征在于，所述混合燃料控制功能(300)還包括:所述燃料混合物(355)的預定的混合比；所述燃料混合物(355)的所計算的修正沃泊指數(shù)(麗I) (365)的允許范圍；以及所述燃料混合物(355)的混合比以及所述主要氣體燃料(305)和所述輔助氣體(320)的溫度(336) (341)中的至少一個的調(diào)整，適合于將所述燃料混合物(355)的所計算的麗I (365)保持在所述允許范圍內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的DLN燃氣渦輪(200)，其特征在于，所述燃料混合物(355)的所計算的麗I(365)的所述允許范圍包括由所述控制系統(tǒng)(290)針對所述燃氣渦輪(200)的運行條件而確定的麗I值的大約+5%至_5%的范圍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DLN燃氣渦輪(200)，其特征在于，所述混合燃料控制功能(300)還包括:從所述燃燒動力監(jiān)測系統(tǒng)至所述控制系統(tǒng)的燃燒噪聲輸入(375);基于所述燃燒噪聲輸入(375)而評估(380)使用所述混合燃料(355)的運行的燃燒動力的可接受性；調(diào)整以下的至少一個所述燃料混合物(355)、所述主要氣體燃料(305)和所述輔助氣體(320)中的至少一個的溫度(336) (341)，從而避免不可接受的燃燒動力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的DLN燃氣渦輪(200)，其特征在于，所述混合燃料控制功能還包括調(diào)整以下的至少一個所述燃料混合物(355)、所述主要氣體燃料(305)和所述輔助氣體(320)的溫度(336) (341)中的至少一個，從而避免排放控制(370)超出容許限制(380)之外。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃氣渦輪的自動化燃料混合和控制的系統(tǒng)和方法。具體而言，本發(fā)明為干式低NOX燃氣渦輪(200)的運行提供了一種將低廉的輔助氣體(320)與主要氣體燃料(305)混合的靈活且自動的系統(tǒng)和方法。輔助氣體(320)可以是氣體燃料，例如氫氣、乙烷、丁烷、丙烷以及液化天然氣或惰性氣體。通過將混合燃料(355)控制在修正沃泊指數(shù)的可允許的范圍內(nèi)，可避免燃燒動力。還可監(jiān)測燃燒動力(375)和燃氣渦輪排氣排放(370)，以保持使用混合燃料(355)的安全燃燒。燃氣渦輪控制系統(tǒng)(290)可調(diào)整主要氣體燃料(305)和輔助氣體(320)的混合物(355)和溫度(361)，以促進所需的燃燒。
文檔編號F02C9/26GK101793196SQ20091026675
公開日2010年8月4日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者A·B·坎普貝爾, J·S·戈德米爾, J·S·薩特, R·安尼格里 申請人:通用電氣公司