具有燃料调节系统的简单循环燃气涡轮机械系统

摘要

本发明关于一种具有燃料调节系统的简单循环燃气涡轮机械系统，包括压缩机部分和具有出口的涡轮机部分。至少一个燃烧器流体连接到压缩机部分和涡轮机部分。排气部件具有流体连接到涡轮机部分的出口的进口、第一出口和第二出口。燃料调节系统包括热交换部件，热交换部件具有第一回路和第二回路，第一回路具有排气进口和排气出口，排气进口流体连接到排气部件的第二出口，第二回路具有流体连接到燃料源的进口和流体连接到至少一个燃烧器的出口。受调节流体导管流体连接在燃烧器组件和排气部件的第一出口中的一个与受调节流体源之间。

说明书

技术领域

本发明所公开的主题涉及简单循环燃气涡轮机系统的领域，更 具体地涉及包括燃料调节系统的简单循环燃气涡轮机系统。

背景技术

燃气涡轮机械包括通过公共压缩机/涡轮机轴和燃烧器组件连接 到涡轮机部分的压缩机部分。进气流朝着压缩机部分通过进气口。 在压缩机部分中，进气流朝着燃烧器组件通过若干连续级被压缩。 在燃烧器组件中，压缩的气流与燃料混合以形成可燃烧混合物。可 燃烧混合物在燃烧器组件中燃烧以形成热气体。热气体被引导通过 过渡部件到达涡轮机部分。热气体通过涡轮机部分膨胀，作用在安 装在轮上的涡轮机叶片上，以产生输出的功，以例如对发电机、泵 提供动力或向车辆提供动力。

发明内容

根据本发明示例性实施例的一个方面，一种简单循环燃气涡轮 机械，包括：压缩机部分和可操作地连接到压缩机部分的涡轮机部 分。涡轮机部分包括出口。燃烧器组件包括流体连接到压缩机部分 和涡轮机部分的至少一个燃烧器。排气部件包括流体连接到涡轮机 部分的出口的进口、第一出口和第二出口。燃料调节系统包括热交 换部件，热交换部件包括第一回路和第二回路，第一回路具有排气 进口和排气出口，排气进口流体连接到排气部件的第二出口，第二 回路具有流体连接到燃料源的进口和流体连接到至少一个燃烧器的 出口。第一回路与第二回路是热交换关系。受调节流体导管流体连 接在燃烧器组件和排气部件的第一出口中的一个与受调节流体源之 间。

根据本发明示例性实施例的另一方面，一种调节用于简单循环 燃气涡轮机械的燃料的方法包括：将排气从简单循环燃气涡轮机械 的涡轮机部分输送到排气部件的进口；将排气的一部分在进口下游 从排气部件输送到热交换部件的第一回路的排气进口中；将燃料输 送通过热交换部件的第二回路；引导排气的一部分围绕第二回路以 呈热交换关系；传输排气的一部分通过热交换部件的排气出口；将 燃料从第二回路引导至流体连接到涡轮机部分的燃烧器；和将受调 节流体输送至燃烧器组件和排气进口中的一个。

从结合附图所进行的下列描述，这些和其他优点和特征将变得 更加明显。

附图说明

在说明书的结尾处的权利要求书中具体指出并明确地要求保护 作为本发明的主题。从结合附图所进行的下列详细描述，本发明的 前述和其他特征和优点将很明显，其中：

图1是根据示例性实施例的另一方面包括燃料调节系统的简单循 环燃气涡轮机械的示意图；和

图2是根据示例性实施例的另一方面包括燃料调节系统的简单循 环燃气涡轮机械的示意图。

详细的描述通过参考附图进行举例来说明本发明的实施例以及 优点和特征。

具体实施方式

在图1中的2处大体上指出根据示例性实施例的简单循环燃气涡 轮机械。涡轮机械2包括通过燃烧器组件8可操作地联接到涡轮机部 分6的压缩机部分4。燃烧器组件8包括一个或多个燃烧器10。涡轮 机械2还通过公共压缩机/涡轮机轴12机械联接到涡轮机部分6。发 电机15机械联接到压缩机部分4。当然，应当理解发电机15的具体 连接可以改变并且可以包括到涡轮机部分6的连接。

在操作中，空气进入压缩机部分4并且通过若干连续压缩机级被 压缩而形成压缩空气。压缩空气的一部分通过燃烧器组件8与燃料混 合形成可燃烧混合物。压缩空气的另一部分进入涡轮机部分6中以进 行冷却。可燃烧混合物在燃烧器10中燃烧，生成燃烧产物，燃烧产 物通过过渡部件（未示出）流动到涡轮机部分6。燃烧产物通过出口 18以排气形式离开涡轮机部分6。

涡轮机部分6的出口18流体连接到显示为排气管122形式的排 气部件120。排气管122从第一端124通过中间部分127延伸到第二 端125。第一进口130被设置为接近第一端124，第二进口131被设 置为接近第二端125。第一进口130和第二进口131的具体位置可以 改变。排气管122还包括布置在第一进口130下游和第二进口131上 游的第一出口133。第二出口134设置在第二进口131下游的第二端 125处。第二出口134排气到环境。为减少排气中的污染物（例如 NOx）、提供动力增值和以热回收形式增强效率，涡轮机械2联接到 燃料调节系统140。

燃料调节系统140包括热交换部件142，热交换部件142具有冷 凝部段143、第一回路146、第二回路148和第三回路150，冷凝部 段143设置有冷凝出口元件144。第一回路146包括流体连接到排气 管122上的第一出口133的排气进口153。进入第一回路146的排气 通过排气进口153并且通过排气流动通道157流动到排气出口155。 排气通过由气流调节器（damper）159控制的排气进口导管158。气 流调节器159在不需要燃料调节时切断到热交换部件142的流动。第 二回路148包括燃料进口164和燃料出口166。进入燃料进口164的 燃料通过布置成与流过排气流动通道157的排气成热交换关系的曲折 流动区168。燃料进口164通过燃料导管172流体连接到燃料源 170。

第三回路150包括冷凝物进口180、冷凝物出口182和曲折流动 区185。冷凝物从冷凝部段143经过受调节流体或冷凝物导管188。 冷凝物导管188从第一端部段190通过中间部段193延伸到第二端部 段191。泵195和冷凝物调节系统196流体连接到冷凝物导管188。 根据示例性实施例的方面，冷凝物调节系统196可以采取去离子器形 式。受调节冷凝物流过冷凝物进口180并沿着曲折流动区185流动， 与通过排气流动通道157的排气成热交换关系。冷凝物从冷凝物出口 182到达燃烧器10。更具体地，经加热的冷凝物通过出口导管198到 达喷嘴199。喷嘴199可以采取减温器（attemporator）、喷射器 （eductor）或排出器形式，例如在200处所示。在喷嘴199中，经加 热的冷凝物与通过燃料导管172的经加热燃料混合，并且被引入到燃 烧器10中。以受调节冷凝物形式引入受调节的流体，控制流过热交 换部件142的排气的排气温度。更具体地，燃料调节系统140降低排 气温度以防止排气引起可燃烧混合物达到自燃温度。应当理解，尽 管描述为从冷凝部段143通过，受调节流体可以通过流体连接在受调 节流体源202和出口导管198之间的受调节流体导管201。此外，应 当理解除了向燃烧器组件8提供受调节流体之外，受调节流体还可以 被提供至压缩机部分4和/或涡轮机部分6。

进一步根据示例性实施例，排气出口155通过排气出口导管206 流体连接到排气管122的第二进口131。从排气出口155通过的排气 的一部分被通入到流体连接在排气出口导管206和排气进口153之间 的调节支路209中。鼓风机或风扇211在调节支路209上游连接到排 气出口导管206。气流调节器213在调节支路209下游被设置在排气 出口导管206中。附加气流调节器214被设置在调节支路209中。气 流调节器213和214选择性地设置成引导从排气出口155通过的更冷 排气的一部分返回到从排气管122通过的更热排气中，并进入排气进 口153中。更冷排气和更热排气混合，以沿着排气流动通道157实现 期望的排气温度。气流调节器213和气流调节器214的具体开口程度 可以改变。此外，第一沃泊计217和第二沃泊计219布置在燃料进口 164和燃烧器10处，以监测燃料的燃烧能。

现在将参考图2，其中类似的附图标记在各个示图中表示相应的 部件。涡轮机部分6的出口18流体连接到显示为排气管242形式的 排气部件240。排气管242从第一端244通过中间部分247延伸到第 二端245。进口249被设置为接近第一端244。排气管242还包括布 置在进口249下游的第一出口250。第二出口252设置在第一进口 250下游的第二端245处。第二出口252排气到环境。为减少排气中 的污染物（例如NOx）、提供动力增值和以热回收形式增强效率， 涡轮机械2联接到燃料调节系统260。

燃料调节系统260包括热交换部件262，热交换部件262具有冷 凝部段263、第一回路266和第二回路268，冷凝部段263设置有冷 凝出口元件264。第一回路266包括流体连接到排气管242上的第一 出口250的排气进口270。进入第一回路266的排气通过排气进口 270，并且通过排气流动通道274流动到排气出口272。排气通过由 气流调节器284控制的排气进口导管280进入排气入口。气流调节器 284在不需要燃料调节时切断到热交换部件262的流动。第二回路 268包括燃料进口290和燃料出口292。进入燃料进口290的燃料通 过布置成与流过排气流动通道274的排气成热交换关系的曲折流动区 294。燃料进口290通过燃料导管298流体连接到燃料源296。以与 上述类似的方式，燃料调节系统260控制流过热交换部件262的排气 的排气温度。更具体地，燃料调节系统260降低排气温度以防止排气 引起可燃烧混合物达到自燃温度。

通过排气出口250的排气经过喷嘴316。喷嘴316可以采取减温 器、喷射器或排出器形式，例如在318处所示。在喷嘴316中，冷凝 物与排气混合。更具体地，受调节流体或冷凝物导管320从流体连接 冷凝物出口元件264的第一端部段324通过中间部段328延伸到第二 端部段326。第二端部段326流体连接到喷嘴316。泵340在冷凝物 调节系统344的上游流体连接中间部段328。冷凝物调节系统344可 以采取去离子器形式。以此方式，燃料调节系统260将受调节冷凝物 输送到流到热交换部件262中的热排气中。增加受调节冷凝物形式的 受调节流体，将排气温度降低到低于通过热交换部件262的可燃烧流 体的自燃温度。更具体地，增加冷凝物降低天然气、燃气涡轮机排 气和稀释物（H2O）混合物的可燃性限制。以与上述类似的方式，第 一沃泊计360和第二沃泊计370布置在燃料进口290和燃烧器10 处，以监测燃料的燃烧能。应当理解，尽管描述为从冷凝部段263通 过，受调节流体可以通过流体连接在受调节流体源401和冷凝物导管 320之间的受调节流体导管400。受调节流体还可以被提供至压缩机 部分4和/或涡轮机部分6。

本领域一般技术人员将领会，控制沿着排气流动通道68流动的 排气的排气温度，将热交换部件中的温度维持在低于通过燃烧器组 件的可燃烧混合物的自燃温度，降低操作风险和与在存在包含氧的 媒介时加热燃料相关的危害。此外，回收利用排气中的热量增加涡 轮机械效率。示例性实施例还可以将燃料温度保持为低于热分解温 度。示例性实施例还有助于用于加热与燃料直接热交换的媒介的原 动力。示例性实施例还保持燃气涡轮机的背压，因此保持用于操作 的性能要求。此外，应当理解尽管显示为采用减温器、喷射器或排 出器来将冷凝器引入到排气中，但是还可以采用其他系统用于冷凝 物引入和/或混合。还应当理解，受调节流体包括被调节到期望温度 的流体和被分子地和/或化学地改变的流体两者。

尽管结合有限数量的实施例详细描述本发明，但是应当很容易 理解本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改为 包括目前没有描述但与本发明的精神和范围相应的任意数量的改 变、变化、替换或等同布置。附加地，尽管已经描述本发明的各种 实施例，应当理解本发明的各方面可以包括所述实施例中的仅某一 些实施例。相应地，本发明不由前文描述限制，而是由所附权利要 求书的范围限制。