包括热水源和温水源的燃料加热器系统

摘要

本发明涉及一种包括热水源和温水源的燃料加热器系统。具体而言，提供了一种系统，该系统包括分别处于第一相对较高温度的第一给水(70)和处于第二相对较低温度的第二给水(100)；联接到给水(70，100)上的热交换器(90)，燃料和处于第一温度和第二温度的相对量的给水经由热交换器(90)流动来用于燃料加热；以及控制器(120)，其可操作地介于给水(70，100)与热交换器(90)之间，以便基于满足修正的沃泊指数(MWI)额定值的加热要求来选择和/或调节容许流过热交换器(90)以将燃料加热至一定温度的给水(70，100)的相对量。

说明书

技术领域

本文所公开的主题涉及使用热水源和温水源的燃料加热系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器以及涡轮。压缩机和涡轮通常包括轴向地叠置成级的叶片列。各级均包括固定的、沿周向间隔开的定子叶片列，以及围绕中心轴线或轴旋转的转子叶片列。在操作中，压缩机转子叶片围绕轴旋转，且与定子叶片协调一致地作用而压缩空气流。供送的压缩空气然后在燃烧器中用来使供送的燃料燃烧。由燃烧产生的热气流膨胀穿过涡轮，且导致涡轮叶片旋转，使得系统总体上用来将燃料转变成机械能。

通常，在燃烧器中使用的供送燃料经预热以促进高效的发动机操作。因此，有时候需要基于变化的燃料特性来改变燃料的预热温度。然而，常规的燃料输送系统可能具有局限性，该局限性导致在燃料输送至燃烧器时控制燃料预热温度方面的困难或延迟。这会造成燃料以不合宜的预热温度进行输送。

燃烧涡轮发动机通常设计成用以使用具有涉及热值的一定特性的燃料进行操作。燃料热值也可称为燃料总体发热值、总能量或沃泊指数额定值(rating)，大体上描述了在燃料燃烧时释放的热量或能量的总量。然而，在燃烧涡轮发动机应用中，如果考虑输送至喷嘴的燃料所处的温度，则可更为精确地描述经由燃料喷嘴以给定的压力比燃烧的燃料所释放的能量总量。考虑或补偿燃料温度的燃料特性通常称为修正的沃泊指数(MWI)额定值，该额定值等于燃料的低热值(LHV)除以燃料绝对温度的平方根，再乘以燃料的比重。因此，MWI额定值是指描述经由燃料喷嘴以给定压力比燃烧的燃料所释放的能量总量的燃料测量结果(或测量值，measure)，其中，给定压力比考虑或补偿了燃料输送至喷嘴所处的温度。

燃烧涡轮发动机通常设计成利用具有特定的MWI额定值或落入可接受的MWI额定值的范围内的燃料进行操作。在此情况下，具有修正或控制输送至燃烧器的燃料的温度(从而修正或控制燃料的MWI额定值)的能力，是确保发动机使用可接受的燃料而促进高效操作和减小燃烧器损坏的风险的有用方式。

然而，给定常规系统的局限性，在状态处于可接受或目标MWI额定值之外的情况下，成分和热值不同的不同燃料可相继地输送至燃烧器。这随后可导致对燃烧器的损坏、发动机性能低效和/或发动机操作降级。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种系统，该系统包括分别处于第一相对较高温度的第一给水(或供水，water supply)和处于第二相对较低温度的第二给水；联接到给水上的热交换器，燃料和处于第一温度和第二温度的相对量的给水经由热交换器流动用于燃料加热；以及控制器，其可操作地介于给水与热交换器之间，以便基于满足修正的沃泊指数(MWI)额定值的加热要求来选择和/或调节容许流经热交换器以将燃料加热至一定温度的给水的相对量。

根据本发明的另一方面，提供了一种系统，该系统包括分别设置在HRSG构件的下游和上游、分别处于第一相对较高温度和第二相对较低温度的第一给水和第二给水；联接到供送燃料和给水上的热交换器，燃料经由该热交换器朝燃气涡轮发动机的燃烧器流动，且相对量的给水经由该热交换器流动用于加热燃料；以及控制器，其可操作地介于给水与热交换器之间，以便基于满足修正的沃泊指数(MWI)额定值的加热要求来选择和/或调节容许流经热交换器以将燃料加热至一定温度的给水的相对量。

根据本发明的又一个方面，提供了一种系统，该系统包括用以确定待燃烧的燃料的热值的测试装置；基于热值将燃料加热至目标燃料温度的热交换器；提供自构件的第一相对较热的给水；绕过该构件的第二相对温热的给水；用以确定燃料的实际燃料温度的测量装置；以及控制器，其联接到测试装置和测量装置上，且可操作地介于第一和第二给水与热交换器之间，用以根据目标燃料温度和实际燃料温度选择和/或调节可朝热交换器输送的相对较热和相对温热的水的总量。

通过结合附图的如下描述，这些及其它优点和特征将变得更为明显。

附图说明

在所附权利要求中具体地指出和明确地主张了视作为本发明的主题。通过结合附图的如下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点将变得明显，在附图中：

图1为根据实施例的联合循环发电设备(或动力设备，power plant)的简图；

图2为图1中的联合循环发电设备的控制器的简图；

图3为根据其它实施例的联合循环发电设备的简图；以及

图4为操作联合循环发电设备的方法的流程图。

本详细说明通过举例而非限制的方式，参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。

零件清单

10发电设备(或动力设备)

20燃气涡轮发动机

21燃烧器

30HRSG(热回收蒸汽发生器)

31冷凝器

32冷凝泵

50供水泵

51备选给水

60IP(低压)节省器

70第一给水

80第一管路

90热交换器

91燃料管线(line)

92入口

93出口

100第二给水

110第二管路

120控制器

121存储器

130燃料源

140燃料测试装置

150燃料温度测量装置

151，152第一燃料温度测量装置和第二燃料温度测量装置

160，161第一水温测量装置和第二水温测量装置

170，171第一控制阀和第二控制阀

180三通控制阀

300测量温度

310确定成分

320确认发热值

330目标燃料设置

340调节

350实际温度测量

360比较

具体实施方式

参看图1至图3，在联合循环发电设备(或动力设备)10中，燃料和空气在燃气涡轮发动机20中燃烧，以产生机械能、热能和电。一部分热能传输至热回收蒸汽发生器(HRSG)30，在其中，热能用于例如通过在冷凝器31中冷凝且由冷凝泵32泵送的水来产生蒸汽。一部分蒸汽然后用于产生附加的机械能和/或电。

根据示例性实施例，由HRSG 30再循环(或再生)的水可引导至供水泵50，供水泵50将一部分再循环水泵送至例如HRSG 30的IP节省器60。该水经加热且以大约440°F的温度输出而作为第一给水70。水相对较热的该第一给水70然后经由第一管路80朝热交换器90供送，在热交换器90中，可用水来加热流向燃气涡轮发动机20的燃烧器21的燃料。尽管本文描述为具有大约400°F至440°F的温度，但应当理解的是，第一给水70可具有各种温度和压力，且可从除IP节省器60之外的构件获取或通过该构件而排出。

从供水泵50泵送的水的另一部分可经引导以经由第二管路110绕过HRSG 30和IP节省器60而作为水相对温热的具有大约300°F温度的第二给水100。第二管路110朝热交换器90供送第二给水100，在热交换器90中，该第二给水100也可用于加热燃料。这样，通过选择和/或调节第一给水70和第二给水100的相对量，或通过提供来自第一给水或第二给水的水，有可能改变燃料可通过热交换器90加热所达到的温度。尽管本文描述为具有大约300°F的温度，但应当理解的是，第二给水100可具有各种温度和压力，且可从除IP供水泵50之外的构件获得或通过该构件而排出。

如图1中所示，第二给水100可从备选给水51供给至第二管路。备选给水51可包括供水泵50、HRSG 30的另一构件、辅助锅炉(boiler)、一些其它相似的源和/或它们的组合。即是说，尽管上文将第一给水70描述为输出自IP节省器60而第二给水100描述为绕过IP节省器60，但应当理解的是，该布置仅为示例性的，且第一给水70和第二给水100可分别输出自其它构件以及使其绕过这些其它构件。这些其它构件可包括联接到图1中所示的HP蒸发器上的高压(HP)节省器、辅助锅炉、另一备选给水或这些和/或附加给水的一些组合，只要第一给水70和第二给水100处在不同的相对较热和温热的温度下予以提供。

如图2中所示，控制器120确定待加热燃料的燃料加热要求。基于该确定，控制器120选择和/或调节相对水量，该相对水量可提供自第一给水70和/或第二给水100来用于在热交换器90中加热燃料。在本发明的实施例中，控制器120可包括涡轮控制系统和/或其它适合的构件。

燃料的燃料加热要求涉及基于燃料成分的燃料发热值和比重。同时，燃烧器21的燃料喷嘴其尺寸确定为用于特定的MWI。因此，利用公知的燃料性质，燃料温度可相应地调节，且处在限定的MWI范围内。

因此，对于具有较低热值的燃料而言，燃气涡轮发动机20的操作需要降低的燃料加热水平。当燃气涡轮发动机20在相对较低的燃气轮机负载下操作，且因此需要总量相对减少的燃料时，这尤其如此。以前，这种情形需要容许来自于单独可用给水的高温水以较低流速的仅较少量而流至燃料气体热交换器。较低的流速趋于导致经由热交换器的水的层流，具有对应较低效率的燃料加热。此外，定位在热交换器出口处且构造成用以调节水经由热交换器的流速的温度控制阀(TCV)通常将会由于频繁的循环变化而经受使用寿命缩短。

相反，在本系统中，相对较热和温热的给水70，100以经调节的总量提供，用以加热处于较高、正常或较低燃气轮机负载(具有对应的燃料流)的相对较高或较低热值的燃料。因此，由于第二给水100的相对温热的水可用于加热燃料，故具有相对较低热值的燃料和/或在较低涡轮负载的周期期间可能不需要减少水流。因此，湍流状态可通过热交换器90而保持，具有相对高效的热传递能力，且相应地保持了相关TCV 122的使用寿命。

热交换器90可包括具有燃料管线91的管壳型热交换器。未加热的燃料经由燃料管线91从入口92流至出口93，在该出口处，经加热的燃料然后引向燃烧器21。热交换器90可联接到一个或多个燃料源130上，由此，热交换器90可按顺序地或共同地接收成分不同、发热值不同以及比重不同的多种燃料。热交换器90可通过如图1中所示的单条燃料管线，或在一些情况下通过多条燃料管线接收这些多种燃料。在一些情况下，热交换器90可定位在下文将阐述的测试装置140的下游预定距离A，其中，测试装置140测量发热值或分析燃料气体成分。

参看图1和图2，利用多种类型的燃料可流过热交换器90的可能性和燃料类型的变化可相对频繁和/或快速地发生的可能性，联接到控制器120上且与控制器120进行信号通信的燃料测试装置140可设置在热交换器90处或热交换器90的上游(见图1)。该燃料测试装置140用于确定当前燃烧或即将燃烧的燃料的发热值和比重，或当前燃烧或即将燃烧的燃料成分，以便可进一步确定关于其发热值、比重和/或对应所需的燃烧温度。

燃料测试装置140可包括气相色谱仪和/或气体热量计(即，沃泊测量计)中的至少一个或二者。气相色谱仪确定燃料物质的化学成分，且具有相对较长的采样时间。气体热量计或沃泊测量计提供对燃料发热值和比重的更直接的测量，且大致实时地检测燃料热值和/或其成分的变化。燃料测试装置140可提供在邻近热交换器90的各种位置上，而在一些实施例中，将提供在热交换器90的上游和/或邻近燃料入口92。

在一些示例性实施例中，燃料测试装置140可定位成使得燃料测试装置140与热交换器90之间的导管长度A处在大约300英尺至900英尺之间，或在一些情况下，在大约200英尺至300英尺之间，或在还一些情况下，在大约100英尺至200英尺之间。因此，一旦确认燃料的发热值和比重和/或对应所需的燃料温度，则燃料测试装置140可用于提供容许在燃料燃烧之前的系统响应所需或期望的任何附加时间。

燃料测试装置140、控制器120和/或一些其它构件中的至少一种可包括存储器121，如易失性存储器、非易失性存储器或它们的组合，在该存储器上储存有与具有各种发热值和比重的各种燃料成分相关的数据库。这样，一旦确定燃料成分，则与确定的燃料成分相关的燃料的卡值(或热值)可例如由控制器120的涡轮控制系统的构件直接地确认、计算或测量。

如图1和图2中所示，控制器120还可联接到燃料温度测量装置150上且与燃料温度测量装置150进行信号通信，该燃料温度测量装置150用于测量燃料温度和将反映燃料温度的信息提供给控制器120。详细而言，燃料温度测量装置150可包括分别设置在入口92处的第一燃料温度测量装置151和设置在出口93处的第二燃料温度测量装置152(见图1)。测量装置151和152分别测量未加热和加热的燃料的温度，且向控制器120提供可用于进一步的燃料加热控制的信息。

至少利用提供给控制器120的上述信息，控制器120可将已加热燃料的温度(即，实际燃料温度)与目标燃料温度相比较，这可基于燃料的热值或例如由控制器120的涡轮控制系统所计算的燃料发热值。控制器120然后可基于这些温度之间的任何差异来确定该差异是否在预先限定的范围内，或如果不是，则确定是否需要调节相对较热和相对温热的水的相对量，这些水容许流经热交换器90用于改变燃料加热，或在一些情况下用于冷却过度加热的燃料。

入口燃料温度还可用于确定系统10在加热燃料方面的效率如何。利用该加热效率信息，控制器120可关于具体给水的选择或关于确定是否需要使第一给水70和第二给水100的组合将燃料加热至有关MWI的范围内而作出越来越准确的判断。

在其它实施例中，控制器120还可联接到第一和第二水温测量装置160，161上，且与第一和第二水温测量装置160，161进行信号通信，该第一和第二水温测量装置160，161设置在第一给水70和第二给水100处(见图1)用以测量第一温度和第二温度以及向控制器120提供反映水温的信息。这样，控制器120可提供有更进一步的信息，通过该信息，可关于应当容许从第一给水70和第二给水100流向热交换器90的热水和温水的相对量而作出准确判断。

参看图1至图3，系统10可包括第一管路80和第二管路110，第一给水70和第二给水100分别通过该第一管路80和第二管路100引向热交换器90，且流体地联接到热交换器90上。如图1和图2中所示，系统10包括第一流动控制阀(或流量控制阀)170和第二流动控制阀171，该第一流动控制阀170和第二流动控制阀171联接到控制器120上，且与控制器120进行信号通信。第一流动控制阀170和第二流动控制阀171可设置在热交换器90的上游，且沿着第一管路80和第二管路110相应的一段长度。相反的是，如图2和图3中所示，联接到控制器120上且与控制器120进行信号通信的三通流动控制阀180可设置在热交换器90的上游，且处于第一管路80和第二管路110的相应终端处。在任一情况下，一旦控制器120关于正在燃烧或即将燃烧的燃料的热值作出确定，则控制器120进一步确定第一给水70和/或第二给水100是否将用于加热和容许流向热交换器90。控制器120然后发送信号给第一流动控制阀170和第二流动控制阀171和/或三通阀180，指示这些阀相应地开启或关闭。

尽管图1和图3示出了第一流动控制阀170和第二流动控制阀171以及三通阀180作为本发明的单独实施例的构件，但应当理解的是多种实施例是可能的。因此，一些实施例可包括第一流动控制阀170和第二流动控制阀171两者与三通阀180一起协同地操作，且第一流动控制阀170和第二流动控制阀171提供有例如响应于控制器120所发送的信号而进行隔离的选项。

现在参看图4，提供了一种操作结合联合循环发电设备使用的系统的方法，该联合循环发电设备包括具有燃烧器和HRSG的燃气涡轮发动机。该方法包括测量将燃烧或即将燃烧的燃料的温度300，以及确定燃料的成分310从而确认燃料的发热值320。这里，应当注意的是，确定燃料成分310可由直接确定燃料热值替代，或以其它的方式与确定燃料的发热值320同时实现。

一旦确认燃料的发热值，则可设置目标燃料温度330，并开始燃料加热。此时，给水或给水的组合容许用于调节燃料加热340，测量实际燃料温度350，以及比较实际燃料温度和目标燃料温度360。作为该比较的结果，如果发现实际燃料温度不在目标温度的预先限定的范围内，则控制回到调节操作340，使得第一给水或第二给水在需要升高或降低燃料温度期间用于燃料的加热。

尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应当容易理解，本发明并不限于这些公开的实施例。确切而言，本发明可进行修改，以结合任意数目的此前并未描述、但与本发明的精神和范围相匹配的变型、备选方案、替换方案或等效布置。此外，尽管已描述了本发明的多种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应看作是由以上说明限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。