專利名稱：用于加熱簡(jiǎn)單循環(huán)設(shè)備中的渦輪機(jī)燃料的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題涉及用于簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃料的加熱。
背景技術(shù)：
簡(jiǎn)單循環(huán)設(shè)備中的燃?xì)鉁u輪機(jī)通常使用燃料與壓縮空氣的混合物，以用于燃燒。 然而，在一些情況下，燃料可處在比較低的溫度，而壓縮空氣可處在比較高的溫度。低的燃 料溫度可降低燃?xì)鉁u輪機(jī)的性能，降低燃?xì)鉁u輪機(jī)的效率，并增大燃?xì)鉁u輪機(jī)的排放。因 此，可能合乎需要的是在使燃料與壓縮空氣混合之前加熱燃料，以便改進(jìn)燃?xì)鉁u輪機(jī)的性 能、效率和排放，或者以便補(bǔ)償燃料組成的變化。

發(fā)明內(nèi)容
下面概述了在范圍方面與初始要求保護(hù)的發(fā)明相稱的某些實(shí)施例。這些實(shí)施例不 意圖限制要求保護(hù)的發(fā)明的范圍，而是相反，這些實(shí)施例僅意圖提供本發(fā)明的可能形式的 簡(jiǎn)要概述。實(shí)際上，本發(fā)明可包括可能類似于或異于下面所闡述的實(shí)施例的多種形式。在第一實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。該燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括構(gòu)造成 以便接收和壓縮空氣的壓縮機(jī)。該燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)還包括構(gòu)造成以便接收來(lái)自壓縮機(jī)的第 一壓縮空氣流和燃料的燃燒器，其中，該燃燒器構(gòu)造成以便燃燒壓縮空氣與燃料的混合物， 以產(chǎn)生排氣。該燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)還包括構(gòu)造成以便接收來(lái)自燃燒器的排氣以及利用該排氣 使軸旋轉(zhuǎn)的渦輪。該系統(tǒng)還包括燃料加熱系統(tǒng)，該燃料加熱系統(tǒng)構(gòu)造成以便接收來(lái)自壓縮 機(jī)的第二壓縮空氣流，以利用來(lái)自第二壓縮空氣流的熱加熱中間傳熱介質(zhì)，利用來(lái)自中間 傳熱介質(zhì)的熱加熱燃料，以及將燃料輸送到燃燒器。中間傳熱介質(zhì)專門地在燃料加熱系統(tǒng) 內(nèi)流動(dòng)。在第二實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括燃料加熱器。該燃料加熱器包括第一熱交換器，第 一熱交換器構(gòu)造成以便從壓縮機(jī)接收壓縮空氣，以及將熱從該壓縮空氣傳遞到冷卻了的中 間傳熱介質(zhì)，以便產(chǎn)生加熱了的中間傳熱介質(zhì)。該燃料加熱器還包括第二熱交換器，第二熱 交換器構(gòu)造成以便接收來(lái)自第一熱交換器的加熱了的中間傳熱介質(zhì)，以及將熱從該加熱了 的中間傳熱介質(zhì)傳遞到燃料。第一熱交換器構(gòu)造成以便接收來(lái)自第二熱交換器的冷卻了的 中間傳熱介質(zhì)。在第三實(shí)施例中，一種方法包括使用來(lái)自壓縮機(jī)的壓縮空氣作為第一熱源在第一 熱交換器內(nèi)加熱中間傳熱介質(zhì)。該方法還包括使用來(lái)自第一熱交換器的加熱了的中間傳熱 介質(zhì)作為第二熱源在第二熱交換器內(nèi)加熱燃料。該方法還包括使中間傳熱介質(zhì)在具有第一 熱交換器和第二熱交換器的閉環(huán)中流通。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將得到 更好的理解，在附圖中，同樣的符號(hào)在所有圖中表示同樣的部件，其中
圖1是具有燃料加熱系統(tǒng)的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例的簡(jiǎn)圖；圖2是如圖1所示的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D；圖3是圖1的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)和燃料加熱系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意性流程 圖；圖4是圖1的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)和燃料加熱系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的示意性流程 圖；且圖5是用于使用來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)的加熱了的空氣作為熱源在 燃料加熱系統(tǒng)中加熱燃料的方法的一個(gè)實(shí)施例的操作程序圖。
具體實(shí)施例方式以下將對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行描述。為了致力于提供這些實(shí)施例 的簡(jiǎn)要描述，可能不會(huì)在說明書中描述實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征。應(yīng)當(dāng)理解，在例如在任何工程 或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的任何這種實(shí)際實(shí)現(xiàn)的開發(fā)中，必須作出許多對(duì)于實(shí)現(xiàn)而言專有的決定來(lái)實(shí) 現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，例如符合與系統(tǒng)有關(guān)及與商業(yè)有關(guān)的約束，開發(fā)人員的具體目標(biāo)可 根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)而彼此有所不同。此外，應(yīng)當(dāng)理解，這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗時(shí)的，但 盡管如此，對(duì)受益于本公開的普通技術(shù)人員來(lái)說，這種開發(fā)工作將是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造的例 行任務(wù)。當(dāng)介紹本發(fā)明的各實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞“一個(gè)”、“一種”、“該”和“所述”意圖表 示存在一個(gè)或多個(gè)該元件。用語(yǔ)“包括”、“包含”和“具有”意圖為包括性的，且表示除了列 出的元件之外，可存在另外的元件。所公開的實(shí)施例包括用于使用來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮機(jī)的加熱了的空 氣作為熱源來(lái)加熱用于該簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃料的系統(tǒng)和方法。例如，在某些實(shí)施例 中，可將來(lái)自壓縮機(jī)的壓縮空氣引導(dǎo)到第一熱交換器中，在第一熱交換器中，使用該壓縮空 氣來(lái)加熱中間傳熱介質(zhì)，諸如水。另外，中間傳熱介質(zhì)可包括鹽水，油，氟利昂，惰性氣體， 水-乙二醇，基于合成有機(jī)物的流體，基于烷化芳香物的傳熱流體等等。接下來(lái)，可將來(lái)自 第一熱交換器的加熱了的中間傳熱介質(zhì)引導(dǎo)到第二熱交換器中，在第二熱交換器中，在將 燃料輸送到簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)以便進(jìn)行燃燒之前，使用該加熱了的中間傳熱介質(zhì)來(lái)加熱 燃料。最后，可將來(lái)自第二熱交換器的冷卻了的中間傳熱介質(zhì)引導(dǎo)回到第一熱交換器中，在 第一熱交換器中，冷卻了的中間傳熱介質(zhì)可由來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮機(jī)的加熱了 的空氣來(lái)加熱。另外，在某些實(shí)施例中，可使用儲(chǔ)熱裝置來(lái)臨時(shí)地儲(chǔ)存在第一熱交換器與第 二熱交換器間來(lái)回傳遞的中間傳熱介質(zhì)。使用中間傳熱介質(zhì)降低了在第一熱交換器與第 二熱交換器中結(jié)合壓縮空氣與燃料的可能性。此外，可減小或者甚至消除對(duì)外部傳熱裝備 (例如，輔助蒸發(fā)器，油槽熱交換器，電露點(diǎn)加熱器，催化加熱器等等)的需要。還可使用包 括各種中間傳熱介質(zhì)的備選的熱交換器構(gòu)造。圖1是具有燃料加熱系統(tǒng)12的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例的示意性流 程圖。如以下更加詳細(xì)地論述的，燃料加熱系統(tǒng)12可構(gòu)造成以便在將燃料14輸送到簡(jiǎn)單 循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10之前加熱該燃料14。特別地，該燃料加熱系統(tǒng)12可包括用于利用來(lái)自 簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)的加熱了的壓縮空氣來(lái)加熱中間傳熱介質(zhì)的第一熱交換 器，以及用于利用來(lái)自第一熱交換器的加熱了的中間傳熱介質(zhì)來(lái)加熱燃料14的第二熱交換器。簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10可使用液體或氣體燃料14，諸如天然氣和/或富氫合成 氣。如所描繪的，多個(gè)燃料噴嘴16吸入燃料供應(yīng)14，使燃料與空氣混合，并且將空氣_燃料 混合物分配到燃燒器18中?？諝?燃料混合物在燃燒器18內(nèi)的室中燃燒，從而產(chǎn)生熱加 壓排氣。燃燒器18引導(dǎo)排氣通過渦輪20而朝向排氣口 22。隨著排氣穿過渦輪20，該排氣 迫使一個(gè)或多個(gè)渦輪葉片使軸24沿著簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的軸線旋轉(zhuǎn)。如圖所示，軸 24可連接到簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的各種構(gòu)件上，包括壓縮機(jī)26。壓縮機(jī)26還包括可聯(lián) 接到軸24上的葉片。隨著軸24旋轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)26內(nèi)的葉片也旋轉(zhuǎn)，從而壓縮來(lái)自進(jìn)氣口 28 的空氣，使其通過壓縮機(jī)26并且進(jìn)入燃料噴嘴16和/或燃燒器18。軸24還可連接到負(fù)載 30上，負(fù)載30可為運(yùn)載工具或固定負(fù)載，例如，諸如發(fā)電設(shè)備中的發(fā)電機(jī)，或者飛行器上的 推進(jìn)器。負(fù)載30可包括能夠由簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的旋轉(zhuǎn)輸出供以動(dòng)力的任何合適的
直ο圖2是如圖1所示的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的一個(gè)示例性實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D。 簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10包括位于一個(gè)或多個(gè)燃燒器18內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)燃料噴嘴16。在 運(yùn)行中，空氣通過進(jìn)氣口 28進(jìn)入簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10，并且在壓縮機(jī)26中被加壓。然后， 壓縮空氣可與燃?xì)饣旌希员阍谌紵?8內(nèi)進(jìn)行燃燒。例如，燃料噴嘴16可以對(duì)于最優(yōu)的 燃燒、排放、燃料消耗和動(dòng)力輸出而言合適的比率將燃料-空氣混合物噴射到燃燒器18中。 燃燒產(chǎn)生熱加壓排氣，該排氣然后驅(qū)動(dòng)渦輪20內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)葉片32使軸24旋轉(zhuǎn)，且因 此使壓縮機(jī)26和負(fù)載30旋轉(zhuǎn)。渦輪葉片32的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致軸24旋轉(zhuǎn)，從而使得壓縮機(jī)26內(nèi) 的葉片34吸入由進(jìn)氣口 28接收的空氣，并且對(duì)該空氣加壓。返回圖1，簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10可使用來(lái)自燃料加熱系統(tǒng)12的燃料14來(lái)運(yùn)行。 特別地，燃料加熱系統(tǒng)12可為簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10供應(yīng)燃料14，燃料14可在簡(jiǎn)單循環(huán) 渦輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器18內(nèi)燃燒。燃料14可包括液體燃料，氣體燃料，或者它們的組合。 為了確保燃料14在渦輪機(jī)12的燃燒器18內(nèi)高效地燃燒，在某些實(shí)施例中，燃料加熱系統(tǒng) 12可包括用于在將燃料14輸送到燃燒器18之前加熱該燃料14的裝備。更具體地講，通過 在將燃料14輸送到燃燒器18之前加熱該燃料14，可改進(jìn)簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的性能、 效率和排放。同樣，在某些實(shí)施例中，可使用對(duì)燃料14的受控制的可變的加熱來(lái)補(bǔ)償燃料 14的組成的變化，該變化可影響燃料14的能量密度，且隨之影響排放、燃燒穩(wěn)定性以及其 它燃燒動(dòng)態(tài)特性，這又可影響硬件壽命。用于加熱燃料14的一種解決方案是使用輔助熱源，諸如輔助蒸發(fā)器、油槽熱交換 器、電露點(diǎn)加熱器或者催化加熱器，它們通常使用蒸汽、燃?xì)饣蛘唠妬?lái)作為熱源。然而，使用 這些類型的裝備來(lái)加熱燃料14可能涉及某些缺點(diǎn)。例如，安裝用于利用輔助熱源的裝備的 資本成本可能不是對(duì)資源的最高效的使用，因?yàn)檩o助裝備可大體上比實(shí)際所需要的裝備更 大。本文所公開的實(shí)施例大體涉及解決這些缺點(diǎn)。特別地，如以下更加詳細(xì)地描述的，所公 開的實(shí)施例提供了使用來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26的加熱了的壓縮空氣來(lái)加 熱中間傳熱介質(zhì)，該中間傳熱介質(zhì)又可用來(lái)在將燃料14輸送到簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的 燃燒器18之前加熱該燃料14。圖3是圖1的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10和燃料加熱系統(tǒng)12的一個(gè)實(shí)施例的示意性 流程圖。如圖所示，燃料加熱系統(tǒng)12可包括第一熱交換器36和第二熱交換器38。如以下更詳細(xì)地描述的，第一熱交換器36可用來(lái)使用來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26的 加熱了的壓縮空氣作為熱源來(lái)加熱中間傳熱介質(zhì)。另外，第二熱交換器38可用來(lái)使用加熱 了的中間傳熱介質(zhì)作為熱源來(lái)加熱燃料。因此，大體上，燃料加熱系統(tǒng)12可接收來(lái)自簡(jiǎn)單 循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26的加熱了的壓縮空氣，并且可產(chǎn)生用于在簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī) 系統(tǒng)10的燃燒器18中使用的加熱了的燃料14。為了更好地示出利用來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26的加熱了的壓縮空 氣來(lái)加熱燃料14的過程，將再次描述簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10大體如何運(yùn)行的概述。如圖 所示，渦輪20和壓縮機(jī)26可聯(lián)接到共同的軸24上，該軸還可連接到負(fù)載30上。壓縮機(jī) 26還包括可聯(lián)接到軸24上的葉片。隨著軸24旋轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)26內(nèi)的葉片也旋轉(zhuǎn)，從而壓縮 來(lái)自進(jìn)氣口 28的入口空氣。可將壓縮空氣40引導(dǎo)到簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器18 中，在此處，壓縮空氣40與燃料14混合以便在燃燒器18內(nèi)燃燒。更具體地講，該多個(gè)燃料 噴嘴16可以對(duì)于最優(yōu)的燃燒、排放、燃料消耗和動(dòng)力輸出而言合適的比率將空氣-燃料混 合物噴射到燃燒器18中?？諝?燃料混合物在燃燒器18內(nèi)燃燒，從而產(chǎn)生熱加壓排氣42。 燃燒器18引導(dǎo)排氣42通過渦輪20。隨著排氣42穿過渦輪20，該排氣迫使一個(gè)或多個(gè)渦 輪葉片使軸24旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)而使壓縮機(jī)26和負(fù)載30旋轉(zhuǎn)。更具體地講，渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)使 得軸24旋轉(zhuǎn)，從而使壓縮機(jī)26內(nèi)的葉片吸入由進(jìn)氣口 28接收的入口空氣，并且對(duì)該入口 空氣加壓。由壓縮機(jī)26所產(chǎn)生的壓縮空氣40不僅可處于升高的壓力，而且還可處于升高的 溫度。例如，在某些實(shí)施例中，由壓縮機(jī)26產(chǎn)生的壓縮空氣40可處在大約500° F(例如， 在簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10上的最小負(fù)載時(shí))到850° F(例如，在簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10 上的最大負(fù)載時(shí))的范圍中。然而，壓縮空氣40的溫度可在實(shí)現(xiàn)及工作點(diǎn)之間有所不同，且 在某些實(shí)施例中可為至少大約 400° F, 450° F, 500° F, 550° F, 600° F, 650° F, 700° F, 750° F，800° F，850° F，900° F，950° F，1000° F 等等。另外，壓縮空氣 40 的溫度可在 壓縮機(jī)26的不同的級(jí)之間有所不同。因此，壓縮空氣40大體處于升高的溫度(特別是與可能處于環(huán)境溫度的燃料14 相比)。因此，代替將整個(gè)壓縮空氣40流引導(dǎo)到簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器18中， 可將一定量的壓縮空氣40作為加熱了的空氣44引導(dǎo)或旁路到燃料加熱系統(tǒng)12，以便在第 一熱交換器36內(nèi)用作熱源。例如，在某些實(shí)施例中，可將一定百分比(例如，大約0-20% ) 的壓縮空氣40引導(dǎo)向第一熱交換器36。在某些實(shí)施例中，從主壓縮空氣40流中取得的加 熱了的空氣44的百分比可為大約至3%。然而，從主壓縮空氣40流中取得的加熱了的 空氣44的百分比也可在實(shí)現(xiàn)及工作點(diǎn)之間有所不同，且在某些實(shí)施例中，可大約為0. 5%, 1. 0%,1. 5%,2. 0%,2. 5%,3. 0%,3. 5%,4. 0%,4. 5%，5. 0%等等。這些百分比也可基于 壓縮空氣40的各種特性，諸如體積、壓力、質(zhì)量等等。事實(shí)上，除了被重新引導(dǎo)到第一熱交 換器36中的某些百分比之外，加熱燃料14所需要的某些質(zhì)量流率可確定應(yīng)當(dāng)將多少加熱 了的空氣44引導(dǎo)到第一熱交換器36中。在某些實(shí)施例中，壓縮空氣40在簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器18與燃料加熱 系統(tǒng)12的第一熱交換器36之間的分配可由第一熱交換器36下游的閥46控制。特別地， 閥46可控制有待輸送到第一熱交換器36的加熱了的空氣44的量。在某些實(shí)施例中，可使 用控制器48來(lái)控制加熱了的空氣44的流動(dòng)。特別地，控制器48可包括用于促動(dòng)閥46以控制流向燃料加熱系統(tǒng)12的第一熱交換器36的壓縮空氣40的流動(dòng)的控制邏輯。在某些 實(shí)施例中，可由控制器48至少部分地基于第一熱交換器36和第二熱交換器38內(nèi)的狀態(tài)來(lái) 調(diào)節(jié)壓縮空氣40和加熱了的空氣44的流動(dòng)。例如，可由控制器48基于從第二熱交換器38 輸送到燃燒器18的燃料14的溫度來(lái)控制壓縮空氣40在燃燒器18與第一熱交換器36之 間的分配，該溫度可由溫度傳感器50測(cè)量。如以上所述，引導(dǎo)到第一熱交換器36中的加熱了的空氣44可用來(lái)加熱中間傳熱 介質(zhì)52。中間傳熱介質(zhì)52可以是能夠從加熱了的空氣44接收熱的任何液態(tài)或氣態(tài)流體。 例如，中間傳熱介質(zhì)52可包括水，鹽水，油，氟利昂，惰性氣體，水-乙二醇，基于合成有機(jī)物 的流體，基于烷化芳香物的傳熱流體等等。大體而言，在第一熱交換器36內(nèi)被加熱的中間 傳熱介質(zhì)52可處于與來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26的加熱了的空氣44相比低 得多的溫度。例如，在某些實(shí)施例中，該中間傳熱介質(zhì)52的溫度可為大約80° F至300° F。 然而，再則，中間傳熱介質(zhì)52的溫度可在實(shí)現(xiàn)及工作點(diǎn)之間有所不同，并且在某些實(shí)施例 中可為大約 60° F，80° F, 100° F, 120° F, 140° F, 160° F, 180° F，200° F，220° F， 240° F, 260° F, 280° F, 300° F, 320° F, 340° F 等等。因此，可使用加熱了的空氣44來(lái)加熱中間傳熱介質(zhì)52，以產(chǎn)生加熱了的中間傳熱 介質(zhì)54，該中間傳熱介質(zhì)54可被弓丨導(dǎo)到第二熱交換器38中。在該過程其間，加熱了的空氣 44將被冷卻到一定程度，從而產(chǎn)生冷卻了的空氣56。在某些實(shí)施例中，可將冷卻了的空氣 56引導(dǎo)到簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10中。特別地，可將冷卻了的空氣56引導(dǎo)回到簡(jiǎn)單循環(huán)渦 輪機(jī)系統(tǒng)10的入口或排氣口。更具體地講，在某些實(shí)施例中，可將冷卻了的空氣56引導(dǎo)返 回而通過簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26。然而，在其它實(shí)施例中，可將冷卻了的空氣 56引導(dǎo)到其它外部過程。在某些實(shí)施例中，可將中間傳熱介質(zhì)52的溫度提高到大約425° F，而可將加熱 了的空氣44的溫度降低到大約140° F至240° F。如之前所述的，熱交換的量將在安放 (implantation)及工作點(diǎn)之間有所不同。這樣，輸送到第二熱交換器38的加熱了的中間傳 熱介質(zhì) 54 的溫度可在大約 350° F，375° F，400° F，425° F，450° F，475° F，500° F 等 等之間有所不同，而冷卻了的空氣56的溫度可在大約100° F, 120° F, 140° F, 160° F， 180° F, 200° F，220° F，240° F，260° F, 280° F, 300° F 等等之間有所不同。因此，在 某些實(shí)施例中，中間傳熱介質(zhì)52的溫度可在蘭氏溫標(biāo)上升高10 %，20 %，30 %，40 %，50 %， 60 %，70 %，80 %，90 %，100 %或更多，而加熱了的空氣44的溫度可在蘭氏溫標(biāo)上降低5 %， 10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50% 或更多?？墒褂靡龑?dǎo)到第二熱交換器38中的加熱了的中間傳熱介質(zhì)54來(lái)加熱源燃料58。 大體上，在第二熱交換器38內(nèi)被加熱的源燃料58可處于與來(lái)自第一熱交換器36的加熱了 的中間傳熱介質(zhì)54相比低得多的溫度。例如，在某些實(shí)施例中，源燃料58的溫度可為大約 60° F。然而，再則，源燃料58的溫度可在實(shí)現(xiàn)及工作點(diǎn)之間有所不同，且在某些實(shí)施例中 可為大約 40° F, 50° F,60° F, 70° F,80° F,90° F, 100° F，110° F, 120° F 等等。因此，可使用加熱了的中間傳熱介質(zhì)54來(lái)加熱源燃料58，以便產(chǎn)生加熱了的燃料 14，可將加熱了的燃料14引導(dǎo)到簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器18中。在該過程期間， 加熱了的中間傳熱介質(zhì)54將被冷卻到一定程度，從而產(chǎn)生冷卻了的中間傳熱介質(zhì)60。在 某些實(shí)施例中，可將源燃料58的溫度增加到大約375 ° F，而可將加熱了的中間傳熱介質(zhì)54的溫度降低到大約120° F。如之前所述，熱交換的量將在實(shí)現(xiàn)及工作點(diǎn)之間有所不同。 這樣，有待輸送到簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器18的加熱了的燃料14的溫度可在大 約 300° F, 325° F, 350° F, 375° F, 400° F, 425° F, 450° F 等等之間有所不同，而冷卻 了的中間傳熱介質(zhì)60的溫度可在大約80° F，90° F，100° F，110° F，120° F，130° F， 140° F，150° F，160° F等等之間有所不同。因此，在某些實(shí)施例中，源燃料58的溫度可 在蘭氏溫標(biāo)上升高 10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100% 或者更多，而 加熱了的中間傳熱介質(zhì)54的溫度可在蘭氏溫標(biāo)上降低5 %，10 %，15 %，20 %，25 %，30 %， 35%，40%，45%，50% 或者更多。另外，在某些實(shí)施例中，可使用寬沃泊(wobbe)控制來(lái)控制加熱了的燃料14，寬沃 泊控制本質(zhì)上是一種將燃料14的BTU (英制熱單位)含量調(diào)節(jié)到恒定值從而補(bǔ)償源燃料58 的組成的變化的方法。特別地，在某些實(shí)施例中，通過使用氣相色譜儀或者其它BTU測(cè)量裝 置62以及使用控制器48來(lái)調(diào)節(jié)中間傳熱介質(zhì)52的流率，以確保燃料14的BTU含量保持 處于大體恒定的值，可有助于寬沃泊控制。共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)公開No. 2009/0031731 中描述了寬沃泊控制，該公開特此通過引用而以其整體結(jié)合進(jìn)來(lái)。然而，以上關(guān)于圖3描述的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10和燃料加熱系統(tǒng)12的實(shí)施例 并不是唯一可行的設(shè)計(jì)。例如，圖4是圖1的簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10和燃料加熱系統(tǒng)12 的另一個(gè)實(shí)施例的示意性流程圖。如圖所示，作為如圖3中在第一熱交換器36中加熱來(lái)自 外部系統(tǒng)的中間傳熱介質(zhì)52的替代，可在第一熱交換器36內(nèi)加熱來(lái)自第二熱交換器38的 冷卻了的中間傳熱介質(zhì)60。因此，從第一熱交換器36發(fā)送到第二熱交換器38的加熱了的 中間傳熱介質(zhì)54以及從第二熱交換器38發(fā)送到第一熱交換器36的冷卻了的中間傳熱介 質(zhì)60可形成閉環(huán)加熱和冷卻系統(tǒng)，由此中間傳熱介質(zhì)54，60分別由第一熱交換器36和第 二熱交換器38交替地加熱和冷卻。換言之，中間傳熱介質(zhì)54，60可專門地在燃料加熱系統(tǒng) 12內(nèi)流動(dòng)。更具體地講，在某些實(shí)施例中，可使用泵64利用最少的中間裝備通過專用管路 在第一熱交換器36和第二熱交換器38間直接來(lái)回泵送中間傳熱介質(zhì)54，60。另外，可使用 至少一個(gè)控制閥66來(lái)控制中間傳熱介質(zhì)54，60在閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)。在某些實(shí)施例中，泵 64和控制閥66可由控制器48控制，以確保恰當(dāng)?shù)牧康臒岜粋鬟f到燃料14。例如，如以上 所述，在某些實(shí)施例中，加熱了的燃料14的熱含量可例如通過調(diào)節(jié)引導(dǎo)到第一熱交換器36 中的加熱了的空氣44的量而保持相對(duì)恒定。這樣的閉環(huán)加熱和冷卻系統(tǒng)可證實(shí)對(duì)于與簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10 —起使用特別 有利，因?yàn)槠湎藢?duì)于外部傳熱裝備(例如，電加熱器)和外部中間傳熱介質(zhì)源(例如， 來(lái)自給水系統(tǒng)的給水)的需要。在這種類型的閉環(huán)加熱和冷卻系統(tǒng)中使用中間傳熱介質(zhì) 54，60可簡(jiǎn)化從來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26的加熱了的空氣44到中間傳熱介 質(zhì)(例如，中間傳熱介質(zhì)54，60)、到燃料14的熱傳遞。在第一熱交換器36和第二熱交換 器38內(nèi)所使用的中間傳熱介質(zhì)54，60可為適于將熱從加熱了的空氣44傳遞到燃料14的 任何氣態(tài)或者液態(tài)流體。例如，中間傳熱介質(zhì)54，60可包括水，鹽水，油，氟利昂，惰性氣體， 水_乙二醇，基于合成有機(jī)物的流體，基于烷化芳香物的傳熱流體等等。另外，在某些實(shí)施例中，圖4的閉環(huán)加熱和冷卻系統(tǒng)可包括儲(chǔ)熱裝置68，諸如隔熱 儲(chǔ)罐。這樣，來(lái)自第一熱交換器36的加熱了的中間傳熱介質(zhì)54在被引導(dǎo)到第二熱交換器 38中之前可臨時(shí)地儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置68中。對(duì)于有助于在簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10起動(dòng)期間加熱燃料14而言，將加熱了的中間傳熱介質(zhì)54儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置68中可特別地有用。另 外，在其它實(shí)施例中，在來(lái)自第二熱交換器38的冷卻了的中間傳熱介質(zhì)60被引導(dǎo)回第一熱 交換器36中之前，可使用第二或者備選的儲(chǔ)熱裝置來(lái)臨時(shí)地儲(chǔ)存該冷卻了的中間傳熱介 質(zhì)60。此外，在某些實(shí)施例中，燃料加熱系統(tǒng)12可基本包括第一熱交換器36、第二熱交 換器38以及用來(lái)互連第一熱交換器36和第二熱交換器38的管路。另外，在其它實(shí)施例中， 燃料加熱系統(tǒng)12可基本包括第一熱交換器36、第二熱交換器38、一個(gè)或多個(gè)泵64、一個(gè)或 多個(gè)控制閥66、一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)熱裝置68以及用來(lái)互連第一熱交換器36和第二熱交換器38 以及一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)熱裝置68的管路。換言之，如以上所述，燃料加熱系統(tǒng)12可包括中間傳 熱介質(zhì)流動(dòng)通過其中的閉環(huán)系統(tǒng)。圖5是用于使用來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26的加熱了的空氣44作 為熱源在燃料加熱系統(tǒng)12中加熱燃料的方法70的一個(gè)實(shí)施例的操作程序圖。在步驟72 中，燃料加熱系統(tǒng)12可接收來(lái)自壓縮機(jī)26的加熱了的空氣44。如以上所述，可使用控制器 48來(lái)確定應(yīng)當(dāng)將多少加熱了的空氣44輸送到燃料加熱系統(tǒng)12以便用作熱源。例如，如果 由溫度傳感器50測(cè)量的燃料14的溫度低于目標(biāo)值，則控制器48可判定輸送到燃料加熱系 統(tǒng)12的加熱了的空氣44的量應(yīng)當(dāng)增加。因此，控制器48可促動(dòng)閥46，以便增大進(jìn)入燃料 加熱系統(tǒng)12的加熱了的空氣44的流率。相反地，如果溫度傳感器50測(cè)量的燃料14的溫 度高于目標(biāo)值，則控制器48可判定輸送到燃料加熱系統(tǒng)12的加熱了的空氣44的量應(yīng)當(dāng)減 小和/或中間傳熱介質(zhì)的質(zhì)量流率應(yīng)當(dāng)通過將中間傳熱介質(zhì)流率的一部分轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)熱裝 置68中(諸如在以下所述的步驟76中)來(lái)減小。因此，控制器48可促動(dòng)閥46，以減小進(jìn) 入燃料加熱系統(tǒng)12的加熱了的空氣44的流率。如以上所述，可使用中間傳熱介質(zhì)來(lái)加熱燃料14。首先在第一熱交換器36中利 用加熱了的空氣44加熱中間傳熱介質(zhì)且然后在第二熱交換器38中利用加熱了的中間傳熱 介質(zhì)加熱源燃料58的兩步式過程大體是有益的，因?yàn)樵谌剂霞訜嵯到y(tǒng)12中產(chǎn)生可燃的空 氣-燃料混合物的可能性得以降低。換言之，因?yàn)槭褂昧酥虚g傳熱介質(zhì)，存在更小的這樣的 可能性即，加熱了的空氣44與源燃料58將會(huì)混合而在燃料加熱系統(tǒng)12中產(chǎn)生不合乎需 要地可燃的情形。在步驟74中，可使用來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的壓縮機(jī)26的加熱了的空氣44 作為熱源在第一熱交換器36內(nèi)加熱中間傳熱介質(zhì)。換言之，在第一熱交換器36內(nèi)，熱將從 加熱了的空氣44傳遞到中間傳熱介質(zhì)?？墒褂媚軌?qū)釓募訜崃说目諝?4傳遞到中間傳 熱介質(zhì)的任何合適的熱交換器設(shè)計(jì)。在步驟74期間，中間傳熱介質(zhì)將被加熱而變成加熱了 的中間傳熱介質(zhì)54，該加熱了的中間傳熱介質(zhì)54將被引導(dǎo)到第二熱交換器38中，而加熱了 的空氣44將會(huì)被冷卻而變成冷卻了的空氣56。在步驟76中，來(lái)自第一熱交換器36的加熱 了的中間傳熱介質(zhì)54的一部分可以可選地儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置68-諸如隔熱儲(chǔ)罐中。在某些 實(shí)施例中，可使用儲(chǔ)熱裝置68來(lái)從閉環(huán)系統(tǒng)提取熱和/或?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)提供熱，以有助于調(diào) 節(jié)加熱了的燃料14中的熱含量的量。例如，在某些實(shí)施例中，控制器48可配置成以便使加 熱了的中間傳熱介質(zhì)54和/或冷卻了的中間傳熱介質(zhì)60轉(zhuǎn)移到一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)熱裝置68 和/或從一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)熱裝置68提取加熱了的中間傳熱介質(zhì)54和/或冷卻了的中間傳熱 介質(zhì)60，以便調(diào)節(jié)加熱了的燃料14中的熱含量。然后，在步驟78中，可將來(lái)自第一熱交換器36的加熱了的中間傳熱介質(zhì)54輸送到第二熱交換器38。在步驟80中，可使用來(lái)自第一熱交換器36的加熱了的中間傳熱介質(zhì)54作為熱源 在第二熱交換器38內(nèi)加熱源燃料58。換言之，熱將在第二熱交換器38內(nèi)從加熱了的中間 傳熱介質(zhì)54傳遞到源燃料58?？墒褂媚軌?qū)釓募訜崃说闹虚g傳熱介質(zhì)54傳遞到燃料 14的任何合適的熱交換器設(shè)計(jì)。在步驟80期間，源燃料58將被加熱，以成為將被引導(dǎo)到簡(jiǎn) 單循環(huán)渦輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器18中的燃料14，而加熱了的中間傳熱介質(zhì)54將被冷卻，以 成為可被引導(dǎo)回到第一熱交換器36中的冷卻了的中間傳熱介質(zhì)60。在步驟82中，已在第二熱交換器38內(nèi)被加熱了的燃料14可輸送到簡(jiǎn)單循環(huán)渦輪 機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器18。如以上所述，在某些實(shí)施例中，來(lái)自第二熱交換器38的燃料14的 溫度可通過溫度傳感器50由控制器48監(jiān)測(cè)，以判定進(jìn)入燃料加熱系統(tǒng)12的加熱了的空氣 44的流率應(yīng)當(dāng)增大、減小還是保持在當(dāng)前流率(除了別的之外)。最后，在步驟84中，可將 冷卻了的中間傳熱介質(zhì)60引導(dǎo)回到第一熱交換器36中。所公開的實(shí)施例的技術(shù)效果包括提供了用于使用來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓 縮機(jī)的壓縮空氣作為熱源來(lái)加熱用于在該簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)中使用的燃料的系統(tǒng)和方 法。更具體地講，可使用第一熱交換器來(lái)利用加熱了的壓縮空氣加熱中間傳熱介質(zhì)。接下 來(lái)，可將來(lái)自第一熱交換器的加熱了的中間傳熱介質(zhì)引導(dǎo)到第二熱交換器中，在第二熱交 換器中，可使用該加熱了的中間傳熱介質(zhì)來(lái)加熱燃料。最后，可將來(lái)自第二熱交換器的冷卻 了的中間傳熱介質(zhì)引導(dǎo)回到第一熱交換器中，此處，其可由來(lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓 縮機(jī)的加熱了的壓縮空氣加熱。通過使用中間傳熱介質(zhì)，顯著地降低或者消除了空氣-燃料混合物在第一熱交換 器與第二熱交換器中燃燒的可能性。另外，因?yàn)榭墒褂脕?lái)自簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮機(jī) 的現(xiàn)有的空氣來(lái)加熱燃料，所以對(duì)于外部傳熱裝備(例如輔助蒸發(fā)器，電加熱器等等)的需 求可降低或者甚至消除，由此降低了資本成本，降低了能量消耗，提高了可控制性，并且保 持了設(shè)備效率。此外，降低對(duì)于作為外部傳熱裝備的油槽加熱器的需要可降低排放。應(yīng)當(dāng) 注意，可結(jié)合所公開的系統(tǒng)和方法使用其它熱交換器構(gòu)造和/或中間傳熱介質(zhì)。本書面描述使用實(shí)例來(lái)公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使得本領(lǐng)域任何技術(shù) 人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或者系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本 發(fā)明的可授予專利的范圍由權(quán)利要求書來(lái)限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí) 例。如果這樣的其它實(shí)例具有不異于權(quán)利要求書的字面語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元素，或者如果它們包 括與權(quán)利要求書的字面語(yǔ)言沒有實(shí)質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則這樣的其它實(shí)例意圖處于 權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種系統(tǒng)，包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)，包括構(gòu)造成以便接收并壓縮空氣的壓縮機(jī)(26)；構(gòu)造成以便接收來(lái)自所述壓縮機(jī)(26)的第一壓縮空氣(40)流以及燃料(14)的燃燒器(18)，其中，所述燃燒器(18)構(gòu)造成以便燃燒所述壓縮空氣(40)與所述燃料(14)的混合物，以產(chǎn)生排氣(42)；以及構(gòu)造成以便接收來(lái)自所述燃燒器(18)的排氣(42)并且利用所述排氣(42)使軸(24)旋轉(zhuǎn)的渦輪(20)；和燃料加熱系統(tǒng)(12)，該燃料加熱系統(tǒng)(12)構(gòu)造成以便接收來(lái)自所述壓縮機(jī)(26)的第二壓縮空氣(40)流(44)，以利用來(lái)自所述第二壓縮空氣(40)流(44)的熱來(lái)加熱中間傳熱介質(zhì)(52)，利用來(lái)自所述中間傳熱介質(zhì)(52，54，60)的熱來(lái)加熱所述燃料(14)，以及將所述燃料(14)輸送到所述燃燒器(18)，其中，所述中間傳熱介質(zhì)(52，54，60)專門地在所述燃料加熱系統(tǒng)(12)內(nèi)流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)是簡(jiǎn)單循環(huán)燃 氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括構(gòu)造成用來(lái)調(diào)節(jié)流向所述 燃料加熱系統(tǒng)(12)的所述第二壓縮空氣(40)流(44)的閥(46)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括配置成以便至少部分地基 于來(lái)自所述燃料加熱系統(tǒng)(12)的所述燃料(14)的溫度來(lái)控制所述閥(46)的控制器(48)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料加熱系統(tǒng)(12)包括構(gòu)造成以便 利用所述第二壓縮空氣(40)流(44)來(lái)加熱所述中間傳熱介質(zhì)(52，60)的第一熱交換器 (36)，以及構(gòu)造成以便利用來(lái)自所述第一熱交換器(36)的所述中間傳熱介質(zhì)(54)來(lái)加熱 所述燃料(14)的第二熱交換器(38)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料加熱系統(tǒng)(12)包括構(gòu)造成用來(lái) 儲(chǔ)存來(lái)自所述第一熱交換器(36)的所述中間傳熱介質(zhì)(54)的一部分的儲(chǔ)熱裝置(68)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料加熱系統(tǒng)(12)包括閉環(huán)加熱和 冷卻系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料加熱系統(tǒng)(12)構(gòu)造成以便將所 述第二壓縮空氣(40)流(44)輸送到所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)的入口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述中間傳熱介質(zhì)(52，54，60)包括水。
10.一種方法，包括使用來(lái)自壓縮機(jī)(26)的壓縮空氣(40)作為第一熱源在第一熱交換器(36)內(nèi)加熱中 間傳熱介質(zhì)(52，60)；使用來(lái)自所述第一熱交換器(36)的所述中間傳熱介質(zhì)(54)作為第二熱源在第二熱交 換器(38)內(nèi)加熱燃料(14)；以及使所述中間傳熱介質(zhì)(52，54，60)在具有所述第一熱交換器(36)和所述第二熱交換器 (38)的閉環(huán)中流通。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于加熱簡(jiǎn)單循環(huán)設(shè)備中的渦輪機(jī)燃料的系統(tǒng)和方法。在某些實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括燃料加熱器(12)。該燃料加熱器(12)包括第一熱交換器(36)，該第一熱交換器構(gòu)造成以便接收來(lái)自壓縮機(jī)(26)的壓縮空氣(40)并且將熱從壓縮空氣(40)傳遞到冷卻了的中間傳熱介質(zhì)(52，60)以便產(chǎn)生加熱了的中間傳熱介質(zhì)(54)。該燃料加熱器(12)還包括第二熱交換器(38)，該第二熱交換器構(gòu)造成以便接收來(lái)自第一熱交換器(36)的加熱了的中間傳熱介質(zhì)(54)，并且將熱從加熱了的中間傳熱介質(zhì)(54)傳遞到燃料(14)。第一熱交換器(36)構(gòu)造成以便接收來(lái)自第二熱交換器(38)的冷卻了的中間傳熱介質(zhì)(60)。
文檔編號(hào)F02C7/224GK101929390SQ20101021758
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者D·M·托克卡, J·D·霍爾特 申請(qǐng)人:通用電氣公司