专利名称：具有燃料预处理的脉冲爆燃动力系统和设备的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一种简单和联合循环动力系统，尤其涉及利用脉冲爆燃的简单和联合循环动力系统。
背景技术：
动力系统设计的首要目标是提高效率，无论这种动力系统是简单循环还是联合循环系统。然而，要达到高的循环效率，压力比和工作温度的提高必须在设备材料和冷却技术的允许下进行。目前使用复杂的高压压缩机和涡轮机来达到高的压力比，可以补偿传统燃烧过程中压力损失的百分之四至七(4-7％)。然而，这些系统需要大量复杂的旋转机器。
最近，人们致力于对航空发动机上的脉冲爆燃发动机的应用进行研究。有利的是，脉冲爆燃发动机从一系列重复爆燃中可得到一个升高的压力。然而，传统的动力设备所燃烧的燃料，例如天然气和馏出燃料，是难以进行爆燃的。因此，利用已有的脉冲爆燃技术，这些燃料将需要使用预爆燃管、炸药或高能电容性火花放电来引发爆燃。
因此，人们期望开发一种利用脉冲爆燃来提高循环效率的动力系统。人们也希望提高动力系统中所爆燃的燃料的爆燃性。
发明内容
概述简要的说，按照本发明的一个实施例，提供了一个动力系统的实施例。该动力系统包括一个燃料预处理器，该燃料预处理器适于将燃料变为至少一种经过处理的燃料。脉冲爆燃燃烧器适于容纳经处理的燃料和原始氧化剂，并适于二者组成的混合物的爆燃，并适于排出多种爆燃产物。涡轮机位于脉冲爆燃燃烧器的下游位置，该涡轮机与脉冲爆燃燃烧器流体连通。
在此也提供了动力设备的实施例。该动力设备包括至少一个燃料预处理器和多个动力系统。每个动力系统包括一个脉冲爆燃燃烧器和处于各脉冲爆燃燃烧器下游位置的涡轮机，该涡轮机与脉冲爆燃燃烧器流体连通。
附图简述对后面具体描述的阅读可以参考附图进行，以便更好的理解本发明的各种特征、方式和优点，附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中
图1所示是本发明一个动力系统的实施例；图2所示是用于提高图1中动力系统燃料的爆燃性的几个燃料预处理技术；图3所示是本发明的联合循环系统；图4所示是包括重整过程的本发明的另一个动力系统的实施例；图5所示是包括重整装置的动力系统；图6所示是另一个包括重整装置的动力系统；图7所示是本发明一个示例性动力设备的实施例；图8所示是动力设备的另一个构型；图9所示是本发明一个示例性的联合循环动力设备的实施例；图10所示是包括一个富氧装置的另一个动力系统的实施例；和图11所示是另一个包括重整装置的联合动力系统的实施例。
优选实施例说明参考图1说明第一个实施例。如图所示，动力系统100包括燃料预处理器20，该燃料预处理器20适于将燃料变为至少一种经处理的燃料。图1中的“Q”表示通过燃烧/部分氧化、电能和/或热能而提供给预处理器20的附加能量。动力系统100还包括脉冲爆燃燃烧器10，该脉冲爆燃燃烧器10适于容纳经处理的燃料和原始氧化剂，并适于二者组成的混合物的爆燃，并适于排出多种爆燃产物。作为例子的氧化剂包括空气和压缩空气。动力系统100还包括涡轮机30，该涡轮机30处于脉冲爆燃燃烧器10的下游位置并与脉冲爆燃燃烧器10流体连通。
应该理解的是，这里所用的“脉冲爆燃燃烧器”(或脉冲爆燃发动机)表示可以在设备内的一系列重复爆燃或准爆燃中产生压力升高和速度升高的任何设备或系统。“准爆燃”是指一个超声紊流燃烧过程，其产生的压力升高和速度升高比由爆燃燃烧波产生的压力升高和速度升高还要高。脉冲爆燃燃烧器的典型实施例包括点燃燃料/氧化物混合物例如燃料/空气混合物的装置和一个爆燃室，在爆燃室内点火过程产生的压力波阵面联合形成爆燃波。每次爆燃或准爆燃都由外部点火或气体动力学过程或另一次爆燃(交叉火焰)引起，外部点火的例子如火花放电或激光脉冲，气体动力学过程的例子如震动集中或自燃。爆燃室的几何形状是这样的，即爆燃波的压力升高驱动燃烧产物排出脉冲爆燃燃烧器以产生推力。本领域技术人员公知的是，脉冲爆燃可在多种类型的爆燃室中完成，这些爆燃室包括爆燃管、震动管、共振爆燃腔和环形爆燃室。
动力系统设计的首要目标是提高效率，无论这种动力系统是简单循环还是联合循环系统。然而，要达到高的循环效率，压力比和工作温度的提高必须在设备材料和冷却技术的允许下进行。目前使用复杂的高压压缩机和涡轮机来达到高的压力比，可以补偿传统燃烧过程中压力损失的百分之四至七(4-7％)。如上所述的动力系统100通过进行重复爆燃来达到压力升高的燃烧，这与传统的恒压燃烧过程形成了对比。因此，为了达到理想的高压不再需要高压压缩机。
重质燃料，例如重质烃类(C6及以上)难以进行爆燃。甚至相对轻质的燃料例如天然气(CH4)也需要大的引爆能量，通常需要使用预爆燃管、炸药或高能电容性火花放电来引发爆燃。有利的是，动力系统100包括一个燃料预处理器20，该燃料预处理器20用于将燃料变为至少一种经处理的燃料，即更易于爆燃的燃料。例如，液态烃燃料可被燃料预处理器20转变为较轻质的燃料。作为例子的燃料包括烃类燃料，例如天然气。对于天然气来说，其中一个问题是它的大分子尺寸。因此，对天然气进行的预处理，例如通过变换(使蒸汽和天然气发生反应以产生H2或者H2和CO的混合物)，可以提高爆燃的可引发性，从而促进天然气的直接应用，在此天然气作为易于获得的燃料。可以应用多个预处理技术来将燃料转变为经处理的燃料，图2示出了多个燃料预处理技术。尽管图2中有空气，预处理器20中使用的空气是可选择的，这取决于具体使用的预处理技术。例如，高温分解就不需要使用空气。按照一个实施例，燃料预处理器20包括热源22，该热源用于对管道22中的燃料进行加热以使燃料发生热分解。该热源可以是一个单独的加热器。作为可选择的方案，脉冲爆燃燃烧器10可以作为热源22使用。对于后一个实施例，既可以使用脉冲爆燃燃烧器10直接进行加热，也可以利用脉冲爆燃燃烧器10加热的中间流体的热量。另一个作为例子的热源是涡轮机30的排气流，这将在后面进行详细描述。对于另一个实施例，燃料预处理器20包括热源22和催化剂26，用于促进燃料的热分解。根据要热分解的燃料类型的不同，所使用的催化剂也不同，作为例子的催化剂包括沸石催化剂或者贵金属，如铂。按照另一个实施例，燃料预处理器20包括等离子体源24，用于对管道28中的燃料进行热分解。对于另一个实施例，燃料预处理器20包括催化剂26，用于对管道28中的燃料进行热分解。前面已经描述了作为例子的催化剂。
脉冲爆燃燃烧器10可用于使来自燃料预处理器20的原始氧化剂和经处理的燃料组成的混合物发生爆燃。作为可选择的方案，混合物可包括原始氧化剂如压缩空气、经处理的燃料和另一种氧化剂如氧气或富氧气流，后面将结合图10进行论述。氧气会减少整个混合物的爆燃能量，从而促进了爆燃。按照另一个实施例，脉冲爆燃燃烧器10还适于容纳原始燃料、使混合物发生爆燃和排出产生的爆燃产物，所述混合物包括经处理的燃料、原始燃料和原始氧化剂。作为例子的原始燃料包括烃类燃料如天然气，馏出燃料和气化固体燃料的气流。作为例子的用于固体燃料气流的固体燃料包括煤炭、农产品和木材。例如，原始燃料可以包括均匀轻质燃料如氢气(H2)以促进整个混合物的爆燃。作为可选择的方案，原始燃料可以比燃料预处理器20提供的经处理的燃料还重。对于后一种方案来说，来自燃料预处理器20的经处理的燃料用于提高较重的原始燃料的爆燃性。例如，经处理的燃料可以是CO和H2的混合物，而原始燃料可以包括天然气(CH4)。另外，尽管没有特别的说明，发生爆燃的混合物也可以包括另一种氧化物，从而促进经处理的燃料/原始氧化物/原始燃料混合物的爆燃。
对于图1所示的实施例，动力系统100还包括压缩机40，脉冲爆燃燃烧器和涡轮机30，压缩机40用于给至少一个燃料预处理器20提供空气。例如，压缩机40给脉冲爆燃燃烧器10提供压缩空气，原始氧化剂包括该压缩空气。如图1所示，压缩机40可由涡轮机30驱动。
下面参考图3说明联合循环动力系统200的实施例。如图所示，动力系统200包括上述简单循环动力系统的部件。另外，动力系统200还包括一个兰金底循环(或汽轮机底循环)。如图所示，汽轮机设备110适于容纳来自涡轮机30的排气流，利用该排气流产生蒸汽，并利用该蒸汽产生产生动力。有利的是，汽轮机设备110的使用会消耗额外的动力，该额外的动力来自简单循环动力系统100的余热。对于图3所示的实施例来说，汽轮机设备110包括汽轮机60，冷凝器80和泵70。汽轮机60适于利用蒸汽产生动力。冷凝器80适于容纳并冷凝来自汽轮机60的废汽以提供液体流。泵70适于接受并泵送该液体流。特别地，对于图3所示的实施例来说，汽轮机设备110还包括热回收蒸汽发生器90，该热回收蒸汽发生器90适于接受来自涡轮机30的排气流，接受来自泵70的液体流，并利用所述排气流从液体流中产生蒸汽。
本发明示例性的动力设备300的实施例如图7和8所示。如图所示，该动力设备300包括至少一个燃料预处理器20，该燃料预处理器适于将燃料转变为至少一种经处理的燃料。该动力设备还包括多个动力系统100。每个动力系统100包括脉冲爆燃燃烧器10和处于脉冲爆燃燃烧器10下游位置的涡轮机30，如前面参考图1所述的那样。对于图7所示的实施例来说，为每个动力系统100提供单独的燃料预处理器20。作为可选择的方案，一个燃料预处理器20可以给两个或多个动力系统100提供经处理的燃料，如图8所示的例子那样。根据一个特别的实施例，动力设备300还包括至少一个压缩机40、脉冲爆燃燃烧器10和涡轮机30，该压缩机40适于给至少一个燃料预处理器20提供空气。对于如图7和8所示的特别实施例来说，为每个脉冲爆燃燃烧器10提供单独的压缩机40。尽管没有示出，一个压缩机40可以给两个或多个脉冲爆燃燃烧器10提供压缩空气。另外，图8所示示例性的动力设备300也包括热回收单元90，热回收单元90适于利用来自涡轮机30的余热来加热中间流体例如水，从而提供给燃料预处理器20加热的流体，例如提供蒸汽给燃料预处理器20。
下面参考图9说明一个联合循环动力设备300的实施例。除了参考图7和8的如上所述的部件外，动力设备300还包括汽轮机设备110，该汽轮机设备110适于容纳来自至少一个涡轮机30的排气流，利用该排气流产生蒸汽，并利用该蒸汽产生产生动力。图9所示是使用单个燃料预处理器20和多个压缩机40的例子。如上面参考图7和8所论述的，可以为动力系统100提供分开的燃料预处理器20和/或压缩机40。对于图9所示的示例性的实施例来说，汽轮机设备110适于接受来自多个涡轮机30的排气流。作为可选择的方案，根据动力设备300的尺寸大小，其可以具有多个汽轮机设备110。对于图9所示的示例性的实施例来说，汽轮机设备110包括汽轮机60，冷凝器80，泵70和热回收蒸汽发生器90，如前面参考图3详细描述的那样。另外，热回收蒸汽发生器90还可用于给燃料预处理器20提供蒸汽，如图9中虚线所示的那样。例如，如图11所示是一个包括重整装置410的联合循环动力系统600，该重整装置410可接受来自热回收蒸汽发生器90的蒸汽。
如图4、5和6所示是另一个动力系统400的实施例。如图4所示，例如，动力系统400包括具有重整装置410的燃料预处理器20，该重整装置410可容纳和重整燃料，并产生重整产品。图4中的“Q”表示通过燃烧/部分氧化、电能和/或热能而提供给重整装置410的附加能量。动力系统400还包括脉冲爆燃燃烧器10，该脉冲爆燃燃烧器10适于容纳重整产品和氧化剂，适于二者组成的混合物的爆燃，并适于排出多种爆燃产物。有利的是，通过对燃料进行重整，给脉冲爆燃燃烧器10提供更易于爆燃的燃料(重整产品)。对于图5和6所示示例性的实施例来说，动力系统400还包括给重整装置410提供水的水源420和给重整装置410提供燃料的燃料源440。重整装置410使用水对燃料进行重整。另外，对于图4所示的特别实施例来说，动力系统400还包括泵422，该泵422用于将水从水源420泵送到重整装置410。
在此，术语“重整装置”是指通过水和可重整燃料的反应来产生氢的装置。作为例子的可重整燃料包括烃类，例如天然气或者馏出液体燃料。作为例子的重整装置410包括催化重整装置410。在对水和烃类燃料混合物进行重整时，根据燃料和催化剂的不同，重整装置通常的工作温度范围是大约华氏800度(800°F)至大约华氏1400度(1400°F)。重整装置使水和燃料的混合物发生反应从而产生带有水的氢，甲烷，二氧化碳，一氧化碳和各种夹带的痕量物质(合起来叫做“重整产品”)。尽管在图4-6中只示出了一个重整装置410，可以理解的是，可以使用具有相同或不同催化剂的两个或多个重整装置410，从而更有效地产生氢。
如图4-6所示，动力系统400也可以包括重整产品储存装置430，该重整产品储存装置430用于容纳来自重整装置410的重整产品并将重整产品提供给脉冲爆燃燃烧器10。作为可选择的方案，如图4-6中虚线所示的那样，重整产品可以从重整装置410直接提供给脉冲爆燃燃烧器10。动力系统400使用的重整产品储存装置430取决于重整装置410的容量和生产能力，还取决于脉冲爆燃燃烧器10的燃料消耗速度。
为了促进重整装置410中氢的产生，可以对提供给重整装置410的水和/或燃料进行预热。对于图5所示的特别的实施例来说，脉冲爆燃燃烧器10用于对来自燃料源440的燃料和来自水源420的水进行加热，这样重整装置410所接受的燃料和水都已被加热。在图5中，“温的燃料”表示燃料被汽化或加热，“温水”包括蒸汽和加热后的水。也就是说，对该实施例来说，流体要足够热以促进重整反应。该加热可以在热交换器中进行(图5中未示出)。作为可选择的方案，脉冲爆燃燃烧器10可以加热中间流体(未示出)并通过中间流体间接加热燃料和/或水。对于后一个实施例来说，水(液态或者蒸汽状态)可以作为中间流体来加热燃料。也就是说，在这个特别的实施例中，脉冲爆燃燃烧器直接加热水并通过加热的水间接加热燃料。
为了产生动力，动力系统400包括位于脉冲爆燃燃烧器10下游的涡轮机30，例如图4-6所示的那样。涡轮机30与脉冲爆燃燃烧器10流体连通。对于图6所示的特别的实施例来说，动力系统400也包括热交换器，该热交换器用于接受来自涡轮机30的排气流以加热燃料和水。尽管图中未示出，热交换器450也可以对提供给重整装置的燃料或水进行加热。
动力系统400可以构造成使如下的混合物发生爆燃(1)包括重整产品和氧化物的混合物，(2)包括重整产品、原始燃料(例如，烃类燃料如天然气)和氧化物的混合物，(3)包括重整产品、氧化物和另一种氧化物(例如氧气或富氧气流)的混合物，(4)包括重整产品、氧化物、原始燃料和另一种氧化物的混合物。按照一个特别的实施例，脉冲爆燃燃烧器10可以容纳原始燃料(例如图4和5虚线所示)，使包括原始燃料、重整产品和氧化物的混合物发生爆燃，并排出爆燃产物。
参考图10描述的是另一个动力系统500的实施例。如图10所示，动力系统500包括用于容纳空气和提供富氧气流的富氧装置50。作为例子的富氧气流的氧含量范围是大约百分之五十至九十(50-90％)。脉冲爆燃燃烧器10适于容纳燃料和富氧气流，适于二者组成的混合物的爆燃，并适于排出多种爆燃产物。涡轮机30处于脉冲爆燃燃烧器10的下游位置，该涡轮机30与脉冲爆燃燃烧器10流体连通。
作为例子的富氧装置50包括空气分离装置或隔膜系统。这些用于富氧的装置是公知的系统，空气分离装置是传统使用的装置，例如，用在完整的气化联合循环煤(IGCC)设备中。
对于图10中的特别实施例来说，富氧装置50还可提供富氮气流，涡轮机可以容纳该富氮气流。有利的是，该富氮气流可作为冷却气流用于冷却涡轮机的工作部件，也有助于驱动涡轮机。
另外，尽管图10中没有明确示出，富氮气流的至少一部分可被用于冷却脉冲爆燃燃烧器10。
更详细地说，动力系统500也包括燃料预处理器20，该燃料预处理器20适于将基础燃料转变为至少一种经处理的燃料，这样脉冲爆燃燃烧器10内容纳和爆燃的燃料包括经处理的燃料，如图10所示。另外，脉冲爆燃燃烧器10还适于容纳原始燃料，如图10中虚线所示。对该实施例来说，脉冲爆燃燃烧器内容纳和爆燃的燃料包括经处理的燃料和原始燃料。如上所述，一个作为例子的燃料预处理器20是一个重整装置410，该重整装置410适于容纳和重整基础燃料并产生重整产品。对这个特别实施例来说，脉冲爆燃燃烧器内容纳和爆燃的燃料包括重整产品。
图10中动力系统500的实施例还包括压缩机40，压缩机40给燃料预处理器20、脉冲爆燃燃烧器10和涡轮机30中的至少一个提供压缩空气。对于图10中的特别实施例来说，压缩机40适于给脉冲爆燃燃烧器10提供压缩空气，该脉冲爆燃燃烧器适于使经处理的燃料、富氧气流和压缩空气组成的混合物发生爆燃，并排出多种爆燃产物。根据一个例子，富氧气流中只包含很小百分比的空气流量，例如空气流量中的大约百分之二(2％)是氧。
尽管本文已图示和描述了本发明的仅仅某些特征，然而本领域技术人员可以对此进行很多改进和变化。因此，可以理解的是，所附权利要求书要涵盖凡落入本发明实际精神内的所有这些改进和变化。
部件列表10脉冲爆燃燃烧器20燃料预处理器22热源24等离子体源26催化剂28管道30涡轮机40压缩机50富氧装置60汽轮机70泵80冷凝器90热回收蒸汽发生器100动力系统110汽轮机设备200联合循环动力系统300动力设备400动力系统410重整装置420水源422泵430重整产品储存装置440燃料源450热交换器500动力系统600联合循环动力系统
权利要求
1.一种动力系统(100)，包括一燃料预处理器(20)，用于将燃料转变为至少一种经处理的燃料；一脉冲爆燃燃烧器(10)，用于容纳经处理的燃料和原始氧化剂，并用于使包括经处理的燃料和原始氧化剂的混合物的爆燃并排出多种爆燃产物；和一涡轮(30)，被配置在所述脉冲爆燃燃烧器(10)的下游，所述涡轮与所述脉冲爆燃燃烧器流体连通。
2.如权利要求1所述的动力系统(100)，其特征在于所述燃料预处理器(20)包括一热源(22)，该热源(22)对燃料进行加热以使燃料发生热分解。
3.如权利要求2所述的动力系统(100)，其特征在于所述燃料预处理器(20)还包括用于增强燃料热分解的催化剂(26)。
4.如权利要求1所述的动力系统(100)，其特征在于所述燃料预处理器(20)包括用于使燃料热分解的等离子体源(24)。
5.如权利要求1所述的动力系统(100)，其特征在于所述燃料预处理器(20)包括用于使燃料热分解的催化剂(26)。
6.如权利要求1所述的动力系统(100)，其特征在于所述脉冲爆燃燃烧器(10)还用于容纳原始燃料，用于使由经处理的燃料、原始燃料和原始氧化剂组成的混合物爆燃，并排出多种爆燃产物。
7.如权利要求6所述的动力系统(100)，其特征在于该原始燃料包括烃类燃料，其中该燃料包括烃类燃料。
8.如权利要求1所述的动力系统(100)，其特征在于还包括压缩机(40)，该压缩机(40)用于给所述燃料预处理器(20)、所述脉冲爆燃燃烧器和所述涡轮机(30)中的至少一个提供空气。
9.如权利要求1所述的动力系统(200)，其特征在于还包括一汽轮机设备(110)，该汽轮机设备(110)用于容纳来自所述涡轮(30)的排气流，利用该排气流产生蒸汽，并利用该蒸汽产生动力，其中，所述汽轮机设备包括一汽轮机(60)，用于利用蒸汽产生动力；一冷凝器(80)，用于容纳并冷凝来自所述汽轮机的废汽以提供液体流；和一泵(70)，用于接受并泵送该液体流。
10.如权利要求9所述的动力系统(200)，其特征在于所述汽轮机设备(110)还包括一热回收蒸汽发生器(90)，该热回收蒸汽发生器(90)用于接受来自所述涡轮(30)的排气流，接受来自所述泵(70)的液体流，并利用排气流从液体流中产生蒸汽。
11.如权利要求1所述的动力系统(100)，其特征在于所述燃料预处理器(20)包括一重整装置(410)，该重整装置(410)用于容纳和重整一种基础燃料并产生重整产品，其中，由所述脉冲爆燃燃烧器(10)容纳和爆燃的经处理的燃料包括该重整产品。
全文摘要
一种动力系统(100)，包括燃料预处理器(20)，脉冲爆燃燃烧器(10)和涡轮机(30)，其中燃料预处理器(20)用于将燃料转变为至少一种经处理的燃料。该脉冲爆燃燃烧器用于容纳经处理的燃料和原始氧化剂，用于包括经处理的燃料和原始氧化剂的混合物的爆燃，并用于排出多种爆燃产物。该涡轮机位于该脉冲爆燃燃烧器(10)的下游位置并与该脉冲爆燃燃烧器(10)流体连通。动力设备(300)包括至少一个燃料预处理器(20)和多个动力系统(100)。每个动力系统包括脉冲爆燃燃烧器(10)和位于该脉冲爆燃燃烧器(10)的下游位置并与该脉冲爆燃燃烧器(10)流体连通的涡轮机(30)。
文档编号F02C5/11GK1644906SQ20041010056
公开日2005年7月27日 申请日期2004年11月25日 优先权日2003年11月25日
发明者A·J·迪安, I·A·莱瓦 申请人:通用电气公司