专利名称：包括热水源和温水源的燃料加热器系统的制作方法
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丽I额定值或落入可接受的丽I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丽I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。
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
具体实施例方式参看图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，且处在限定的丽I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 —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。
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权利要求
1.一种系统，包括分别处于第一相对较高温度和第二相对较低温度的第一和第二给水(70，100)； 联接到所述给水(70，100)上的热交换器(90)，燃料和处于所述第一和第二温度的相 对量的所述给水(70，100)经由所述热交换器(90)流动来用于燃料加热；以及控制器(120)，其可操作地介于所述给水(70，100)与所述热交换器(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/或调节容许流经所述热交换器 (90)以将所述燃料加热至一定温度的所述给水(70，100)的相对量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，处于所述第一温度的水从热回收蒸汽发 生器(HRSG) (30)的一构件输出，以及处于所述第二温度的水从所述HRSG (30)的另一构件 或备选给水(51)输出。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热交换器(90)接收成分不同的多种 燃料。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括燃料测试装置(140)，所 述燃料测试装置(140)联接到所述控制器(120)上且设置在所述热交换器(90)处或所述 热交换器(90)的上游，以便确定所述燃料的成分和/或所述燃料的热值。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器(120)基于测得的所述燃料的 发热值或在给定所确定的燃料成分的情况下通过计算或估计所述燃料的发热值来计算所 述加热要求。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括燃料温度测量装置 (150)，所述燃料温度测量装置(150)联接到所述控制器(120)上，且设置在所述热交换器 (90)处用以确定所述燃料的温度。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第一水温测量装置(160) 和第二水温测量装置(161)，所述第一水温测量装置(160)和所述第二水温测量装置(161) 联接到所述控制器(120)上且设置在所述第一给水(70)和所述第二给水(100)处，以便测 量第一水温和第二水温。
8.一种系统，包括第一给水(70)和第二给水(100)，其分别设置在热回收蒸汽发生器(HRSG) (30)的构件 的下游和上游，分别处于第一相对较高的温度和第二相对较低的温度；联接到供送燃料(130)和所述给水(70，100)上的热交换器(90)，所述燃料经由所述 热交换器(90)朝燃气涡轮发动机00)的燃烧器流动，且相对量的所述给水(70，100) 经由所述热交换器(90)流动来用于燃料加热；以及控制器(120)，其可操作地介于所述给水(70，100)与所述热交换器(90)之间，以便基 于满足修正的沃泊指数(MWI)额定值的加热要求选择和/或调节容许流过所述热交换器 (90)以将所述燃料加热至一定温度的所述给水(70，100)的相对量。
9.一种系统，包括用以确定待燃烧的燃料的热值的测试装置(140)； 用以基于所述热值将所述燃料加热至目标燃料温度的热交换器(90)； 提供自构件的第一相对较热的给水(70)； 绕过所述构件的第二相对温热的给水(100)；用以确定所述燃料的实际燃料温度的测量装置(150)；以及控制器(120)，其联接到所述测试装置(140)和所述测量装置(150)上，且可操作地介 于所述第一给水(70)和所述第二给水(100)与所述热交换器(90)之间，以便根据所述目 标燃料温度和所述实际燃料温度选择和/或调节可朝所述热交换器(90)输送的相对较热 的水和相对温热的水的总量。
全文摘要
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。
文档编号F02C7/224GK102140965SQ20111003710
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月31日 优先权日2010年2月2日
发明者B·M·加拉赫尔, D·M·埃里克松, R·P·埃卢里帕蒂, R·西瓦桑卡兰, T·R·比尔顿 申请人:通用电气公司