专利名称：具有恒定燃料温度的用于修正沃泊指数控制的系统和方法
技术领域：
本申请总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及使用燃料换热器来将具有恒定温度的燃料输送至燃烧器以用于修正沃泊指数(Wobbe Index)控制的系统和方法。
背景技术：
总体而言，燃气涡轮发动机被设计成通过具有与热值相关的某些特性的燃料进行操作。燃料的热值可以被称为总热量值、总能量或者沃泊指数等级。热值通常描述燃料燃烧时释放的热或能量的量。如果考虑到燃料被输送至喷嘴处的温度，则可以更准确地描述在给定压力比下通过燃料喷嘴燃烧的燃料所释放的能量的量。这种燃料特性可以被认为是修正沃泊指数等级或MWI等级。因此，燃气涡轮发动机被设计成通过具有特定的修正沃泊指数等级的燃料或者通过落入可接受的修正沃泊指数等级范围内的燃料进行操作。
修正或控制被输送至燃烧器的燃料的温度以便修正或控制修正沃泊指数等级的能力在保证燃气涡轮发动机正在使用这样的可接受燃料时是有用的所述可接受燃料促进有效操作并且降低燃烧器损坏的风险。控制引入燃料的温度的已知方法通常专注于基于燃料流的不同成分将燃料温度保持在给定范围内。因此，可能需要例如气相色谱仪的复杂仪器和各种类型的反馈控制来确定燃料的成分并且相应地调节温度范围。此外，不同类型的设备可以用于操作的不同阶段，即，启动、关闭、其它的瞬态事件和稳定状态。因此，准确的修正沃泊指数等级控制可能是困难和/或高成本的。因此，需要不具有已知系统的复杂性和花费的用于充分的修正沃泊指数控制的改进的系统和方法。这种改进的系统和方法可以保证经过充分的修正沃泊指数控制，并且因此在无需复杂的反馈机构等的情况下充分地保证总体系统性能。
发明内容
因此，本申请提供一种用于燃烧燃料流的燃气涡轮发动机系统。该燃气涡轮发动机系统可以包括燃烧器和用于向燃烧器提供燃料流的燃料系统。燃料系统可以包括燃料换热器，以便向燃烧器提供处于基本恒定温度的燃料流。进一步的，所述燃料系统包括与所述燃料换热器和所述燃烧器连通的燃料线路。进一步的，所述燃料系统包括位于所述燃料换热器上游处的第一温度元件。进一步的，所述燃料系统包括位于所述燃料换热器下游处的第二温度元件。进一步的，所述燃料系统包括位于所述燃料换热器上游处的温度控制阀。进一步的，所述燃料系统包括与所述温度控制阀连通的旁通线路，使得燃料流可以完全或者部分地绕过所述燃料换热器。进一步的，所述燃料系统包括位于所述燃烧器上游处的气体控制阀。进一步的，所述燃料换热器包括电加热器。进一步的，所述电加热器包括一个或多个加热元件以及换热部。进一步的，所述燃料换热器包括油或水浴加热器。
进一步的，所述燃料换热器包括直燃加热器。进一步的，所述燃料换热器包括热管换热器。进一步的，所述热管换热器包括与换热部连通的多个导热管。进一步的，所述燃料换热器与热源连通。本申请进一步提供一种在不评估引入的燃料流成分的情况下通过修正沃泊指数控制来操作燃气涡轮机的方法。该方法可以包括确定引入的燃料流的温度、将燃料流加热或冷却至目标温度以及将处于目标温度的燃料流输送至燃烧器的步骤。本申请进一步提供一种用于燃烧燃料流的燃气涡轮发动机系统。该燃气涡轮发动机系统可以包括燃烧器、用于向燃烧器提供燃料流的燃料线路、用于确定燃料流的温度的温度元件以及燃料换热器，以便向燃烧器提供基本处于目标温度的燃料流。
进一步的，所述燃料换热器包括电加热器。进一步的，所述燃料换热器包括油或水浴加热器。进一步的，所述燃料换热器包括直燃加热器。进一步的，所述燃料换热器包括热管换热器。通过结合若干附图和所附权利要求阅览下文的详细描述，本申请的这些和其它的特征以及改进对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。
图I是具有恒定燃料温度控制的燃气涡轮发动机系统的示意图。图2是如本说明书所述的燃料换热器的备选实施例。图3是如本说明书所述的燃料换热器的备选实施例。图4是如本说明书所述的燃料换热器的备选实施例。图5是如本说明书所述的燃料换热器的备选实施例。附图标记列表
100燃气涡轮发动机系统
110燃气涡轮发动机
120压缩机
130空气流
140燃烧器
150燃料系统
160燃料流
170燃烧气体流
180涡轮机
190轴
200负载
210引入燃料线路 220燃料源 230燃料换热器 240第一温度元件250第二温度元件 260温度控制阀 270燃料换热器线路 280旁通线路 290气体控制阀 300电加热器 310加热元件 320换热部
330 油或水浴加热器(oil or water bath heater)
340 槽(bath) 350泵 360换热部 370直燃加热器 380换热部 390热管换热器 400导热管 410换热部 420热源。
具体实施例方式现在参照附图，在附图中，相同的附图标记在全部的若干附图中表示相同的元件，图I示出了如本说明书所述的燃气涡轮发动机系统100。燃气涡轮发动机系统100可以包括一个或多个燃气涡轮发动机110。每个燃气涡轮发动机110都可以包括压缩机120。压缩机120对引入的空气流130进行压缩。压缩机120将经过压缩的空气流130输送至燃烧器140。燃料系统150同样将经过压缩的燃料流160输送至燃烧器140。燃烧器140将经过压缩的空气流130与经过压缩的燃料流160混合并且点燃混合物，以产生燃烧气体流170。尽管仅示出单个燃烧器140，但是燃气涡轮发动机110可以包括任何数量的燃烧器140。燃烧气体流170接着被输送至涡轮机180。燃烧气体流170驱动涡轮机180，从而产生机械功。涡轮机180中所产生的机械功通过轴190驱动压缩机120和外部负载200 (例如发电机等)。燃气涡轮发动机110可以使用天然气、各种类型的合成气和/或其它类型的燃料。燃气润轮发动机 110 可以是由 Schenectady (New York)的 General Electric Company 提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种。燃气涡轮发动机110可以具有不同构造并且可以使用其它类型的部件。本说明书也可以使用其它类型的燃烧发动机。本说明书还可以同时使用多种燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机以及其它类型的发电设备。如上所述，燃气涡轮发动机系统100还包括燃料系统150，以用于将燃料流160输送至燃烧器140。燃料系统150可以包括引入燃料线路210。本说明书可以使用多个燃料线路210。燃料线路210可以与燃料源220连通。燃料源220可以具有任何尺寸、形状或构造。来自燃料源220的燃料流160可以具有不同的成分和温度。具体而言，燃料流160中可以具有热值不同的不同的烃，其用于不同的修正沃泊指数值和不同的比重。燃料系统150可以包括位于燃料线路210上的燃料换热器230。燃料换热器230可以是任何类型的这样的装置该装置可以加热或冷却燃料流160，使得燃料流160在通过其中之后具有恒定温度。因此，燃料换热器230可以提供加热、冷却并且/或者同时提供加热和冷却。燃料换热器230可以是可控的，以用于期望的恒定燃料温度。期望的恒定燃料温度可以预先确定并且可以基于操作条件和与燃料流160的成分相对的其它变量而发生变化。如将在下文中更详细地描述的，本说明书可以使用任何类型的换热装置等，以便保持恒定温度。优选地，燃料换热器230在不使用来自涡轮机180的燃烧气体170的情况下对燃料流160进行加热，以便提供更准确的温度控制。第一温度传感器或温度元件240可以位于燃料换热器230的上游处，以便确定引入的燃料流160的温度。同样，第二温度传感器或温度元件250可以位于燃料换热器230的下游处，以保证恒定的温度输出进入燃烧器140。本说明书可以使用其它类型的传感器、部件和构造。
温度控制阀260可以位于燃料换热器230的上游处。温度控制阀260可以是传统的三通阀等，以便使燃料流160分为燃料换热器线路270和/或旁通线路280。本说明书也可以使用其它线路。基于由第一温度元件240确定的燃料流160的引入温度和由第二温度元件250确定的燃料流160的输出温度，温度控制阀260可以改变通过燃料换热器线路270被输送至燃料换热器230的燃料流160的体积和可以改变通过旁通线路280或其它方式绕过燃料换热器230的燃料流160的体积。旁通线路280可以在燃料换热器230的下游处与燃料线路210合并。本说明书可以使用其它部件和其它构造。气体控制阀290还可以靠近燃烧器140且位于燃料线路210上。气体控制阀290可以控制进入燃烧器140的燃料流160的体积或流速。本说明书可以使用其它部件和其它构造。如上所述，燃料换热器230可以是使燃料流160在通过其中之后保持在恒定温度的任何装置。这样一来，燃料换热器230可以是如图2所示的电加热器300。总体而言，电加热器300可以包括与换热部320连通的一个或多个电加热元件310，燃料流160通过换热部320。因此，电加热器300可以在不使用来自涡轮机180或其它源的余热的情况下对燃料流160进行加热。本说明书可以使用其它部件和其它构造。如图3所示，燃料换热器230还可以包括油或水浴加热器330。顾名思义，油或水浴加热器330可以通过泵350使槽340中的加热油、水或其它介质循环，以便在换热部360中对燃料流160进行加热。本说明书可以使用其它部件和其它构造。如图4所示，燃料换热器230还可以包括直燃加热器370。直燃加热器370可以燃烧供给燃料，以便在换热部380中对燃料流160进行加热。本说明书可以使用其它部件和其它构造。图5将燃料换热器230显示成热管换热器390。热管换热器390可以具有与换热部410连通的多个导热管400。导热管400可以与热源420连通。热源420可以是任何类型的热源，其包括燃烧气体流170以及多个不同的源(例如联合循环系统等中所使用的热回收蒸汽发生器)。因此，这种热源420可以根据需要提供不同的温度。本说明书可以使用其它部件和其它构造。
在使用中，燃料系统150向燃烧器140提供处于恒定温度的燃料流160。可以选择该恒定温度，以确保即使燃料换热器230上游处的燃料流160的成分和温度发生变化，燃料流160的修正沃泊指数值仍然能够保持在可接受的范围内。这样一来，离开燃料换热器230的燃料流160仍然可以具有不同成分，但是保持恒定温度。因此，如果引入的燃料流160在目标温度以上或以下发生变化，则气体燃料换热器230为燃料流提供加热和/或冷却。燃料系统150在不具有复杂的监测和/或反馈机构的情况下保证燃料流160保持修正沃泊指数值要求。因此，本说明书所述的燃料系统150使可靠性和有效性增加，以用于改进效率和性能。显而易见的是，上文仅涉及本申请的某些实施例。本领域普通技术人员可以在不
偏离由所附权利要求及其等同形式所限定的本发明的总体精神和范围的情况下对本说明书进行各种改变和改型。
权利要求
1.一种用于燃烧燃料流(160)的燃气涡轮发动机系统(100)，包括 燃烧器(140);以及 燃料系统(150)，所述燃料系统(150)用于向所述燃烧器(140)提供燃料流(160)； 所述燃料系统(150)包括燃料换热器(230)，以便向所述燃烧器(140)提供处于基本恒定温度的燃料流(160)。
2.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料系统(150)包括与所述燃料换热器(230)和所述燃烧器(140)连通的燃料线路(210)。
3.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料系统(150)包括位于所述燃料换热器(230)上游处的第一温度元件(240)。
4.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料系统(150)包括位于所述燃料换热器(230)下游处的第二温度元件(250)。
5.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料系统(150)包括位于所述燃料换热器(230)上游处的温度控制阀(260)。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料系统(150)包括与所述温度控制阀(260)连通的旁通线路(280)，使得燃料流(160)可以完全或者部分地绕过所述燃料换热器(230)。
7.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料系统(150)包括位于所述燃烧器(140)上游处的气体控制阀(290)。
8.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料换热器(230)包括电加热器(300)。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述电加热器(300)包括一个或多个加热元件(310)以及换热部(320)。
10.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料换热器(230)包括油或水浴加热器(330)。
11.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料换热器(230)包括直燃加热器(370)。
12.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料换热器(230)包括热管换热器(390)。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述热管换热器(390)包括与换热部(410)连通的多个导热管(400)。
14.根据权利要求I所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃料换热器(230)与热源(420)连通。
15.一种在不评估引入的燃料流(160)的成分的情况下通过修正沃泊指数控制来操作燃气涡轮机(110)的方法，所述方法包括以下步骤 确定引入的燃料流(160)的温度； 将燃料流(160)加热或冷却至目标温度；以及 将处于目标温度的燃料流(160)输送至燃烧器(140)。
全文摘要
本申请提供具有恒定燃料温度的用于修正沃泊指数控制的系统和方法。该燃气涡轮发动机系统可以包括燃烧器和用于向燃烧器提供燃料流的燃料系统。燃料系统可以包括燃料换热器，以便在基本恒定的温度下向燃烧器提供燃料流。
文档编号F02C7/224GK102865146SQ20121023075
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者D.M.埃里克森, B.加拉赫尔, M.拉尔, S.戴 申请人:通用电气公司