具有燃料调节系统的简单循环燃气涡轮机械系统的制作方法
【专利摘要】本发明关于一种具有燃料调节系统的简单循环燃气涡轮机械系统，包括压缩机部分和具有出口的涡轮机部分。至少一个燃烧器流体连接到压缩机部分和涡轮机部分。排气部件具有流体连接到涡轮机部分的出口的进口、第一出口和第二出口。燃料调节系统包括热交换部件，热交换部件具有第一回路和第二回路，第一回路具有排气进口和排气出口，排气进口流体连接到排气部件的第二出口，第二回路具有流体连接到燃料源的进口和流体连接到至少一个燃烧器的出口。受调节流体导管流体连接在燃烧器组件和排气部件的第一出口中的一个与受调节流体源之间。
【专利说明】具有燃料调节系统的简单循环燃气涡轮机械系统
【技术领域】
[0001] 本发明所公开的主题涉及简单循环燃气涡轮机系统的领域，更具体地涉及包括燃 料调节系统的简单循环燃气涡轮机系统。
【背景技术】
[0002] 燃气涡轮机械包括通过公共压缩机/涡轮机轴和燃烧器组件连接到涡轮机部分 的压缩机部分。进气流朝着压缩机部分通过进气口。在压缩机部分中，进气流朝着燃烧器 组件通过若干连续级被压缩。在燃烧器组件中，压缩的气流与燃料混合以形成可燃烧混合 物。可燃烧混合物在燃烧器组件中燃烧以形成热气体。热气体被引导通过过渡部件到达涡 轮机部分。热气体通过涡轮机部分膨胀，作用在安装在轮上的涡轮机叶片上，以产生输出的 功，以例如对发电机、泵提供动力或向车辆提供动力。
【发明内容】
[0003] 根据本发明示例性实施例的一个方面，一种简单循环燃气涡轮机械，包括：压缩机 部分和可操作地连接到压缩机部分的涡轮机部分。涡轮机部分包括出口。燃烧器组件包括 流体连接到压缩机部分和涡轮机部分的至少一个燃烧器。排气部件包括流体连接到涡轮机 部分的出口的进口、第一出口和第二出口。燃料调节系统包括热交换部件，热交换部件包 括第一回路和第二回路，第一回路具有排气进口和排气出口，排气进口流体连接到排气部 件的第二出口，第二回路具有流体连接到燃料源的进口和流体连接到至少一个燃烧器的出 口。第一回路与第二回路是热交换关系。受调节流体导管流体连接在燃烧器组件和排气部 件的第一出口中的一个与受调节流体源之间。
[0004] 根据本发明示例性实施例的另一方面，一种调节用于简单循环燃气涡轮机械的燃 料的方法包括：将排气从简单循环燃气涡轮机械的涡轮机部分输送到排气部件的进口；将 排气的一部分在进口下游从排气部件输送到热交换部件的第一回路的排气进口中；将燃料 输送通过热交换部件的第二回路；引导排气的一部分围绕第二回路以呈热交换关系；传输 排气的一部分通过热交换部件的排气出口；将燃料从第二回路引导至流体连接到涡轮机部 分的燃烧器；和将受调节流体输送至燃烧器组件和排气进口中的一个。
[0005] 从结合附图所进行的下列描述，这些和其他优点和特征将变得更加明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 在说明书的结尾处的权利要求书中具体指出并明确地要求保护作为本发明的主 题。从结合附图所进行的下列详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将很明显，其中：
[0007] 图1是根据示例性实施例的另一方面包括燃料调节系统的简单循环燃气涡轮机 械的不意图；和
[0008] 图2是根据示例性实施例的另一方面包括燃料调节系统的简单循环燃气涡轮机 械的示意图。
[0009] 详细的描述通过参考附图进行举例来说明本发明的实施例以及优点和特征。
【具体实施方式】
[0010] 在图1中的2处大体上指出根据示例性实施例的简单循环燃气涡轮机械。涡轮机 械2包括通过燃烧器组件8可操作地联接到涡轮机部分6的压缩机部分4。燃烧器组件8 包括一个或多个燃烧器10。涡轮机械2还通过公共压缩机/涡轮机轴12机械联接到涡轮 机部分6。发电机15机械联接到压缩机部分4。当然，应当理解发电机15的具体连接可以 改变并且可以包括到涡轮机部分6的连接。
[0011] 在操作中，空气进入压缩机部分4并且通过若干连续压缩机级被压缩而形成压缩 空气。压缩空气的一部分通过燃烧器组件8与燃料混合形成可燃烧混合物。压缩空气的另 一部分进入涡轮机部分6中以进行冷却。可燃烧混合物在燃烧器10中燃烧，生成燃烧产物， 燃烧产物通过过渡部件(未示出）流动到涡轮机部分6。燃烧产物通过出口 18以排气形式 离开涡轮机部分6。
[0012] 涡轮机部分6的出口 18流体连接到显示为排气管122形式的排气部件120。排气 管122从第一端124通过中间部分127延伸到第二端125。第一进口 130被设置为接近第 一端124,第二进口 131被设置为接近第二端125。第一进口 130和第二进口 131的具体位 置可以改变。排气管122还包括布置在第一进口 130下游和第二进口 131上游的第一出口 133。第二出口 134设置在第二进口 131下游的第二端125处。第二出口 134排气到环境。 为减少排气中的污染物(例如NOx)、提供动力增值和以热回收形式增强效率，涡轮机械2联 接到燃料调节系统140。
[0013] 燃料调节系统140包括热交换部件142,热交换部件142具有冷凝部段143、第一 回路146、第二回路148和第三回路150,冷凝部段143设置有冷凝出口元件144。第一回路 146包括流体连接到排气管122上的第一出口 133的排气进口 153。进入第一回路146的 排气通过排气进口 153并且通过排气流动通道157流动到排气出口 155。排气通过由气流 调节器（damper) 159控制的排气进口导管158。气流调节器159在不需要燃料调节时切断 到热交换部件142的流动。第二回路148包括燃料进口 164和燃料出口 166。进入燃料进 口 164的燃料通过布置成与流过排气流动通道157的排气成热交换关系的曲折流动区168。 燃料进口 164通过燃料导管172流体连接到燃料源170。
[0014] 第三回路150包括冷凝物进口 180、冷凝物出口 182和曲折流动区185。冷凝物从 冷凝部段143经过受调节流体或冷凝物导管188。冷凝物导管188从第一端部段190通过 中间部段193延伸到第二端部段191。泵195和冷凝物调节系统196流体连接到冷凝物导 管188。根据示例性实施例的方面，冷凝物调节系统196可以采取去离子器形式。受调节 冷凝物流过冷凝物进口 180并沿着曲折流动区185流动，与通过排气流动通道157的排气 成热交换关系。冷凝物从冷凝物出口 182到达燃烧器10。更具体地，经加热的冷凝物通过 出口导管198到达喷嘴199。喷嘴199可以采取减温器（attemporator)、喷射器（eductor) 或排出器形式，例如在200处所示。在喷嘴199中，经加热的冷凝物与通过燃料导管172的 经加热燃料混合，并且被引入到燃烧器10中。以受调节冷凝物形式引入受调节的流体，控 制流过热交换部件142的排气的排气温度。更具体地，燃料调节系统140降低排气温度以 防止排气引起可燃烧混合物达到自燃温度。应当理解，尽管描述为从冷凝部段143通过，受 调节流体可以通过流体连接在受调节流体源202和出口导管198之间的受调节流体导管 201。此外，应当理解除了向燃烧器组件8提供受调节流体之外，受调节流体还可以被提供 至压缩机部分4和/或涡轮机部分6。
[0015] 进一步根据示例性实施例，排气出口 155通过排气出口导管206流体连接到排气 管122的第二进口 131。从排气出口 155通过的排气的一部分被通入到流体连接在排气出 口导管206和排气进口 153之间的调节支路209中。鼓风机或风扇211在调节支路209上 游连接到排气出口导管206。气流调节器213在调节支路209下游被设置在排气出口导管 206中。附加气流调节器214被设置在调节支路209中。气流调节器213和214选择性地 设置成引导从排气出口 155通过的更冷排气的一部分返回到从排气管122通过的更热排气 中，并进入排气进口 153中。更冷排气和更热排气混合，以沿着排气流动通道157实现期望 的排气温度。气流调节器213和气流调节器214的具体开口程度可以改变。此外，第一沃 泊计217和第二沃泊计219布置在燃料进口 164和燃烧器10处，以监测燃料的燃烧能。
[0016] 现在将参考图2,其中类似的附图标记在各个示图中表示相应的部件。涡轮机部分 6的出口 18流体连接到显示为排气管242形式的排气部件240。排气管242从第一端244 通过中间部分247延伸到第二端245。进口 249被设置为接近第一端244。排气管242还 包括布置在进口 249下游的第一出口 250。第二出口 252设置在第一进口 250下游的第二 端245处。第二出口 252排气到环境。为减少排气中的污染物(例如NOx)、提供动力增值和 以热回收形式增强效率，涡轮机械2联接到燃料调节系统260。
[0017] 燃料调节系统260包括热交换部件262,热交换部件262具有冷凝部段263、第一 回路266和第二回路268,冷凝部段263设置有冷凝出口元件264。第一回路266包括流体 连接到排气管242上的第一出口 250的排气进口 270。进入第一回路266的排气通过排气 进口 270,并且通过排气流动通道274流动到排气出口 272。排气通过由气流调节器284控 制的排气进口导管280进入排气入口。气流调节器284在不需要燃料调节时切断到热交换 部件262的流动。第二回路268包括燃料进口 290和燃料出口 292。进入燃料进口 290的 燃料通过布置成与流过排气流动通道274的排气成热交换关系的曲折流动区294。燃料进 口 290通过燃料导管298流体连接到燃料源296。以与上述类似的方式，燃料调节系统260 控制流过热交换部件262的排气的排气温度。更具体地，燃料调节系统260降低排气温度 以防止排气引起可燃烧混合物达到自燃温度。
[0018] 通过排气出口 250的排气经过喷嘴316。喷嘴316可以采取减温器、喷射器或排出 器形式，例如在318处所示。在喷嘴316中，冷凝物与排气混合。更具体地，受调节流体或 冷凝物导管320从流体连接冷凝物出口元件264的第一端部段324通过中间部段328延伸 到第二端部段326。第二端部段326流体连接到喷嘴316。泵340在冷凝物调节系统344 的上游流体连接中间部段328。冷凝物调节系统344可以采取去离子器形式。以此方式，燃 料调节系统260将受调节冷凝物输送到流到热交换部件262中的热排气中。增加受调节冷 凝物形式的受调节流体，将排气温度降低到低于通过热交换部件262的可燃烧流体的自燃 温度。更具体地，增加冷凝物降低天然气、燃气涡轮机排气和稀释物（H20)混合物的可燃性 限制。以与上述类似的方式，第一沃泊计360和第二沃泊计370布置在燃料进口 290和燃 烧器10处，以监测燃料的燃烧能。应当理解，尽管描述为从冷凝部段263通过，受调节流体 可以通过流体连接在受调节流体源401和冷凝物导管320之间的受调节流体导管400。受 调节流体还可以被提供至压缩机部分4和/或涡轮机部分6。
[0019] 本领域一般技术人员将领会，控制沿着排气流动通道68流动的排气的排气温度， 将热交换部件中的温度维持在低于通过燃烧器组件的可燃烧混合物的自燃温度，降低操作 风险和与在存在包含氧的媒介时加热燃料相关的危害。此外，回收利用排气中的热量增加 涡轮机械效率。示例性实施例还可以将燃料温度保持为低于热分解温度。示例性实施例还 有助于用于加热与燃料直接热交换的媒介的原动力。示例性实施例还保持燃气涡轮机的背 压，因此保持用于操作的性能要求。此外，应当理解尽管显示为采用减温器、喷射器或排出 器来将冷凝器引入到排气中，但是还可以采用其他系统用于冷凝物引入和/或混合。还应 当理解，受调节流体包括被调节到期望温度的流体和被分子地和/或化学地改变的流体两 者。
[0020] 尽管结合有限数量的实施例详细描述本发明，但是应当很容易理解本发明不限于 这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改为包括目前没有描述但与本发明的精神和范 围相应的任意数量的改变、变化、替换或等同布置。附加地，尽管已经描述本发明的各种实 施例，应当理解本发明的各方面可以包括所述实施例中的仅某一些实施例。相应地，本发明 不由前文描述限制，而是由所附权利要求书的范围限制。
【权利要求】
1. 一种简单循环燃气涡轮机械，包括： 压缩机部分； 涡轮机部分，所述涡轮机部分可操作地连接到所述压缩机部分，所述涡轮机部分包括 出口； 燃烧器组件，所述燃烧器组件包括流体连接到所述压缩机部分和所述涡轮机部分的至 少一个燃烧器； 排气部件，所述排气部件具有：流体连接到所述涡轮机部分的出口的进口；第一出口； 和第二出口；以及 燃料调节系统，所述燃料调节系统具有热交换部件，所述热交换部件包括第一回路和 第二回路，所述第一回路具有排气进口和排气出口，所述排气进口流体连接到所述排气部 件的所述第二出口，所述第二回路具有流体连接到燃料源的进口和流体连接到所述至少一 个燃烧器的出口，所述第一回路与所述第二回路是热交换关系；和 受调节流体导管，所述受调节流体导管流体连接在所述燃烧器组件和所述排气部件的 第一出口中的一个与受调节流体源之间。
2. 根据权利要求1所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述热交换部件包括 在所述第二出口的上游和所述第一出口的下游流体连接到所述排气部件的出口。
3. 根据权利要求1所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述简单循环燃气涡 轮机械还包括选择性地流体连接在所述热交换部件的所述出口和所述排气进口之间的调 节支路。
4. 根据权利要求1所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述简单循环燃气涡 轮机械还包括：布置在所述热交换部件内的第三回路，所述第三回路包括流体连接到所述 第一回路的冷凝器进口和通过所述受调节流体导管流体连接到所述燃烧器组件和所述排 气部件的第一出口中的一个的冷凝器出口。
5. 根据权利要求1所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述简单循环燃气涡 轮机械还包括：流体连接到所述冷凝物导管的冷凝物调节系统。
6. 根据权利要求1所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述受调节流体导管 包括流体连接在所述燃烧器和所述排气部件的第一出口中的一个与所述热交换部件之间 的冷凝物导管。
7. 根据权利要求6所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述冷凝物导管通过 减温器、喷射器和排出器中的一个流体连接到至少一个燃烧器。
8. 根据权利要求6所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述冷凝物导管在所 述排气进口处流体连接到所述第一回路。
9. 根据权利要求8所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述冷凝物导管通过 减温器、喷射器和排出器中的一个流体连接在所述排气进口处。
10. 根据权利要求8所述的简单循环燃气涡轮机械，其特征在于，所述简单循环燃气涡 轮机械还包括：去离子器和流体连接到所述冷凝物导管的泵中的至少一个。
11. 一种调节用于简单循环燃气涡轮机械的燃料的方法，所述方法包括： 将排气从所述简单循环燃气涡轮机械的涡轮机部分输送到排气部件的进口； 将所述排气的一部分在所述进口下游从所述排气部件输送到热交换部件的第一回路 的排气进口中； 将燃料输送通过所述热交换部件的第二回路； 引导所述排气的所述部分穿过所述第二回路以成热交换关系； 传输所述排气的所述部分通过所述热交换部件的排气出口； 将燃料从所述第二回路引导至流体连接到所述涡轮机部分的燃烧器；和 将受调节流体输送至燃烧器组件和所述排气进口中的一个。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将通过所述排气出口 的排气的所述部分的部分输送到所述排气进口，以建立流过所述第一回路的排气的所述部 分的期望温度。
13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，输送受调节流体的步骤包括将从所述 热交换部件中的所述排气提取的冷凝物输送通过所述热交换部件中的第三回路。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将与所述排气的一部 分成热交换关系的冷凝物输送通过所述热交换部件。
15. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将冷凝物从所述第三 回路输送到所述燃烧器。
16. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调节进入所述第三回 路的冷凝物。
17. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将冷凝物从所述第三 回路通过减温器、喷射器和排出器中的一个输送到所述燃烧器。
18. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将受调节流体输送到 所述排气进口。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将受调节流体输送到所述排气进口的 步骤包括将从所述热交换部件中的排气提取的冷凝物通过减温器、喷射器和排出器中的一 个引导至所述排气进口中。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调节从所述热交换部 件传送的冷凝物。
【文档编号】F02C7/224GK104100381SQ201410140048
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】K.F.伦多, A.C.乔世, D.F.兰克吕尔, D.W.小鲍尔, M.B.史密斯 申请人:通用电气公司