燃气涡轮系统及方法与流程

本文公开的主题涉及功率生成系统，且更具体地涉及燃料气体压缩机系统。

合成气燃料广泛地用于带有燃气涡轮系统的功率生成设备。例如，燃气涡轮系统可包括一个或多个燃烧器，燃烧器可燃烧燃料以产生热燃烧气体。产生的热燃烧气体可然后用于驱动一个或多个涡轮。大体上，供应至燃气涡轮系统的燃烧器的燃料在升高的压力下供应。然而，在起动运行期间将燃料充分加压且高效率运行可能是困难的。

本发明的简要描述

与原始要求保护的发明的范围一致的某些实施例在下文概述。这些实施例不意在限制要求保护的发明的范围，而是，这些实施例仅意在提供本发明的可能形式的简要概要。实际上，本发明可包含与下文阐述的实施例类似或不同的多种形式。

在第一实施例中，一种系统包括具有第一燃料气体压缩机的燃料供应系统，第一燃料气体压缩机联接至压缩机轴且构造成将用于燃气涡轮系统的燃料加压。燃料供应系统包括第一离合器和第二离合器。第一离合器构造成将压缩机轴区段选择性地接合至马达的马达轴。第二离合器构造成将压缩机轴选择性地接合至燃气涡轮系统的涡轮轴。

在第二实施例中，一种方法包括接合第一离合器以将第一燃料气体压缩机的压缩机轴联接至马达的马达轴。第一燃料气体压缩机使用马达驱动以便将燃料加压。第一离合器脱离以将燃料压缩机轴从马达轴分离。第二离合器接合以将压缩机轴联接至燃气涡轮系统的涡轮轴。第一燃料气体压缩机使用燃气涡轮机系统的涡轮驱动以将燃料加压。

在第三实施例中，一种系统包括构造成控制用于燃气涡轮系统的燃料的压缩的控制器，其中控制器构造成选择性地接合第一离合器或第二离合器以使用相应的马达轴或涡轮轴来驱动燃料气体压缩机。

附图的简要描述

本发明的这些和其它特征、方面和优点在参照附图阅读以下详细描述时将变得更好理解，附图中相似的符号贯穿附图表示相似的部分，在附图中：

图1是具有带有提高燃气涡轮系统的操作性的特征的燃料供应系统的燃气涡轮系统的实施例的示意图；

图2是具有两个串联的燃料气体压缩机和两个离合器以将燃料气体压缩机中的一个选择性地接合至马达的图1的燃料供应系统的实施例的示意图；

图3是图2的燃料供应系统的实施例的示意图，示出了离合器处于使用马达驱动第一燃料气体压缩机且使用涡轮轴驱动第二燃料气体压缩机的位置；

图4是图2的燃料供应系统的实施例的示意图，示出了离合器在第一位置和第二位置之间转换；

图5是图2的燃料供应系统的实施例的示意图，示出了离合器处于使用涡轮轴驱动两个燃料气体压缩机的位置；

图6是具有三个串联的燃料气体压缩机和多个离合器以将燃料气体压缩机中的一个或多个选择性地接合至马达的图1的燃料供应系统的实施例的示意图；以及

图7是具有多个燃料气体压缩机和单个离合器以将燃料气体压缩机中的一个或多个选择性地接合至马达的图1的燃料供应系统的实施例的示意图。

本发明的详细描述

下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。在致力于提供这些实施例的简明描述中，可不在说明书中描述实际实现方式的所有特征。应了解的是，在任何这样的实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出许多实现方式特定的决定来达到开发者的诸如符合系统相关和商业相关的约束的特定目的，这些目的可从一种实现方式到另一种实现方式变化。此外，应了解的是，这样的开发努力可能是复杂和耗时的，但对于那些具有本公开的益处的本领域普通技术人员来说将不过是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意在表示存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意在为包含性的且意味着可存在除了列出的元件之外的额外元件。

本公开涉及将用于燃气涡轮系统的燃料加压的系统和方法。在正常运行期间，某些燃气涡轮将氧化剂(例如，空气、氧或富氧空气)和燃料气体(即，气相燃料)的混合物燃烧成燃烧产物。燃烧产物迫使涡轮的叶片旋转，从而驱动涡轮轴旋转。旋转的涡轮轴驱动燃气涡轮系统的某些构件，诸如将用于燃气涡轮的燃料气体加压的一个或多个燃料气体压缩机。在正常运行期间，涡轮轴的旋转速度使燃料气体压缩机能够将燃料气体充分地加压以用于输送至燃气涡轮。然而，在燃气涡轮的起动期间，涡轮轴的旋转速度可能太低以致不能将燃料气体充分地压缩。在某些实施例中，在起动过程的初始阶段期间，液体燃料传送至燃气涡轮，且一旦涡轮轴的速度足够，燃料气体就被引入。遗憾的是，基于液体燃料的起动可能困难且相对昂贵。

为了贯穿起动过程使用燃料气体，马达(例如，电动马达)可在涡轮轴的旋转速度较低时用于驱动燃料气体压缩机。一旦涡轮轴的速度足够高以加压燃料气体，燃料气体压缩机就可由涡轮轴驱动。为此，离合器沿涡轮轴布置以便将燃料气体压缩机选择性地联接至马达或涡轮轴。

现在转到附图，图1是燃气涡轮系统10的实施例的示意图。燃气涡轮系统10包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。燃气涡轮系统10的实施例可构造成以多种氧化剂18(诸如，空气、氧或富氧空气)运行。然而，为了论述的目的，系统10描述为以空气作为氧化剂18。压缩机12从空气供应20接收空气18且将空气18压缩以用于输送到燃烧器14中。燃烧器从燃料供应系统24接收空气18和加压的燃料22。如下文更加详细地描述的那样，燃料供应系统24包括一个或多个离合器26以使燃料气体压缩机28能够选择性地由涡轮16或马达30驱动(例如，电动马达、燃烧发动机或其它驱动)。

燃烧器14使空气18和燃料22的混合物燃烧成热燃烧气体。这些燃烧气体流到涡轮16中且迫使涡轮叶片32旋转，从而驱动轴34(例如，涡轮轴)旋转。轴34的旋转为压缩机12提供能量以将空气18加压。更特别地，轴34使附接至压缩机12内的轴34的压缩机叶片36旋转，从而将空气18加压。此外，旋转轴34可旋转或驱动负载38，诸如发电机或能够利用轴34的机械能的任何装置。在涡轮16从燃烧产物获取有用功之后，燃烧产物传送至热回收蒸汽发生器(HRSG)39。HRSG 39例如可从燃烧产物回收废热以产生蒸汽，蒸汽可进一步用于驱动蒸汽涡轮。

在燃气涡轮系统10的正常运行(例如，稳态或满负荷运行)期间，旋转轴34也可用于驱动燃料气体压缩机28。例如，如图所示，燃料气体压缩机28从燃料供应40接收燃料22。燃料22可通过可用于控制燃料22的流率的多个入口导向导叶(IGV)42进入燃料气体压缩机28。更特别地，IGV 42的桨距可变化，从而使到燃料气体压缩机28中的燃料22的输入流节流。在燃料气体压缩机28内，联接至压缩机轴46的压缩机叶片44的旋转将燃料22加压以用于输送至燃烧器14。

在正常运行(例如稳态运行)期间，压缩机轴46可经由离合器48联接至涡轮轴34且由其驱动。因此，离合器48能够将功率从涡轮16传输至燃料气体压缩机28(例如，从涡轮轴34至压缩机轴46)。如将了解的那样，离合器48在其利用来自其它源的功率驱动压缩机轴46可能有利的某些运行时期期间可脱离。例如，在运行的起动或瞬态时期期间，旋转轴34的速度可能不足以驱动燃料气体压缩机28的压缩机轴46。充足的功率(例如，旋转运动)可由马达30的马达轴50提供。因为马达30的运行独立于燃气涡轮系统10的运行，马达30在燃气涡轮系统10处于瞬态或起动状态时可用于驱动燃料气体压缩机28。如图所示，压缩机轴46经由离合器52联接至马达轴50且由其驱动。在某些实施例中，压缩机轴46、马达轴50和涡轮轴34可为同轴的。

控制器54通信地联接至涡轮16、燃料气体压缩机28、入口导向导叶42、马达30以及离合器48和52。如下文进一步描述的那样，控制器54执行指令以便基于燃气涡轮系统10的运行模式来使每个离合器48和52接合或脱离。例如，涡轮轴34的低速度可表示起动模式。控制器54可执行指令以使用马达30驱动燃料气体压缩机28，例如通过脱离离合器48且接合离合器52以将压缩机轴46联接至马达轴50。

应注意的是，燃料供应系统24可包括多个燃料气体压缩机。例如，燃料22可由第一压缩机压缩至中间压力且随后使用第二燃料气体压缩机压缩至更高压力。多级压缩可增加燃料22的压力以及燃料供应系统24的效率。因此，燃料供应系统24的某些实施例可包括1个、2个、3个、4个或更多的带有关联压缩机轴和离合器的燃料气体压缩机28，如下文关于图2进一步论述的那样。

图2示出了具有两级压缩56和58的燃料供应系统24的实施例。更特别地，来自燃料供应40的燃料22由低压燃料气体压缩机60(例如，28)压缩且然后由高压燃料气体压缩机62(例如，28)进一步压缩。在每一级压缩56和58之后，燃料22在相应的冷却器64和66内冷却。如将了解的是，某些燃料22可包括一个或多个可冷凝组分(例如，蒸汽、烃、硫化物)。当燃料22冷却时，这些组分可冷凝成液体形式。因此，分离器68和70沿燃料流通路在每一级压缩56和58中布置以便将液体冷凝物从剩余的气态燃料22分离。应当注意的是，冷却器64和66以及分离器68和70可占用燃料供应系统24内的各种位置。例如，冷却器66和分离器70可在回流阀(spillback valve)78上游，如图6和图7中所示。

现在转回到图2，放空装置(flare)72和74也沿燃料22的每一级压缩56和58中的流通路布置。放空装置72和74实现燃料供应系统24压力控制，例如通过在压力过高时将燃料22的一部分放出。燃料供应系统24的压力也可由回流阀76和78控制。更特别地，打开回流阀76或78使压缩机排出的一部分能够回流至压缩机入口，从而升高相应的压缩机60和62的排出压力。此外，某些压缩机可在完全回流模式中起动，其中压缩机排出的全部循环回压缩机入口。

控制阀80布置在压缩机60和62之间。取决于燃烧器14的运行模式，可能期望增大或减小燃料22的流量。例如，在起动运行期间，燃料22的流量随燃气涡轮系统10起动逐渐增大。在调低运行期间，燃料22的流量可逐渐减小。甚至在正常运行期间，燃料22的流率可略微调节以便维持燃烧器14内的稳定运行条件。因此，控制阀80可如期望节流以便调节燃料22的流率。在某些实施例中，控制阀80可由控制器54调节。

如上文论述的那样，燃料供应系统24包括使压缩机60和62能够由马达30或涡轮16(图1中所示)驱动的一个或多个离合器26。在示出的实施例中，低压(LP)压缩机60联接至涡轮轴34，而高压(HP)压缩机62联接至单独的压缩机轴46。LP压缩机60由涡轮轴34连续地驱动。然而，HP压缩机62由压缩机轴46驱动，压缩机轴46继而可由涡轮轴34或马达轴50驱动。应当注意的是，在备选实施例中，LP压缩机60也可包括由涡轮轴34或马达轴50选择性地驱动的单独的轴。

齿轮箱82联接至压缩机轴46。齿轮箱82包括使压缩机轴46、涡轮轴34和马达轴50能够在不同速度下旋转的一个或多个齿轮和/或齿轮系。取决于齿轮箱82的设计，驱动轴(例如，涡轮轴34或马达轴50)和从动轴(例如压缩机轴46)之间的轴速比可在大约10∶1至1∶10、5∶1至1∶5、2∶1至1∶2及其之间的所有子范围之间。此外，传动比可基于燃气涡轮系统10的运行条件选择。例如，在正常运行期间可期望较低的传动比，以便提高燃料供应系统24的效率。然而，在起动期间，当轴34、46和50的速度大体较低时，较高的传动比可能更有效率。燃料供应系统24的某些实施例可不包括齿轮箱82，而另一些可包括1个、2个、3个、4个或更多的齿轮箱82。

如之前注意的那样，控制器54控制离合器48和52的位置，其确定压缩机轴46是由涡轮轴34还是由马达轴50驱动。为此，控制器54包括处理器84和存储器86以执行指令来控制离合器48和52。这些指令可编码在可由处理器84执行的软件程序中。此外，指令可存储在有形、非瞬态的计算机可读介质(诸如存储器86)中。例如，存储器86可包括随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器等。

控制器54通信地联接至压缩机60和62、离合器48和52、控制阀80以及传感器88和90中的每一个。传感器88和90检测与相应级压缩56和58相关联的一个或多个运行条件。例如，传感器88和90可检测燃料22的流率、燃料22的压力、燃料22的温度、压缩机速度、振动等。控制器54可基于由传感器88和90检测的运行条件来调节离合器48和52的位置。

在一个实施例中，传感器88和90检测相应压缩机60和62的压缩机速度作为燃气涡轮系统10的运行模式的指示。例如，当涡轮轴34的速度小于阈值(例如，大约是额定速度的百分之60、50或40)时，控制器54可判断燃气涡轮系统10是处于起动模式还是调低模式。在此情况下，使用马达30而非涡轮轴34来驱动HP压缩机62可为有效率的。因此，控制器54使离合器48脱离且接合离合器52。结果，LP压缩机60联接至涡轮轴34且由其驱动，而HP压缩机62联接至马达轴50且由其驱动。此构造使燃料22能够充分地加压以用于输送至燃烧器14，即使涡轮轴34的速度相对较低。

当涡轮轴34的速度增加至高于阈值(例如，大约是额定速度的百分之40、50或60)时，使用涡轮轴34而非马达轴50来驱动压缩机轴46可为更有效率的。为此，控制器54接合离合器48且使离合器52脱离。结果，压缩机60和62都联接至涡轮轴34且由其驱动。在某些实施例中，阈值压缩机速度可为不同的。例如，控制器54可在涡轮轴的速度在额定速度的大约百分之10至90、百分之20至80或百分之30至70之间时接合或脱离离合器48和52。另外或备选地，控制器54可基于其他运行条件(诸如压力、流量、温度等)控制离合器48和52。例如，响应于警告设置点，控制器54可使离合器48和52两者脱离以降低至燃烧器14的燃料22的流率。

图3至图5示出了燃料供应系统24的离合器48和52的各种位置。例如，离合器48和52的位置可首先在第一构造92(图3)且可通过第二构造94(图4)转换至第三构造96(图5)。在某些实施例中，第一构造92可表示燃气涡轮系统10的起动模式，而第三构造96可表示稳态或正常运行。应当注意的是，构造92、94和96的顺序可互换且可取决于燃气涡轮系统10的运行条件。

图3示出了离合器48和52的构造92使马达30能够驱动HP压缩机62。如图所示，离合器48从涡轮轴34脱离，而离合器52接合至马达轴50。例如，当涡轮轴34的速度相对较低且马达30能够提供压缩机轴46的较高旋转时(例如，在燃气涡轮系统10的起动期间)，可期望示出的构造92。

图4示出了离合器48和52的另一种构造94，其允许图3和图5的构造之间的平稳转换。如将了解的是，当压缩机60和62由不同的轴(例如，分别由涡轮轴34和马达轴50)驱动时，压缩机60和62可以以不同的速度或以不同量的转矩旋转。因此，可能期望的是平衡各种轴速和/或转矩以允许图3和图5的构造之间的平稳转换。如图所示，当离合器48和52中的每一个接合时，各个轴34、46和50联接在一起且表现为单个轴，从而产生更加稳定的轴速。

如之前注意的那样，齿轮箱82使各个轴34、46和50能够以不同速度旋转。因此，当离合器48和52接合时，轴34、46和50可继续以不同的速度旋转。然而，在某些实施例中，可能期望的是各个轴34、46和50在图3和图5的构造之间转换时以大约一致的速度旋转。例如，一致的轴速度可通过使用齿轮箱82用大约1∶1的传动比实现。

图5示出了使涡轮轴34能够驱动压缩机60和62两者的离合器48和52的构造96。如图所示，离合器48接合至涡轮轴34，而离合器52从马达轴50脱离。在燃气涡轮系统10的稳态或正常运行期间，当涡轮轴34能够提供压缩机轴46的较高旋转时，可期望示出的构造96。

图6示出了具有三级压缩98、100和102的燃料供应系统24的实施例。更特别地，燃料22由流体地连接的串联的三个压缩机压缩：LP压缩机104、中压(MP)压缩机106和HP压缩机108。如图所示，HP压缩机包括IGV 42，而LP压缩机104和MP压缩机106不包括。然而，在其它实施例中，任何或全部燃料气体压缩机28可包括IGV 42。

燃料供应系统24包括冷却器110、分离器112、放空装置114、回流阀116、控制阀118和传感器120，每个与图2的相应构件具有类似的功能。如图所示，MP压缩机106和HP压缩机108具有独立的压缩机轴122和124。离合器126、128和130联接在轴34、122、124和50之间以使涡轮16(图1中所示)或马达30能够驱动轴34、50、122和124。例如，在示出的构造中，离合器126和130接合，而离合器128脱离。因此，LP压缩机104和MP压缩机106由涡轮轴34驱动，而HP压缩机108由马达轴50驱动。如之前注意的那样，当燃气涡轮系统10在起动模式运行时，可期望此构造。在正常运行期间，离合器126和128可接合，而离合器130脱离。因此，涡轮轴34可驱动全部燃料气体压缩机104、106和108，而马达30从涡轮轴34脱离。应当了解的是，其它数目的燃料气体压缩机28和离合器26被构思且落入本公开的范围和精神内。

图7示出了具有离合器26、48的燃料供应系统24的实施例以提高燃气涡轮系统10的操作性。除了离合器26、52之外，图7中所示的实施例类似于图2中所示的实施例。离合器26、52的移除可大体降低燃气涡轮系统10的成本。在起动运行期间，离合器26、48可脱离。因此，HP压缩机62由马达轴50驱动，且LP压缩机60由涡轮轴34驱动。当离合器接合时，涡轮轴34驱动HP压缩机62和LP压缩机60两者，且马达轴30保持联接至涡轮轴34。在此构造中，马达30可在联接至涡轮轴34时空转以提高燃气涡轮系统10的效率。

公开的实施例的技术效果包括提高燃气涡轮系统10的操作性的带有一个或多个离合器26的燃料供应系统24。具体而言，离合器26使燃料气体压缩机28能够由涡轮16或马达30驱动，这取决于在运行的给定时间或阶段期望哪一个。因此，当涡轮轴34的速度较低时，诸如在燃气涡轮系统10的起动运行期间，离合器26可接合或脱离以使用马达30驱动燃料气体压缩机28。当涡轮轴34的速度足够高时，离合器可接合或脱离以使用涡轮16驱动燃料气体压缩机28。

此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。