专利名称：用于加热用于燃气轮机的燃料的系统和方法
技术领域：
本文公开的主题涉及用于燃气轮机的燃料的加热。
背景技术：
燃气轮机通常使用燃料和压缩空气的混合物进行燃烧。然而，在一些情形中，燃料 可处于相对低的温度，而压缩空气可处于相对高的温度。低燃料温度可降低性能，降低效 率，并增加燃气轮机的排放。因此，期望在将燃料与压缩空气混合之前加热燃料以改善燃气 轮机的性能、效率以及排放。
发明内容
下面对在范围方面与原本要求保护的发明相当的某些实施例进行概述。这些实施 例不意在限制要求保护的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意在提供本发明的可能形 式的简要概述。实际上，本发明可包括可能类似于或异于下面所论述的实施例的各种形式。在第一实施例中，一种系统包括燃气轮机发动机。该燃气轮机发动机包括构造成 接收并压缩空气的压缩机。该燃气轮机发动机还包括构造成接收来自压缩机的压缩空气的 第一流以及燃料的燃烧器，其中，该燃烧器构造成燃烧压缩空气和燃料的混合物以产生排 气。该燃气轮机发动机还包括构造成接收来自燃烧器的排气并利用排气使轴旋转的涡轮。 该系统还包括燃料系统，该燃料系统构造成接收来自压缩机的压缩空气的第二流，以利用 来自压缩空气的第二流的热量加热燃料，并且将已加热燃料输送至燃烧器。在第二实施例中，一种系统包括燃料加热器。该燃料加热器包括第一热交换器，该 第一热交换器构造成接收来自压缩机的压缩空气并且将来自该压缩空气的热量传递至给 水。该燃料加热器还包括第二热交换器，该第二热交换器构造成接收来自第一热交换器的 已加热给水并且将来自该已加热给水的热量传递至燃料。在第三实施例中，一种方法包括使用来自压缩机的压缩空气作为第一热源在第一 热交换器内加热给水。该方法还包括使用来自第一热交换器的已加热给水作为第二热源在 第二热交换器内加热燃料。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变 得更好理解，在附图中，相同标号在图中始终表示相同部件，其中图1是具有燃气轮机、蒸汽轮机、热回收蒸汽发生(HRSG)系统以及燃料系统的联 合循环动力发生系统的一个实施例的示意性流程图；图2是图1的燃气轮机、进气系统以及燃料系统的一个实施例的示意性流程图；图3是用于使用来自图1的燃气轮机的压缩机的已加热空气作为热源来加热图1 的燃料系统中的燃料的方法的一个实施例的流程图；以及图4是在起动期间通过燃料系统的一个实施例的已加热空气、燃料以及给水的温度和质量流率的图表。部件列表
10联合循环动力发生
12燃气轮机
14第一负荷
16涡轮
18燃烧器或燃烧室
20压缩机
22蒸汽轮机
24第二负荷
26低压段
28中压段
30高压段
32HRSG
34已加热排气
36冷凝器
38冷凝泵
40低压节约器
42低压蒸发器
44中压节约器
46中压蒸发器
48高压节约器
50高压蒸发器
52初级高压过热器
54终极高压过热器
56级间调温器
58初级过热器
60次级过热器
62级间调温器
64燃料系统
66燃料
68进气系统
70环境空气
72进气
74空气给水热交换器
76给水燃料热交换器
78公共轴
80压缩空气
82热加压排气
84已加热空气
86阀
88控制器
90温度传感器
92给水
94已加热给水
96已冷却空气
98源燃料(source fuel)
100已冷却给水
102方法
104方法步骤
106方法步骤
108方法步骤
110方法步骤
112方法步骤
114方法步骤
116方法步骤
118方法步骤
120已加热空气质量流率
122给水质量流率
124给水进口压力
126燃料出口压力
128已加热空气温度
具体实施例方式下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施 例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现方案的所有特征进行描述。应当意识到的 是，当如在任何工程或设计项目中那样开发任何这种实际实现方案时，必须作出许多对实 现方案而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关和与商业有关的约 束，开发人员的具体目标可根据不同的实现方案彼此有所改变。此外，应当意识到的是，这 种开发工作可能是复杂且耗时的，但尽管如此，对受益于本公开的普通技术人员来说，这种 开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意在表
示存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”以及“具有”意在为包括性的，并且表示除了 列出的元件之外，可存在另外的元件。所公开的实施例包括用于使用来自燃气轮机的压缩机的已加热空气加热用于燃 气轮机的燃料的系统和方法。例如，在某些实施例中，可将来自压缩机的压缩空气引导到第 一热交换器中，在该第一热交换器中使用压缩空气来加热来自给水系统的给水。给水例如 可来自热回收蒸汽发生(HRSG)系统的中压段。接下来，可将来自第一热交换器的已加热给水引导到第二热交换器中，在该第二热交换器中在将燃料输送到燃气轮机以进行燃烧之前 使用已加热给水来加热燃料。使用给水作为中间传热介质排除了在热交换器中结合压缩空 气和燃料的可能性。此外，由于给水系统已经可结合尤其是联合循环动力发生装置中的燃 气轮机一起使用，所以可减少或甚至排除对外部传热设备(例如，辅助锅炉、电加热器等) 的需求。在其它实施例中，可使用有别于给水的流体来将来自压缩空气的热量经由第一和 第二热交换器传递至燃料。此外，可使用例如燃气轮机排气、蒸汽等的其它热源来加热中间 传热介质。另外，还可使用备选热交换器构造，包括其它中间传热介质。图1是具有燃气轮机、蒸汽轮机、HRSG系统以及燃料系统的联合循环动力发生系 统10的一个实施例的示意性流程图。如以下更详细地所描述的那样，燃料系统可构造成在 将燃料输送至燃气轮机之前加热燃料。特别地，燃料系统可包括用于利用来自燃气轮机的 压缩机的已加热压缩空气加热给水的第一热交换器和用于利用来自第一热交换器的已加 热给水加热燃料的第二热交换器。系统10可包括用于驱动第一负荷14的燃气轮机12。第一负荷14例如可为用于 产生电力的发电机。燃气轮机12可包括涡轮16、燃烧器或燃烧室18以及压缩机20。系统 10还可包括用于驱动第二负荷24的蒸汽轮机22。第二负荷24也可为用于产生电力的发 电机。然而，第一负荷14和第二负荷24 二者均可为能够由燃气轮机12和蒸汽轮机22驱 动的其它类型的负荷。另外，虽然燃气轮机12和蒸汽轮机22如所示的实施例中所显示的 那样可驱动分离的负荷14和24，但燃气轮机12和蒸汽轮机22也可串联地被使用以经由单 个轴驱动单个负荷。在所示的实施例中，蒸汽轮机22可包括一个低压段26 (LP ST)、一个中 压段28 (IP ST)以及一个高压段30 (HP ST)。然而，蒸汽轮机22以及燃气轮机12的具体构 造可为实施方案特定的并且可包括段的任何结合。系统10还可包括多级HRSG 32。所示的实施例中的HRSG 32的构件为HRSG 32的 简化图示并非意在起限制作用。相反，所示的HRSG32显示为传达此类HRSG系统的一般操 作。来自燃气轮机12的已加热排气34可传输到HRSG 32中并用来加热用于给蒸汽轮机22 提供动力的蒸汽。可将来自蒸汽轮机22的低压段26的排气引导到冷凝器36中。又可借 助于冷凝泵38将来自冷凝器36的冷凝物引导到HRSG 32的低压段中。冷凝物然后可流经低压节约器40 (LPECON)，该低压节约器40为一种构造成利用 可用来加热冷凝物的气体来加热给水的装置。一部分冷凝物可从低压节约器40中引导到 低压蒸发器42 (LPEVAP)中，同时可将剩余部分朝中压节约器44(IPEC0N)泵送。来自低压 蒸发器42的蒸汽可返回至蒸汽轮机22的低压段26。同样，一部分冷凝物可从中压节约器 44引导到中压蒸发器46(IPEVAP)中，同时可将剩余部分朝高压节约器48 (HPECON)泵送。 另外，可将来自中压节约器44和/或中压蒸发器46的蒸汽和/或给水运送至燃料系统，在 该燃料系统中蒸汽和/或给水可用来加热用于在燃气轮机12的燃烧室18中使用的燃料。 可将来自中压蒸发器46的蒸汽运送至蒸汽轮机22的中压段28。此外，因为所示的实施例 仅说明了可采用当前实施例的独特方面的HRSG系统的一般操作，因此节约器、蒸发器以及 蒸汽轮机22之间的连接可因实施方案不同而有所改变。最后，可将来自高压节约器48的冷凝物引导到高压蒸发器50(HPEVAP)中。可将 离开高压蒸发器50的蒸汽引导到初级高压过热器52和终极高压过热器54中，在其中使蒸 汽过热并最终将其运送至蒸汽轮机22的高压段30。来自蒸汽轮机22的高压段30的排气
6又可引导到蒸汽轮机22的中压段28中。来自蒸汽轮机22的中压段28的排气可引导到蒸 汽轮机22的低压段26中。级间调温器56可定位在初级高压过热器52和终极高压过热器54之间。级间调 温器56可允许来自终极高压过热器54的蒸汽的排出温度的更加鲁棒的控制。具体而言， 级间调温器56可构造成通过每当离开终极高压过热器54的蒸汽的排出温度超过预定值时 将较冷的给水射流喷射到终极高压过热器54上游的过热蒸汽中来控制离开终极高压过热 器54的蒸汽的温度。另外，可将来自蒸汽轮机22的高压段30的排气引导到初级再热器58和次级再热 器60中，在其中该排气可在被引导到蒸汽轮机22的中压段28中之前被再加热。初级再热 器58和次级再热器60还可与级间调温器62相关联以控制来自再热器的排出蒸汽温度。具 体而言，级间调温器62可构造成通过每当离开次级再热器60的蒸汽的排出温度超过预定 值时将较冷的给水射流喷射到次级再热器60上游的过热蒸汽中来控制离开次级再热器60 的蒸汽的温度。在联合循环系统(如系统10)中，热排气34可从燃气轮机12流出并经过HRSG 32 并可用来产生高压、高温蒸汽。然后可使由HRSG 32产生的蒸汽经过蒸汽轮机22以用于产 生动力。另外，所产生的蒸汽还可供应至任何其它在其中可使用过热蒸汽的过程。燃气轮 机12循环通常称为“顶循环”，而蒸汽轮机22发生循环通常称为“底循环”。通过结合如图 1中所示的这两个循环，联合循环动力发生系统10可在两个循环中导致更高的效率。特别 地，来自顶循环的排气热量可被捕获并用来生成用于在顶循环中使用的蒸汽。燃气轮机12可使用来自燃料系统64的燃料操作。特别地，燃料系统64可向燃气 轮机12供应燃料66，该燃料66可在燃气轮机12的燃烧室18内燃烧。燃料66可包括液体 燃料、气体燃料或其结合。另外，在某些实施例中，进气系统68可用来收集环境空气70以 用作进气72，该进气72可在燃气轮机12的压缩机20内被压缩。为了确保燃料66在涡轮机12的燃烧室18内的高效燃烧，在某些实施例中，燃料 系统64可包括用于在将燃料66输送至燃烧室18之前加热燃料66的设备。更具体而言， 通过在将燃料66输送至燃烧室18之前加热燃料66，可改善联合循环动力发生系统10的 性能、效率以及排放。特别地，在联合循环动力发生系统10的起动期间加热燃料66已证实 为尤其有益的，因为燃料66通常将比在起动期间从压缩机20输送至燃烧室18的压缩空气 冷。一种用于加热燃料66的解决方案是使用带有蒸汽作为加热源的辅助锅炉。然而， 使用辅助锅炉加热燃料66可包含一定的缺点。例如，安装辅助锅炉的投资成本可能不是资 源的最高效利用，因为辅助锅炉通常可能大于实际需要。本文所公开的实施例大致涉及处 理这些缺点。特别地，如以下更详细地所描述的那样，所公开的实施例规定使用来自燃气轮 机12的压缩机20的已加热压缩空气加热给水，该给水又可用来在燃料66输送至燃气轮机 12的燃烧室18之前加热燃料66。由于来自压缩机20的已加热压缩空气以及给水已经可 由联合循环动力发生系统10使用，所以使用它们加热燃料66可通过减少对外部传热设备 (如辅助锅炉)的需求来降低装置的投资成本。图2是图1的燃气轮机12、进气系统68以及燃料系统64的一个实施例的示意性 流程图。如图所示，燃料系统64可包括空气给水热交换器74和给水燃料热交换器76。如以下更详细地所描述的那样，空气给水热交换器74可用来使用来自燃气轮机12的压缩机 20的已加热压缩空气作为热源来加热给水。另外，给水燃料热交换器76可用来使用已加热 给水作为热源来加热燃料。因此，一般而言，燃料系统64可接收来自燃气轮机12的压缩机 20的已加热压缩空气并且可产生用于在燃气轮机12的燃烧室18中使用的已加热燃料66。为了更好地说明利用来自燃气轮机12的压缩机20的已加热压缩空气来加热燃料 66的过程，将提供燃气轮机12大致如何操作的概述。如图所示，涡轮16和压缩机20可联 接至公共轴78，该轴78还可连接至负荷14。压缩机20还包括可联接至轴78的叶片。当 轴78旋转时，压缩机20内的叶片同样旋转，从而压缩来自进气系统68的进气72。可将压 缩空气80引导到燃气轮机12的燃烧室18中，在该燃烧室18中压缩空气80与燃料66混 合以在燃烧室18内燃烧。更具体而言，燃料喷嘴可以用于优化燃烧、排放、燃料消耗以及动 力输出的适当比率将空气燃料混合物喷射到燃烧室18中。空气燃料混合物在燃烧室18内 燃烧，从而产生热加压排气82。燃烧室18引导排气82通过涡轮16。当排气82经过涡轮 16时，气体推动一个或多个涡轮叶片以使轴78旋转，并且又推动压缩机20和负荷14。更 具体而言，涡轮叶片的旋转促使轴78的旋转，从而促使压缩机20内的叶片抽吸并加压从进 气系统68接收的进气72。压缩机20产生的压缩空气80不但可处于升高的压力，而且可处于升高的温度。例 如，在某些实施例中，压缩机20所产生的压缩空气80可在500 0F (例如，处于燃气轮机12 上的最小负荷下)至800下(例如，处于燃气轮机12上的最大负荷下)的范围内。然而，压 缩空气80的温度可随实施方案和运行点的不同而变化，并且在某些实施例中可为400下、 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 °F等。另外，压缩 空气80的温度可随压缩机20的不同级而变化。因此，尤其与燃料66相比，压缩空气80通常处于升高的温度。因此，代替将压缩 空气80的整个流引导到燃气轮机12的燃烧室18中，可将一定量的压缩空气80引导或旁 通到燃料系统64中作为已加热空气84，以在空气给水热交换器74内用作热源。例如，在某 些实施例中，可朝向空气给水热交换器74引导一定百分比(例如，0%-20%)的压缩空气 80。在某些实施例中，从压缩机空气80的主流中获得的已加热空气84的百分比可为约
至3%。然而，从压缩空气80的主流中获得的已加热空气84的百分比也可随实施方案和 运行点的不同而变化，并且在某些实施例中可为0. 5%、1. 0%、1. 5%、2. 0%、2. 5%、3. 0%、 3. 5%,4. 0%,4. 5%,5. 0%等。这些百分比也可基于压缩空气80的各种特性，例如体积、质 量等。实际上，除了被改变方向引导到空气给水热交换器74中的一定百分比以外，加热燃 料66所需的一定的质量流率、能量流率等可确定应当将多少已加热空气84引导到空气给 水热交换器74中。在某些实施例中，压缩空气80在燃气轮机12的燃烧室18和燃料系统64的空气 给水热交换器74之间的分配可由在空气给水热交换器74下游的阀86控制。特别地，阀86 可控制待输送到空气给水热交换器74中的已加热空气84的量。在某些实施例中，控制器 88可用来控制已加热空气84的流量。特别地，控制器88可包括用于促动阀86以控制流至 燃料系统64的空气给水热交换器74的压缩空气80的流量的控制逻辑。在某些实施例中， 压缩空气80和已加热空气84的流量可由控制器88至少部分基于空气给水热交换器74和 给水燃料热交换器76内的状态而调节。例如，压缩空气80在燃烧室18和空气给水热交换器74之间的分配可由控制器88基于从给水燃料热交换器76输送至燃烧室18的燃料66 的温度而控制，该温度可由温度传感器90测量。如上文所描述的那样，引导到空气给水热交换器74中的已加热空气84可用来加 热来自联合循环动力发生系统10的给水系统的给水92。特别地，在某些实施例中，可在空 气给水热交换器74内加热来自HRSG 32的中压给水。更具体而言，在某些实施例中，可从 HRSG32的中压节约器44和/或中压蒸发器46中接收中压给水。然而，在其它实施例中，也 可在空气给水热交换器74内加热来自HRSG 32的高压给水。一般而言，在空气给水热交换 器74内加热的给水92可处于比来自燃气轮机12的压缩机20的已加热空气84低得多的 温度。例如，在某些实施例中，给水92的温度可为约80°至300 °F。然而，此外，给水92的 温度可随实施方案和运行点的不同而变化，并且在某些实施例中可为60下、80 TUOO下、 120 0F ,140 0F ,160 0F ,180 200 220 240 260 280 300 320 340 0F寸。因此，已加热气体84可用来加热给水92以产生已加热给水94，已加热给水94可 引导到给水燃料热交换器76中。在该过程期间，已加热空气84将被冷却至一定程度，从而 产生已冷却空气96。在某些实施例中，可引导已冷却空气96回到进气系统68中，在该进气 系统68中已冷却空气96可作为进气72再次被运送至燃气轮机的压缩机20。然而，在其 它实施例中，可将已冷却空气96引导至HRSG烟囱33、燃气轮机12的排出口或其它外部过 程。在某些实施例中，给水92的温度可上升至大约425 °F，而已加热空气84的温度可降低 至大约140下至240下。如前文所描述的那样，热交换的量将随实施方案和运行点的不同 而变化。由此，输送至给水燃料热交换器76的已加热给水94的温度可在350 375下、 400 0F、425 0F、450 500 °F等之间变化，而输送回进气系统68的已冷却空气96的温度可 在 100 °F、120 °F、140 °F、160 °F、180 °F、200 °F、220 °F、240 °F、260 °F、280 °F、300 °F 等之间 变化。因此，在某些实施例中，给水92的温度在朗肯温标(Rankine scale)上可增加10%、 20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%或更多，而已加热空气84的温度在朗 肯温标上可降低 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%或更多。引导到给水燃料热交换器76中的已加热给水94可用来加热源燃料98。一般而 言，在给水燃料热交换器76内加热的源燃料98可处于比来自空气给水热交换器74的已 加热给水94低得多的温度。例如，在某些实施例中，源燃料98的温度可为大约60下。然 而，此外，源燃料98的温度可随实施方案和运行点的不同而变化，并且在某些实施例中可 为 40 °F、50 °F、60 °F、70 °F、80 °F、90 0FUOO 0FUlO °F ,120 °F等。因此，已加热给水94可用来加热源燃料98以产生已加热燃料66，该已加热燃料 66可引导到燃气轮机12的燃烧室18中。在该过程期间，给水94将冷却至一定程度，从而产 生已冷却给水100。已冷却给水100可引导回到联合循环动力发生系统10的给水系统中。 在某些实施例中，源燃料98的温度可增大至大约375 °F，而已加热给水94的温度可下降至 大约120 T。如前文所描述的那样，热交换的量将随实施方案和运行点的不同而变化。由 此，待输送至燃气轮机12的燃烧室18的已加热燃料66的温度可在300 325 350 °F、 375 400 425 450 °F等之间变化，而输送回联合循环动力发生系统10的给水系统 的已冷却给水 100 的温度可在 80 0F、90 0F、100 0FUlO 120 0F、130 0F、140 0F、150 0F、 160下等之间变化。因此，在某些实施例中，源燃料98的温度在朗肯温标上可增加10%、20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%或更多，而已加热给水94的温度在朗 肯温标上可降低 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%或更多。图3是用于使用来自燃气轮机12的压缩机20的已加热空气84作为热源加热燃 料系统64中的燃料的方法102的一个实施例的流程图。在步骤104中，燃料系统64可接 收来自压缩机20的已加热空气84。如上文所描述的那样，控制器88可用来确定应当将多 少已加热空气84输送至燃料系统64以用作热源。例如，如果由温度传感器90测量到的燃 料66的温度在目标值之下，则控制器88可确定应当增加输送至燃料系统64的已加热空气 84的量。相应地，控制器88可促动阀86以增加流入燃料系统64中的已加热空气84的流 率。相反，如果由温度传感器90测量到的燃料66的温度在目标值之上，则控制器88可确 定应当减小输送至燃料系统64的已加热空气84的量。相应地，控制器88可促动阀86以 降低流入燃料系统64中的已加热空气84的流率。在步骤106中，燃料系统64可接收给水92。如上文所描述的那样，给水92可用作 用于加热燃料66的中间传热介质。首先在空气给水热交换器74中利用已加热气体84加 热给水92并且然后在给水燃料热交换器76中利用已加热给水94加热源燃料98的两步过 程通常是有益的，因为减小了在燃料系统64中产生可燃的空气燃料混合物的可能性。换言 之，由于将给水92用作中间传热介质，所以已加热空气84和源燃料98将混合从而在燃料 系统64中产生不期望的可燃状况的机会较少。可从联合循环动力发生系统10内部或外部的任何合适的给水系统中接收给水 92。然而，如上文所描述的那样，在某些实施例中，可从HRSG 32中接收给水92，并且更具体 而言，可从HRSG 32的中压节约器44和/或中压蒸发器46中接收给水92。来自HRSG 32 的中压段的给水已确认为燃料系统64内的尤其合适的中间传热介质。然而，如上文所描述 的那样，来自HRSG 32的高压给水也可用作中间传热介质。在步骤108中，可使用来自燃气轮机12的压缩机20的已加热空气84作为热源在 空气给水热交换器74内加热给水92。换言之，在空气给水热交换器74内可将热量从已加 热气体84传递至给水92。可使用能够将热量从气体(例如，已加热空气84)传递至流体 (例如，给水92)的任何合适的热交换器设计。在步骤108期间，给水92将被加热而变成已 加热给水94，该已加热给水94将被引导到给水燃料热交换器76中，而已加热空气84将冷 却而变成已冷却空气96。在步骤110中，可将来自空气给水热交换器74的已加热给水94输送至给水燃料 热交换器76。另外，在步骤112中，可可选地朝向燃气轮机12引回来自空气给水热交换器 74的已冷却空气96。更具体而言，如上文所描述的那样，可将已冷却空气96引导到与燃气 轮机12的压缩机20相关联的进气系统68中。然而，在其它实施例中，可将已冷却空气96 引导至HRSG烟囱33、燃气轮机的排出口或其它外部过程。在步骤114中，可使用来自空气给水热交换器74的已加热给水94作为热源在给 水燃料热交换器76内加热源燃料98。换言之，在给水燃料热交换器76内将热量从已加热 给水94传递至源燃料98。可使用能够将热量从流体(例如，已加热给水94)传递至燃料 的任何合适的热交换器设计。在步骤114期间，源燃料98将被加热而变成将引导到燃气轮 机12的燃烧室18中的燃料66，而已加热给水98将冷却而变成已冷却给水100，可引导该 已冷却给水100回到给水92来自的给水系统中。
在步骤116中，可将已在给水燃料热交换器76内加热的燃料66输送至燃气轮机 12的燃烧室18。如上文所描述的那样，在某些实施例中，来自给水燃料热交换器76的燃料 66的温度可由控制器88经由温度传感器90监测以确定流到燃料系统64中的已加热空气 84的流率是应当增加、降低还是保持在当前流率下。另外，在步骤118中，可可选地引导已 冷却给水100回到给水92来自的给水系统中。例如，在某些实施例中，可引导已冷却给水 100回到HRSG 32中，并且更具体而言，回到HRSG 32的中压段(例如，中压节约器44和/ 或中压蒸发器46)中。然而，在其它实施例中，可将已冷却给水100引导到冷凝器36或其 它外部过程中。虽然本文所描述的系统和方法可在燃气轮机12和联合循环动力发生系统10的操 作期间的任何时间下使用，但本文公开的实施例在燃气轮机12和联合循环动力发生系统 10的起动期间尤其有用。在初始起动时期之后，给水系统中的给水92的温度可开始上升。 此时，来自给水系统的给水92可用来直接加热燃料。例如，给水92可流动通过空气给水热 交换器74(例如，在未加热的情况下)而进入给水燃料热交换器76中，在该燃料热交换器 76中给水92可用来直接加热源燃料98。更具体而言，在某些实施例中，控制器88可检测来自给水系统的给水92的温度何 时上升至期望温度(例如，350 375 0F ,400 0F、425 0F、475 500 °卩等)。此时，控制器 88可确定来自燃气轮机12的压缩机20的已加热空气84不再需要加热给水92。因此，控制 器88可促使来自压缩机20的所有压缩空气80被引导到燃气轮机12的燃烧室18中。由 此，在空气给水热交换器74内将不会出现加热。取而代之，来自给水系统的给水92将流动 通过空气给水热交换器74 (例如，在未加热的情况下)而进入给水燃料热交换器76中。在 其它实施例中，控制器88可促使来自给水系统的给水92完全绕开空气给水热交换器74。使来自给水系统的给水92达到期望温度的时间量可仅需要大约5分钟左右。例 如，图4是在起动期间通过燃料系统64的一个实施例的已加热空气84、燃料66以及给水92 的温度和质量流率的图表。如图所示，在6. 5分钟左右，输送至空气给水热交换器74的已 加热空气质量流率120可开始上升。由此，给水质量流率122将开始增加以使得已加热空 气84可对某物加热。另外，进入给水燃料热交换器76中的给水进口温度124和离开给水 燃料热交换器76的燃料出口温度126也将开始上升。此外，已加热空气温度128将逐渐开 始上升。在一定时刻，给水进口温度124和/或燃料出口温度126可达到期望目标。在所 示的实施例中，该时刻在11分钟标记周围。一旦该情况发生，已加热空气质量流率120可 开始降低。然而，在该时刻，给水质量流率122、给水进口温度124、燃料出口温度126以及 已加热空气温度128可全部保持相对恒定或逐渐稳定。如上文所描述的那样，这主要是由 于来自给水系统的给水92已达到足够高的温度以使得给水92可用来在给水燃料热交换器 76中直接加热燃料的事实。应当注意的是，关于图4所提及的所有值只是说明典型的起动 时期并非意在起限制作用。所公开的实施例的技术效果包括提供用于使用来自燃气轮机的压缩机的压缩空 气作为热源加热用于在燃气轮机中使用的燃料的系统和方法。更具体而言，第一热交换器 可用来利用已加热压缩空气加热给水。接下来，可将已加热给水引导到第二热交换器中，在 该第二热交换器中已加热给水可用来加热燃料。通过使用给水作为中间传热介质，减小了 空气燃料混合物在第一和第二热交换器中燃烧的可能性。另外，由于来自燃气轮机的压缩机的现有空气和来自给水系统的给水可用来加热燃料，所以可减小或甚至排除对外部传热 设备(例如，辅助锅炉、电加热器等)的需求，从而降低投资成本。应当注意的是，可结合所 公开的系统和方法使用其它热交换器构造和/或中间传热介质。另外，所公开的实施例解决了在燃气轮机12的快速起动期间燃料加热的问题。特 别地，所公开的实施例确保了满意的燃料温度以使得燃气轮机12可以不受约束的方式操 作。另外，与重新引导已冷却空气96从燃料系统64回到燃气轮机12中相反，所公开的实 施例能够将已冷却空气96从燃料系统64改变路线传送至燃气轮机12的进口、燃气轮机12 的排出口或HRSG烟囱33。此外，这确保了燃气轮机12可以不受约束的方式运行，而不是受 到已冷却空气96的重新引导的约束。本书面描述使用实例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员 能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的 可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这 种其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权 利要求的字面语言无实质性差异的等同结构元素，则这种其它实例意在处于权利要求的范 围之内。
权利要求
一种系统，包括燃料加热器(64)，包括第一热交换器(74)，所述第一热交换器(74)构造成接收来自压缩机(20)的压缩空气(80，84)并将来自所述压缩空气(80，84)的热量传递至给水(92)；以及第二热交换器(76)，所述第二热交换器(76)构造成接收来自所述第一热交换器(74)的已加热给水(94)并将来自所述已加热给水(94)的热量传递至燃料(98)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料加热器(64)为构造成使用燃气 轮机发动机(12)的压缩机(20)来加热用于所述燃气轮机发动机(12)的燃料(98)的燃气 轮机燃料加热器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一热交换器(74)构造成从热回收 蒸汽发生系统(32)中接收所述给水(92)。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二热交换器(76)构造成将已加热 给水(94，100)输送至所述热回收蒸汽发生系统(32)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二热交换器(74，76)构造成 在燃气轮机发动机(12)和热回收蒸汽发生系统(32)的起动时期期间一起操作，并且所述 第二热交换器(76)构造成在所述起动时期之后在不带有所述第一热交换器(74)的情况下 操作。
6.一种方法，包括使用来自压缩机(20)的压缩空气(80，84)作为第一热源在第一热交换器(74)内加热 给水(92)；以及使用来自所述第一热交换器(74)的已加热给水(92)作为第二热源在第二热交换器 (76)内加热燃料(98)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括与热回收蒸汽发生系统 (32)交换给水(92，100)。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括将来自所述第二热交换器 (76)的已加热燃料(66)输送至燃气轮机发动机(12)的燃烧室(18)。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括控制在所述第一热交换器 (74)和燃气轮机发动机(12)的燃烧室(18)之间的所述压缩空气(80，84)的流量。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括在燃气轮机发动机(12)和 热回收蒸汽发生系统(32)的起动时期期间操作所述第一和第二热交换器(74，76) 二者，并 且在所述起动时期之后仅操作所述第二热交换器(76)。
全文摘要
本发明涉及用于加热用于燃气轮机的燃料的系统和方法，具体而言，在某些实施例中，一种系统包括燃料加热器(64)。该燃料加热器(64)包括第一热交换器(74)，该第一热交换器(74)构造成接收来自压缩机(20)的压缩空气(80，84)并将来自该压缩空气(80，84)的热量传递至给水(92)。该燃料加热器(64)还包括第二热交换器(76)，该第二热交换器(76)构造成接收来自第一热交换器(74)的已加热给水(94)并将来自该已加热给水(94)的热量传递至燃料(98)。
文档编号F02C7/224GK101881220SQ201010177108
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月7日 优先权日2009年5月8日
发明者B·J·贝里, D·M·托克卡, G·R·史密斯, J·D·霍尔特, R·J·鲁奇盖 申请人:通用电气公司