专利名称：用于加热简单循环设备中的涡轮机燃料的系统和方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及用于简单循环燃气涡轮机的燃料的加热。
背景技术：
简单循环设备中的燃气涡轮机通常使用燃料与压缩空气的混合物，以用于燃烧。 然而，在一些情况下，燃料可处在比较低的温度，而压缩空气可处在比较高的温度。低的燃 料温度可降低燃气涡轮机的性能，降低燃气涡轮机的效率，并增大燃气涡轮机的排放。因 此，可能合乎需要的是在使燃料与压缩空气混合之前加热燃料，以便改进燃气涡轮机的性 能、效率和排放，或者以便补偿燃料组成的变化。
发明内容
下面概述了在范围方面与初始要求保护的发明相称的某些实施例。这些实施例不 意图限制要求保护的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意图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阐述的实施例的多种形式。在第一实施例中，一种系统包括燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括构造成 以便接收和压缩空气的压缩机。该燃气涡轮发动机还包括构造成以便接收来自压缩机的第 一压缩空气流和燃料的燃烧器，其中，该燃烧器构造成以便燃烧压缩空气与燃料的混合物， 以产生排气。该燃气涡轮发动机还包括构造成以便接收来自燃烧器的排气以及利用该排气 使轴旋转的涡轮。该系统还包括燃料加热系统，该燃料加热系统构造成以便接收来自压缩 机的第二压缩空气流，以利用来自第二压缩空气流的热加热中间传热介质，利用来自中间 传热介质的热加热燃料，以及将燃料输送到燃烧器。中间传热介质专门地在燃料加热系统 内流动。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，第 一热交换器构造成以便从压缩机接收压缩空气，以及将热从该压缩空气传递到冷却了的中 间传热介质，以便产生加热了的中间传热介质。该燃料加热器还包括第二热交换器，第二热 交换器构造成以便接收来自第一热交换器的加热了的中间传热介质，以及将热从该加热了 的中间传热介质传递到燃料。第一热交换器构造成以便接收来自第二热交换器的冷却了的 中间传热介质。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 热交换器内加热中间传热介质。该方法还包括使用来自第一热交换器的加热了的中间传热 介质作为第二热源在第二热交换器内加热燃料。该方法还包括使中间传热介质在具有第一 热交换器和第二热交换器的闭环中流通。
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、方面和优点将得到 更好的理解，在附图中，同样的符号在所有图中表示同样的部件，其中
图1是具有燃料加热系统的简单循环涡轮机系统的一个示例性实施例的简图；图2是如图1所示的简单循环涡轮机系统的一个示例性实施例的截面侧视图；图3是图1的简单循环涡轮机系统和燃料加热系统的一个实施例的示意性流程 图；图4是图1的简单循环涡轮机系统和燃料加热系统的另一个实施例的示意性流程 图；且图5是用于使用来自简单循环涡轮机系统的压缩机的加热了的空气作为热源在 燃料加热系统中加热燃料的方法的一个实施例的操作程序图。
具体实施例方式以下将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供这些实施例 的简要描述，可能不会在说明书中描述实际实现的所有特征。应当理解，在例如在任何工程 或设计项目中的任何这种实际实现的开发中，必须作出许多对于实现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及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可 根据不同的实现而彼此有所不同。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，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“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表 示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，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简单循环燃气涡轮机的压缩机的加热了的空 气作为热源来加热用于该简单循环燃气涡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，在第一热交换器中，使用该压缩空 气来加热中间传热介质，诸如水。另外，中间传热介质可包括盐水，油，氟利昂，惰性气体， 水-乙二醇，基于合成有机物的流体，基于烷化芳香物的传热流体等等。接下来，可将来自 第一热交换器的加热了的中间传热介质引导到第二热交换器中，在第二热交换器中，在将 燃料输送到简单循环燃气涡轮机以便进行燃烧之前，使用该加热了的中间传热介质来加热 燃料。最后，可将来自第二热交换器的冷却了的中间传热介质引导回到第一热交换器中，在 第一热交换器中，冷却了的中间传热介质可由来自简单循环燃气涡轮机的压缩机的加热了 的空气来加热。另外，在某些实施例中，可使用储热装置来临时地储存在第一热交换器与第 二热交换器间来回传递的中间传热介质。使用中间传热介质降低了在第一热交换器与第 二热交换器中结合压缩空气与燃料的可能性。此外，可减小或者甚至消除对外部传热装备 (例如，辅助蒸发器，油槽热交换器，电露点加热器，催化加热器等等)的需要。还可使用包 括各种中间传热介质的备选的热交换器构造。图1是具有燃料加热系统12的简单循环涡轮机系统10的一个实施例的示意性流 程图。如以下更加详细地论述的，燃料加热系统12可构造成以便在将燃料14输送到简单 循环涡轮机系统10之前加热该燃料14。特别地，该燃料加热系统12可包括用于利用来自 简单循环涡轮机系统10的压缩机的加热了的压缩空气来加热中间传热介质的第一热交换 器，以及用于利用来自第一热交换器的加热了的中间传热介质来加热燃料14的第二热交换器。简单循环涡轮机系统10可使用液体或气体燃料14，诸如天然气和/或富氢合成 气。如所描绘的，多个燃料喷嘴16吸入燃料供应14，使燃料与空气混合，并且将空气_燃料 混合物分配到燃烧器18中。空气-燃料混合物在燃烧器18内的室中燃烧，从而产生热加 压排气。燃烧器18引导排气通过涡轮20而朝向排气口 22。随着排气穿过涡轮20，该排气 迫使一个或多个涡轮叶片使轴24沿着简单循环涡轮机系统10的轴线旋转。如图所示，轴 24可连接到简单循环涡轮机系统10的各种构件上，包括压缩机26。压缩机26还包括可联 接到轴24上的叶片。随着轴24旋转，压缩机26内的叶片也旋转，从而压缩来自进气口 28 的空气，使其通过压缩机26并且进入燃料喷嘴16和/或燃烧器18。轴24还可连接到负载 30上，负载30可为运载工具或固定负载，例如，诸如发电设备中的发电机，或者飞行器上的 推进器。负载30可包括能够由简单循环涡轮机系统10的旋转输出供以动力的任何合适的
直ο图2是如图1所示的简单循环涡轮机系统10的一个示例性实施例的截面侧视图。 简单循环涡轮机系统10包括位于一个或多个燃烧器18内部的一个或多个燃料喷嘴16。在 运行中，空气通过进气口 28进入简单循环涡轮机系统10，并且在压缩机26中被加压。然后， 压缩空气可与燃气混合，以便在燃烧器18内进行燃烧。例如，燃料喷嘴16可以对于最优的 燃烧、排放、燃料消耗和动力输出而言合适的比率将燃料-空气混合物喷射到燃烧器18中。 燃烧产生热加压排气，该排气然后驱动涡轮20内的一个或多个叶片32使轴24旋转，且因 此使压缩机26和负载30旋转。涡轮叶片32的旋转导致轴24旋转，从而使得压缩机26内 的叶片34吸入由进气口 28接收的空气，并且对该空气加压。返回图1，简单循环涡轮机系统10可使用来自燃料加热系统12的燃料14来运行。 特别地，燃料加热系统12可为简单循环涡轮机系统10供应燃料14，燃料14可在简单循环 涡轮机系统10的燃烧器18内燃烧。燃料14可包括液体燃料，气体燃料，或者它们的组合。 为了确保燃料14在涡轮机12的燃烧器18内高效地燃烧，在某些实施例中，燃料加热系统 12可包括用于在将燃料14输送到燃烧器18之前加热该燃料14的装备。更具体地讲，通过 在将燃料14输送到燃烧器18之前加热该燃料14，可改进简单循环涡轮机系统10的性能、 效率和排放。同样，在某些实施例中，可使用对燃料14的受控制的可变的加热来补偿燃料 14的组成的变化，该变化可影响燃料14的能量密度，且随之影响排放、燃烧稳定性以及其 它燃烧动态特性，这又可影响硬件寿命。用于加热燃料14的一种解决方案是使用辅助热源，诸如辅助蒸发器、油槽热交换 器、电露点加热器或者催化加热器，它们通常使用蒸汽、燃气或者电来作为热源。然而，使用 这些类型的装备来加热燃料14可能涉及某些缺点。例如，安装用于利用辅助热源的装备的 资本成本可能不是对资源的最高效的使用，因为辅助装备可大体上比实际所需要的装备更 大。本文所公开的实施例大体涉及解决这些缺点。特别地，如以下更加详细地描述的，所公 开的实施例提供了使用来自简单循环涡轮机系统10的压缩机26的加热了的压缩空气来加 热中间传热介质，该中间传热介质又可用来在将燃料14输送到简单循环涡轮机系统10的 燃烧器18之前加热该燃料14。图3是图1的简单循环涡轮机系统10和燃料加热系统12的一个实施例的示意性 流程图。如图所示，燃料加热系统12可包括第一热交换器36和第二热交换器38。如以下更详细地描述的，第一热交换器36可用来使用来自简单循环涡轮机系统10的压缩机26的 加热了的压缩空气作为热源来加热中间传热介质。另外，第二热交换器38可用来使用加热 了的中间传热介质作为热源来加热燃料。因此，大体上，燃料加热系统12可接收来自简单 循环涡轮机系统10的压缩机26的加热了的压缩空气，并且可产生用于在简单循环涡轮机 系统10的燃烧器18中使用的加热了的燃料14。为了更好地示出利用来自简单循环涡轮机系统10的压缩机26的加热了的压缩空 气来加热燃料14的过程，将再次描述简单循环涡轮机系统10大体如何运行的概述。如图 所示，涡轮20和压缩机26可联接到共同的轴24上，该轴还可连接到负载30上。压缩机 26还包括可联接到轴24上的叶片。随着轴24旋转，压缩机26内的叶片也旋转，从而压缩 来自进气口 28的入口空气。可将压缩空气40引导到简单循环涡轮机系统10的燃烧器18 中，在此处，压缩空气40与燃料14混合以便在燃烧器18内燃烧。更具体地讲，该多个燃料 喷嘴16可以对于最优的燃烧、排放、燃料消耗和动力输出而言合适的比率将空气-燃料混 合物喷射到燃烧器18中。空气-燃料混合物在燃烧器18内燃烧，从而产生热加压排气42。 燃烧器18引导排气42通过涡轮20。随着排气42穿过涡轮20，该排气迫使一个或多个涡 轮叶片使轴24旋转，且转而使压缩机26和负载30旋转。更具体地讲，涡轮叶片的旋转使 得轴24旋转，从而使压缩机26内的叶片吸入由进气口 28接收的入口空气，并且对该入口 空气加压。由压缩机26所产生的压缩空气40不仅可处于升高的压力，而且还可处于升高的 温度。例如，在某些实施例中，由压缩机26产生的压缩空气40可处在大约500° F(例如， 在简单循环涡轮机系统10上的最小负载时)到850° F(例如，在简单循环涡轮机系统10 上的最大负载时)的范围中。然而，压缩空气40的温度可在实现及工作点之间有所不同，且 在某些实施例中可为至少大约 400° F, 450° F, 500° F, 550° F, 600° F, 650° F, 700° F, 750° F，800° F，850° F，900° F，950° F，1000° F 等等。另外，压缩空气 40 的温度可在 压缩机26的不同的级之间有所不同。因此，压缩空气40大体处于升高的温度(特别是与可能处于环境温度的燃料14 相比)。因此，代替将整个压缩空气40流引导到简单循环涡轮机系统10的燃烧器18中， 可将一定量的压缩空气40作为加热了的空气44引导或旁路到燃料加热系统12，以便在第 一热交换器36内用作热源。例如，在某些实施例中，可将一定百分比(例如，大约0-20% ) 的压缩空气40引导向第一热交换器36。在某些实施例中，从主压缩空气40流中取得的加 热了的空气44的百分比可为大约至3%。然而，从主压缩空气40流中取得的加热了的 空气44的百分比也可在实现及工作点之间有所不同，且在某些实施例中，可大约为0. 5%, 1. 0%,1. 5%,2. 0%,2. 5%,3. 0%,3. 5%,4. 0%,4. 5%，5. 0%等等。这些百分比也可基于 压缩空气40的各种特性，诸如体积、压力、质量等等。事实上，除了被重新引导到第一热交 换器36中的某些百分比之外，加热燃料14所需要的某些质量流率可确定应当将多少加热 了的空气44引导到第一热交换器36中。在某些实施例中，压缩空气40在简单循环涡轮机系统10的燃烧器18与燃料加热 系统12的第一热交换器36之间的分配可由第一热交换器36下游的阀46控制。特别地， 阀46可控制有待输送到第一热交换器36的加热了的空气44的量。在某些实施例中，可使 用控制器48来控制加热了的空气44的流动。特别地，控制器48可包括用于促动阀46以控制流向燃料加热系统12的第一热交换器36的压缩空气40的流动的控制逻辑。在某些 实施例中，可由控制器48至少部分地基于第一热交换器36和第二热交换器38内的状态来 调节压缩空气40和加热了的空气44的流动。例如，可由控制器48基于从第二热交换器38 输送到燃烧器18的燃料14的温度来控制压缩空气40在燃烧器18与第一热交换器36之 间的分配，该温度可由温度传感器50测量。如以上所述，引导到第一热交换器36中的加热了的空气44可用来加热中间传热 介质52。中间传热介质52可以是能够从加热了的空气44接收热的任何液态或气态流体。 例如，中间传热介质52可包括水，盐水，油，氟利昂，惰性气体，水-乙二醇，基于合成有机物 的流体，基于烷化芳香物的传热流体等等。大体而言，在第一热交换器36内被加热的中间 传热介质52可处于与来自简单循环涡轮机系统10的压缩机26的加热了的空气44相比低 得多的温度。例如，在某些实施例中，该中间传热介质52的温度可为大约80° F至300° F。 然而，再则，中间传热介质52的温度可在实现及工作点之间有所不同，并且在某些实施例 中可为大约 60° F，80° F, 100° F, 120° F, 140° F, 160° F, 180° F，200° F，220° F， 240° F, 260° F, 280° F, 300° F, 320° F, 340° F 等等。因此，可使用加热了的空气44来加热中间传热介质52，以产生加热了的中间传热 介质54，该中间传热介质54可被弓丨导到第二热交换器38中。在该过程其间，加热了的空气 44将被冷却到一定程度，从而产生冷却了的空气56。在某些实施例中，可将冷却了的空气 56引导到简单循环涡轮机系统10中。特别地，可将冷却了的空气56引导回到简单循环涡 轮机系统10的入口或排气口。更具体地讲，在某些实施例中，可将冷却了的空气56引导返 回而通过简单循环涡轮机系统10的压缩机26。然而，在其它实施例中，可将冷却了的空气 56引导到其它外部过程。在某些实施例中，可将中间传热介质52的温度提高到大约425° F，而可将加热 了的空气44的温度降低到大约140° F至240° F。如之前所述的，热交换的量将在安放 (implantation)及工作点之间有所不同。这样，输送到第二热交换器38的加热了的中间传 热介质 54 的温度可在大约 350° F，375° F，400° F，425° F，450° F，475° F，500° F 等 等之间有所不同，而冷却了的空气56的温度可在大约100° F, 120° F, 140° F, 160° F， 180° F, 200° F，220° F，240° F，260° F, 280° F, 300° F 等等之间有所不同。因此，在 某些实施例中，中间传热介质52的温度可在兰氏温标上升高10 %，20 %，30 %，40 %，50 %， 60 %，70 %，80 %，90 %，100 %或更多，而加热了的空气44的温度可在兰氏温标上降低5 %， 10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50% 或更多。可使用引导到第二热交换器38中的加热了的中间传热介质54来加热源燃料58。 大体上，在第二热交换器38内被加热的源燃料58可处于与来自第一热交换器36的加热了 的中间传热介质54相比低得多的温度。例如，在某些实施例中，源燃料58的温度可为大约 60° F。然而，再则，源燃料58的温度可在实现及工作点之间有所不同，且在某些实施例中 可为大约 40° F, 50° F,60° F, 70° F,80° F,90° F, 100° F，110° F, 120° F 等等。因此，可使用加热了的中间传热介质54来加热源燃料58，以便产生加热了的燃料 14，可将加热了的燃料14引导到简单循环涡轮机系统10的燃烧器18中。在该过程期间， 加热了的中间传热介质54将被冷却到一定程度，从而产生冷却了的中间传热介质60。在 某些实施例中，可将源燃料58的温度增加到大约375 ° F，而可将加热了的中间传热介质54的温度降低到大约120° F。如之前所述，热交换的量将在实现及工作点之间有所不同。 这样，有待输送到简单循环涡轮机系统10的燃烧器18的加热了的燃料14的温度可在大 约 300° F, 325° F, 350° F, 375° F, 400° F, 425° F, 450° F 等等之间有所不同，而冷却 了的中间传热介质60的温度可在大约80° F，90° F，100° F，110° F，120° F，130° F， 140° F，150° F，160° F等等之间有所不同。因此，在某些实施例中，源燃料58的温度可 在兰氏温标上升高 10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100% 或者更多，而 加热了的中间传热介质54的温度可在兰氏温标上降低5 %，10 %，15 %，20 %，25 %，30 %， 35%，40%，45%，50% 或者更多。另外，在某些实施例中，可使用宽沃泊(wobbe)控制来控制加热了的燃料14，宽沃 泊控制本质上是一种将燃料14的BTU (英制热单位)含量调节到恒定值从而补偿源燃料58 的组成的变化的方法。特别地，在某些实施例中，通过使用气相色谱仪或者其它BTU测量装 置62以及使用控制器48来调节中间传热介质52的流率，以确保燃料14的BTU含量保持 处于大体恒定的值，可有助于宽沃泊控制。共同未决的美国专利申请公开No. 2009/0031731 中描述了宽沃泊控制，该公开特此通过引用而以其整体结合进来。然而，以上关于图3描述的简单循环涡轮机系统10和燃料加热系统12的实施例 并不是唯一可行的设计。例如，图4是图1的简单循环涡轮机系统10和燃料加热系统12 的另一个实施例的示意性流程图。如图所示，作为如图3中在第一热交换器36中加热来自 外部系统的中间传热介质52的替代，可在第一热交换器36内加热来自第二热交换器38的 冷却了的中间传热介质60。因此，从第一热交换器36发送到第二热交换器38的加热了的 中间传热介质54以及从第二热交换器38发送到第一热交换器36的冷却了的中间传热介 质60可形成闭环加热和冷却系统，由此中间传热介质54，60分别由第一热交换器36和第 二热交换器38交替地加热和冷却。换言之，中间传热介质54，60可专门地在燃料加热系统 12内流动。更具体地讲，在某些实施例中，可使用泵64利用最少的中间装备通过专用管路 在第一热交换器36和第二热交换器38间直接来回泵送中间传热介质54，60。另外，可使用 至少一个控制阀66来控制中间传热介质54，60在闭环系统内的流动。在某些实施例中，泵 64和控制阀66可由控制器48控制，以确保恰当的量的热被传递到燃料14。例如，如以上 所述，在某些实施例中，加热了的燃料14的热含量可例如通过调节引导到第一热交换器36 中的加热了的空气44的量而保持相对恒定。这样的闭环加热和冷却系统可证实对于与简单循环涡轮机系统10 —起使用特别 有利，因为其消除了对于外部传热装备(例如，电加热器)和外部中间传热介质源(例如， 来自给水系统的给水)的需要。在这种类型的闭环加热和冷却系统中使用中间传热介质 54，60可简化从来自简单循环涡轮机系统10的压缩机26的加热了的空气44到中间传热介 质(例如，中间传热介质54，60)、到燃料14的热传递。在第一热交换器36和第二热交换 器38内所使用的中间传热介质54，60可为适于将热从加热了的空气44传递到燃料14的 任何气态或者液态流体。例如，中间传热介质54，60可包括水，盐水，油，氟利昂，惰性气体， 水_乙二醇，基于合成有机物的流体，基于烷化芳香物的传热流体等等。另外，在某些实施例中，图4的闭环加热和冷却系统可包括储热装置68，诸如隔热 储罐。这样，来自第一热交换器36的加热了的中间传热介质54在被引导到第二热交换器 38中之前可临时地储存在储热装置68中。对于有助于在简单循环涡轮机系统10起动期间加热燃料14而言，将加热了的中间传热介质54储存在储热装置68中可特别地有用。另 外，在其它实施例中，在来自第二热交换器38的冷却了的中间传热介质60被引导回第一热 交换器36中之前，可使用第二或者备选的储热装置来临时地储存该冷却了的中间传热介 质60。此外，在某些实施例中，燃料加热系统12可基本包括第一热交换器36、第二热交 换器38以及用来互连第一热交换器36和第二热交换器38的管路。另外，在其它实施例中， 燃料加热系统12可基本包括第一热交换器36、第二热交换器38、一个或多个泵64、一个或 多个控制阀66、一个或多个储热装置68以及用来互连第一热交换器36和第二热交换器38 以及一个或多个储热装置68的管路。换言之，如以上所述，燃料加热系统12可包括中间传 热介质流动通过其中的闭环系统。图5是用于使用来自简单循环涡轮机系统10的压缩机26的加热了的空气44作 为热源在燃料加热系统12中加热燃料的方法70的一个实施例的操作程序图。在步骤72 中，燃料加热系统12可接收来自压缩机26的加热了的空气44。如以上所述，可使用控制器 48来确定应当将多少加热了的空气44输送到燃料加热系统12以便用作热源。例如，如果 由温度传感器50测量的燃料14的温度低于目标值，则控制器48可判定输送到燃料加热系 统12的加热了的空气44的量应当增加。因此，控制器48可促动阀46，以便增大进入燃料 加热系统12的加热了的空气44的流率。相反地，如果温度传感器50测量的燃料14的温 度高于目标值，则控制器48可判定输送到燃料加热系统12的加热了的空气44的量应当减 小和/或中间传热介质的质量流率应当通过将中间传热介质流率的一部分转移到储热装 置68中(诸如在以下所述的步骤76中)来减小。因此，控制器48可促动阀46，以减小进 入燃料加热系统12的加热了的空气44的流率。如以上所述，可使用中间传热介质来加热燃料14。首先在第一热交换器36中利 用加热了的空气44加热中间传热介质且然后在第二热交换器38中利用加热了的中间传热 介质加热源燃料58的两步式过程大体是有益的，因为在燃料加热系统12中产生可燃的空 气-燃料混合物的可能性得以降低。换言之，因为使用了中间传热介质，存在更小的这样的 可能性即，加热了的空气44与源燃料58将会混合而在燃料加热系统12中产生不合乎需 要地可燃的情形。在步骤74中，可使用来自简单循环涡轮机系统10的压缩机26的加热了的空气44 作为热源在第一热交换器36内加热中间传热介质。换言之，在第一热交换器36内，热将从 加热了的空气44传递到中间传热介质。可使用能够将热从加热了的空气44传递到中间传 热介质的任何合适的热交换器设计。在步骤74期间，中间传热介质将被加热而变成加热了 的中间传热介质54，该加热了的中间传热介质54将被引导到第二热交换器38中，而加热了 的空气44将会被冷却而变成冷却了的空气56。在步骤76中，来自第一热交换器36的加热 了的中间传热介质54的一部分可以可选地储存在储热装置68-诸如隔热储罐中。在某些 实施例中，可使用储热装置68来从闭环系统提取热和/或为闭环系统提供热，以有助于调 节加热了的燃料14中的热含量的量。例如，在某些实施例中，控制器48可配置成以便使加 热了的中间传热介质54和/或冷却了的中间传热介质60转移到一个或多个储热装置68 和/或从一个或多个储热装置68提取加热了的中间传热介质54和/或冷却了的中间传热 介质60，以便调节加热了的燃料14中的热含量。然后，在步骤78中，可将来自第一热交换器36的加热了的中间传热介质54输送到第二热交换器38。在步骤80中，可使用来自第一热交换器36的加热了的中间传热介质54作为热源 在第二热交换器38内加热源燃料58。换言之，热将在第二热交换器38内从加热了的中间 传热介质54传递到源燃料58。可使用能够将热从加热了的中间传热介质54传递到燃料 14的任何合适的热交换器设计。在步骤80期间，源燃料58将被加热，以成为将被引导到简 单循环涡轮机系统10的燃烧器18中的燃料14，而加热了的中间传热介质54将被冷却，以 成为可被引导回到第一热交换器36中的冷却了的中间传热介质60。在步骤82中，已在第二热交换器38内被加热了的燃料14可输送到简单循环涡轮 机系统10的燃烧器18。如以上所述，在某些实施例中，来自第二热交换器38的燃料14的 温度可通过温度传感器50由控制器48监测，以判定进入燃料加热系统12的加热了的空气 44的流率应当增大、减小还是保持在当前流率(除了别的之外)。最后，在步骤84中，可将 冷却了的中间传热介质60引导回到第一热交换器36中。所公开的实施例的技术效果包括提供了用于使用来自简单循环燃气涡轮机的压 缩机的压缩空气作为热源来加热用于在该简单循环燃气涡轮机中使用的燃料的系统和方 法。更具体地讲，可使用第一热交换器来利用加热了的压缩空气加热中间传热介质。接下 来，可将来自第一热交换器的加热了的中间传热介质引导到第二热交换器中，在第二热交 换器中，可使用该加热了的中间传热介质来加热燃料。最后，可将来自第二热交换器的冷却 了的中间传热介质引导回到第一热交换器中，此处，其可由来自简单循环燃气涡轮机的压 缩机的加热了的压缩空气加热。通过使用中间传热介质，显著地降低或者消除了空气-燃料混合物在第一热交换 器与第二热交换器中燃烧的可能性。另外，因为可使用来自简单循环燃气涡轮机的压缩机 的现有的空气来加热燃料，所以对于外部传热装备(例如辅助蒸发器，电加热器等等)的需 求可降低或者甚至消除，由此降低了资本成本，降低了能量消耗，提高了可控制性，并且保 持了设备效率。此外，降低对于作为外部传热装备的油槽加热器的需要可降低排放。应当 注意，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。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域任何技术 人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或者系统，以及执行任何所结合的方法。本 发明的可授予专利的范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实 例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包 括与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于 权利要求书的范围内。
权利要求
一种系统，包括燃气涡轮发动机(10)，包括构造成以便接收并压缩空气的压缩机(26)；构造成以便接收来自所述压缩机(26)的第一压缩空气(40)流以及燃料(14)的燃烧器(18)，其中，所述燃烧器(18)构造成以便燃烧所述压缩空气(40)与所述燃料(14)的混合物，以产生排气(42)；以及构造成以便接收来自所述燃烧器(18)的排气(42)并且利用所述排气(42)使轴(24)旋转的涡轮(20)；和燃料加热系统(12)，该燃料加热系统(12)构造成以便接收来自所述压缩机(26)的第二压缩空气(40)流(44)，以利用来自所述第二压缩空气(40)流(44)的热来加热中间传热介质(52)，利用来自所述中间传热介质(52，54，60)的热来加热所述燃料(14)，以及将所述燃料(14)输送到所述燃烧器(18)，其中，所述中间传热介质(52，54，60)专门地在所述燃料加热系统(12)内流动。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(10)是简单循环燃 气涡轮发动机。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括构造成用来调节流向所述 燃料加热系统(12)的所述第二压缩空气(40)流(44)的阀(46)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统包括配置成以便至少部分地基 于来自所述燃料加热系统(12)的所述燃料(14)的温度来控制所述阀(46)的控制器(48)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料加热系统(12)包括构造成以便 利用所述第二压缩空气(40)流(44)来加热所述中间传热介质(52，60)的第一热交换器 (36)，以及构造成以便利用来自所述第一热交换器(36)的所述中间传热介质(54)来加热 所述燃料(14)的第二热交换器(38)。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料加热系统(12)包括构造成用来 储存来自所述第一热交换器(36)的所述中间传热介质(54)的一部分的储热装置(68)。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料加热系统(12)包括闭环加热和 冷却系统。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料加热系统(12)构造成以便将所 述第二压缩空气(40)流(44)输送到所述燃气涡轮发动机(10)的入口。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中间传热介质(52，54，60)包括水。
10.一种方法，包括使用来自压缩机(26)的压缩空气(40)作为第一热源在第一热交换器(36)内加热中 间传热介质(52，60)；使用来自所述第一热交换器(36)的所述中间传热介质(54)作为第二热源在第二热交 换器(38)内加热燃料(14)；以及使所述中间传热介质(52，54，60)在具有所述第一热交换器(36)和所述第二热交换器 (38)的闭环中流通。
全文摘要
本发明涉及用于加热简单循环设备中的涡轮机燃料的系统和方法。在某些实施例中，一种系统包括燃料加热器(12)。该燃料加热器(12)包括第一热交换器(36)，该第一热交换器构造成以便接收来自压缩机(26)的压缩空气(40)并且将热从压缩空气(40)传递到冷却了的中间传热介质(52，60)以便产生加热了的中间传热介质(54)。该燃料加热器(12)还包括第二热交换器(38)，该第二热交换器构造成以便接收来自第一热交换器(36)的加热了的中间传热介质(54)，并且将热从加热了的中间传热介质(54)传递到燃料(14)。第一热交换器(36)构造成以便接收来自第二热交换器(38)的冷却了的中间传热介质(60)。
文档编号F02C7/224GK101929390SQ20101021758
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月18日 优先权日2009年6月19日
发明者D·M·托克卡, J·D·霍尔特 申请人:通用电气公司