专利名称：稀薄燃料吸入燃气涡轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种稀薄燃料燃气涡轮发动机，其利用例如来自煤矿提取的煤矿瓦斯 (CMM)或填埋场中生成的垃圾填埋气等低BTU气体燃料。
背景技术：
过去，已知一种稀薄燃料燃气涡轮发动机，其吸入甲烷浓度低于其可燃性极限的 BTU气体，从而燃烧甲烷成分。根据该燃气涡轮发动机，通过压缩机压缩具有低浓度甲烷的工作气体，以生成压缩气体。通过催化燃烧器经由催化反应燃烧压缩气体，以生成燃烧气体。然后利用燃烧气体来驱动涡轮。然后将从涡轮中排出的压缩气体运输到再生器或热交换器中，用于对从压缩机运输到催化燃烧器的压缩气体进行预热。在连接于涡轮的出口与发生器的进口之间的排气通道中设置有管道燃烧器，在该管道燃烧器中引入例如天然气的燃料并且在废气具有低温的起动或低负荷操作时使其燃烧。这增加了废气的温度，从而充分地加热从压缩机供应到再发生器中的压缩气体，因此，活化催化燃烧器并且由此以有效的方式驱动发动机。参见JP 2010-19247 (A)。
燃气涡轮发动机能够利用从煤矿中排出的具有低浓度甲烷的低BTU气体的VAM (Ventilation Air Methane)。VAM具有仅1%或更低的甲烷浓度。因此，VAM通常未经燃烧就被排放到空气中。然而，利用VAM作为用于通过燃气涡轮发电的燃料，能够获得一定量的二氧化碳排放权。
对于上述燃气涡轮发动机，因为管道燃烧器安装在涡轮出口处的排气通道内，由于来自涡轮的废气即使在管道燃烧器关闭的额定操作中也会遍及该通道，因此会造成压力损耗和发动机的输出降低。此外，无法控制燃烧空气至管道燃烧器的流量，使得在催化燃烧器中的催化剂劣化的情况下难以对管道燃烧器再点火。而且，因为管道燃烧器安装在排气通道内，所以该通道以及最终的燃气涡轮的尺寸应该比较大。
本发明的目的是提供一种稀薄燃料燃气涡轮发动机，其具有小尺寸的燃气涡轮， 同时不会引起发动机输出功率的任何降低或排气系统中的任何压力损耗。发明内容
为此，该稀薄燃料燃气涡轮发动机包括压缩机，用于压缩工作气体以生成压缩气体，该工作气体的可燃成分的浓度小于其可燃性极限；催化燃烧器，用于在容纳其中的催化剂的协助下通过催化反应燃烧压缩气体以生成燃烧气体；涡轮，适于由从催化燃烧器供应的燃烧气体驱动；再生器，用于通过从涡轮经由排气通道供应到再生器的废气对从压缩机供应到催化燃烧器的压缩气体进行加热；燃烧器，用于燃烧从压缩机中抽出的气体与燃料以生成加热气体并将加热气体供应到排气通道中；以及阀，用于控制被供应到燃烧器的抽出气体的量。
根据该燃气涡轮发动机，通过压缩机对可燃成分的浓度低于其可燃性极限的工作气体进行压缩，以生成压缩气体。在催化燃烧器中经由催化反应燃烧压缩气体，以生成用于驱动涡轮的高温燃烧气体。当催化燃烧器的进口温度小于用于起动催化反应所需的温度时，例如，在起动或低负载操作期间，加热燃烧器通过燃烧燃料与从压缩机中抽出的气体的混合物来生成加热气体，该加热气体被供应到排气通道中以加热废气。然后将经加热的废气与来自压缩机的压缩气体在发生器进行热交换。经加热的压缩空气增大催化燃烧器的进口温度，以活化催化燃烧，其保证高温燃烧气体至涡轮的稳定供应。而且，加热燃烧器设置在排气通道的外侧，因此不会导致排气系统中的压力降低以及发动机的性能劣化。此外，利用具有较低燃料浓度或甲烷浓度的诸如CMM、VAM或垃圾填埋气等稀薄气体来驱动燃气涡轮发动机或利用催化反应在燃烧器不被活化的额定操作中不生成NOx，并确保减少甲烷气体的排放，从而有助于防止全球变暖。
此外，加热燃烧器不设置在排气通道中，因此不会导致排气系统的压力损耗或发动机的性能劣化，并且确保发动机的高效运转。而且，在排气通道中不设置加热燃烧器，因此不会导致通道或燃气涡轮发动机的扩大。而且，抽气阀控制抽出气体至加热燃烧器的量， 因此确保燃烧器的再点火中对抽出气体的适当控制，从而生成一定量的燃烧器所需的加热气体。这促进燃烧器的点火。
在优选实施方式中，抽气阀适于连续地增大或减小被供应到加热燃烧器的抽出气体的量。根据该实施方式，通过抽气阀连续控制被供应到加热燃烧器的抽出气体的量。这样可保证被供应到加热燃烧器的抽出气体和燃料的量，因此，可以以可靠的方式 控制来自燃烧器的加热气体的流量和温度。这使得催化燃烧器的进口温度能够以稳定的方式被控制。
在另一个优选实施方式中，在燃气涡轮发动机的起动操作中，起动加热燃烧器。根据该实施方式，在发动机的起动操作中操作加热燃烧器，以起动催化燃烧器然后平稳地驱动发动机，尽管在常规的起动操作中，来自涡轮的废气的温度仍然很低，因此催化燃烧器没有被起动到将高压高温压缩气体供应到涡轮中所需的程度，因而增大发动机的转数。
在另一个优选实施方式中，在燃气涡轮发动机在转数小于额定操作的转数的非额定操作下工作的状况下，加热燃烧器工作。根据该实施方式，在非额定操作中通过燃气涡轮发动机的工作气体的总量小于额定操作中的总量。这表明加热燃烧器需要较少量的燃料， 其允许在发动机中使用较小的加热燃烧器。
在另一个优选实施方式中，燃气涡轮发动机适于使加热燃烧器在催化燃烧器发生燃烧故障时工作。根据该实施方式，即使在因催化剂的劣化而发生任何燃烧故障时，也可以对加热燃烧器再点火以活化催化燃烧器，因而防止发动机的性能降低。
总之,可以通过具有较低燃料浓度,例如甲烧浓度的稀薄气体(lean gas)来起动燃气涡轮发动机。而且，在额定操作中催化反应不生成NOx，并且还减少甲烷气体的排放。 而且，因为加热燃烧器不设置在排气通道中，因此可以使用较小的排气通道来减小燃气涡轮发动机的尺寸。此外，该结构不会产生排气通道中的压力损耗或发动机的性能劣化。
图I是示出根据本发明的实施方式的稀薄气体燃气涡轮发动机的结构的示意图2是示出根据本发明的实施方式的燃气涡轮发动机的特征结构的图；以及
图3是示出根据本发明的实施方式的燃气涡轮发动机的起动/停止操作的时间图。
具体实施方式
下面将参考
根据本发明的优选实施方式。图I是示出根据本发明的实施方式的稀薄燃料燃气涡轮发动机的结构的示意图，其中通常由GT表示的燃气涡轮具有压缩机I、含有诸如钼和钯等催化剂的催化燃烧器2、以及利用燃气涡轮GT的输出作为发电机或起动器工作的旋转电机4。
燃气涡轮使用空气和燃料的混合物作为工作气体Gl。该工作气体可以是低BTU气体,例如煤矿中生成的风排瓦斯(VAM, Ventilation Air Methane),从煤矿中抽出的可燃成分(甲烷)的浓度大于VAM浓度的煤矿瓦斯(CMM)，或是在垃圾中生成的垃圾填埋气。通过压缩机I压缩工作气体G1，以生成高压压缩气体G2，其被运输到催化燃烧器2，在催化燃烧器2中，在诸如钼或钯等催化剂的协助下通过催化反应燃烧该高压压缩气体G2，以生成高温高压燃烧气体G3。将燃烧气体G3供应到涡轮3以驱动涡轮。涡轮3经由旋转轴5与压缩机I连接，以便通过涡轮3激励压缩机I。如上所述，燃气涡轮GT和旋转电机4构成发电装置50。
因为工作气体Gl中的燃料或可燃成分的浓度小于其可燃性极限，并且燃料的温度小于有焰燃烧所需的最低温度，因此工作气体在通过压缩机I进行压缩时不会因温度增加而被点燃。工作气体Gl可添加有高浓度可燃气体以增加燃料浓度。
燃气涡轮GT还具有再生器或热交换器6以及燃烧器7，再生器或热交换器6利用从涡轮3排出的气体G4对从压缩机I供应到催化燃烧器2的压缩气体G2进行加热，而燃烧器7用于生成被用于加热气体G4的气体G5。具体地，燃烧器7将燃料添加到从压缩机I 中抽出的气体20中，并且燃烧该混合物以生成加热气体G5，该加热气体G5混合在从涡轮3 供应到再生器6的废气G4中。燃烧器7与抽气控制阀8连接，抽气控制阀8用于控制被供应到燃烧器7的抽出气体G20的量。来自再生器的气体G4被供应到消音器(未示出)，降噪然后排放到大气中。
响应于来自控制器20的起动控制器21的输出信号，通过抽气阀8对至燃烧器7 的气体G20的流量进行控制，其中该控制器20控制系统的整体运行，将在下面进行详细说明。
由第一燃料流量控制阀9对从煤矿等CMM供应源13至燃烧器7的CMM流量进行控制，第一燃料流量控制阀9通过响应于来自控制器20的起动控制器21的控制信号而进行工作。在由第二燃料流量控制阀10控制CMM的量的同时，通过按需要将来自煤矿的通风系统等的VAM源12的VAM与来自CMM源13的CMM进行混合，来制备工作气体Gl。CMM含有约10-30%的甲烧，并且VAM含有小于1%的甲烷。响应于来自控制器20中的加载/停止控制器22的信号，由第二燃料流量控制阀10执行对CMM的流量控制。净化空气源19与从 VAM源12延伸到压缩机I的通道相连，用于在起动步骤中执行的净化操作。
靠近催化燃烧器2的进口设置第一温度传感器31以检测进入到催化燃烧器2中的气体的温度，并且靠近催化燃烧器2设置第二温度传感器32以检测从催化燃烧器2排出的气体的温度。将通过第一温度传感器31获得的进口温度作为第一检测温度信号传送到起动控制器21中，并且将通过第二温度传感器32获得的出口温度作为第二检测温度信号传送到起动控制器21和加载/停止控制器22中。
此外，靠近涡轮3的出口设置第三温度传感器33以检测从涡轮3排出的气体的温度。将由第三温度传感器33获得的出口温度作为第三检测温度传送到控制器20的加载/ 停止控制器22。靠近再生器6的进口设置第四温度传感器34以检测进入到再生器6中的气体的温度。将由第四温度传感器34获得的进口温度作为第四检测温度传送到控制器20 的起动控制器21。
由单一轴部件制成的、连接于压缩机I与涡轮3之间的旋转轴5，经由减速器 (reducer)17与旋转电机4连接。旋转轴5支撑旋转传感器36以检测旋转轴5的转数,然后该转数被传送到控制器20的加载/停止控制器22。
将用于表明由旋转电机4生成的电能的信号传送至控制器20的加载/停止控制器22。设置电力变换系统11，使得加载/停止控制器22激励旋转电机4，作为起动操作中的起动器。
如图2所示，涡轮3和再生器6经由排气管道或通道25彼此连接。排气通道25 包括靠近涡轮的圆柱形部25a和靠近再生器6并朝向其扩张的扩张部25b，并且燃烧器7与扩张部25b连接以便将加热气体G5供应到排气通道25的内部。扩张部25b的扩张结构允许加热气体G5被均匀地供应到大型再生器6的内部空间中，以便在利用再生器6的整个内部空间的同时完成气体G2与G5之间的热交换。
如上所述，将来自CMM源(图I)的CMM供应到燃烧器7。而且，从通道24分支出去的抽气体通道27，用于将来自压缩机I的压缩气体G2供应到再生器6，燃烧器7和阀8安装在该抽气通道27上。
下面将参考示出燃气涡轮的起动/停止时间流的图3，来说明燃气涡轮GT的包括起动控制和加载控制的基础操作和停止控制操作。在该图中，特征曲线A到E分别表示燃气润轮GT的旋转轴的转数、生成的电力、第一燃料流量控制阀9的开口率(open ratio)、第二燃料流量控制阀10的开口率和抽气阀8的开口率。
首先讨论起动控制操作。在该操作中，在收到起动指令时，起动控制器21驱动图I 中的电力变换系统11以激励旋转电机4。而且，阀18采取开放位置。这导致燃气涡轮发动机GT吸入空气从而以较低转数例如额定速度的2(Γ30%驱动(净化)。然后，阀18采取开放位置，使燃气涡轮GT抽入来自VAM源12的VAM以将转数增加到高达例如额定速度的60%， 以便对图I中的燃烧器7进行点火，从而加热再生器6，并且将催化燃烧器2的内部加热到高达催化反应所需的温度。如图3所示，在完成净化操作之后逐渐打开抽气阀8。在燃烧器7点火之后，将阀8的开口率保持不变。然后，在图I中催化燃烧器2中的催化燃烧过程中，通过来自加载/停止控制器21的控制信号，打开第二燃料流量控制阀10，从而开始从 CMM源13到压缩机I的CMM的供应(供应CMM)。然后，控制燃烧器7的燃烧，以防止催化燃烧器2进口处的温度增加，通过供应CMM也会引起该温度增加。
例如，如图3所示，通过逐渐减小抽气阀8和第一燃料流量控制阀9的开口率E和 C以及供应到燃烧器7的气体G20和CMM的合成量，对该燃烧进行控制。通过温度传感器31 检测催化燃烧器2的进口温度，并且将表明检测温度的信号传送到控制器20的起动控制器 12。在接收到该信号之后，起动控制器21将控制信号传送到抽气阀8和第一燃料流量控制阀9，从而分别控制其开口率E和C。如图3所示，当生成的电力B超过OkW时，即当开始产生电力时，抽气阀8和第一燃料流量控制阀9的开口率E和C减小到0，从而停止向燃烧器7供应抽出气体G20和CMM，由此关闭燃烧器火焰。
接下来讨论加载控制。如图3所示，当开始产生电力时，响应于来自加载/停止控制器22的控制信号，增加第二燃料流量控制阀10的开口率D，其增加从CMM源13供应到压缩机I的CMM的量。此外，在完全关闭燃烧器7之后，催化燃烧器2继续其催化燃烧。 而且，如图3所示，逐渐增加第二燃料流量控制阀10的开口率D，以增大被供应到压缩机I 的CMM的量，直到发动机的转数A达到额定数目(100%)为止，从而产生额定电力B (额定负载)。当负载达到额定负载时，通过利用图I中的第二燃料流量控制阀10，控制被供应到压缩机I的CMM的量来控制工作气体Gl中CMM的浓度。
在停止控制中，在接收到停止信号之后，如图3所示，起动控制器21工作以逐渐降低被生成的电力B以及第二燃料流量控制阀10的开口率D，从而降低被供应到催化燃烧器 2的CMM的量，这减小发动机的转数A并将生成电力降低到O (无负载)。该状态保持一定时间，其在此间，发动机作为整体被冷却(后冷却)。在发动机被充分冷却之后，完全关闭第二燃料流量控制阀10，以便不激励燃气涡轮GT，这使燃气涡轮GT进入自由运转状态。
燃烧器7不仅在起动发动机时工作，而且在催化燃烧器2中发生任何燃烧故障时工作。例如，当通过第二温度传感器32检测的催化燃烧器的出口温度降低到小于预定温度时，确定出已经因催化剂的劣化等原因而发生燃烧故障，结果是控制器20驱动以打开抽气阀8和第一燃料流量控制阀9，并且对燃烧器7点火。这增加了进入再生器6的废气G4以及被供应到催化燃烧器2的压缩气体G2的温度，其充分激励催化燃烧器2以防止发动机输出的降低。
根据实施方式，可以平稳地驱动燃气涡轮发动机。具体地，在发动机的起动操作中，来自涡轮3的废气G4的温度较低，因此不太可能充分地活化催化燃烧器2，因此难以向涡轮供应高压高温压缩气体并且难以平稳地增加旋转。然而，根据这些实施方式，在发动机的起动操作时驱动燃烧器7，从而增加进入再生器6的废气G4的温度。这确保通过在再生器6处的热交换，对将被供应到催化燃烧器2的压缩气体G2的温度进行加热，其有效地活化了催化燃烧器，从而保证发动机的顺利起动。
此外，因为加热燃烧器7设置在排气通道25的外侧，而不是通道25的内侧，因此不会发生排气通道中的压力损耗或输出降低，这确保了燃气涡轮GT的高效驱动。而且，因为加热燃烧器不设置在排气通道25内，因此该通道可以具有更小的尺寸，从而产生结构紧凑的燃气涡轮GT。
而且，抽气阀8设置在加热燃烧器7的上游侧，从而连续地增加或降低被供应到燃烧器7的抽出气体G20的量。这确保响应于发动机的转数，适当地控制被供应到燃烧器7 的抽出气体G20和燃料的量，其确保控制来自燃烧器7的加热气体G5的流量和温度并因而控制催化燃烧器2的进口温度。
当发动机在非额定操作下工作时，通过燃气涡轮的工作气体的量小于在额定操作下的量。这导致加热燃烧器7需要更少的燃料，而这意味着燃烧器7可以具有更小的尺寸。
尽管在上述实施方式中将CMM和VAM用作工作气体，然而，也可以使用可燃成分浓度小于其可燃性极限的其它气体。
尽管已经参考附图对本发明的优选实施方式进行说明，然而，在不偏离本发明的主旨的情况下还可以对这些实施方式进行各种变更，这些变更包含在本发明的保护范围内。
部件列表
I :压缩机
2 :催化燃烧器
3 :涡轮
4 :发电机
6:再生器
7 :加热燃烧器
8 :抽气阀
25 :排气通道
Gl :工作气体
G2 :压缩气体
G3 :燃烧气体
G4 :废气
G5 :加热气体
G20 :抽出气体
权利要求
1.一种稀薄燃料燃气涡轮发动机，包括 压缩机，用于压缩工作气体以生成压缩气体，所述工作气体的可燃成分的浓度小于其可燃性极限； 催化燃烧器，用于在容纳其中的催化剂的协助下通过催化反应燃烧所述压缩气体以生成燃烧气体； 涡轮，适于由从所述催化燃烧器供应的燃烧气体驱动； 再生器，用于通过从所述涡轮经由排气通道供应到所述再生器的废气对从所述压缩机供应到所述催化燃烧器的压缩气体进行加热； 燃烧器，用于燃烧从所述压缩机中抽出的气体与燃料以生成加热气体并将所述加热气体供应到所述排气通道中；以及 阀，用于控制被供应到所述燃烧器的抽出气体的量。
2.如权利要求I所述的稀薄燃料燃气涡轮发动机，其中所述阀适于连续地增大或减小被供应到所述加热燃烧器的抽出气体的量。
3.如权利要求I或2所述的稀薄燃料燃气涡轮发动机，其中在所述燃气涡轮发动机的起动操作中起动所述加热燃烧器。
4.如权利要求3所述的稀薄燃料燃气涡轮发动机，其中在所述燃气涡轮发动机在转数小于额定操作的转数的非额定操作下工作的状况下，所述加热燃烧器工作。
5.如权利要求Γ3中任一项所述的稀薄燃料燃气涡轮发动机，其中在所述催化燃烧器发生燃烧故障时，所述加热燃烧器工作。
全文摘要
本发明提供一种紧凑的稀薄燃料燃气涡轮发动机，其不会导致发动机的性能劣化或排气系统中的压力损耗，其包括压缩机(1)，用于压缩工作气体(G1)以生成压缩气体(G2)，该工作气体(G1)的可燃成分的浓度小于其可燃性极限；催化燃烧器，用于在容纳其中的催化剂的协助下通过催化反应燃烧压缩气体以生成燃烧气体(G3)；涡轮(3)，适于由从催化燃烧器(2)供应的燃烧气体(G3)驱动；再生器(6)，用于通过从涡轮(3)经由排气通道(25)供应到再生器(6)的废气对从压缩机(1)供应到催化燃烧器(2)的压缩气体(G2)进行加热；燃烧器(7)，用于燃烧从压缩机(1)中抽出的气体(G20)与燃料以生成加热气体(G5)并将该加热气体(G5)供应到排气通道(25)中；以及阀(8)，用于控制被供应到燃烧器(7)的抽出气体(G20)的量。
文档编号F02C3/22GK102933819SQ20118001554
公开日2013年2月13日 申请日期2011年3月7日 优先权日2010年3月24日
发明者山崎义弘, 黑坂聪, 柏原宏行 申请人:川崎重工业株式会社