专利名称：用于涡轮机系统的燃料重整器系统的制作方法
技术领域：
本文中公开的本主题涉及涡轮机的领域，并且更特别地涉及用于涡轮机的燃料重整器系统。
背景技术：
总体上，燃气涡轮发动机燃烧燃料/空气混合物，其释放热能以形成高温气体流。高温气体流经由热气体路径引导到涡轮。涡轮将来自高温气体流的热能转化成旋转涡轮轴的机械能。涡轮可用于各种应用中，诸如用于提供动力到泵或发电机。在燃气涡轮中，随着燃烧气体流温度增加发动机的效率增加。不幸地是,更高的气体流温度产生更高水平的氮氧化物(NOx)，这是受到联邦和州管制的排放物。因而，存在在有效率的范围内操作燃气涡轮与同时还确保NOx的输出保持在批准的水平之下之间的小心的平衡运作。存在用于达到低NOx水平的各种方法。例如，在燃烧之前确保燃料与空气的良好混合将引起较低的排放物。其它方法包括修改排气烟筒以收集污染物或利用排气再循环系统以从排气中剔除污染物。
发明内容
根据本发明的一个方面，涡轮机系统包括具有压缩器进口和压缩器出口的压缩器部分；操作地连接到压缩器部分的涡轮部分；燃烧器，其具有流体连接到压缩器出口的燃烧器进口和流体连接到涡轮部分的燃烧器出口 ；和重整器，其具有流体连接到压缩器出口的重整器进口和流体连接到燃烧器进口的重整器出口。重整器部分地燃烧来自压缩器部分的空气和燃料以形成富氢合成气体。根据本发明的另一方面，用于涡轮机系统的重整燃料的方法包括将压缩空气从压缩器部分传递到重整器；传递燃料到重整器；通过部分燃烧压缩空气和燃料来重整燃料以形成富氢合成气体；并且导引富氢合成气体到流体连接压缩器部分和涡轮部分的燃烧器。从结合附图的以下描述中这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
视作本发明的本主题在说明书的总结处的权利要求中特别地指出并且明确地要求权利。本发明的上述和其它特征及优点从结合附图的以下详细描述中显而易见，其中图I是示出根据示范实施例的一个方面包括燃料重整器系统的涡轮机系统的示意图；图2是示出根据示范实施例的另一方面包括燃料重整器系统的涡轮机系统的示意图；图3是示出根据示范实施例的又一方面包括燃料重整器系统的涡轮机系统的示意详细描述根据附图以实例的方式解释了本发明的实施例，连同优点和特征。
具体实施例方式
根据图1，根据示范实施例的涡轮机系统大体在2处指示。涡轮机系统2包括压缩器部分4，其具有压缩器进口 6和压缩器出口 7。压缩器部分4通过共用压缩器/涡轮轴11操作地连接到涡轮部分10。涡轮部分10包括如以下将更全面地详细描述的接收燃烧气体的涡轮进口 12和涡轮出口 13。涡轮出口 13提供动力到诸如发生器、泵等用动力推动的构件。压缩器部分4还通过燃烧器15联结到涡轮部分10。燃烧器15包括流体连接到压缩器出口 7的燃烧器进口 17和流体连接到涡轮进口 12的燃烧器出口 18。燃烧器15还流体连接到燃料系统22，其输送诸如天然气的燃料到涡轮机系统2。如以下将全面地讨论地，燃料系统22包括流体连接到燃烧器进口 17的第一燃料回路23和流体连接到重整器系统30的第二燃料回路24。重整器系统30包括重整器32，其在示出的示范实施例中表现出催化部分氧化(CPOX)重整器34的形式。当然，应当理解还可采用其它类型的重整器。CPOX重整器34包括流体连接到压缩器出口 6的重整器进口 36和通过第一燃料回路23流体连接到燃烧器进口 17的重整器出口 37。如以下将更全面地讨论地，重整器系统30还包括压缩器部件40，其将从压缩器部分4流出的压缩空气的压力提升到处于类似于流过第二燃料回路24的燃料的压力的压力。在图I中示出的示范实施例中，压缩器部件40包括通过第一管路44流体连接到压缩器出口 6的压缩器部件进口 42和通过第二管路48流体连接到重整器进口 36的压缩器部件出口 46。第三管路50通过第一燃料回路23将重整器出口 37与燃烧器进口17流体连接。可选地，压缩器部件40可如图所示在重整器出口 37与燃烧器进口 17之间流体连接。在任一种情形中，CPOX重整器34燃烧来自压缩器部分4的空气和来自燃料系统22的燃料以形成引入燃烧器15的富氢合成气体。富氢或掺杂H2的合成气体与流过第一燃料回路23的额外燃料混合以形成用于为涡轮部分10提供动力的可燃烧混合物。根据示范实施例的一个方面，压缩空气在大约130 230psi(9. 14 16. 17kgf/cm2)和大约650 750 0F (343. 3 398. 9°C )处离开压缩器出口 7。压缩空气流过燃烧器部件40并且在进入重整器32之前进一步压缩到大约250 400psi (17. 58 28. 12kgf/cm2)。同时，燃料在大约250 400psi(17. 58 28. 12kgf/cm2)的压力和大约350 410 0F (176. 7 210°C )处从燃料系统22流出。燃料进入重整器32并且与压缩空气混合。燃料和压缩空气在有催化剂存在时部分燃烧以形成以比进口燃料压力稍微更低的压力从重整器32流出的富氢合成气体。富氢合成气体进入在燃烧器15的上游的第一燃料回路23以形成包括大约5 20%的氢气的可燃烧富氢合成气体。可燃烧混合物点燃以形成流到涡轮部分10的燃烧的产物。富氢合成气体的添加降低从涡轮机系统2的排放物。根据示范实施例的一个方面，诸如NOx的排放物可降低到3ppm以下的水平。以这种方式降低排放物相比通过选择性催化还原(SCR)来降低NOx排放物引起操作成本的降低。在特定情形中，相比SCR通过在重整器32中形成的富氢合成气体的利用可达到操作成本的百分之七十或更好的节省及大约50 %的初始投资成本节省。根据示范实施例的另一方面，现在参考图2描述联合循环发电厂(CCPP)60。CCPP60包括操作地联接到热回收蒸汽发生器68的燃气涡轮机系统64。虽然未示出，但是HRSG68还操作地联接到蒸汽涡轮机系统。以类似于上文描述的方式的方式，涡轮机系统64包括压缩器部分74，其具有压缩器进口 76和压缩器出口 77。压缩器部分74通过共用压缩器/涡轮轴81操作地连接到涡轮部分80。涡轮部分80包括接收燃烧气体的涡轮进口 82和涡轮出口 83。压缩器部分74还通过燃烧器86联结到涡轮部分80。燃烧器86包括流体连接到压缩器出口 77的燃烧器进口 88和流体连接到涡轮进口 82的燃烧器出口 89。燃烧器86还流体连接到燃料系统93。如以下将更加全面地讨论地，燃料系统93包括流体连接到燃烧器进口 88的第一燃料回路94和流体连接到重整器系统104的第二燃料回路95。重整器系统104包括重 整器106，其在示出的示范实施例中表现出催化部分氧化(CPOX)重整器108的形式。当然，应当明白还可采用诸如蒸汽重整器和自热重整器的其它类型的重整器。CPOX重整器108包括重整器进口 109，其流体连接到压缩器出口 77和流体连接到燃烧器进口 88的重整器出口 110。如以下将更加全面地讨论地，重整器系统104还包括压缩器部件111，其将从压缩器部分74流出的压缩空气的压力提升到类似于流过第二燃料回路95的燃料的压力的压力。在图2中所示的示范实施例中，压缩器部件111包括通过第一管路115流体连接到压缩器出口 77的压缩器部件进口 113和通过第二管路119流体连接到重整器进口 109的压缩器部件出口 117。第三管路121通过第一燃料回路94将重整器出口 110与燃烧器进口88流体连接。以类似于上文所述的方式的方式，CPOX重整器108部分地燃烧来自压缩器部分74的空气和来自燃料系统93的燃料以形成引入燃烧器86的富氢合成气体。富氢或掺杂H2的合成气体与流过第一燃料回路94的额外燃料混合以形成用于为涡轮部分80提供动力的可燃烧混合物。还根据示出的示范实施例，重整器系统104包括第一换热部件130，其在第一管路115与第二管路119之间操作地连接。换热部件130抽取在从压缩器区段74流出的压缩空气内携带的热量的部分并且将热量的部分重新引入从压缩器部件111流出的压缩空气。重整器系统104还示出为包括第二换热部件132，其在第一换热部件130的下游处配置在第一管路115内。第二换热部件132移除离开第一换热部件130的压缩空气内携带的热量的另一部分。在示出的示范实施例中，在第二换热部件132处移除的热量被采用以回收通过HRSG 68的能量。以这种方式，第一换热部件130和第二换热部件132调节进入压缩器部件111之前的压缩空气，使得压缩器部件111不暴露于处于高温的压缩空气。即通过降低从压缩器部分74流出的压缩空气的温度，而不必采用昂贵的材料和制造过程，其原本可被要求以确保压缩器部件111可能够承受更高的温度。此外，第三换热部件134在重整器出口 110的下游处布置在第一燃料回路94内。第三换热部件134以与流到HRSG 68的工作流体的换热关系来传递燃料/富氢合成气体或可燃烧混合物。更尤其地，第三换热部件134降低流到燃烧器86的可燃烧混合物的温度。为进一步增强混合，流过第一燃料回路94的燃料通过以与重整器106的换热关系传递而被初始冷却。以这种方式，来自重整器106的燃料/富氢合成气体和流过第一燃料回路94的燃料处于大致类似的温度以增强混合并且最小化在混合点管道线的热应力。通过这种配置，重整器系统104不但通过富氢合成气体的添加降低NOx排放物，而且还合并换热部件，其将压缩空气、燃料和合成气体温度维持在期望水平，这消除对昂贵的材料的需要并且允许利用现有构件。除了维持期望的压缩空气、燃料和合成气体温度以外，换热部件通过降低热损失来增强CCPP 60的操作效率。即不是将热量从压缩空气、燃料和合成气体排出到外界中，而是热量被采用来提升流过HRSG 68的(多种)工作流体的温度。现在参考图3描述根据又一示范实施例建造的联合循环发电厂(CCPP) 154。CCPP154包括操作地联接到热回收蒸汽发生器161的燃气涡轮机系统158。虽然未示出，HRSG161还操作地联接到蒸汽涡轮机系统。以类似于上文描述的方式的方式，涡轮机系统154包括具有压缩器进口 167和压缩器出口 168的压缩器部分165。压缩器部分165通过共用压缩器/涡轮轴172操作地连接到涡轮部分171。涡轮部分171包括接收燃烧气体的涡轮进口 173和涡轮出口 174。压缩器部分165还通过燃烧器178联结到涡轮部分171。燃烧器178包括流体连接到压缩器出口 168的燃烧器进口 181和流体连接到涡轮进口 173的燃烧器出口 182。燃烧器178还流体连接 到燃料系统186。如以下将更加全面地讨论地，燃料系统186包括流体连接到燃烧器进口 181的第一燃料回路187和流体连接到重整器系统198的第二燃料回路188。重整器系统198包括重整器204，其在示出的示范实施例中表现出催化部分氧化(CPOX)重整器206的形式。当然，应当理解，还可采用其它类型的重整器。CPOX重整器206包括流体连接到压缩器出口 168的重整器进口 207和流体连接到燃烧器进口 181的重整器出口 208。重整器系统198还包括压缩器部件212，其将从重整器204流出的富氢合成气体的压力提升到类似于流过第一燃料回路187的燃料的压力的压力。在图3中所示的示范实施例中，压缩器部件212包括通过第一管路217流体连接重整器出口 208的压缩器部件进口 215和通过第二管路223流体连接到燃烧器进口 181的压缩器部件出口 220。第三管路227将重整器进口 207与压缩器出口 168流体连接。以类似于上文描述的方式的方式，CPOX重整器108燃烧来自压缩器部分74的空气和来自燃料系统186的燃料以形成富氢合成气体，其与流过第一燃料回路187的额外燃料混合以形成可燃烧混合物，其流到燃烧器178并且用于为涡轮部分171提供动力。还根据示出的示范实施例，重整器系统198包括一系列换热部件，其构造成将富氢合成气体的温度降低到为压缩器部件212所容易承受的温度。更尤其地，重整器系统198包括流体连接到重整器出口 208的第一换热部件229。第一换热部件229抽取富氢合成气体内携带的热量的第一部分。从富氢合成气体抽取的热量的第一部分用以提升从HRSG 161流出的工作流体的温度。根据示范实施例的一方面，工作流体加热到蒸发点。第二换热部件232配置在第一换热部件229的下游。第二换热部件232从富氢合成气体抽取额外热量以控制在压缩器部件进口 215处的条件。额外热量用于加热在HRSG 161中的工作流体。此夕卜，第三换热部件238配置在第一管路217与第二管路223之间。第三换热部件238从流过第一管路217的富氢合成气体中抽取额外热量并且将抽取的热量的部分重新引回进离开压缩器部件212的富氢合成气体。以这种方式，第三换热部件238使富氢合成气体返回到近似于流过第一燃料管路187的燃料的温度的温度。以类似于上文讨论的方式的方式，重整器系统198不但通过富氢合成气体的添加降低NOx排放物，而且还合并换热器，其将合成气体温度维持在期望的水平以便允许现有构件的利用。除了维持期望的合成气体温度以外，换热部件通过降低热损失来增强CCPP154的操作效率。即，不是将热量从合成气体排出到外界，而是热量被采用以提升流过HRSG161的(多种)工作流体的温度。
在这点上应当明白以上描述的温度和压力可取决于系统构型而变化。此外，应当明白以上描述的系统还可包括调制进出重整器的流体流的许多压力调节器件、控制阀等。最后，应当明白，重整器的具体类型和操作可变化。 虽然本发明仅仅关于有限数目的实施例来详细描述，但是应当容易明白本发明不受限于这些公开的实施例。而是，本发明可被修改以合并任何数目的变型、改型、替换物或等效配置，这些变型、改型、替换物或等效配置迄今没有描述，但与本发明的精神和范围相称。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当明白本发明的方面可包括所述实施例的仅仅一些。相应地，本发明不视为受前述描述的限制，而是仅受限于所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种润轮机系统(2,64,158),包括 具有压缩器进口(6，167)和压缩器出口(7，77，168)的压缩器部分(4，74，165)； 操作地连接到所述压缩器部分(4，74，165)的涡轮部分(10，80，171)； 燃烧器(15，86，178)，其具有流体连接到所述压缩器出口(7，77，168)的燃烧器进口(17，88，181)和流体连接到所述涡轮部分(10，80，171)的燃烧器出口(18，89，182)； 重整器(32，106，204)，其具有流体连接到所述压缩器出口(7，77，168)的重整器进口(36，109，207)和流体连接到所述燃烧器进口 (17，88，181)的重整器出口 (37，110，208)，所述重整器(32，106，204)部分地燃烧燃料和来自所述压缩器部分(4，74，165)的空气以形成富氢合成气体。
2.根据权利要求I所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，所述重整器(32，106，204)包括催化部分氧化(CPOX) (34，108，206)系统。
3.根据权利要求I所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，还包括压缩器部件(40，11，212)，其具有流体连接到所述压缩器出口(7，77，168)的压缩器部件进口(42，113，215)和流体连接到所述重整器进口(36，109，207)的压缩器部件出口(46，117，220)。
4.根据权利要求3所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，还包括流体连接在所述压缩器出口(7，77，168)与压缩器部件进口(42，113，215)之间以及流体连接在所述压缩器部件出口(46，117，220)与所述重整器进口(36，109，207)之间的第一换热部件(130，229)。
5.根据权利要求4所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，还包括流体连接在所述压缩器出口(7，77，168)与所述压缩器部件进口(42，113，215)之间的第二换热部件(132,232)。
6.根据权利要求5所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，还包括流体连接到所述第二换热部件(132，232)的热回收蒸汽发生器出8，161)。
7.根据权利要求3所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，还包括流体连接在所述重整器出口(37，110，208)与所述燃烧器进口(17，88，181)之间的第三换热部件(130，229)。
8.根据权利要求7所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，还包括流体连接到所述第三换热部件(130，229)的热回收蒸汽发生器出8，161)。
9.根据权利要求I所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，还包括压缩器部件(40，111，212)，其具有流体连接到所述重整器出口 (37，110，208)的压缩器部件进口(42，113,215)和流体连接到所述燃烧器进口(17，88，181)的压缩器部件出口(46，117，220)。
10.根据权利要求9所述的涡轮机系统(2，64，158)，其特征在于，还包括流体连接在所述重整器出口(37，110，208)与所述压缩器部件进口(42，113，215)之间的至少一个换热部件(130，229)。
全文摘要
本发明涉及用于涡轮机系统的燃料重整器系统。一种涡轮机系统(2，64，158)包括具有压缩器进口(6，167)和压缩器出口(7，77，168)的压缩器部分(4，74，165)；操作地连接到压缩器部分(4，74，165)的涡轮部分(10，80，171)；燃烧器(15，86，178)，其具有流体连接到压缩器出口(7，77，168)的燃烧器进口(17，88，181)和流体连接到涡轮部分(10，80，171)的燃烧器出口(18，89，182)；和重整器(32，106，204)，其具有流体连接到压缩器出口(7，77，168)的重整器进口(36，109，207)和流体连接到燃烧器进口(17，88，181)的重整器出口(37，110，208)。重整器(32，106，204)部分地燃烧来自压缩器部分(4，74，165)的空气和燃料以形成富氢合成气体。
文档编号F02C7/22GK102619623SQ201210020499
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者A·R·罕, H·凯林, 金基亨 申请人:通用电气公司