用于减轻重燃油中的钒的影响的系统及方法与流程

本申请及由此而产生的专利大体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及用于减轻燃气涡轮发动机中的重燃油的燃烧期间的比如钒等之类的金属杂质的影响的系统及方法。

背景技术：

重型燃气涡轮可以对天然气、轻原油、重燃油、残余燃油以及其它类型的低等级易燃液体燃料(在本文中被称为重燃油)起作用。这样的低等级燃料可能相对地廉价，但这样的燃料可能含有非所需的杂质，比如钒和其它类型的金属化合物。例如，在重燃油的燃烧期间，钒起化学反应而形成非所需的腐蚀性化合物，比如氧化钒(v2o5)。这些钒化合物可能形成硬质腐蚀性的复合材料，比如灰等。随着时间的推移，该灰可能使涡轮叶片、喷嘴以及其它类型的热气路径构件的形状变形，从而不但缩短热气路径构件寿命，而且还降低总体燃气涡轮性能、可利用性以及维护。

可以将镁基化合物添加至重燃油流，以便于减轻钒的腐蚀性的作用。镁可以与钒一起形成熔融温度相对较低的合金。可以从涡轮喷嘴、轮叶以及其它热气路径构件的表面更容易地去除这些镁合金。然而，已知的用于将镁添加至重燃油流的方法可能导致燃料流中的保护性镁的非均质混合和/或镁的过度注入。因此，当前的方法可能产生达不到最佳的对比如位于燃烧区下游的涡轮喷嘴和轮叶之类的热气路径构件的腐蚀保护。对稍后的涡轮级构件的该部分处理或不处理可能导致总体的降低的效率和输出。此外，燃气涡轮发动机可能要求服务后的停机时间，以便于移除且更换受影响的零件。

技术实现要素：

因而，本申请及由此而产生的专利提供用于使在其中具有钒杂质的烃基液体燃料流燃烧的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机可以包括：燃烧器，用于使烃基液体燃料流燃烧；上游镁混合系统，用于使镁流与烃基液体燃料流混合；涡轮；空气抽取系统，与涡轮连通；以及下游镁混合系统，用于将镁流提供给空气抽取系统。

本申请及由此而产生的专利进一步提供限制在燃气涡轮发动机中的燃烧期间的重燃油流中的钒的影响的方法。该方法可以包括如下的步骤：确定重燃油流中的钒的性质；使镁流和重燃油流混合；使镁和重燃油的混合流燃烧；以及将另一镁流注入至燃气涡轮发动机的涡轮中。

本申请及由此而产生的专利进一步提供用于在使在其中具有钒杂质的重燃油流燃烧时保护涡轮的镁分配及混合系统。镁分配及混合系统可以包括：钒传感器，与重燃油流连通；镁流；水流；镁混合室；以及空气抽取系统，其与镁混合室和涡轮连通。

更具体而言，本发明提供了以下技术方案。

技术方案1．一种燃气涡轮发动机(10)，用于使在其中具有钒污染物的重燃油流(110)燃烧，包括：

燃烧器(25)，用于使所述重燃油流(110)燃烧；

上游镁混合系统(230)，用于使镁流(240)与所述重燃油流(110)混合；

涡轮(40)；

空气抽取系统(70)，其与所述涡轮(40)连通；以及

下游镁混合系统(410)，用于将所述镁流(240)提供给所述空气抽取系统(70)。

技术方案2．根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述上游镁混合系统(230)包括所述镁流(240)和水流(260)。

技术方案3．根据技术方案2所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述上游镁混合系统(230)包括上游镁混合室(290)。

技术方案4．根据技术方案3所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述上游镁混合室(290)包括成角度的上游逆流喷嘴(350)，以产生上游的混合的镁流(360)。

技术方案5．根据技术方案4所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述上游镁混合系统(230)包括重燃油混合室(370)，以使所述上游的混合的镁流(360)和所述重燃油流(110)混合。

技术方案6．根据技术方案5所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述重燃油混合室(370)包括成角度的主逆流喷嘴(350)，以产生均质流(380)。

技术方案7．根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述下游镁混合系统(410)包括所述镁流(240)和水流(260)。

技术方案8．根据技术方案7所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述下游镁混合系统(410)包括下游镁混合室(420)。

技术方案9．根据技术方案8所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述下游镁混合室(420)包括成角度的下游逆流喷嘴(350)，以产生下游的混合的镁流(480)。

技术方案10．根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述下游镁混合系统(410)包括与所述重燃油流(110)连通的钒传感器(175)。

技术方案11．根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述镁流(240)包括水基亚硫酸镁乳液。

技术方案12．根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述空气抽取系统(70)包括压缩机区段空气抽取管道(72)和涡轮区段冷却空气管道(80)。

技术方案13．根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述下游镁混合系统(410)与所述涡轮区段冷却空气管道(80)连通。

技术方案14．根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述涡轮区段冷却空气管道(80)包括第二级涡轮冷却空气管道(82)和第三级冷却空气管道(84)。

技术方案15．一种限制燃气涡轮发动机(10)中的燃烧期间的重燃油流(110)中的钒的影响的方法，包括：

确定所述重燃油流(110)中的所述钒的性质；

使镁流(240)和所述重燃油流(110)混合；

使镁(240)和重燃油(110)的混合流(380)燃烧；以及

将另一镁流(240)注入至所述燃气涡轮发动机(10)的涡轮(40)中。

本发明还提供了以下实施方案。

实施方案1．一种燃气涡轮发动机，用于使在其中具有钒杂质的烃基液体燃料流燃烧，包括：

燃烧器，用于使所述烃基液体燃料流燃烧；

上游镁混合系统，用于使镁流与所述烃基液体燃料流混合；

涡轮；

空气抽取系统，与所述涡轮连通；以及

下游镁混合系统，用于将所述镁流提供给所述空气抽取系统。

实施方案2．根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述上游镁混合系统包括所述镁流和载流流体流。

实施方案3．根据实施方案2所述的燃气涡轮发动机，其中，所述上游镁混合系统包括上游镁混合室。

实施方案4．根据实施方案3所述的燃气涡轮发动机，其中，所述上游镁混合室包括成角度的上游逆流喷嘴，以产生上游的混合的镁流。

实施方案5．根据实施方案4所述的燃气涡轮发动机，其中，所述上游镁混合系统包括烃基液体燃料混合室，以使所述上游的混合的镁流和所述烃基液体燃料流混合。

实施方案6．根据实施方案5所述的燃气涡轮发动机，其中，所述烃基液体燃料混合室包括成角度的主逆流喷嘴，以产生均质流。

实施方案7．根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述下游镁混合系统包括所述镁流和载流流体流。

实施方案8．根据实施方案7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述下游镁混合系统包括下游镁混合室。

实施方案9．根据实施方案8所述的燃气涡轮发动机，其中，所述下游镁混合室包括成角度的下游逆流喷嘴，以产生下游的混合的镁流。

实施方案10．根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述下游镁混合系统包括与所述重燃油流连通的钒传感器。

实施方案11．根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述镁流包括水基亚硫酸镁乳液。

实施方案12．根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述空气抽取系统包括压缩机区段空气抽取管道和涡轮区段冷却空气管道。

实施方案13．根据实施方案12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述下游镁混合系统与所述涡轮区段冷却空气管道处于连通。

实施方案14．根据实施方案12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述涡轮区段冷却空气管道包括第二级涡轮冷却空气管道和第三级冷却空气管道。

实施方案15．一种限制在燃气涡轮发动机中的燃烧期间的重燃油流中的钒的影响的方法，包括：

确定所述重燃油流中的所述钒的性质；

使镁流和所述重燃油流混合；

使镁和重燃油的混合流燃烧；以及

将另一镁流注入至所述燃气涡轮发动机的涡轮中。

实施方案16．一种用于在使在其中具有钒杂质的重燃油流燃烧时保护涡轮的镁分配及混合系统，包括：

钒传感器，其与所述重燃油流连通；

镁流；

水流；

镁混合室；以及

空气抽取系统，其与所述镁混合室和所述涡轮处于连通。

实施方案17．根据实施方案16所述的镁混合系统，其中，所述镁流包括水基亚硫酸镁乳液。

实施方案18．根据实施方案16所述的镁混合系统，其中，所述空气抽取系统包括涡轮区段冷却空气管道。

实施方案19．根据实施方案18所述的镁混合系统，其中，所述涡轮区段管道包括第二级涡轮冷却空气管道和第三级冷却空气管道。

实施方案20．根据实施方案16所述的镁混合系统，进一步包括与所述钒传感器连通的控制器。

当在结合若干附图及所附权利要求时检阅以下详细描述时，本申请及由此而产生的专利的这些及其它特征和改进对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

图1是示出压缩机、燃烧器、涡轮以及负载的燃气涡轮发动机的示意图；

图2是具有空气抽取系统的图1的压缩机和涡轮的部分截面图；

图3是如可以在本文中描述的具有上游镁混合系统和下游镁混合系统的燃料输送系统的示意图；

图4是与图3的下游镁混合系统一起使用的控制系统的示意图。

零部件清单如下：

10燃气涡轮发动机

15压缩机

20空气

25燃烧器

30燃料

35燃气

40涡轮

45轴

50负载

55级

60叶片

65导叶

70空气抽取系统

72压缩机区段空气抽取管道

74第九级压缩机空气抽取管道

76第十三级压缩机空气抽取管道

80涡轮区段冷却空气管道

82第二级涡轮冷却空气管道

84第三级冷却空气管道

100燃料输送系统

110重燃油

120原燃料罐

130离心机

140清洁燃料罐

150主燃料泵

160选择阀

170过滤器

175钒传感器

180分流器

190歧管

200流出燃料线路

210截止阀

220旁通线路

230上游镁混合系统

240镁

250镁罐

260载流流体

270水罐

280柴油燃料

290上游镁混合罐

300上游镁泵

310上游水泵

320截止阀

330止回阀

340旁通线路

350成角度的逆流喷嘴

360上游的混合的镁流

370重燃油混合室

380均质流

390流量控制阀

400截止阀

410下游镁混合系统

420下游镁混合室

430下游镁泵

440下游水泵

450截止阀

460止回阀

470旁通线路

480下游的混合的镁流

490流量控制阀

500止回阀

510控制器

520流量传感器

530镁压力传感器

540水压传感器

550输出压力传感器

560水平传感器

570流量控制阀传感器

580控制面板/显示器。

具体实施方式

现在参考附图，其中，在所有的这几个视图中，相同的数字是指相同的元件，图1示出了可以在本文中使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15使引入的空气流20压缩。压缩机15将压缩后的空气流20输送至燃烧器25。燃烧器25使压缩后的空气流20与增压的燃料流30混合，并且，使混合物点燃而创建燃气流35。虽然仅示出单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10可以包括定位成周向阵列的任何数量的燃烧器25或筒仓型(silotype)燃烧器等。转而将燃气流35输送至涡轮40。燃气流35驱动涡轮40，以便于产生机械功。涡轮40中所产生的机械功经由轴45和比如发电机等之类的外部负载50来驱动压缩机15。

燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气、比如重燃油之类的液体燃料和/或其它类型的燃料以及以上燃料的共混物。燃气涡轮发动机10可以是纽约斯克内克塔迪的通用电气公司所提供的许多不同燃气涡轮发动机中的任一者，包括比如7或9系列重型燃气涡轮发动机等，但不限于此。燃气涡轮发动机10可以具有不同的配置，并且可以使用其它类型的构件。还可以在本文中使用其它类型的燃气涡轮发动机。还可以在本文中同时使用多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮以及其它类型的发电设备。

图2更详细地示出压缩机15和涡轮40的部分。压缩机15可以包括许多级55。可以在本文中使用任何数量的级55，各级55的面积逐渐地变小。各级55可以包括许多周向地布置的旋转叶片60。可以使用任何数量的叶片60。各级55还可以包括许多周向地布置的固定导叶65。可以使用任何数量的导叶65。空气流20可以进入压缩机15，并且，可以通过各级55的叶片60和导叶65而压缩。

燃气涡轮发动机10还可以包括空气抽取系统70。为了用于使涡轮40冷却及其它目的，空气抽取系统70可以从压缩机15抽取一部分的空气流20。空气抽取系统70可以包括压缩机区段空气抽取管道72。仅仅举例而言，压缩机区段空气抽取管道72可以包括分别从压缩机15的第九级和第十三级延伸的第九级压缩机空气抽取管道74和第十三级压缩机空气抽取管道76。空气抽取系统70还可以包括涡轮区段冷却空气管道80。涡轮区段冷却空气管道80可以包括分别与涡轮40的第二级、第三级或后面的级连通的第二级或后面的涡轮冷却空气管道82和第三级或后面的冷却空气管道84。第九级压缩机空气抽取管道74可以与第三级或后面的冷却空气管道84连通，而第十三级压缩机空气抽取管道76可以与第二级或后面的涡轮冷却空气管道82连通。还可以使用：从压缩机15的其它级的抽取，和/或抽取至涡轮40的其它级。可以使用空气抽取系统70的其它类型和其它配置。

图3示出了可以在本文中描述的重燃油输送系统100的示例。重燃油输送系统100可以与如上所述的燃气涡轮发动机10的燃烧器25等一起使用。重燃油输送系统100可以将重燃油流110等输送至燃烧器25，以便在其中燃烧。还可以在本文中使用其它类型的烃基液体燃料和包括残余燃油等的低等级燃料。如上所述，重燃油流110可能在其中包括变化的量的比如钒等之类的杂质。

重燃油110可以存储于原燃料罐120中。原燃料罐120可以具有任何合适的尺寸、形状或配置。在离心机130或其它类型的分离装置中，在原燃料罐120的下游，重燃油110可以进行处理步骤。离心机130可以去除更重的杂质以及水、溶剂、吸收剂等。离心机130可以具有常规的设计。重燃油110可以存储于清洁燃料罐140中。清洁燃料罐140可以具有任何合适的尺寸、形状或配置。除了本文中所描述的情况之外，重燃油110还可以在原燃料罐120和/或清洁燃料罐140前后进行处理步骤。

燃料输送系统100可以包括位于清洁燃料罐140下游的主燃料泵150。主燃料泵150可以具有常规的设计。主燃料泵150可以经由一个或更多个选择阀160和过滤器170而与清洁燃料罐140连通。选择阀160可以是常规的三通阀等。过滤器170可以进一步从重燃油流110中移除呈现为颗粒等形式的杂质。钒传感器175还可以定位于清洁燃料罐140的下游。钒传感器175可以确定重燃油流110中的钒的体积或浓度。还可以确定关于钒和/或重燃油流110的性质的其它类型的参数。钒传感器175可以具有常规的设计。还可以在本文中使用其它类型的传感器。

分流器180可以定位于主燃料泵150的下游。分流器180可以根据使用中的燃烧器25的数量而划分重燃油流110。分流器180可以包括与燃烧器25连通的许多歧管190和许多流出燃料线路200。虽然示出十九(19)个流出燃料线路200，但可以在本文中使用任何数量的燃料线路200。截止阀210和旁通线路220可以定位于主燃料泵150与分流器180之间。可以在本文中使用其它构件和其它配置。

燃料输送系统100还可以包括如可以在本文中描述的上游镁混合系统230。上游镁混合系统230可以包括存储于镁罐250中的一定体积的镁240。具体地，可以使用水基亚硫酸镁乳液等。可以在本文中以变化的浓度和/或体积使用其它类型的钒反应性化学品或其它类型的化学抑制剂。镁罐250可以具有任何合适的尺寸、形状或配置。上游镁混合系统230还可以包括存储于载体罐270中的一定体积的载流流体260，比如水或柴油/油。载体罐270可以具有任何合适的尺寸、形状或配置。可以在本文中以任何合适的体积使用其它类型的载流流体260。可以在本文中使用其它构件和其它配置。

镁混合系统230可以包括上游镁混合室290。镁罐250可以经由上游镁泵300而与上游镁混合室290连通，并且，载体罐270可以经由上游水泵310而与上游镁混合室290连通。泵300、310可以是容积式泵和/或高扬程泵等。还可以使用许多截止阀320、止回阀330、旁通线路340等。上游镁混合室290可以包括许多用于镁流240的成角度的逆流喷嘴350。镁流240可以经由成角度的逆流喷嘴350而以某一角度注入至引入的水流260中，以便不使用移动式部件，就在其中进行良好的混合。通过以与水流260相比而更高的压力将镁流240注入至上游镁混合室290中，从而还可以促进良好的混合。上游镁混合室290可以具有任何合适的尺寸、形状或配置。因而，上游的混合的镁流360可以退出上游镁混合室290。还可以在本文中使用其它构件和其它配置。

上游镁混合系统230还可以包括重燃油混合室370。重燃油混合室370可以定位于主燃料泵150与分流器180之间，优选地定位于分流器180的正上游，然而，可以在本文中使用其它位置。重燃油混合室370可以类似于上述的上游镁混合室290，并且可以在其中包括成角度的逆流喷嘴350，而不使用移动式部件。重燃油混合室370可以具有任何合适的尺寸、形状或配置。成角度的逆流喷嘴350的使用还促进流体在其中的良好的混合。还可以在比重燃油流110更高的压力下注入上游的混合的镁流360。因而，重燃油混合室370使重燃油流110和上游的混合的镁流360与其中的镁混合。因而，均质流380可以退出重燃油混合室370，并且，流向燃气涡轮发动机10的分流器180和燃烧器25。还可以使用各种类型的流量控制阀390、截止阀400、止回阀410等。还可以在本文中使用其它构件和其它配置。

本文中所描述的各种阀和泵可以控制和调节：防腐蚀的镁添加剂输送并分布至水流中、带有防腐蚀的镁添加剂的水流输送并分布至重燃油中，以及防腐蚀的镁添加剂输送并分布至重燃油中，以形成均质溶液。可以在本文中使用其它流体组合。

因而，将重燃油混合室370定位于分流器180正上游，就提供了混合物分离或重燃油成分脱落的最小停留时间。同样地，将水用作载流流体260，则改进了与重燃油110混合的过程，以便于提供均质流380。均质流380促进保护性镁流240的适当的输送。因而，镁流240与重燃油110内的钒等结合而产生软灰，在日常维护等的期间，可以从热气路径构件洗掉软灰。因而，均质流380降低了热气路径构件的腐蚀的程度（这也许可归因于钒），以便于改进燃气涡轮发动机10的总体可靠性和可利用性。

燃料输送系统100还可以包括下游镁混合系统410。下游镁混合系统410可以使用存储于镁罐250中的镁流240。还可以在本文中使用另外的和/或单独的镁罐250。下游镁混合系统410可以使用存储于载体罐270中的水流260。还可以在本文中使用另外的和/或单独的载体罐270。下游镁混合系统410可以包括下游镁混合室420。镁罐250可以经由下游镁泵430而与下游镁混合室420连通，并且，载体罐270可以经由下游水泵440而与下游镁混合室420连通。还可以使用许多截止阀450、止回阀460、旁通线路470等。下游混合室420可以包括许多用于镁流240下游的成角度的逆流喷嘴350。镁流240可以经由下游的成角度的逆流喷嘴350而以某一角度注入至引入的水流260中，以便不使用移动式部件，就在其中进行良好的混合。通过以与水流260相比而更高的压力将镁流240注入至下游镁混合室420中，从而还可以促进良好的混合。下游镁混合室420可以具有任何合适的尺寸、形状或配置。因而，下游的混合的镁流480可以退出下游镁混合室420。还可以在本文中使用其它构件和其它配置。

下游的混合的镁流480可以与第二级涡轮或后面的冷却空气管道82和第三级或后面的冷却空气管道84连通。可以经由流量控制阀490等而对到达冷却空气管道82、84的流量进行控制。流量控制阀490可以改变到达冷却空气管道82、84中的任一者或两者的下游的混合的镁流480的流量。还可以在流量控制阀490的下游使用一个或更多个止回阀500。还可以在本文中使用其它构件和其它配置。

因此，下游镁混合系统410将下游的混合的镁流480提供给涡轮40的下游级，以便在去除石灰(offlime)的水洗程序的期间且另外经由空气抽取系统70而实现改进的钒保护和去除。输送至下游涡轮级的下游的混合的镁流480的体积可以取决于如由钒传感器175或另外的装置确定的重燃油流110中的钒的体积或浓度。因而，下游镁混合系统410有助于根据需要而将适当体积的下游的混合的镁流480提供给涡轮40，而不需要过多的流量。

大体上，燃料输送系统100，且具体地，镁混合系统230、410的运行可以由控制器510提供。控制器510可以是利用预定的对阀和将镁分配至重燃油中的状况进行控制的逻辑和序列的任何类型的可编程的微控制器等。控制器510可以对总体燃气涡轮发动机10进行控制，并且/或者，控制器510可以是涡轮镁混合系统230、410所专用的。控制器510的一个示例是纽约斯克内克塔迪的通用电气公司所提供的“speedtronic^tm”燃气涡轮控制器。

图4更详细地示出了控制器510对下游镁混合系统410的操作。除了钒传感器175之外，还可以将其它类型的传感器与控制器510连通。例如，许多流量传感器520可以定位于下游镁混合室420的上游和下游，以及下游流量控制阀490的下游。同样地，镁压力传感器530和水压传感器540可以定位于下游涡轮镁混合室420的上游，而且，输出传感器550定位于下游镁混合室420的下游。镁罐250还可以在其中包括水平传感器560。流量控制阀传感器570可以确保流量控制阀490的正确位置。控制面板/显示器580可以与控制器510连通。控制面板/显示器580可以指示各种阀的位置、镁的水平、相应的泵是否正在运转、来自流量传感器的输入、来自压力传感器的输入以及各种阀的位置，以确保最佳运行。还可以在本文中监测其它类型的运行参数。可以在本文中使用其它构件和其它配置。

基于重燃油流110中的钒的体积和/或浓度，控制器510可以开启下游镁泵430和下游水泵440，以便于将镁流和水流提供给下游镁混合室420。控制器520还可以打开流量控制阀490和止回阀500，以便于根据需要而将下游的混合的镁流480提供给第二级涡轮或后面的冷却空气管道82和/或第三级或后面的冷却空气管道84，以便输送至涡轮40。可以在本文中使用其它构件和其它配置。

因而，上游镁混合系统230和下游镁混合系统410提供对涡轮40的所有级的钒保护。具体地，上游镁混合系统230将重燃油流110中的适当地混合的镁流提供给燃烧器25。同样地，在必要时，下游镁混合系统410经由现有的空气抽取系统70而将另外的混合的镁流提供给各种下游涡轮级。因而，镁输送系统230、410降低可归因于重燃油中的钒等的热气路径构件的腐蚀的程度，以便于改进燃气涡轮发动机10的总体可靠性和可利用性。

应当明白的是，前文仅涉及本申请及由此而产生的专利的某些实施例。在不背离如以下权利要求及其等同物所限定的本发明的一般精神和范围的情况下，可以由本领域普通技术人员在本文中作出许多改变和变型。