本发明大体上涉及涡轮机控制系统，且更具体地说涉及一种在单个燃料换热器中使用水和蒸汽的燃料加热系统以及一种相关发电系统和方法。
背景技术：
燃气涡轮系统用于例如发电的广泛多种工业设置中。燃气涡轮使用经燃烧燃料来驱动燃气涡轮以产生电力。在燃气涡轮系统的各种操作条件期间，需要加热燃料。举例来说，燃气涡轮系统针对燃气涡轮的启动条件和/或高负载条件可能需要加热燃料。“启动”是指启动燃气涡轮时的条件，并且“高负载”是指燃气涡轮在高电力输出能力下操作时的条件。当前系统利用两个独立且分离的换热器(heatexchangers)以支持燃料加热：一个换热器用于启动条件且一个换热器用于高负载条件。第一换热器布置可包括辅助蒸汽锅炉，所述辅助蒸汽锅炉(steamboiler)用以加热给水供应(feedwatersupply)，所述给水供应接着被引导到用于燃料的换热器以供支持启动燃料加热。通常当热水不能以其它方式易于获得时，例如，在启动连接到燃气涡轮的排气的热回收蒸汽发生器(heatrecoversteamgenerator；hrsg)之前，使用此第一换热器布置。单独的第二换热器布置利用加热的给水，所述加热的给水被引导到常规壳管式换热器以供启动燃料加热和高负载燃料加热。针对燃料加热概念，两个布置都仅仅(exclusively)使用水。
技术实现要素：
本发明的第一方面提供一种用于燃气涡轮系统的燃料加热系统，所述燃料加热系统(fuelheatingsystem)包括：用于产生蒸汽的锅炉；独立于所述锅炉的热回收蒸汽发生器(hrsg)；单个燃料换热器(singlefuelheatexchanger)，其包括用于流体地传送(fluidlycommunicating)穿过其的燃料的第一通道(firstpassage)以及与用于流体地传送穿过其的加热介质并与所述第一通道热连通以加热燃料的第二通道，所述单个燃料换热器经结构化以使用蒸汽或水作为加热介质来操作；以及控制阀(controlvalve)系统，其流体地互连(interconnecting)hrsg、锅炉以及单个燃料换热器且被配置成将如下列中的一个的加热介质选择性地递送到单个燃料换热器的第二通道：来自锅炉的蒸汽和来自hrsg的热给水。
其中，所述单个燃料换热器包括印刷线路式换热器(printedcircuitheatexchanger；pche)。
所述的燃料加热系统进一步包括冷凝物返回通道(condensateretumpassage)，所述冷凝物返回通道将由所述蒸汽产生的冷凝物从所述单个燃料换热器流体传送到所述锅炉。
其中，所述hrsg操作性地连接到所述燃气涡轮系统。
所述的燃料加热系统进一步包括返回通道，所述返回通道将来自所述单个燃料换热器的所述热给水流体地传送到蒸汽涡轮系统的锅炉。
其中，所述控制阀系统包括至少一个控制阀以及控制器；至少一个控制阀被配置成控制所述蒸汽和所述热给水到所述第二通道的流动；控制器被配置成操作所述至少一个控制阀以：在无法获得所述热给水的所述燃气涡轮的启动条件下，将所述蒸汽从所述锅炉递送到所述第二通道，以及响应于所述热给水变得能获得而停止递送所述蒸汽且将所述热给水从所述hrsg递送到所述第二通道。
其中，所述燃料是气体。
其中，所述燃料是液体。
本发明的第二方面提供一种发电系统，所述发电系统包括：燃气涡轮系统，其包括压缩机、通过燃烧来自压缩机的空气和燃料来产生热气流的燃烧器以及使从燃烧器接收的热气流膨胀的燃气涡轮；热回收蒸汽发生器(hrsg)，其可操作地连接到燃气涡轮的排气以用于产生热给水；用于产生蒸汽的锅炉；单个燃料换热器，其包括用于流体地传送穿过其的燃料的第一通道以及与用于流体地传送穿过其的加热介质并与第一通道热连通以加热燃料的第二通道，单个燃料换热器经结构化以使用蒸汽或水作为加热介质来操作；以及控制阀系统，其流体地互连hrsg、锅炉以及单个燃料换热器且被配置成将如下列中的一个的加热介质选择性地递送到单个燃料换热器的第二通道：来自锅炉的蒸汽和来自hrsg的热给水。
其中，所述单个燃料换热器包括印刷线路式换热器(pche)。
所述的发电系统进一步包括将由所述蒸汽产生的冷凝物从所述单个燃料换热器流体地传送到所述锅炉的冷凝物返回通道。
所述的发电系统进一步包括将来自所述单个燃料换热器的所述热给水流体地传送到所述蒸汽涡轮的锅炉的返回通道。
其中，所述控制阀系统包括至少一个控制阀以及控制器；所述至少一个控制阀被配置成控制所述蒸汽和所述热给水到所述第二通道的流动；控制器被配置成操作所述至少一个控制阀以：在无法从所述hrsg获得所述热给水的所述燃气涡轮的启动条件下，将所述蒸汽从所述锅炉引导到所述第二通道，以及响应于所述热给水变得能从所述hrsg获得而停止递送所述蒸汽且开始将所述热给水从所述hrsg递送到所述第二通道。
其中，所述燃料是气体和液体中的一种。
所述的发电系统进一步包括可操作地连接到所述燃气涡轮系统的蒸汽涡轮系统。
本发明的第三方面提供一种用于加热燃气涡轮系统的燃料的方法，所述方法包括：用锅炉产生蒸汽；产生热给水；以及通过下列操作加热燃料：在还无法获得热给水的燃气涡轮系统的启动条件下，将蒸汽从锅炉递送通过燃料换热器，所述燃料换热器包括用于流体地传送穿过其的燃料的第一通道以及用于与用于流体地传送穿过其的蒸汽并与第一通道热连通的第二通道；以及响应于热给水变得能获得而停止递送蒸汽且将热给水递送通过同一单个燃料换热器的第二通道。
其中，所述单个燃料换热器包括印刷线路式换热器(pche)。
其中，产生所述热给水包括使用连接到所述燃气涡轮系统的排气的热回收蒸汽发生器(hrsg)。
本发明的示例性方面设计成用于解决本发明描述的问题和/或未论述的其它问题。
附图说明
根据结合附图进行的本发明的各个方面的以下详细描述，本发明的这些和其它特征将更容易被了解，附图描绘了本发明的各种实施例，其中：
图1展示根据本发明的实施例的包括燃料加热系统的发电系统的示意图。
图2展示根据本发明的实施例的能够使用的燃料换热器的一个实例的分解透视图。
应注意，本发明的附图不按比例绘制。附图旨在仅描绘本发明的典型方面，且因此不应视为是对本发明范围的限制。在附图中，相同的数字表示各图之间的相同元件。
具体实施方式
首先，为了清楚地描述本发明，有必要在提及和描述发电设备内的相关机器部件时选择某些术语。此时，如有可能，将通过与其公认的含义一致的方式使用和采用通用的工业术语。除非另有说明，否则此类术语应获得与本申请的语境和所附权利要求书的范围一致的广义的解释。所属领域的技术人员应当了解，特定的部件常常可能使用若干不同或重叠的术语来引用。除燃料换热器150之外，在本发明中可能描述为单个部件(singlepart)可包括多个部件且在另一语境下被引用为由多个部件组成。或者，在本发明中可能描述为包括多个部件的对象可能在其它地方被引用为单个部件。
本发明提供燃料加热系统、包括燃料加热系统的发电系统以及方法的实施例。与常规燃料加热途径相比，根据本发明的实施例的系统和方法提供能够用水或蒸汽加热燃料的单个燃料换热器。在启动条件期间，可使用来自锅炉的蒸汽来加热燃料，且一旦来自连接到燃气涡轮的排气的热回收蒸汽发生器(hrsg)的热给水(hotfeedwater)是可获得的，来自hrsg的热给水就可用于使用同一燃料换热器来加热燃料。
转而参考图1，展示根据本发明的实施例的包括燃料加热系统140的发电系统100的示意图。在本实例中，发电系统100包括具有两个发电机的单个轴系统，但所属领域的技术人员将易于了解，本发明的教示适用于任何种类的组合式循环发电系统。组合式循环发电系统100可包括可操作地连接到发电机104的燃气涡轮系统102以及可操作地连接到燃气涡轮系统102且可能可操作地连接到另一发电机112的蒸汽涡轮系统110。发电机104和燃气涡轮系统102可通过轴106机械地连接，从而可在燃气涡轮系统102的驱动轴(图中未绘示)与发电机104的驱动轴之间传递能量。相似地，发电机112和蒸汽涡轮系统110可通过轴106机械地连接，从而可在蒸汽涡轮系统110的驱动轴(图中未绘示)与发电机112的驱动轴之间传递能量。应了解，发电机104、112和轴106可具有所属领域中已知的任何大小或类型，且可取决于其应用或其连接到的系统而不同。发电机和轴的共用编号是出于清楚起见且未必表明这些发电机或轴是相同的。
燃气涡轮系统102可包括压缩机120和燃烧器124。燃烧器124包括用于通过燃烧来自压缩机的空气和燃料154来产生热气流的燃烧区126和燃料喷嘴总成(fuelnozzleassembly)128。燃气涡轮系统102还包括用于使从燃烧器124接收的热气流膨胀且驱动驱动轴106旋转的燃气涡轮130。在一个实施例中，燃气涡轮系统102是ms9001fb发动机，有时被称作9fb发动机，其可从通用电气公司(generalelectriccompany)购得。本发明不限于任何一个特定燃气涡轮系统且可结合其它发动机一起置入，所述其它发动机包括例如通用电气公司的ms7001fa(7fa)和ms9001fa(9fa)发动机模型。在操作中，空气进入压缩机120的入口、被压缩且接着排出到燃烧器124，在所述燃烧器中燃烧根据本发明的实施例加热的燃料154以提供高能量燃烧气体，从而驱动燃气涡轮130。燃料154可包括气体，例如天然气；或液体，例如油、汽油等等。在燃气涡轮130中，热气体的能量转化为功，其中一些功用于通过旋转轴106驱驱动压缩机120，而其余部分可用于有用功以驱驱动例如发电机104的负载，以用于产生电。
图1还表示呈最简单形式的组合式循环，其中离开燃气涡轮130的排放气体(exhaustgases)的能量转化为额外有用功。举例来说，能量可用于产生热给水，即，在热回收蒸汽发生器(hrsg)108处产生热给水。hrsg108可操作地连接到燃气涡轮系统102和蒸汽涡轮系统110。hrsg108可通过常规套管(conduits)(省略编号)流体连接到燃气涡轮系统102和蒸汽涡轮系统110。hrsg108可包括常规hrsg，例如用于常规组合式循环电力系统中的hrsg。如所了解，燃气涡轮130的排放气体109进入hrsg108，在其中水转化为用于蒸汽涡轮系统110的蒸汽和/或热给水174，本发明中将描述它们的用途。
蒸汽涡轮系统110可包括一个或多个蒸汽涡轮，例如，如所展示，高压(hp)涡轮132、中压(ip)涡轮134和/或低压(lp)涡轮136，所述涡轮中的每个操作性地连接到轴106。也就是说，每一蒸汽涡轮132、134、136包括机械地连接到轴106的多个旋转叶片(图中未绘示)。在操作中，来自hrsg108的蒸汽进入hp涡轮132、ip涡轮134和/或lp涡轮136的入口，且被导引以在所述涡轮的叶片上施加力，从而致使轴106旋转。如所了解，可在下游蒸汽涡轮中采用上游蒸汽涡轮中使用的蒸汽。如此由hrsg108产生的蒸汽驱动蒸汽涡轮系统110的至少一部分，在其中提取额外功以驱动轴106和例如第二发电机112的额外负载，从而又产生额外电力。在一些配置中，涡轮130、132、134、136驱动共用发电机。
图1又展示根据本发明的实施例的用于燃气涡轮系统102的燃料加热系统140。燃料加热系统140可包括用于产生蒸汽的锅炉142。锅炉142可包括能够产生蒸汽流的任何现在已知或以后开发出来的锅炉。锅炉142可以是单独的(separate)(辅助)锅炉或可以是较大锅炉系统的一部分。燃料加热系统140还可包括独立于锅炉142的hrsg108。hrsg108可操作地连接到燃气涡轮130。如本发明中所使用，“热给水”指示具有在例如230℃到260℃的非限制性实例范围内的温度的水。
如图1中所展示，燃料加热系统140还包括单个燃料换热器150，所述单个燃料换热器150包括用于流体地传送穿过其的燃料154的第一通道152以及与用于流体地传送穿过其的加热介质158并与第一通道152热连通(inthermalcommunicationwith)以加热燃料154的第二通道156。如在换热器150的设置中所使用，“通道”可包括气体或液体可穿过其的任何形式的线路(circuit)、导管、管、通路、路径等等。根据本发明的实施例，与常规燃料加热系统相比，仅提供一个燃料换热器150，即，单个燃料换热器150。燃料换热器150可包括任何现在已知或以后开发出来的换热器，其经结构化以使用蒸汽或水作为加热介质来操作。在一个实施例中，燃料换热器150可包括印刷线路式换热器(pche)。图2展示呈pche形式的燃料换热器150的一个实例的分解透视图。如图2中所展示，pche可包括数个经堆叠板(stackedplates)，每一板在其表面中具有导管。所述板堆叠且密封在一起，且流体在板的堆叠内在交变的方向上流动以在板的堆叠中的流体之间传递热能。在使用pche的情况下，其可以是从例如英国多塞特(dorset)的heatricuk和瑞典斯科尼
燃料加热系统140还可包括任何种类的用于加热介质158的返回通道，所述加热介质158即蒸汽或水。在一个实施例中，燃料加热系统140可包括将来自燃料换热器150的由蒸汽产生的冷凝物流体地传送到锅炉142的冷凝物返回通道160。此外，燃料加热系统还可包括将来自燃料换热器150的所使用的给水流体地传送到蒸汽涡轮系统110的蒸汽涡轮冷凝器118的返回通道162。返回通道160、162仅仅是可采用的可能的收集通道的实例。所收集的水可在广泛多种替代性子系统中重新使用或被引导到所述子系统。返回通道160、162可包括任何必要的控制阀164，且可包括排出端口166(例如，自身具有阀)以实现将加热介质重新引导到排出装置。
燃料加热系统140还包括控制阀系统170，所述控制阀系统170流体互连hrsg108、锅炉142以及燃料换热器150且被配置成将如下列中的一个的加热介质158选择性地递送到燃料换热器150的第二通道156：来自锅炉142的蒸汽172和来自hrsg108的热给水174。如所说明，控制阀系统170包括：被配置成控制蒸汽172和热给水174的流动的至少一个控制阀164，例如，导管176和178中的控制阀164以及其它控制阀。当利用来自锅炉142的蒸汽时，导管178中的阀164a是打开的且导管176中的阀164b是关闭的。当用来自hrsg108的给水操作时，反转阀状态，即，阀164a是关闭的且阀164b是打开的。可手动地控制控制阀系统170，或在一个实施例中，可计算机控制所述控制阀系统。在后一种状况下，控制阀系统170还可包括被配置成操作至少一个控制阀164的控制器180。控制阀164c可用于控制燃料到燃烧器124的流动。控制阀164d在利用来自hrsg108的辅助蒸汽以用于燃料加热时调制蒸汽/冷凝物流动，且控制阀164e在利用来自锅炉142的热给水时调制流动以控制燃料温度。返回通道160中的蒸汽/冷凝物可返回到锅炉142或被倾倒到排出装置。必要时还可采用其它控制阀164。
如所属领域的技术人员将了解，控制器180可呈完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件方面和硬件方面的实施例的形式，通常全部所述实施例在本发明中都可被称作“线路”、“模块”或“系统”。此外，控制器180可呈实施在任何有形表达媒体中的计算机程序产品的形式，所述有形表达媒体具有实施于媒体中的计算机可用程序代码。在一个实施例中，控制器180可以是与控制组合式循环发电系统100的其余部分的控制器分离的计算机化系统；然而，控制器180可以任何现在已知或以后开发出来的方式并入发电系统100的计算机化控制系统中，例如作为额外软件程序产品。如所了解，识别流或水流所需的任何形式的传感器、控制阀设置、蒸汽或水条件等等可以已知方式与控制器180一起采用。
根据本发明的实施例的方法可包括锅炉142例如以已知方式产生蒸汽172，以及例如一旦燃气涡轮130产生用于hrsg108产生热给水174所需的充足排气，hrsg108就以已知方式产生热给水174。在操作中，控制器180可用以：在例如(还)无法从hrsg108获得热给水的燃气涡轮130的启动条件下，将蒸汽172从锅炉108递送到燃料换热器150，即，第二通道156。也就是说，控制器180可打开例如导管178中的控制阀164以使得蒸汽172流动到燃料换热器150。在此设置中，蒸汽172在燃料154递送到燃气涡轮系统102的燃烧器124之前将燃料154加热到例如93℃到204℃的温度。此外，控制器180响应于热给水174变得可例如从hrsg108获得而可例如通过关闭导管中的控制阀164来停止递送蒸汽172，且将热给水174从hrsg108递送到燃料换热器150，即，第二通道156。此处，控制器180可打开导管176中的控制阀164。以此方式，当燃气涡轮130变得可操作且不排出能够从hrsg108产生足够热的给水的排气时，燃气涡轮系统102仍可用加热的燃料154来操作。一旦燃气涡轮130变得可操作且排出用以从hrsg108产生足够热的给水174的排气，燃气涡轮130就可用充分加热到例如93℃到204℃的温度的燃料154来操作。
与常规系统相比，本发明的实施例使用单个燃料换热器150以用两种不同加热介质158，即热给水174或蒸汽172，来加热燃料154(气体或液体)。因此，本发明的实施例提供简化的系统，其具有相称的较低构建和维护成本且具有较小的硬件覆盖面积。
本发明中所使用的术语仅用来描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。如本发明中所使用，单数形式“一(a/an)”和“所述”也希望包括复数形式，除非上下文明确指示不是这样。还应了解，当在本说明书中使用时，术语“包括”指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或增加。“任选的”或“任选地”意味着随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本发明中在整个说明书以及权利要求书中所使用的近似语言可应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及说明书和权利要求书通篇中，范围极限可组合且/或互换，此类范围被识别且包括包括在其中的所有子范围，除非上下文或语言指示不是这样。应用于一范围的特定值的“大约”适用于两个值，并且除非另外依赖于测量所述值的仪器的精度，否则可指示所述值的+/-10％。
以下权利要求书中的所有手段或步骤加功能元素的对应的结构、材料、动作和等同物旨在包括如具体要求保护的用于与其它要求保护的元素结合执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述是为了说明和描述目的而呈现，但其并非意图为穷举性的或局限于所公开形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于所属领域的技术人员将显而易见。实施例被选择和描述，以便最好地解释本发明及其实际应用的原理，并且使所属领域的其它技术人员能够针对具有适合设想到的特定用途的各种修改的各种实施例了解本发明。