CH701298A2 - System und Verfahren zur Erwärmung von Turbinenbrennstoff in einem Einfachzyklus-Kraftwerk. - Google Patents

Abstract

System mit einer Gasturbinenmaschine (10) und einer Brennstoffvorwärmeinrichtung (12). Die Brennstoffvorwärmeinrichtung (12) enthält einen ersten Wärmetauscher (36), der konfiguriert ist, um komprimierte Luft (40) aus einem Verdichter (26) aufzunehmen und um Wärme von der komprimierten Luft (40) auf ein abgekühltes Zwischenwärmeübertragungsmedium (52, 60) zu übertragen, um ein erwärmtes Zwischenwärmeübertragungsmedium (54) zu erzeugen. Die Brennstoffvorwärmeinrichtung (12) enthält ferner einen zweiten Wärmetauscher (38), der konfiguriert ist, um das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium (50) aus dem ersten Wärmetauscher (36) aufzunehmen und um Wärme von dem erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmedium (54) auf einen Brennstoff 14 zu übertragen. Der erste Wärmetauscher (36) ist konfiguriert, um das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium (60) aus dem zweiten Wärmetauscher (38) aufzunehmen.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Der hier offenbarte Gegenstand betrifft die Erwärmung von Brennstoff für eine Einfachzyklus-Gastrubine (sog. Siraple-Cycle-Gasturbine).

[0002] Gasturbinen in Einfachzyklus-Kraftwerken verwenden gewöhnlich ein Gemisch aus Brennstoff und komprimierter Luft zur Verbrennung. Jedoch kann der Brennstoff in einigen Fällen unter einer verhältnismässig niedrigen Temperatur stehen, während die komprimierte Luft eine relativ hohe Temperatur aufweisen kann. Die niedrige Brennstofftemperatur kann die Leistungsfähigkeit reduzieren, den Wirkungsgrad verringern und Emissionen der Gasturbine steigern. Folglich kann es erwünscht sein, den Brennstoff zu erwärmen, bevor dieser mit der komprimierten Luft vermischt wird, um die Leistungsfähigkeit, den Wirkungsgrad und Emissionen der Gasturbine zu verbessern oder um Abweichungen in den Brennstoffbestandteilen zu kompensieren.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0003] Bestimmte Ausführungsformen entsprechend dem Rahmen der ursprünglich beanspruchten Erfindung sind nachstehend kurz zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung nicht beschränken, so dass vielmehr diese Ausführungsformen dazu vorgesehen sind, lediglich eine Kurzbeschreibung möglicher Formen der Erfindung zu liefern. In der Tat, kann die Erfindung vielfältige Formen einnehmen, die zu den nachstehend angegebenen Ausführungsformen ähnlich sein oder sich von diesen unterscheiden können.

[0004] In einer ersten Ausführungsform enthält ein System eine Gasturbinenmaschine. Die Gasturbinenmaschine enthält einen Verdichter, der konfiguriert ist, um Luft aufzunehmen und zu komprimieren. Die Gasturbinenmaschine enthält ferner eine Brennkamme, die konfiguriert ist, um einen ersten Fluss der komprimierten Luft von dem Verdichter und Brennstoff zu empfangen, wobei die Brennkammer konfiguriert ist, um ein Gemisch aus der komprimierten Luft und dem Brennstoff zu verbrennen, um ein Abgas zu erzeugen. Die Gasturbinenmaschine enthält ferner eine Turbine, die konfiguriert ist, um das Abgas aus der Brennkammer zu empfangen und das Abgas zu nutzen, um eine Welle zu drehen. Das System enthält ferner ein Brennstoffvorwärmsystem, das konfiguriert ist, um einen zweiten Fluss der komprimierten Luft von dem Verdichter zu empfangen, ein Zwischenwärmeübertragungsmedium mit Wärme aus dem zweiten Fluss der komprimierten Luft zu erwärmen, den Brennstoff mit Wärme aus dem Zwischenwärmeübertragungsmedium zu erwärmen und den Brennstoff zu der Brennkammer zu liefern. Das Zwischenwärmeübertragungsmedium strömt ausschliesslich innerhalb des Brennstoffvorwärmsystems.

[0005] In einer zweiten Ausführungsform enthält ein System einen Brennstoffvorwärmer. Der Brennstoffvorwärmer enthält einen ersten Wärmetauscher, der konfiguriert ist, um komprimierte Luft aus einem Verdichter zu empfangen und um Wärme von der komprimierten Luft auf ein abgekühltes Zwischenwärmeübertragungsmedium zu übertragen, um ein erwärmtes Zwischenwärmeübertragungsmedium zu erzeugen. Der Brennstoffvorwärmer enthält ferner einen zweiten Wärmetauscher, der konfiguriert ist, um das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium von dem ersten Wärmetauscher zu empfangen und um Wärme von dem erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmedium auf einen Brennstoff zu übertragen. Der erste Wärmetauscher ist konfiguriert, um das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium von dem zweiten Wärmetauscher zu empfangen.

[0006] In einer dritten Ausführungsform enthält ein Verfahren ein Erwärmen eines Zwischenwärmeübertragungsmediums innerhalb eines ersten Wärmetauschers unter Verwendung komprimierter Luft von einem Verdichter als eine erste Wärmequelle. Das Verfahren enthält ferner ein Erwärmen von Brennstoff innerhalb eines zweiten Wärmetauschers unter Verwendung des erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmediums aus dem ersten Wärmetauscher als eine zweite Wärmequelle. Das Verfahren enthält ferner ein Umwälzen des Zwischenwärmeübertragungsmediums in einem geschlossenen Kreislauf, der den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0007] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegende Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile bezeichnen und worin zeigen: <tb>Fig. 1<sep>ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Einfachzyklus-Turbinensystems mit einem Brennstoffvorwärmsystem; <tb>Fig. 2<sep>eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Einfachzyklus-Turbinensystems, wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist; <tb>Fig. 3<sep>ein schematisiertes Flussdiagramm einer Ausführungsform des Einfachzyklus-Turbinensystems und Brennstoffvorwärmsystems nach Fig. 1; <tb>Fig. 4<sep>ein schematisiertes Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Einfachzyklus-Turbinensystems und Brennstoffvorwärmsystems nach Fig. 1; und <tb>Fig. 5<sep>ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Erwärmung von Brennstoff in dem Brennstoffvorwärmsystem unter Verwendung erwärmter Luft aus einem Verdichter des Einfachzyklus-Turbinensystems als eine Wärmequelle.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0008] Nachstehend sind eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bestreben, eine knappe und präzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können in der Beschreibung gegebenenfalls nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Umsetzung beschrieben sein. Es sollte verstanden werden, dass bei der Entwicklung jeder beliebigen derartigen tatsächlichen Umsetzungsform, wie in jedem Entwicklungs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, wie beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Randbedingungen, die von einer Umsetzung zur anderen variieren können. Ausserdem sollte verstanden werden, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwendig sein kann, jedoch für Fachleute auf dem Gebiet, die den Vorteil dieser Offenbarung haben, nichtsdestoweniger ein routinemässiges Unterfangen zur Konstruktion, Fertigung und Herstellung darstellen würde.

[0009] Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel «ein», «eine», «der», «die» und «das» bedeuten, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Ausdrücke «aufweisen», «enthalten» und «haben» sollen im inklusiven Sinne verstanden werden und bedeuten, dass ausser den gelisteten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.

[0010] Die offenbarten Ausführungsformen enthalten Systeme und Verfahren zur Erwärmung von Brennstoff für eine Einfachzyklus-Gasturbine (sogenannte Simple-Cycle-Gasturbine) unter Verwendung erwärmter Luft von einem Verdichter der Einfachzyklus-Gasturbine als die Wärmequelle. Zum Beispiel kann in bestimmten Ausführungsformen komprimierte Luft von dem Verdichter in einen ersten Wärmetauscher geleitet werden, worin die komprimierte Luft verwendet wird, um ein Zwischenwärmeübertragungsmedium, wie beispielsweise Wasser, zu erwärmen. Ausserdem kann das Zwischenwärmeübertragungsmedium Sole oder Lauge, Öl, Freon, Inertgas, Wasser-Glykol, synthetische organische Fluide, ein alkyliertes aromatisches Wärmeübertragungsfluid und dergleichen enthalten. Als nächstes kann das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium aus dem ersten Wärmetauscher in einen zweiten Wärmetauscher geleitet werden, worin das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium verwendet wird, um Brennstoff vorzuwärmen, bevor der Brennstoff zur Verbrennung zu der Einfachzyklus-Gasturbine geliefert wird. Schliesslich kann das gekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium aus dem zweiten Wärmetauscher zurück in den ersten Wärmetauscher geleitet werden, worin es durch die erwärmte Luft aus dem Verdichter der Einfachzyklus-Gasturbine erwärmt werden kann. Ausserdem kann in manchen Ausführungsformen eine Wärmespeichervorrichtung verwendet werden, um das Zwischenwärmeübertragungsmedium, das zu und von dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher übertragen wird, vorübergehend zu speichern. Die Verwendung eines Zwischenwärmeübertragungsmediums reduziert die Möglichkeit einer Kombination von komprimierter Luft und Brennstoff in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher. Ausserdem kann der Bedarf nach einer externen WärmeÜbertragungsausrüstung (zum Beispiel Hilfskesseln, Ölbad-Wärmetauschern, elektrischen Taupunkt-Heizeinrichtungen, katalytischen Heizern und dergleichen) reduziert oder sogar beseitigt sein. Es können weitere Wärmetauscherkonfigurationen, einschliesslich verschiedener Zwischenwärmeübertragungsmedien, eingesetzt werden.

[0011] Fig. 1 zeigt ein schematisiertes Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Einfachzyklus-Turbinensystems 10, das ein Brennstoffvorwärmsystem 12 aufweist. Wie in grösseren Einzelheiten nachstehend beschreiben, kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 konfiguriert sein, um Brennstoff 14 zu erwärmen, bevor der Brennstoff 14 zu dem Einfachzyklus-Turbinensystem 10 geliefert wird. Insbesondere kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 einen ersten Wärmetauscher zur Erwärmung eines Zwischenwärmeübertragungsmediums mit erwärmter komprimierter Luft von einem Verdichter des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 und einen zweiten Wärmetauscher zur Erwärmung des Brennstoffs 14 mit dem erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmedium aus dem ersten Wärmetauscher enthalten.

[0012] Das Einfachzyklus-Turbinensystem 10 kann einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff 14, wie beispielsweise Erdgas und/oder ein Wasserstoffreiches Synthesegas, nutzen. Wie dargestellt, nehmen mehrere Brennstoffdüsen 16 den Versorgungsbrennstoff 14 auf, vermischen den Brennstoff mit Luft und verteilen das Luft-Brennstoff-Gemisch in eine Brennkammer 18. Das Luft-Brennstoff-Gemisch verbrennt in einem Raum innerhalb der Brennkammer 18, wodurch heisse unter Druck stehende Abgase erzeugt werden. Die Brennkammer 18 leitet die Abgase durch eine Turbine 20 in Richtung auf einen Abgasauslass 22. Während die Abgase durch die Turbine 20 strömen, zwingen die Gase eine oder mehrere Turbinenschaufeln, eine Welle 24 über einer Achse des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 zu drehen. Wie veranschaulicht, kann die Welle 24 mit verschiedenen Komponenten des Einfachzyklus-Turbinensystems 10, einschliesslich eines Verdichters 26, verbunden sein. Der Verdichter 26 enthält ebenfalls Laufschaufeln, die mit der Welle 24 gekoppelt sein können. Wenn die Welle 24 rotiert, rotieren auch die Schaufeln innerhalb des Verdichters 26, wodurch Luft aus einem Lufteinlass 28 durch den Verdichter 26 komprimiert und in die Brennstoffdüsen 16 und/oder die Brennkammer 18 gedrückt wird. Die Welle 24 kann ferner an eine Last 30 angeschlossen sein, die ein Fahrzeug oder eine stationäre Last, wie beispielsweise ein elektrischer Generator in einer Kraftwerksanlage oder ein Propeller an einem Flugzeug, sein kann. Die Last 30 kann jede beliebige geeignete Vorrichtung enthalten, die in der Lage ist, durch die Drehausgabe des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 angetrieben zu werden.

[0013] Fig. 2 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Einfachzyklus-Turbinensystems 10, wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist. Da Einfachzyklus-Turbinensystem 10 enthält eine oder mehrere Brennstoffdüsen 16, die im Inneren von einer oder mehreren Brennkammern 18 angeordnet sind. Im Betrieb tritt Luft in das Einfachzyklus-Turbinensystem 10 durch den Lufteinlass 28 ein und wird in dem Verdichter 26 unter Druck gesetzt. Die komprimierte Luft kann anschliessend zur Verbrennung innerhalb der Brennkammer 18 mit einem Gas vermischt werden. Z.B. können die Brennstoffdüsen 16 ein Brennstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer 18 in einem geeigneten Verhältnis für eine optimale Verbrennung, optimale Emissionen, einen optimalen Brennstoffverbrauch und eine optimale Leistungsabgabe injizieren.

[0014] Die Verbrennung erzeugt heisse unter Druck stehende Abgase, die dann eine oder mehrere Laufschaufeln 32 innerhalb der Turbine 20 antreiben, um die Welle 24 und somit den Verdichter 26 und die Last 30 in Drehung zu versetzen bzw. zu halten. Die Drehung der Turbinenschaufeln 32 verursacht eine Drehung der Welle 24, wodurch Laufschaufeln 34 innerhalb des Verdichters 26 veranlasst werden, die durch den Lufteinlass 28 empfangene Luft einzuziehen und unter Druck zu setzen.

[0015] Zurückkehrend auf Fig. 1, kann das Einfachzyklus-Turbinensystem 10 mit einem Brennstoff 14 von dem Brennstoffvorwärmsystem 12 betrieben werden. Insbesondere kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 das Einfachzyklus-Turbinensystem 10 mit einem Brennstoff 14 versorgen, der innerhalb der Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 verbrannt wird. Der Brennstoff 14 kann Flüssigbrennstoff, gasförmigen Brennstoff oder eine Kombination von diesen enthalten. Um eine effiziente Verbrennung des Brennstoffs 14 innerhalb der Brennkammer 18 der Turbine 12 sicherzustellen, kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 in bestimmten Ausführungsformen eine Ausrüstung zum Erwärmen des Brennstoffs 14, bevor der Brennstoff 14 zu der Brennkammer 18 geliefert wird, enthalten. Insbesondere können durch Vorwärmen des Brennstoffs 14, bevor der Brennstoff 14 der Brennkammer 18 zugeführt wird, die Leistungsfähigkeit, der Wirkungsgrad und die Emissionen des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 verbessert werden. Ferner kann in bestimmten Ausführungsformen eine kontrollierte variable Erwärmung des Brennstoffs 14 verwendet werden, um Abweichungen der Bestandteile des Brennstoffs 14 zu kompensieren, die die Energiedichte des Brennstoffs 14 beinträchtigen und folglich Emissionen, Verbrennungsstabilität und sonstige Verbrennungsdynamik nachteilig beeinflussen können, die wiederum eine Auswirkung auf die Bauteillebensdauer haben können.

[0016] Eine Lösung zum Erwärmen des Brennstoffs 14 besteht darin, Hilfswärmequellen, wie beispielsweise Hilfskessel, Ölbad-Wärmetauscher, elektrische Taupunkt-Heizer oder katalytische Heizer, zu verwenden, die allgemein Dampf, Gas oder Elektrizität als die Wärmequelle einsetzen. Jedoch kann der Einsatz dieser Ausrüstungsarten zum Erwärmen des Brennstoffs 14 bestimmte Nachteile umfassen. Z.B. können die Investitionskosten zum Einbau einer Ausrüstung zur Verwendung von Hilfswärmequellen insofern nicht die effizienteste Nutzung von Ressourcen darstellen, als die Hilfsausrüstung im Allgemeinen grösser als das sein kann, was tatsächlich benötigt wird. Die hierin offenbarten Ausführungsformen sind allgemein auf die Bewältigung dieser Nachteile gerichtet. Insbesondere sehen die offenbarten Ausführungsformen, wie nachstehend in grösseren Einzelheiten beschrieben, die Nutzung erwärmter komprimierter Luft von dem Verdichter 26 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10, um ein Zwischenwärmeübertragungsmedium zu erwärmen, das wiederum verwendet werden kann, um den Brennstoff 14 zu erwärmen, bevor dieser zu der Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 geliefert wird.

[0017] Fig. 3 zeigt ein schematisiertes Flussdiagramm einer Ausführungsform des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 und des Brennstoffvorwärmsystems 12 nach Fig. 1. Wie veranschaulicht, kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 einen ersten Wärmetauscher 36 und einen zweiten Wärmetauscher 38 enthalten. Wie in grösseren Einzelheiten nachstehend beschrieben, kann der erste Wärmetauscher 36 verwendet werden, um ein Zwischenwärmeübertragungsmedium mit erwärmter komprimierter Luft aus dem Verdichter 26 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 als eine Wärmequelle zu erwärmen. Zusätzlich kann der zweite Wärmetauscher verwendet werden, um Brennstoff mit dem erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmedium als eine Wärmequelle zu erwärmen. Folglich kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 allgemein erwärmte komprimierte Luft von dem Verdichter 26 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 aufnehmen und kann erwärmten Brennstoff 14 zur Verwendung in der Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 erzeugen.

[0018] Um den Prozess der Erwärmung des Brennstoffs 14 mit erwärmter komprimierter Luft von dem Verdichter 26 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 besser zu veranschaulichen, wird erneut eine Übersicht darüber gegeben, wie das Einfachzyklus-Turbinensystem 10 allgemein arbeitet. Wie veranschaulicht, können die Turbine 20 und der Verdichter 26 mit der gemeinsamen Welle 24 gekoppelt sein, die auch mit der Last 30 verbunden sein kann. Der Verdichter 26 enthält auch Schaufeln, die mit der Welle 24 gekoppelt sein können. Während die Welle 24 rotiert, rotieren auch die Laufschaufeln innerhalb des Verdichters 26, wodurch die Einlassluft aus dem Lufteinlass 28 komprimiert wird. Die komprimierte Luft 40 kann in die Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 geführt werden, worin die komprimierte Luft 40 mit dem Brennstoff 14 zur Verbrennung innerhalb der Brennkammer 18 vermischt wird. Insbesondere können die mehreren Brennstoffdüsen 16 das Luft-Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer 18 in einem für eine optimale Verbrennung, optimale Emissionen, einen optimalen Brennstoffverbrauch und eine optimale Leistungsabgabe geeigneten Verhältnis injizieren. Das Luft-Brennstoff-Gemisch verbrennt innerhalb der Brennkammer 18, wodurch heisse unter Druck stehende Abgase 42 erzeugt werden. Die Brennkammer 18 leitet die Abgase 42 durch die Turbine 20. Während die Abgase 42 die Turbine 20 durchströmen, zwingen die Gase eine oder mehrere Turbinenlaufschaufeln, die Welle 24 und wiederum den Verdichter 26 und die Last 30 zu drehen. Insbesondere veranlasst die Drehung der Turbinenschaufeln eine Drehung der Welle 24, wodurch Schaufeln innerhalb des Verdichters 26 veranlasst werden, aus dem Lufteinlass 28 aufgenommene Luft einzuziehen und mit Druck zu beaufschlagen.

[0019] Die komprimierte Luft 40, die durch den Verdichter 26 erzeugt wird, kann nicht nur unter einem erhöhten Druck stehen, sondern kann auch eine höhere Temperatur aufweisen. Z.B. kann die komprimierte Luft 40, die durch den Verdichter 26 erzeugt wird, in manchen Ausführungsformen eine Temperatur in dem Bereich von etwa 500° F (z.B. bei einer minimalen Last an dem Einfachzyklus-Turbinensystem 10) bis zu 850° F (z.B. bei einer maximalen Last an dem Einfachzyklus-Turbinensystem 10) aufweisen. Jedoch kann die Temperatur der komprimierten Luft 40 zwischen Realisierungen und Betriebspunkten variieren, und sie kann in manchen Ausführungsformen wenigstens ungefähr 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 und dergleichen betragen. Ausserdem kann die Temperatur in der komprimierten Luft 40 zwischen unterschiedlichen Stufen des Verdichters 26 variieren.

[0020] Folglich weist die komprimierte Luft 40 im Allgemeinen eine erhöhte Temperatur auf, insbesondere verglichen mit dem Brennstoff 14, der unter Umgebungstemperaturen stehen kann. Deshalb kann, anstatt dass der gesamte Fluss der komprimierten Luft 40 in die Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 eingeleitet wird, eine bestimmte Menge der komprimierten Luft 40 in das Brennstoffvorwärmsystem 12 als erwärmte Luft 44 geführt oder umgeleitet werden, um in dem ersten Wärmetauscher 36 als eine Wärmequelle verwendet zu werden. Z.B. kann in manchen Ausführungsformen ein bestimmter prozentualer Anteil (von z.B. ungefähr 0-20%) der komprimierten Luft 40 zu dem ersten Wärmetauscher 36 hin geleitet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der prozentuale Anteil der erwärmten Luft 44, der dem Hauptfluss der komprimierten Luft 40 entnommen wird, ungefähr 1% bis 3% betragen. Jedoch kann der prozentuale Anteil der erwärmen Luft 44, der dem Hauptfluss der komprimierten Luft 40 entnommen wird, auch zwischen Realisierungen und Betriebspunkten variieren, und er kann in manchen Ausführungsformen ungefähr 0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0%, 2,5%, 3,0%, 3,5%, 4,0%, 4,5%, 5,0% und dergleichen betragen. Diese Prozentsätze können ferner auf verschiedenen Eigenschaften der komprimierten Luft 44, wie dem Volumen, Druck, der Masse und dergleichen, beruhen. In der Tat können ausser bestimmten prozentualen Anteilen, die in den ersten Wärmetauscher 36 umgeleitet werden, bestimmte Massendurchsätze, die zur Erwärmung des Brennstoffs 14 benötigt werden, bestimmen, wie viel erwärmte Luft 44 in den ersten Wärmetauscher 36 geleitet werden sollte.

[0021] In bestimmten Ausführungsformen kann die Aufteilung der komprimierten Luft 40 auf die Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 und den ersten Wärmetauscher 26 des Brennstoffvorwärmsystems 12 mittels eines Ventils 46 stromabwärts des ersten Wärmetauschers 36 gesteuert werden. Insbesondere kann das Ventil 36 die Menge der erwärmten Luft 44 steuern, die in den ersten Wärmetauscher 36 hinein geliefert werden soll. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Steuereinrichtung 48 verwendet werden, um den Fluss der erwärmten Luft 44 zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 48 eine Steuerlogik zur Betätigung des Ventils 46 enthalten, um den Durchfluss der komprimierten Luft 40 zu dem ersten Wärmetauscher 36 des Brennstoffvorwärmsystems 12 zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen kann der Fluss der komprimierten Luft 40 und der erwärmten Luft 44 durch die Steuereinrichtung 48 wenigstens zum Teil auf der Basis von Bedingungen innerhalb des ersten Wärmetauschers 36 und des zweiten Wärmetauschers 38 eingestellt werden. Z.B. kann die Aufteilung der komprimierten Luft 40 auf die Brennkammer 18 und den ersten Wärmetauscher 36 durch die Steuereinrichtung 48 auf der Basis der Temperatur des Brennstoffs 14 gesteuert werden, der von dem zweiten Wärmetauscher 38 zu der Brennkammer 18 geliefert wird, wobei die Temperatur durch ein Temperatursensor 50 gemessen werden kann.

[0022] Wie vorstehend beschrieben, kann die erwärmte Luft 44, die in den ersten Wärmetauscher 36 eingeleitet wird, verwendet werden, um ein Zwischenwärmeübertragungsmedium 52 zu erwärmen. Das Zwischenwärmeübertragungsmedium 52 kann jedes beliebige flüssige oder gasförmige Fluid sein, das in der Lage ist, Wärme von der erwärmten Luft 44 aufzunehmen. Z.B. kann das Zwischenwärmeübertragungsmedium 52 Wasser, Sole, Lauge, Öl, Freon, Inertgas, Wasser-Glykol, synthetische Fluide auf der Basis organischer Stoffe, alkylierte aromatisch basierte Wärmeübertragungsfluide auf der Basis organischer Stoffe, alkylierte aromatisch basierte Wärmeübertragungsfluide und dergleichen enthalten. Im Allgemeinen kann das Zwischenwärmeübertragungsmedium 52, das innerhalb des ersten Wärmetauschers 36 erwärmt wird, eine deutlich geringere Temperatur als die erwärmte Luft 44 von dem Verdichter 26 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 haben. Z.B. kann die Temperatur des Zwischenwärmeübertragungsmediums 52 ungefähr 80°F bis 300°F betragen. Jedoch kann die Temperatur der Zwischenwärmeübertragungsmediums 52 wiederum zwischen Realisierungen und Betriebspunkten variieren, und sie kann in manchen Ausführungsformen ungefähr 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 und dergleichen betragen.

[0023] Folglich kann die erwärmte Luft 44 verwendet werden, um das Zwischenwärmeübertragungsmedium 52 zu erwärmen, um ein erwärmtes Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 zu schaffen, das in den zweiten Wärmetauscher 30 eingeleitet werden kann. Während des Prozesses wird die erwärmte Luft 44 bis zu einem gewissen Grad abgekühlt, wodurch abgekühlte Luft 56 erzeugt wird. In bestimmten Ausführungsformen kann die abgekühlte Luft 56 in das Einfachzyklus-Turbinensystem 10 zurückgeführt werden. Insbesondere kann die abgekühlte Luft in einen Einlass oder Auslass des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 geleitet werden. Genauer gesagt, kann die abgekühlte Luft 56 in bestimmten Ausführungsformen zurück durch den Verdichter 26 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 geführt werden. Jedoch kann die abgekühlte Luft 56 in anderen Ausführungsformen zu anderen externen Prozessen geführt werden.

[0024] In manchen Ausführungsformen kann die Temperatur des Zwischenwärmeübertragungsmediums 52 auf etwa 425° F erhöht werden, während die Temperatur der erwärmten Luft 44 auf etwa 140° F bis 240° F verringert wird. Wie zuvor wird die Menge des Wärmeaustausches zwischen Realisierungen und Betriebspunkten variieren. An sich kann die Temperatur des erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmediums 54, die zu dem zweiten Wärmetauscher 38 geliefert wird, zwischen ungefähr 350° F, 375° F, 400° F, 425° F, 450° F, 475° F, 500° F und dergleichen variieren, während die Temperaturen der abgekühlten Luft 56 zwischen etwa 100° F, 120° F, 140° F, 160° F, 180° F, 200° F, 220° F, 240° F, 260° F, 280° F, 300° F und dergleichen variieren kann. Folglich kann die Temperatur des Zwischenwärmeübertragungsmediums 52 in manchen Ausführungsformen um 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100% oder mehr auf einer Rankine-Skala vergrössert werden, während die Temperatur der erwärmten Luft 44 um 5, 10, 15, 20, 25, 35, 40, 45, 50% oder mehr auf einer Rankine-Skala verringert werden kann.

[0025] Das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54, das in den zweiten Wärmetauscher 38 eingeleitet wird, kann verwendet werden, um einen Versorgungsbrennstoff 58 zu erwärmen. Im Allgemeinen kann der Versorgungsbrennstoff 58, der in dem zweiten Wärmetauscher 38 erwärmt wird, eine deutlich geringere Temperatur als das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 von dem ersten Wärmetauscher 56 aufweisen. Z.B. kann die Temperatur des Versorgungsbrennstoffs 58 in manchen Ausführungsformen ungefähr 60° F betragen. Jedoch kann die Temperatur des Versorgungsbrennstoffs 58 wiederum zwischen Realisierungen und Betriebspunkten variieren, und sie kann in manchen Ausführungsformen ungefähr 40° F, 50° F, 60° F, 70° F, 80° F, 90° F, 100° F, 110° F, 120° F und dergleichen betragen.

[0026] Folglich kann das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 verwendet werden, um den Versorgungsbrennstoff 58 zu erwärmen, um einen erwärmten Brennstoff 14 zu erzeugen, der in die Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystem eingeleitet werden kann. Während des Prozesses wird das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 bis zu einem gewissen Grad abgekühlt, wodurch ein gekühltes Zwischenwärmeübertragungsmedium 60 erzeugt wird. In manchen Ausführungsformen kann die Temperatur des Versorgungsbrennstoffs 58 auf etwa 375° F erhöht werden, während die Temperatur des erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmediums 54 auf etwa 120° F verringert werden kann. Wie zuvor wird die Menge des Wärmeaustausches zwischen Realisierungen und Betriebspunkten variieren. An sich kann die Temperatur des erwärmten Brennstoffs 14, der zu der Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 geliefert werden soll, zwischen etwa 300° F, 325° F, 350° F, 375° F, 400° F, 425° F, 450° F und dergleichen variieren, während die Temperatur des gekühlten Zwischenwärmeübertragungsmediums 60 zwischen etwa 80° F, 90° F, 100° F, 110° F, 120° F, 130° F, 140° F, 150° F, 160° F und dergleichen variieren kann. Folglich kann die Temperatur des Versorgungsbrennstoffs 58 in manchen Ausführungsformen um 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100% oder mehr auf einer Rankine-Skala erhöht werden, während die Temperatur des erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmediums 54 um 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50% o-der mehr auf einer Rankine-Skala verringert werden kann.

[0027] Zudem kann der erwärmte Brennstoff 14 in manchen Ausführungsformen unter Verwendung einer so genannten Wide-Wobbe-Steuerung (Weite-Wobbezahl-Steuerung) gesteuert werden, die im Wesentlichen ein Verfahren zum Einstellen des BTÜ- (British Thermal Unit) Gehalts des Brennstoffs 14 auf einen konstanten Wert darstellt, wodurch Abweichungen der Bestandteile des Versorgungsbrennstoffs 58 kompensiert werden. Insbesondere kann die Wide-Wobbe-Steuerung in manchen Ausführungsformen durch Verwendung eines Gaschromatographen oder einer anderen BTU-Messvorrichtung 62 und durch Verwendung der Steuereinrichtung 48 zur Einstellung der Durchflussrate des Zwischenwärmeübertragungsmediums 52 um sicherzustellen, dass der BTU-Gehalt des Brennstoffs 14 auf einem im Wesentlichen konstanten Wert bleibt, ermöglicht werden. Eine Wide-Wobbe-Steuerung ist in der parallel anhängigen US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0 031 731 beschrieben, die durch Verweis in ihrer Gesamtheit hierin mit aufgenommen ist.

[0028] Jedoch stellt die vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Ausführungsform des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 und des Brennstoffvorwärmsystems 12 nicht die einzig mögliche Konstruktion dar. Z.B. zeigt Fig. 4 ein schematisiertes Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 und des Brennstoffvorwärmsystems 12 nach Fig. 1. Wie veranschaulicht, kann, anstatt das Zwischenwärmeübertragungsmedium 52 von einem externen System in dem ersten Wärmetauscher 36 zu erwärmen, wie in Fig. 3, das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium 60 von dem zweiten Wärmetauscher 38 innerhalb des ersten Wärmetauschers 36 erwärmt werden. Folglich können das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54, das von dem ersten Wärmetauscher 36 zu dem zweiten Wärmetauscher 38 befördert wird, und das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium 60, das von dem zweiten Wärmetauscher 38 zu dem ersten Wärmetauscher 36 befördert wird, ein Vorwärm- und Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf bilden, durch den das Zwischenwärmeübertragungsmedium 54, 60 durch den ersten bzw. den zweiten Wärmetauscher 36, 38 abwechselnd erwärmt und abgekühlt wird. In anderen Worten kann das Zwischenwärmeübertragungsmedium 54, 60 ausschliesslich innerhalb des Brennstoffvorwärmsystems 12 strömen. Insbesondere kann das Zwischenwärmeübertragungsmedium 54, 60 in manchen Ausführungsformen mit minimaler zwischengeschalteter Ausrüstung, unter Verwendung einer Pumpe 64 durch zugehörige Rohrleitungen unmittelbar zu und von dem ersten und dem zweiten Wärmtauscher 36, 38 gepumpt werden. Ausserdem kann wenigstens ein Steuerventil 60 verwendet werden, um den Durchfluss des Zwischenwärmeübertragungsmediums 54, 60 innerhalb des geschlossenen Kreislaufsystems zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen können die Pumpe 54 und das Steuerventil 66 durch die Steuereinrichtung 48 gesteuert sein um sicherzustellen, dass die passende Wärmemenge in den Brennstoff 14 transferiert wird. Wie vorstehend beschrieben, kann z.B. der Wärmegehalt des erwärmten Brennstoffs 14 in bestimmten Ausführungsformen relativ konstant gehalten werden, indem beispielsweise die Menge der erwärmten Luft 44, die in den ersten Wärmetauscher 36 eingeleitet wird, angepasst wird.

[0029] Ein derartiges Vorwärm- und Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf kann sich zur Verwendung mit dem Einfachzyklus-Turbinensystem 10 insofern als besonders vorteilhaft erweisen, als es die Notwendigkeit einer externen Wärmeübertragungsausrüstung (z.B. elektrischer Heizeinrichtungen) und einer externen Quelle eines Zwischenwärmeübertragungsmediums (z.B. Speisewasser von einem Speisewassersystem) beseitigt. Die Verwendung des Zwischenwärmeübertragungsmediums 54, 60 in dieser Art eines Vorwärm- und Kühlsystems mit geschlossenem Kreislauf kann den Wärmetransfer von der erwärmten Luft 40 aus dem Verdichter 46 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 auf das Zwischenwärmeübertragungsmedium (z.B. das Zwischenwärmeübertragungsmedium 54, 60), auf den Brennstoff vereinfachen. Das Zwischenwärmeübertragungsmedium 54, 60, das in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 36, 38 verwendet wird, kann ein beliebiges gasförmiges oder flüssiges Fluid sein, das in der Lage ist, Wärme von der erwärmten Luft 44 auf den Brennstoff 14 zu übertragen. Z.B. kann das Zwischenwärmeübertragungsmedium 54, 60 Wasser, Sole, Lauge, Öl, Freon, Inertgas, Wasser-Glykol, synthetische organische Fluide, alkylierte aromatische Wärmeübertragungsfluide und dergleichen enthalten.

[0030] Ausserdem kann das mit geschlossenem Kreislauf ausgeführte Vorwärm- und Kühlsystem nach Fig. 4in manchen Ausführungsformen eine Wärmespeichervorrichtung 68, wie beispielsweise einen isolierten Speicherbehälter, enthalten. An sich kann das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 von dem ersten Wärmetauscher 36 in der Wärmespeichervorrichtung 68 vorübergehend gespeichert werden, bevor es in den zweiten Wärmetauscher 38 eingebracht wird. Eine Speicherung des erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmediums 54 in der Wärmespeichervorrichtung 68 kann besonders nützlich sein, um ein Erwärmen des Brennstoffs 14 während eines Starts des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 zu ermöglichen. Ausserdem kann in anderen Ausführungsformen eine zweite oder ersatzweise Wärmespeichervorrichtung dazu verwendet werden, das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium 60 von dem zweiten Wärmetauscher 38 vorübergehend zu speichern, bevor es in den ersten Wärmetauscher 36 zurückgeführt wird.

[0031] Darüber hinaus kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 in manchen Ausführungsformen im Wesentlichen aus dem ersten Wärmetauscher 36, dem zweiten Wärmetauscher 38 und Rohrleitungen zur Verbindung des ersten und des zweiten Wärmetauschers 36, 38 miteinander bestehen. Ausserdem kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 in anderen Ausführungsformen im Wesentlichen aus dem ersten Wärmetauscher 36, dem zweiten Wärmetauscher 38, einer oder mehrerer Pumpen 64, einem oder mehreren Steuerventilen 66, einer oder mehreren Wärmespeichervorrichtungen 68 und Rohrleitungen zur Verbindung des ersten und des zweiten Wärmetauschers 36, 38 und der einen oder mehreren Wärmespeichervorrichtungen 68 bestehen. In anderen Worten kann das Brennstoffvorwärmsystem 12, wie vorstehend beschrieben, ein geschlossenes Kreislaufsystem aufweisen, durch das das Zwischenwärmeübertragungsmedium strömt.

[0032] Fig. 5 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 70 zum Erwärmen des Brennstoffs in dem Brennstoff Vorwärmsystem 12 unter Verwendung der erwärmten Luft 44 aus dem Verdichter 26 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 als eine Wärmequelle. In Schritt 72 kann das Brennstoffvorwärmsystem 12 die erwärmte Luft 44 aus dem Verdichter 26 aufnehmen. Wie vorstehend beschrieben, kann die Steuereinrichtung 48 verwendet werden um zu bestimmen, wie viel erwärmte Luft 44 zu dem Brennstoffvorwärmsystem 12 zur Verwendung als eine Wärmequelle geliefert werden sollte. Wenn z.B. die Temperatur des Brennstoffs 14, wie durch den Temperatursensor 50 gemessen, unterhalb eines Zielwertes liegt, kann die Steuereinrichtung 48 bestimmen, dass die Menge der erwärmten Luft 44, die zu dem Brennstoffvorwärmsystem 12 geliefert wird, erhöht werden sollte. Demgemäss kann die Steuereinrichtung 48 das Ventil 46 betätigen, um die Durchflussrate der erwärmten Luft 44 in das Brennstoffvorwärmsystem 12 hinein zu erhöhen.

[0033] Wenn umgekehrt die Temperatur des Brennstoffs 14, wie durch den Temperatursensor 50 gemessen, oberhalb eines Zielwertes liegt, kann die Steuereinrichtung 48 bestimmen, dass die Menge der erwärmten Luft 44, die zu dem Brennstoffvorwärmsystem 12 geliefert wird, verringert werden sollte und/oder der Massendurchsatz des Zwischenwärmeübertragungsmediums reduziert werden sollte, indem ein Teil des Durchsatzes des Zwischenwärmeübertragungsmediums in die Wärmespeichervorrichtung 68 hinein umgeleitet wird, wie dies in Schritt 76 nachstehend beschrieben ist. Demgemäss kann die Steuereinrichtung 48 das Ventil 46 betätigen, um den Durchsatz der erwärmten Luft 44 in das Brennstoffvorwärmsystem 12 hinein zu verringern.

[0034] Wie vorstehend beschrieben, kann ein Zwischenwärmeübertragungsmedium verwendet werden, um den Brennstoff 14 zu erwärmen. Der zweistufige Prozess des zunächst Erwärmens des Zwischenwärmeübertragungsmediums mit der erwärmten Luft 44 in dem ersten Wärmetauscher 36 und des anschliessenden Erwärmens des Versorgungsbrennstoffs 58 mit dem erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmedium in dem zweiten Wärmetauscher 38 ist allgemein insofern vorteilhaft, als die Gefahr der Erzeugung eines brennbaren Luft-Brennstoff-Gemisches in dem Brennstoffvorwärmsystem 12 reduziert ist. Mit anderen Worten ist, weil ein Zwischenwärmeübertragungsmedium eingesetzt wird, die Wahrscheinlichkeit geringer, dass die erwärmte Luft 44 und der Versorgungsbrennstoff 58 sich miteinander vermischen und dadurch eine unerwünschte brennbare Situation in dem Brennstoffvorwärmsystem 12 schaffen.

[0035] In Schritt 74 kann das Zwischenwärmeübertragungsmedium innerhalb des ersten Wärmetauschers 36 mit der erwärmten Luft 44 aus dem Verdichter 26 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 als die Wärmequelle erwärmt werden. In anderen Worten wird Wärme innerhalb des ersten Wärmetauschers 36 von der erwärmten Luft 44 auf das Zwischenwärmeübertragungsmedium übertragen. Es kann jede beliebige geeignete Wärmetauscherkonstruktion, die in der Lage ist, Wärme aus der erwärmten Luft 44 auf das Zwischenwärmeübertragungsmedium zu transferieren, eingesetzt werden. Während des Schritts 74 wird das Zwischenwärmeübertragungsmedium erwärmt, um das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 zu werden, das in den zweiten Wärmetauscher 38 eingebracht wird, während die erwärmte Luft 44 abgekühlt wird, um die abgekühlte Luft 56 zu werden. In Schritt 76 kann ein Anteil des erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmediums 54 von dem ersten Wärmetauscher 36 optional in einer Wärmespeichervorrichtung 68, beispielsweise einem isolierten Speicherbehälter, gespeichert werden. In manchen Ausführungsformen kann die Wärmespeichervorrichtung 68 verwendet werden, um Wärme zu und von dem geschlossenen Kreislaufsystem zu extrahieren und/oder zu liefern, um eine Einstellung der Menge des Wärmegehalts in dem erwärmten Brennstoff 14 zu unterstützen. Z.B. kann die Steuereinrichtung 48 in manchen Ausführungsformen konfiguriert sein, um das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 und/oder das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium 60 zu und von einer oder mehreren Wärmespeichervorrichtungen 68 umzuleiten und/oder zu extrahieren, um den Wärmegehalt in dem erwärmten Brennstoff 14 einzustellen. Anschliessend kann in Schritt 78 das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 von dem ersten Wärmetauscher 36 zu dem zweiten Wärmetauscher 38 geliefert werden.

[0036] In Schritt 80 kann der Versorgungsbrennstoff 58 innerhalb des zweiten Wärmetauschers 38 unter Verwendung des erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmediums 54 von dem ersten Wärmetauscher 36 als die Wärmequelle erwärmt werden. In anderen Worten wird Wärme innerhalb des zweiten Wärmetauschers 38 von dem erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 auf den Versorgungsbrennstoff 58 übertragen. Es kann jede beliebige Wärmetauscherkonstruktion, die in der Lage ist, Wärme aus dem erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 auf den Brennstoff 14 zu transferieren, eingesetzt werden. Während des Schritts 80 wird der Versorgungsbrennstoff 58 erwärmt, um der Brennstoff 14 zu werden, der in die Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 eingebracht wird, während das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 abgekühlt wird, um das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium 60 zu werden, das in den ersten Wärmetauscher 36 hinein zurückgeführt werden kann.

[0037] In Schritt 82 kann der Brennstoff 14, der in dem zweiten Wärmetauscher 38 erwärmt worden ist, zu der Brennkammer 18 des Einfachzyklus-Turbinensystems 10 geliefert werden. Wie vorstehend beschrieben, kann die Temperatur des Brennstoffs 14 von dem zweiten Wärmetauscher 38 in manchen Ausführungsformen durch die Steuereinrichtung 48 mittels des Temperatursensors 50 überwacht werden, um u.a. festzustellen, ob die Zuflussrate der erwärmten Luft 44 in das Brennstoffvorwärmsystem 12 hinein erhöht, verringert oder bei der momentanen Flussrate aufrechterhalten werden sollte. Schliesslich kann das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium 60 in Schritt 84 in den ersten Wärmetauscher 36 hinein zurückgeführt werden.

[0038] Technische Effekte der offenbarten Ausführungsformen umfassen die Schaffung von Systemen und Verfahren zum Vorwärmen von Brennstoff zur Verwendung in einer Einfachzyklus-Gasturbine unter Verwendung komprimierter Luft aus einem Verdichter der Einfachzyklus-Gasturbine als eine Wärmequelle. Insbesondere kann ein erster Wärmetauscher verwendet werden, um mit der erwärmten komprimierten Luft ein Zwischenwärmeübertragungsmedium zu erwärmen. Anschliessend kann das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium von dem ersten Wärmetauscher in einen zweiten Wärmetauscher geleitet werden, worin das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium verwendet werden kann, um den Brennstoff zu erwärmen. Schliesslich kann das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium von dem zweiten Wärmetauscher zurück in den ersten Wärmetauscher geführt werden, worin es durch die erwärmte komprimierte Luft aus dem Verdichter der Einfachzyklus-Gasturbine erwärmt werden kann.

[0039] Durch den Einsatz eines Zwischenwärmeübertragungsmediums ist die Möglichkeit einer Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemisches in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher deutlich reduziert oder eliminiert. Ausserdem kann, da vorhandene Luft aus dem Verdichter der Einfachzyklus-Gasturbine verwendet werden kann, um den Brennstoff vorzuwärmen, der Bedarf nach einer externen Wärmeübertragungsausrüstung (z.B. Hilfskesseln, elektrischen Heizern) reduziert oder sogar eliminiert sein, wodurch Investitionskosten reduziert, Energieverbrauch verringert, Steuerbarkeit verbessert und die Anlageneffizienz aufrechterhalten werden. Ausserdem kann eine Reduktion des Bedarfs nach Ölbad-Heizern als externe Wärmeübertragungsausrüstung, Emissionen reduzieren. Es sollte beachtet werden, dass andere Wärmetauscherkonfigurationen und/oder Zwischenwärmeübertragungsmedien in Verbindung mit den offenbarten Systemen und Verfahren eingesetzt werden können.

[0040] Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, wozu eine Herstellung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und eine Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.

[0041] In bestimmten Ausführungsformen enthält ein System eine Brennstoffvorwärmeinrichtung 12. Die Brennstoffvorwärmeinrichtung 12 enthält einen ersten Wärmetauscher 36, der konfiguriert ist, um komprimierte Luft 40 aus einem Verdichter 26 aufzunehmen und um Wärme von der komprimierten Luft 40 auf ein abgekühltes Zwischenwärmeübertragungsmedium 52, 60 zu übertragen, um ein erwärmtes Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 zu erzeugen. Die Brennstoffvorwärmeinrichtung 12 enthält ferner einen zweiten Wärmetauscher 38, der konfiguriert ist, um das erwärmte Zwischenwärmeübertragungsmedium 50 aus dem ersten Wärmetauscher 36 aufzunehmen und um Wärme von dem erwärmten Zwischenwärmeübertragungsmedium 54 auf einen Brennstoff 14 zu übertragen. Der erste Wärmetauscher 36 ist konfiguriert, um das abgekühlte Zwischenwärmeübertragungsmedium 60 aus dem zweiten Wärmetauscher 38 aufzunehmen.

Claims (10)

1. System, das aufweist: eine Gasturbinenmaschine (10) die aufweist einen Verdichter (26), der konfiguriert ist, um Luft zu empfangen und zu komprimieren; eine Brennkammer (18), die konfiguriert ist, um einen ersten Fluss der komprimierten Luft (40) von dem Verdichter (26) und Brennstoff (14) zu empfangen, wobei die Brennkammer (18) konfiguriert ist, um ein Gemisch aus der komprimierten Luft (40) und dem Brennstoff (14) zu verbrennen, um ein Abgas (42) zu erzeugen; und eine Turbine (20), die konfiguriert ist, um das Abgas (42) aus der Brennkammer (18) zu empfangen und das Abgas (42) zu verwenden, um eine Welle (24) zu drehen; und ein Brennstoffvorwärmsystem (12), das konfiguriert ist, um einen zweiten Fluss (44) der komprimierten Luft (40) aus dem Verdichter (26) zu empfangen, um ein Zwischenwärmeübertragungsmedium (52) mit Wärme aus dem zweiten Fluss (44) der komprimierten Luft (40) zu erwärmen, um den Brennstoff (14) mit Wärme aus dem Zwischenwärmeübertragungsmedium (52, 54, 60) zu erwärmen und um den Brennstoff (14) zu der Brennkammer (18) zu liefern, wobei das Zwischenwärmeübertragungsmedium (52, 54, 60) ausschliesslich innerhalb des Brennstoffvorwärm-systems (12) strömt.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Gasturbinenmaschine (10) eine Einfachzyklus-Gasturbinenmaschine ist.

3. System nach Anspruch 1, das ein Ventil (46) aufweist, das konfiguriert ist, um den zweiten Fluss (44) der komprimierten Luft (40) zu dem Brennstoffvorwärmsystem (12) einzustellen.

4. System nach Anspruch 3, das eine Steuereinrichtung (48) aufweist, die konfiguriert ist, um das Ventil (46) basierend wenigstens zum Teil auf der Temperatur des Brennstoffs (14) aus dem Brennstoffvorwärmsystem (12) zu steuern.

5. System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffvorwärmsystem (12) einen ersten Wärmetauscher (36), der konfiguriert ist, um das Zwischenwärmeübertragungsmedium (52, 60) mit dem zweiten Fluss (44) der komprimierten Luft (40) zu erwärmen, und einen zweiten Wärmetauscher (38) aufweist, der konfiguriert ist, um den Brennstoff (14) mit dem Zwischenwärmeübertragungsmedium (54) aus dem ersten Wärmetauscher (36) zu erwärmen.

6. System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffvorwärmsystem (12) eine Wärmespeichervorrichtung (68) aufweist, die konfiguriert ist, um einen Teil des Zwischenwärmeübertragungsmediums (54) aus dem ersten Wärmetauscher (36) zu speichern.

7. System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffvorwärmsystem (12) ein Vorwärm- Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf aufweist.

8. System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffvorwärmsystem (12) konfiguriert ist, um den zweiten Fluss (44) der komprimierten Luft (40) zu einem Einlass der Gasturbinenmaschine (10) zu liefern.

9. System nach Anspruch 1, wobei das Zwischenwärmeübertragungsmedium (52, 54, 60) Wasser aufweist.

10. Verfahren, das aufweist: Erwärmen eines Zwischenwärmeübertragungsmediums (52, 60) innerhalb eines ersten Wärmetauschers (36) unter Verwendung komprimierter Luft (40) aus einem Verdichter (26) als eine erste Wärmequelle; Erwärmen von Brennstoff (14) innerhalb eines zweiten Wärmetauschers (38) unter Verwendung des Zwischenwärmeübertragungsmediums (54) aus dem ersten Wärmetauscher (36) als eine zweite Wärmequelle; und Umwälzen des Zwischenwärmeübertragungsmediums (52, 54, 60) in einem geschlossenen Kreislauf, der den ersten Wärmetauscher (36) und den zweiten Wärmetauscher (38) aufweist.