CN100585160C - 操作气体发动机装置的方法和气体发动机的燃料供给体系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种操作包括用以燃烧气体燃料的内燃机(3)和具有燃料来源(2)的内燃机燃料供给体系的气体发动机装置(1)的方法，所述方法的特征在于在将燃料供给到气体发动机(3)之前，使燃料中的重烃在气体发动机(3)燃料供给体系的重整装置(14)中裂解。

Description

操作气体发动机装置的方法和气体发动机的燃料供给体系
技术领域
本发明涉及操作气体发动机装置的方法。本发明还涉及气体发动机的燃料供给体系。
背景技术
在边远地区和海上平台，粗天然气经常是唯一可用以操作动力发电机和压缩机站的燃料。在很多情况下，气体含有不可接受含量的重烃。在活塞发动机和燃气轮机中使用这种未处理的气体会引起操作问题。气体燃料的抗爆震性能经常由甲烷值评估。在具有高压缩比，并由此还具有高热效率的气体发动机中，气体燃料中的重烃组分将导致甲烷值降低。在很多情况下，由于气体混合物的甲烷值太低，直接利用气体燃料运转的气体发动机经常不能产生气体操作方式所需的大输出功率。如果需要气体发动机负荷高于由甲烷值所限定的输出功率，则气体发动机将开始爆震，输出功率毫无疑问会降低。
同样在燃气轮机中，在设计阶段必须设定且考虑将使用的气体。如果设计燃气轮机用例如甲烷操作，则使用含有重烃的气体将带来一定问题。
另一个涉及特别与石油钻井机有关的现有技术的问题是能否有利地利用目前不具有可行用途的某些液体燃料(如凝析气)。另外，如能使最初设计用气体运转的内燃机用液体燃料(如石油钻探过程中得到的凝析气)进行操作将是有益的。通常，在不改变发动机构造的情况下，这是不可能实现的，而每当使用不同燃料时均需改变发动机的构造是不可能的。
发明内容
本发明的一个目标是提供操作气体发动机装置的方法，其中使发动机的性能即使使用含有重烃的燃料、或甚至使用液体燃料来运转也能维持在适当水平上。本发明还一个目标是提供气体发动机的燃料供给体系，该燃料供给体系以简单且容易控制的方式对气体发动机提供具有高甲烷值的高级燃料。
本说明书中的短语“气体发动机”通常是指气动的内燃机。术语“重烃”是指比甲烷CH4重的烃。
本发明涉及以下的技术方案：
1.一种操作气体发动机装置(1)的方法，所述气体发动机装置(1)包括用以燃烧气体燃料的内燃机(3)和燃料供给体系，在所述方法中，在将燃料供给到气体发动机(3)之前使燃料中的重烃裂解，所述方法的特征在于在内燃机(3)燃料供给体系的重整装置(14)中裂解燃料中的重烃，并使甲烷的裂解程度最小，而且在燃料进入重整装置(14)之前，燃料通过自重整装置(14)出来的燃料的热传递加热。
2.技术方案1的方法，其特征在于重烃的裂解基于重整装置(14)的温度控制来控制。
3.技术方案1的方法，其特征在于使重整装置(14)中的温度维持在450℃以下。
4.技术方案1的方法，其特征在于燃料来源(2)为液体燃料且所述液体燃料在供给到重整装置(14)之前通过自重整装置(14)出来的燃料的热传递蒸发。
5.前述技术方案1-4中任一项的方法，其特征在于在燃料进入重整装置(14)之前将裂解反应所需的水引入(32、33)燃料中。
6.前述技术方案1-4中任一项的方法，其特征在于裂解反应所需的水通过重烃的氧化反应在重整装置(14)中产生。
7.一种气体发动机(3)的燃料供给体系，所述燃料供给体系包括用于传递燃料到气体发动机(3)的供应线(12、13)，其特征在于供应线(12、13)装备有在将燃料供给到气体发动机(3)之前裂解燃料中的重烃的燃料重整装置(14)，并且所述供应线包括自燃料来源(2)通向重整装置(14)的第一供应线(12)和自重整装置(14)通向气体发动机(3)的第二供应线(13)，且第一和第二供应线装备有共同的换热器(19)，在换热器(19)中第一供应线(12)中的燃料与第二供应线(13)中的燃料发生热传递而被加热。
8.技术方案7的燃料供给体系，其特征在于所述燃料重整装置装备有温度控制装置(37、38)，所述温度控制装置(37、38)用于维持重整装置处于适于裂解重烃且使甲烷裂解程度最小的适当温度。
根据本发明，操作包括用以燃烧气体燃料的内燃机和具有燃料来源的燃料供给体系的气体发动机装置的方法包括至少一个如下步骤：在将燃料供给到气体发动机中之前，使燃料中的重烃在气体发动机燃料供给体系的重整装置中裂解。控制裂解反应，使得燃料中的重烃被裂解而甲烷被裂解的程度最小化。以这种方式，即使燃料最初包括重烃，也可使供给到发动机中的燃料质量保持在可接受的水平。在活塞发动机中，这意味着在没有爆震风险的情况下功率输出(即发动机的负荷)可保持在高水平上。同样，本发明使例如在仅设计甲烷作为燃料的燃气轮机中使用含有重烃的燃料成为可能。
可由根据燃料组成、流速和重整装置配置存在于反应中的水量以及在反应器装置中维持对于每一情况确定的重整装置的温度来实现甲烷裂解程度最小。实际上，重烃的裂解主要基于重整装置的温度控制来控制。通常，维持重整装置的温度在450℃以下。
另一个有利之处在于在燃料进入重整装置之前，燃料通过重整装置出来的燃料的热传递加热。这提高了工艺的能量效率。
根据本发明的一个具体实施方案，燃料来源为液体燃料且该液体燃料在供给到重整装置之前通过重整装置出来的燃料的热传递蒸发。使用这个实施方案，甚至可用最初为液体的燃料并以有效的方式操作气体发动机。
本发明的气体发动机的燃料供给体系包括传递燃料到气体发动机的供给线，所述供应线装备有在将燃料供给到气体发动机之前使燃料中的重烃裂解的燃料重整装置。
供应线包括自燃料来源通向重整装置的第一供应线和自重整装置通向气体发动机的第二供应线，第一和第二供应线装备有共同的换热器，在换热器中第一供应线的燃料通过第二供应线中的燃料的热传递加热。燃料重整装置优选装备有温度控制装置，通过该温度控制装置可使重整装置的温度维持在使重烃裂解同时使甲烷裂解程度最小的水平上。
重整装置的实际操作参数始终根据所用气体和所讨论的重整装置的类型来决定。
附图说明
在下文中，参考附图以示范方式解释本发明，其中
-图1为应用本发明的燃料供给体系到气体发动机装置的实施方案的图解，且
-图2为应用本发明的燃料供给体系到气体发动机装置的另一实施方案的图解。
图1用图解展示包括燃料来源2和气体发动机3以及燃料精制装置4的气体发动机装置1。气体发动机可为(例如)气动活塞发动机或燃气轮机。对于本发明，两种内燃机都适用。
具体实施方式
燃料精制装置4首先包括装备于自燃料来源2通向重整装置14的第一供应线12中的过滤元件5。过滤装置5用以分离燃料流中的颗粒及其他固体杂质。在过滤装置5之后在燃油流动方向上，第一供应线12上装备有压力控制阀6。压力控制阀6控制燃料精制装置的压力，当与活塞发动机连接时，压力通常大约为8巴。阀6优选还装备有在阀6出故障时形成用于关闭阀出口的安全关闭阀。
在第一供应线上还有关闭阀7，在第二供应线13上有关闭阀8，这些关闭阀用于在特定情况下(如维修)将燃料精制装置4与体系隔开。同样，在启动之前及维修工作可以开始之前，应该使装置4保持惰性，这可以用位于关闭阀7后某处的连接到第一供应线12的阀10和惰性气体输入线9实现。惰性气体例如可为氮气。当然，在开始维修程序以前，关闭阀7、8也关闭。第一和第二供应线可彼此连接并且借助于旁通管道24绕过精制装置4。旁通管道还装备有关闭阀25。关闭阀25在关闭阀7和8的发动机/燃料来源侧连接第一和第二供应线。
装置优选装备有流量计11，例如以便能够在工艺中调整适当碳/蒸汽比。再循环管道17中还有另一个流量计15。再循环管道中还有用于将水注入第一供应线12中的高压泵18。再循环管道17将装备于第二供应线13上的分滴器23连接到第一供应线12上的流量计11之后的位置处。分滴器位于第二供应线13上的换热器19之后，换热器19与第一供应线12和第二供应线13连接。
如果燃料为气体，则换热器19用于加热第一供应线12中流动的气体并冷却第二供应线13中的气体。如果精制装置4和内燃机3与最初为液体的燃料一起使用，则换热器19将燃料蒸发为气体形式并将其加热，同时冷却来自换热器19另一侧的重整装置14的气体。
另外，第一供应线12装备有用于在将气体供给到装备于第一供应线12上的硫吸收装置21之前将气体加热到适当温度的其他加热器20，如电热器。在燃料的硫含量比重整装置14可接受的含量大时，则需要硫吸收器。这里，硫吸收器经连接线22与重整装置14连接。通常，蒸汽重整装置(即烃与水的反应在其中进行的重整装置)的操作对硫的存在敏感。在这种情况下，连接线还装备有其他加热器28。应注意到所有可用于重整装置的市售可得的催化剂不需要从燃料中完全移除硫。
精制装置4的操作在下文描述。在启动之前，装置4通过使用氮气保持惰性，氮气经输入线9和阀10供给。将关闭阀7和8关闭，并开启排气管道26中的排气阀27开启。通过开启阀10将氮气引入体系。当所有氧气都已被赶出体系时，关闭排气阀27并将体系(例如)如下文所述加压。
启动位于连接第一供应线12和第二供应线13的中间管道30中的循环风扇29并开启阀31。这样循环氮气通过电热器20、28，使精制装置4和重整装置14也被加热到操作条件。随着温度增加，压力将相应地增加。当达到操作条件时，高压泵18将根据既定程序C/S(＝碳/蒸汽)比(控制设备未图示)开始将水注入氮气流中。C/S比取决于燃料内含物和流速，其预先对于个别情况分别确定。至少在启动期间，可通过所提供的例如与再循环管道17连接的进水口(未图示)将水引入装置中。这还取决于所用重整装置14的类型。当硫吸收器和重整装置反应器都已用湿氮气注满时，体系准备操作。在正常操作期间，旁通管道24由关闭阀25关闭。
当燃料精制装置4处于正常操作状态时，来自燃料来源2的含有重烃的液体燃料或气体首先在过滤装置5中过滤。此后，将燃料供给到换热器19中，在此燃料经已重整的气体加热。如果需要，可例如通过由阀33控制的补给水输入线32将水加到燃料流中，以在重整装置14中得到所要的碳/蒸汽比。如果采用液体燃料来源，则在换热器中将液体燃料蒸发且另外加热。此刻，将经过第一供应线12中的换热器的气体燃料加热到约300℃，对于除硫装置21该温度为适当温度。
在可能存在的硫都已从气体中除去之后，将气体供给到重整装置14中。在重整装置中，通过维持适当温度来控制反应。为此，重整装置14装备有加热器37，加热器37例如可为电热器。加热器37的操作基于温度测量探针38控制。还可使用与重整装置14连接的基于温度测量探针38的其他加热器28。重要的是使温度维持在将仅使燃料中的重烃裂解而使甲烷的裂解程度最小的水平上。适当的温度取决于例如重整装置14中所用的实际催化剂和气体组成。
经过重整装置14之后，在重整装置的下游侧的换热器19中将气体冷却并将湿气冷凝。使水滴分离且再注入输入燃料流中。
如果重整装置为反应时需要氢气存在的类型，则使一部分加工过的气体经中间管道30和循环风扇29再循环回到第一供给管道12。
图2展示应用本发明的燃料供给体系到气体发动机装置的另一个实施方案。其与具有相应编号的图1所示的气体发动装置基本相同，但其具有另一类型的重整装置14。在这种情况下，重整装置为所谓的自动热重整装置(ATR)，其控制在一些情况下得到多种益处。ATR型重整装置14装备有空气引入管道34，空气引入管道34装备有调节阀35且与压缩空气来源36连接。在ATR中，可通过控制所引入空气(或O2)的量将必需的水(蒸汽)提供到裂化反应中。通过引入空气(或O2)，一些气体将在重整装置14中燃烧产生热和水(蒸汽)。这是有益的，因为重烃通常是首先与空气中的氧气反应的组分。这样，加入蒸汽和控制重整装置14的温度可通过用ATR重整装置引入空气来实现。
本发明不限于本文所描述的实施方案，而在本发明技术方案的范围内可设想本发明的许多变体。例如，代替蒸汽重整装置，还可使用其他类型的裂解装置。重整装置可由若干单个装置形成，当其可以不同方式操作时适于最终得到适当的气体性质。

Claims (8)

1.一种操作气体发动机装置(1)的方法，所述气体发动机装置(1)包括用以燃烧气体燃料的内燃机(3)和燃料供给体系，在所述方法中，在将燃料供给到气体发动机(3)之前使燃料中的重烃裂解，所述方法的特征在于在内燃机(3)燃料供给体系的重整装置(14)中裂解燃料中的重烃，并使甲烷的裂解程度最小，而且在燃料进入重整装置(14)之前，燃料通过自重整装置(14)出来的燃料的热传递加热。
2.权利要求1的方法，其特征在于重烃的裂解基于重整装置(14)的温度控制来控制。
3.权利要求1的方法，其特征在于使重整装置(14)中的温度维持在450℃以下。
4.权利要求1的方法，其特征在于燃料来源(2)为液体燃料且所述液体燃料在供给到重整装置(14)之前通过自重整装置(14)出来的燃料的热传递蒸发。
5.前述权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于在燃料进入重整装置(14)之前将裂解反应所需的水引入(32、33)燃料中。
6.前述权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于裂解反应所需的水通过重烃的氧化反应在重整装置(14)中产生。
7.一种气体发动机(3)的燃料供给体系，所述燃料供给体系包括用于传递燃料到气体发动机(3)的供应线(12、13)，其特征在于供应线(12、13)装备有在将燃料供给到气体发动机(3)之前裂解燃料中的重烃的燃料重整装置(14)，并且所述供应线包括自燃料来源(2)通向重整装置(14)的第一供应线(12)和自重整装置(14)通向气体发动机(3)的第二供应线(13)，且第一和第二供应线装备有共同的换热器(19)，在换热器(19)中第一供应线(12)中的燃料与第二供应线(13)中的燃料发生热传递而被加热。
8.权利要求7的燃料供给体系，其特征在于所述燃料重整装置装备有温度控制装置(37、38)，所述温度控制装置(37、38)用于维持重整装置处于适于裂解重烃且使甲烷裂解程度最小的适当温度。
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