CN101806250A - 用于预热燃料的废热利用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于预热燃料的废热利用，具体而言，涉及一种废热利用系统和用来预热涡轮发动机构件用的燃料的相关方法。该涡轮发动机构件包括至少一个发热源。该系统包括用来将来自至少一个发热源的热应用于涡轮发动机构件用的相对冷的燃料以在点燃前预热该燃料的结构。

Description

用于预热燃料的废热利用
技术领域
本发明涉及用来预热发电机的涡轮发动机用的燃料的方法和设备，且更具体地，涉及从用于涡轮机和发电机的轴承的润滑油中吸取热，且将该热应用于涡轮机用的相对冷的进入燃料以预热该燃料。
背景技术
近年来，管道天然气燃料价格引人注目地持续增长，促使重型燃气涡轮发电设备为抵抗增长的燃料成本而探索节省成本的方法。随着发电设备中对更高热效率的要求增加，数量增长的联合循环发电设备正在结合气体燃料加热作为改善整体效率的手段。气体燃料加热器可用来在燃气涡轮机中燃烧前预热燃料。气体燃料加热可减少为达到特定燃烧温度所需的燃料量，从而改善耗热率。
从露点考虑也要求气体燃料的预热。确定过热要求以确保在气体燃料运行期间气体没有液体，尤其是烃的小滴。过热是气体燃料的供给温度和相应的露点温度之间的温度差异。露点加热器被用来增加所需的过热量。简单循环的发电设备典型地使用燃烧燃气的、燃烧油的或电的加热器来加热燃料，而联合循环的发电设备在最适宜的位置处可以使用从热回收蒸汽发电机(HRSG)抽取的给水。
在现有的涡轮发电设备中，热在密封油、涡轮回转装置、燃气涡轮机轴承、发电机轴承和发电机冷却水中产生。当前，来自燃气涡轮机润滑油、发电机和辅助系统的废热经由设备辅助冷却水被排至大气。需要捕获此废热中的一些来加热涡轮机燃料。此废热吸取将为燃烧涡轮发电设备提高效率、减少热损失、提高燃料利用以及降低运转成本。
发明内容
以下呈现了本发明的简化概要，以提供对本发明的一些示例方面的基本理解。此概要不是本发明的广泛综述。而且，此概要并非意图确定本发明的关键元件，也不是意图描绘本发明的范围。本概要的唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为之后呈现的更详细描述的前奏。
根据一个方面，本发明提供一种用来预热涡轮发动机构件用的燃料的废热利用系统。该构件包括至少一个发热源。该系统包括用来将来自该至少一个发热源的热应用于涡轮发动机用的相对冷的燃料、以在点燃前预热该燃料的器件。
根据另一个方面，本发明提供一种用来预热涡轮发动机构件用的燃料的废热利用方法。该方法包括从涡轮发动机构件中的至少一个发热源吸取热，并将该热应用于涡轮发动机构件用的相对冷的燃料，以在点燃前预热该燃料。
根据又一个方面，本发明提供一种方法，该方法提供一种用来预热给发电机提供动力的涡轮发动机所用的燃料的废热利用系统。该涡轮发动机和/或发电机包括至少一个发热源。该方法包括提供用来将来自该至少一个发热源的热应用于涡轮发动机用的相对冷的燃料、以在点燃前预热该燃料的器件。
附图说明
对本发明涉及的本领域技术人员而言，在参照附图阅读以下具体实施方式后，将更清楚本发明的前述和其他方面。在附图中：
图1是现有技术润滑油循环系统的示意图；
图2是图示了根据本发明的一个方面对现有技术系统的改型的示意图；
图3是图示了根据本发明的另一方面对现有技术系统的另一改型的示意图；以及
图4是图示了根据本发明的另一方面对现有技术系统的另一改型的示意图。
部件列表
1图(3)
2图
3图
4图
10一组冗余的交流电泵
10泵
12主油箱(4)
14直流电泵
16一对冗余的油到水热交换器
16油到水热交换器
16热交换器(7)
16热交换器
18一对冗余的油到水热交换器
18油到水热交换器
18热交换器(7)
18热交换器
20单向阀
22过滤器
24过滤器
26回转装置
30涡轮发电机轴承
32管线
34隔离阀
34隔离阀
36管式安全热交换器
36热交换器(4)
38进入燃料管线
38管线
40隔离阀
40隔离阀
42管线
44止回阀
46隔离阀
58调节阀
60调节阀
62泵
64管线
66管式热交换器
66热交换器
68隔离阀(2)
68阀
70管线
72关闭的调节阀
74隔离阀
74关闭的隔离阀
86调节阀
88泵(2)
90管线
92管式热交换器
92热交换器(2)
92热交换器(2)
94隔离阀(2)
94阀
96管线
98管式热交换器
98热交换器
98热交换器(2)
100管线(2)
102单向止回阀
104单向止回阀
104单向止回阀
104止回阀
106辅助冷却水箱(3)
108管线
110管线
116打开的阀
116关闭的调节阀
116打开的阀
118隔离阀
134调节器
134关闭的阀
136调节器
136关闭的阀
138关闭的调节阀
138打开的阀
具体实施方式
在图中描述和图示了结合本发明的一个或多个方面的示例性实施例。这些图示的示例并非意图成为对本发明的限制。例如，本发明的一个或多个方面可在其他实施例甚至其他类型的装置中利用。此外，某些术语仅为了便利而在本文使用，并非作为对本发明的限制。更进一步讲，在图中，使用相同标号指示相同元件。
现在参考附图，且特别地参考图1，图示了一种现有的燃气涡轮机润滑油示意图。润滑油通过一组冗余的交流电泵10循环，该组冗余的交流电泵10从主油箱12抽吸润滑油。提供直流电泵14以防到该场所的交流电中断。
相对热的润滑油从主油箱12泵送至一对冗余的油到水热交换器16和18的其中一个，润滑油在该处被冷却。该“相对热的”状态意在被广义地解释并覆盖大的温度范围。在某些方面中，箱12中油的实际温度将依赖于由涡轮发动机构件(例如装置和/或轴承26-30)给予油的热量。通常，短语“相对热的”意思是温度比燃料的温度高一个差值，该差值足可用来如以下更进一步所讨论地加温燃料。热交换器的其中一个处于备用状态，并可以通过三向阀即时地转换。在通过过滤器22或24后，油被输送至回转装置26、发电机轴承28以及涡轮发电机轴承30。应该理解的是装置和/或轴承26-30是涡轮发动机构件的示例性部分。且涡轮机与可能的相关发电机以及机械驱动器是涡轮发动机构件装置的一个示例。在润滑旋转设备并从旋转设备吸收热后，油被返回到主油箱12。
油到水热交换器16和18典型地提供有包括大约25％的乙二醇和75％的水的冷却剂，冷却剂通过热交换器循环，热在该处被冷却剂吸取。设备辅助冷却水系统最终将从冷却剂吸取的废热排向大气。润滑系统中包括各种感测装置(未显示)以确保箱中足够的油高、油压以及油温。
现在参考图2，在图1中图示的现有燃气涡轮机润滑油系统显示为通过根据本发明的一个方面的一种装置而被改型。
相对热的润滑油从主油箱被抽吸，并通过管线32和隔离阀34转向至双层壁或管的安全热交换器36。双层壁或管的安全热交换器被用于要避免热交换介质混合的地方。当然，用于热交换的结构可以变化。在热交换器36中，与进入的相对冷的涡轮机用天然气燃料交换热，该燃料通过隔离阀40从进入燃料管线38转向。加热的燃料被输送到涡轮机，而冷却的润滑油通过管线42经止回阀44被输送到润滑油系统。然后，该润滑油通过三向阀20到达热交换器16和18的其中一个，然后到达要润滑的点。因此，热交换器36是用来将来自至少一个发热源的热应用于涡轮发动机用的相对冷的燃料、从而在点燃前预热该燃料的器件的部分的一个示例。该“相对冷的”状态被广义地解释，并覆盖大的温度范围。在某些方面，燃料的实际温度将取决于存储燃料时周围的温度和进入燃料管线38延伸通过的环境的温度。通常，短语“相对冷的”意味着温度低于期望的温度，在期望的温度下，燃料可被燃烧以从涡轮机获得最大的功率输出和/或燃料经济性。此外，“相对冷的”与油的温度相关，使得燃料的温度比相对冷的燃料高一个差值，该差值足可用来加温燃料。应该了解的是该示例预期不限制本发明的范围。
为了在热交换器36的常规维护或被感测到故障期间从现有系统隔离燃料气体和润滑油的转向，隔离阀34和40被打开，隔离阀46、48、50、52、54、56以及调节阀58和60被关闭。在回路处于此情况下，管线38中的燃料气体被直接输送到涡轮机，而热交换器36被隔离，且润滑油从泵10直接循环经过热交换器16和18的其中一个而到达要润滑的位置。所描述的所有阀都可以被电力驱动或空气驱动。
现在参考图3，在图1中图示的现有燃气涡轮机润滑油系统显示为通过根据本发明的另一方面的一种装置而被改型。此装置从润滑油辅助冷却水中得到热，且使用该热来预热相对冷的天然气燃料。
相对冷的辅助冷却水通过泵62抽吸至热交换器16和18，在此处该辅助冷却水与来自主油箱12的热润滑油交换热。热水通过管线64从热交换器16或18被引导，并在双层壁或管的热交换器66中与由隔离阀68转向的进入的冷天然气燃料交换热。加热的燃料被输送到涡轮机，而冷却的水通过管线70返回到辅助冷却水箱。因此，该热交换器66是用来将来自至少一个发热源的热应用于涡轮发动机用的相对冷的燃料、从而在燃烧前预热该燃料的器件的部分的另外一个示例。应该了解的是该示例预期不限制本发明的范围。
为了在热交换器66的常规维护或被感测到故障期间从冷却水回路隔离燃料气体的转向，隔离阀68和关闭的调节阀72被打开，而隔离阀74、76、78、80、82和84被关闭。通过这种情况下的回路，燃料气体经过阀68被直接供向涡轮机，而热交换器66被关闭的隔离阀74-84和调节阀86隔离。然后辅助冷却水通过热交换器16和18供入，并通过打开的阀116返回到辅助冷却水箱。
现在参考图4，图1中图示的燃气涡轮机润滑油系统显示为通过根据本发明的又一方面的一种装置进行改型。此装置从润滑油辅助冷却水得到废热，并用该废热来预热相对冷的天然气燃料。此装置也从发电机冷却水得到废热并用该废热来进一步预热天然气燃料。
相对冷的辅助冷却水被泵88抽吸到热交换器16和18，在此处该辅助冷却水与来自主油箱12的热润滑油交换热。热水由管线90从热交换器16或18引导，并在双层壁或管的热交换器92中与被隔离阀94转向的进入的冷天然气燃料交换热。相对冷的天然气流经管线96到双层壁或管的热交换器98，到达热交换器92，然后到涡轮机。冷却的水经管线100，通过单向止回阀102和104，并流回辅助冷却水箱106。
相对冷的辅助冷却水被泵88抽吸到发电机，在此处该辅助冷却水被发电机加热并被抽吸到热交换器98，然后通过管线108到热交换器92。相对冷的水然后通过管线110并通过单向止回阀104返回到辅助冷却水箱。因此，热交换器92和98是用来将来自至少一个发热源的热应用于涡轮发动机用的相对冷的燃料、从而在点燃前预热该燃料的器件的部分的又一个示例。应该了解的是该示例预期不限制本发明的范围。
为了在热交换器98和92的其中一个或两者的常规维护或被感测到故障期间从冷却水回路隔离燃料燃气转向，隔离阀94和关闭的调节阀116和138被打开，而隔离阀118、120、124、126、128、130和132以及调节器134和136被关闭。通过这种状况下的回路，燃料气体通过阀94被直接供向涡轮机，而热交换器92和98被隔离。从热交换器16和18流出的水被关闭的阀134阻塞，并流经打开的阀116，经过管线100，通过止回阀104，而回到辅助冷却水箱106。发电机冷却水被关闭的阀136阻塞并流经打开的阀138到辅助冷却水箱106。
从以上示例性结构实施例将会了解的是相关的方法提供了本发明的其他方面。例如，根据一个其他的方面，本发明提供了用来预热涡轮发动机用的燃料的废热利用方法，该涡轮发动机给发电机或机械驱动构件提供动力。该方法包括从涡轮发动机和/或发电机中的至少一个发热源吸取热，并将该热应用于涡轮发动机用的相对冷的燃料，从而在点燃前预热该燃料。作为另一示例，根据又一方面，本发明提供了一种方法，该方法提供了用来预热给发电机提供动力的涡轮发动机所用燃料的一种废热利用系统。涡轮发动机和/或发电机包括至少一个发热源。该方法包括提供一种器件，该器件用来将来自至少一个发热源的热应用于涡轮发动机用的相对冷的燃料、从而在点燃前预热该燃料。如另一个示例，根据联合循环燃气涡轮机的情况下的本发明的另一个应用，冷的气体燃料典型地被在一个最优点处从HRSG吸取的热供给水在工作加热器中加热。燃气涡轮机燃料在被废热利用系统加热后可被引进工作加热器，以在联合循环燃气涡轮机中点燃前获得额外的能量节省。
已参照上述示例性实施例对本发明进行了描述。其他人在阅读和理解了本说明书之后将想到多种改型和备选方案。只要此类改型和备选方案落入所附权利要求的范围之内，则结合本发明的一个或多个方面的示例性实施例均意图包括所有此类改型和备选方案。

Claims (10)

1.一种用来预热涡轮发动机构件用的燃料的废热利用系统，该构件包括至少一个发热源(例如26-30)，该系统包括用来将来自所述至少一个发热源的热应用于所述涡轮发动机用的相对冷的燃料以在点燃前预热该燃料的器件(例如36，66，92，98)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个发热源(例如26-30)包括来自所述涡轮发动机构件的热润滑油。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述涡轮发动机构件具有至少一个润滑点(例如26-30)，且润滑油被应用于所述至少一个润滑点并在该处变得相对热，所述系统包括用来从所述至少一个润滑点抽吸(10)该相对热的润滑油的器件。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个发热源包括被加热的构件冷却水(62)。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个发热源包括被加热的辅助冷却水(106，88)。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述辅助冷却水通过与来自所述涡轮发动机构件的热润滑油交换热(16，18)而被加热。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用来应用热的器件(例如36，66，92，98)包括热交换器。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述热交换器(例如36，66，92，98)为双层壁或管的热交换器。
9.一种用来预热涡轮发动机构件用的燃料的废热利用方法，包括从所述涡轮发动机构件中的至少一个发热源(例如26-30)吸取热，以及将该热(例如36，66，92，98)应用于所述涡轮发动机构件用的相对冷的燃料，从而在点燃前预热该燃料。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一个发热源(例如26-30)包括来自所述涡轮发动机构件的热润滑油。
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