CN103075254B - 用于加热燃料的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于加热燃料的系统，所述系统使用燃气涡轮发动机的排气来加热燃气涡轮发动机消耗的燃料气体。本发明的益处包括减少使用寄生负载来加热所述燃料气体。
Description
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机运行期间由其消耗的燃料，确切地说，涉及一种使用燃气涡轮发动机的排气来加热燃料的系统。
背景技术
燃气涡轮发动机消耗的燃料的温度通常需要处于特定范围内。该燃料可以包括(但不限于)多种类型的燃油、天然气或合成气。一些燃气涡轮发动机上的燃烧系统需要的是经加热的天然气。一般而言，所供应的天然气并未经过加热。这里，使用燃料加热器来增加天然气的温度，以便满足燃气涡轮发动机的需求。该燃料加热器需要能源以运行。该能源被认为是燃气涡轮发动机上的寄生负载(parasiticload)。
燃气涡轮发动机产生的排气被排放到周围环境中。因此，所排放的排气内的热量并未得到回收利用。
由于上述原因，因此，需要一种减少与加热燃气涡轮发动机消耗的燃料关联的寄生负载的系统。该系统应当使用来自排气的热量以增加供应到燃气涡轮发动机的燃料的温度。
发明内容
以下概述了与最初申请保护的本发明的范围相符的某些实施例。这些实施例并非意图限制申请保护的本发明的范围，相反，这些实施例仅意图简要概述本发明的可能形式。实际上，本发明可以包括可能类似于或不同于下述实施例的多种形式。
根据本发明的第一实施例，一种系统包括：燃气涡轮发动机，其可操作地排放排气流；烟道(stack)，其流体连接到所述燃气涡轮发动机的下游部分；其中所述烟道包括：开口，所述排气流中的一部分穿过所述开口排放到大气中；与所述烟道集成的烟道渗透件(stackpenetration)，其中所述烟道渗透件引导排气流部分远离所述开口；与所述烟道集成的烟道回程件(stackreturn)，其中所述烟道回程件使得所述排气流部分返回所述烟道；热交换器，其流体连接在所述烟道渗透件的下游，其中所述热交换器包括接收源自所述烟道渗透件的所述排气流部分的排气入口，以及将所述排气流部分排放到所述烟道的排气出口；排气流回路，其流体连接在所述烟道与所述热交换器之间；其中所述排气流回路包括：排气供应路径，其包括：与所述烟道渗透件的出口集成的第一端；定位于所述第一端的下游的旁通阀，以及连接到所述热交换器的所述排气入口的第二端；排气回程路径，其包括：连接到所述烟道回程件的第一端，以及连接到所述热交换器的所述排气出口的第二端；燃料气体流回路，其流体连接到所述热交换器；所述燃料气体流回路包括：燃料供应路径，其包括：与燃料气体供应系统集成的供应端；以及连接到所述热交换器的燃料入口的排放端；以及燃料排放路径，其包括：连接到所述热交换器的燃料出口的第一端；以及连接到燃料系统的第二端；以及其中所述热交换器将来自流经所述排气流回路的所述排气流部分的热量可操作地转移到流经所述燃料气体流回路的燃料气体。
根据本发明的第二实施例，一种系统包括：燃气涡轮机，其包括：入口部分、压缩机部分、燃烧部分，以及可操作地排放排气流的排气部分；烟道，其流体连接到所述排气部分的下游部分；其中所述烟道包括：开口，所述排气流中的一部分穿过所述开口排放到大气中；与所述烟道集成的烟道渗透件，其中所述烟道渗透件引导排气流部分远离所述开口；与所述烟道集成的烟道回程件，其中所述烟道回程件将所述排气流部分引导到所述烟道；燃料气体加热器，其流体连接在所述烟道渗透件的下游，其中所述燃料气体加热器包括接收源自所述烟道渗透件的所述排气流部分的排气入口，以及将所述排气流部分排放到所述烟道的排气出口；排气流回路，其流体连接在所述烟道与所述燃料气体加热器之间；其中所述排气流回路包括：排气供应路径，其包括：与所述烟道渗透件的出口集成的第一端；定位于上游端的下游的旁通阀，以及连接到所述燃料气体加热器的所述排气入口的第二端；排气回程路径，其包括：连接到所述烟道回程件的第一端，连接到所述燃料气体加热器的所述排气出口的第二端，以及将所述排气流部分从所述排气出口驱动到所述烟道回程件的鼓风机(blower)；燃料气体流回路，其流体连接到所述燃料气体加热器；所述燃料气体流回路包括：燃料供应路径，其包括：与燃料气体供应系统集成的供应端；以及连接到所述燃料气体加热器的燃料入口的排放端；以及燃料排放路径，其包括：连接到所述燃料气体加热器的燃料出口的第一端；以及连接到燃料系统的第二端；以及其中所述燃料气体加热器将所述燃料气体从第一温度可操作地加热到第二温度。
附图说明
参考附图阅读以下具体实施方式之后，可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似符号表示所有图中类似元件/部分。
图1是图示了可以运行本发明的一个实施例的已知环境的示意图。
图2是图示了本发明的一个实施例的示意图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了简要描述这些实施例，可能不会在说明书中描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任意工程或设计项目中开发任意此类实际实施方案时，均应当做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现特定目标，例如，是否要遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类尝试可能非常复杂耗时，但无论如何，对受益于本发明的技术人员而言，这些仍是常规的设计、建造和制造操作。
本说明书中披露了具体的示例的实施例。但是，本说明书中所披露的特定结构和功能细节仅表示对所述示例的实施例进行说明。然而，本发明的实施例可以通过多种替代形式进行实施，并且不应解释为仅限于本说明书中阐述的各个实施例。
因此，尽管示例的实施例能够具有多种修改和替代形式，但其中实施例通过附图所示实例进行说明并且将在本说明书中进行详细描述。然而，应了解，本发明并非意图将示例的实施例限制为所披露的特定形式，相反，示例的实施例将涵盖本发明的范围内的所有修改、等效物和替代物。
本说明书中所用术语仅是为了描述特定实施例，而非意图限制示例的实施例。除非上下文以其他方式明确指出，否则本说明书中所用单数形式“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式。本说明书中所用术语“包括”指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或上述项的组合。
尽管本说明书中可以使用术语“第一”、“第二”、“初级”、“次级”等对多个元件进行描述，但这些元件不应受限于这些术语。这些术语仅用于区分不同元件。例如(但不限于)，在不背离示例的实施例的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，同样地，第二元件可以被称为第一元件。本说明书中所用术语“和/或”包括所列相关条目中的一个或多个条目的任何和所有组合。
本说明书中所用某些术语仅是为了方便读者理解，而不应视为对本发明的范围的限制。例如，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“上游”、“下游”、“前部”、“后部”以及类似字词等字词仅用于描述图中所示配置。实际上，本发明的一个实施例的一个或多个元件可以在任何方向上定向，并且因此，除非上下文以其他方式明确指出，否则该术语应被理解为包括此类变型。
本发明可以应用于产生排气流体的多种燃气涡轮发动机，例如(但不限于)重型燃气涡轮机、航改(aero-derivative)燃气涡轮机等。本发明的一个实施例可以应用于单个燃气涡轮发动机或多个燃气涡轮发动机。本发明的一个实施例可以应用于以简单循环方式运行的燃气涡轮发动机。
本发明的一个实施例采用的形式是：一种使用燃气涡轮发动机产生的排气来加热燃气涡轮发动机消耗的燃料气体的系统。本发明的元件可以由能够承受特定运行环境的任何材料制成，在该运行环境下，本发明的实施例均可以运行。
现参考附图，其中多个标号表示多个视图中类似的元件，图1是可以运行本发明的实施例的已知环境的示意图。
图1图示了采用简单循环配置的燃气涡轮发动机100。该燃气涡轮发动机100通常包括压缩机105、燃烧系统110和涡轮部分115。烟道140可以定位于涡轮部分115的下游。
通常，压缩机105接收和压缩进气，该进气由图1中的箭头表示。压缩空气可以向下游流到燃烧系统110，在燃烧系统中，压缩空气与燃料130混合，所述燃料例如(但不限于)天然气。燃烧过程期间释放的能量向下游流动，并且驱动涡轮部分115。负载，例如(但不限于)发电机125，可以连接到燃气涡轮发动机100。这里，涡轮部分115中产生的机械转矩转换成电能。燃气涡轮发动机100运行期间产生的排气120通过烟道140排放出来。
该燃气涡轮发动机100可以从燃料供应系统133接收燃料130。该燃料供应系统133源自特定位置，在该位置处，燃料130经由燃料压缩机175供应到特定地点并且最终流到燃烧系统110。如上所述，出于性能和/或其他原因，一些燃气涡轮发动机100需要加热的燃料。这里，寄生负载，例如(但不限于)燃料气体加热器185(如图2所示)，将燃料130加热到所需运行范围。
图2是图示了本发明的一个实施例的示意图。如上所述，本发明可以应用于以简单循环模式运行的燃气涡轮发动机100。因此，出于此论述的目的，排气120的流起始于烟道140处。本发明的实施例可以包括：烟道140；燃料气体加热器185；燃料气体流回路200；以及排气流回路237。
烟道140的一个实施例可以包括在顶部带有开口的圆柱体形状。在运行上，烟道140允许排气流120排放到大气中。
烟道140也可以包括烟道渗透件257。烟道渗透件257包括特定结构，该结构使一些排气120(也称作“排气流部分”)转移以避免流出烟道140，并且进入排气流回路237。在本发明的一个实施例中，烟道渗透件257可以将排气120的大部分转移到排气流回路237。在本发明的另一个实施例中，烟道渗透件257可以将排气120中多达10％的排气转移到排气流回路237。
烟道140也可以包括烟道回程件280。烟道回程件280可以包括特定结构，该结构将排气流部分120从燃料气体加热器185的出口引导至烟道140。
燃料气体加热器185将热量从排气流部分120可操作地转移到燃料130。燃料气体加热器185可以流体连接在烟道渗透件257的下游。燃料气体加热器185的一个实施例可以包括排气入口，该排气入口可以经由烟道渗透件257从排气供应路径239接收排气流部分120。燃料气体加热器185的一个实施例也可以包括排气出口，该排气出口将排气流部分120排放到排气回程路径241。
燃料气体流回路200使燃料130移动穿过燃料气体加热器185；并且包括燃料供应路径201和燃料排放路径203。燃料气体流回路200可以流体连接到热交换器。燃料供应路径201可以包括：与燃料气体供应系统133集成的供应端；以及连接到燃料气体加热器185的燃料入口的排放端。燃料排放路径203可以包括：连接到燃料气体加热器185的燃料气体出口的第一端；以及连接到燃料系统233的第二端，所述燃料系统可以(直接或间接地)流体连接到燃烧系统110。
燃料供应路径201的一个实施例可以包括至少一个温度控制阀210，该温度控制阀可以可操作地帮助调节燃料130的温度。温度控制阀210可以采用三向阀的形式，如图2所示。此处，温度控制阀210的入口可以从燃料供应系统133接收燃料130。第一出口可以将燃料130的各个部分引导到燃料气体加热器185。第二出口可以将燃料的各个部分引导到绕过燃料气体加热器185的燃料旁通回路290，如图2所示。在本发明的一个替代实施例中，温度控制阀210可以采用双向阀的形式。此处，燃料供应路径201可以包括多个双向阀，这些双向阀按特定布置进行定位，以使其集体功能与前述三向阀的功能类似。
本发明的一个替代实施例可以包括至少一个温度测量装置230，其用以测量燃料排放路径203内的燃料130的温度。在此区域中，温度会被认为是本发明的关键或控制性参数。
排气流回路237可以流体连接在烟道140与燃料气体加热器185之间。排气流回路237可以包括排气供应路径239和排气回程路径241。
排气供应路径239的一个实施例可以包括：与烟道渗透件257的出口集成的第一端；定位于上游端的下游的停止阀(stopvalve)260，以及连接到燃料气体加热器185的排气入口的第二端。排气供应路径239的一个实施例可以进一步包括至少一个温度测量装置230，其用以测量排气供应路径239内的流体温度。
排气回程路径241的一个实施例可以包括：连接到烟道回程件280的第一端，以及连接到燃料气体加热器185的排气出口的第二端。排气回程路径241的实施例可以进一步包括流体循环装置275，其用以将排气流部分120从燃料气体加热器185的出口移动到烟道回程件280。流体循环装置275的一个实施例可以包括鼓风机、风扇等形式。
排气回程路径241的一个实施例可以进一步包括至少一个温度测量装置230，该温度测量装置可以测量排气回程路径241内的流体的温度。
排气流回路237的一个实施例可以进一步包括连接在烟道渗透件257与排气供应路径239的停止阀260之间的冷却回路243。冷却回路243可以包括流体循环装置245，该流体循环装置将冷却流体可操作地供应到排气供应路径239。该冷却流体可以包括(但不限于)：工厂用空气、环境空气、惰性气体等。冷却回路243可以将排气流部分120的温度冷却至足够低于燃料130的自燃温度的温度。流体循环装置245的一个实施例可以采用以下形式：鼓风机、风扇等。
排气回程路径241的一个实施例可以包括排气再循环路径250。此特征可以允许离开流体循环装置275的排气120返回到燃料气体加热器185的排气入口。
在使用时，本发明的实施例可以按以下方式运行：当燃气涡轮发动机100运行时，排气120流动到烟道140。此时，烟道渗透件257可以打开，以允许排气流部分120的一部分进入排气流回路237的排气供应路径239。接着，停止阀260可以打开，以允许排气流部分120进入燃料气体加热器185。在此情况发生时，温度测量装置230可以确定排气流部分120的温度。如果温度并非足够低于燃料130的自燃温度，那么冷却回路243可以运行鼓风机245以将冷却流体引入排气供应路径239中。这可以将排气流部分120的温度冷却到低于燃料130的自燃温度的温度。
当排气流回路237运行时，燃料气体流回路200也可以运行。此时，燃料系统供应133可以允许燃料130进入燃料供应路径201。接着，如上所述，温度控制阀210可以根据燃气涡轮发动机的燃料需求而运行。然后，燃料进入燃料气体加热器185，如上所述。
燃料气体加热器185将热量从排气流部分120可操作地转移到燃料130。测量燃料气体加热器185的出口处燃料130的温度的温度测量装置230可以帮助控制燃料加热过程的运行。这可以确保燃料130所需的出口温度能够得以保持。
燃料气体加热器185的一个实施例可以采用包括物理分隔室的热交换器的形式。第一室可以允许排气流部分120流过。第二室可以允许燃料130流过。这些室可以设计成防止排气120与燃料130混合。
流过燃料气体加热器185之后，排气流部分120可以进入排气回程路径241，并且经由烟道回程件280返回到烟道140。在本发明的一个替代实施例中，排气流部分120可以从替代性烟道295中排放出来，如图2所示。如上所述，流体循环装置275可以帮助使排气流部分120移动穿过排气流回路237。
类似地，燃料130可以流经燃料排放路径203，以从燃料气体流回路200排放。接着，现已加热的燃料130可以进入燃料系统233，如上所述。
尽管本说明书中已经说明和描述了具体实施例，但所属领域的技术人员应了解，旨在实现相同目的的任何布置均可以替代所示具体实施例，并且本发明在其他环境中具有其他应用。此应用旨在涵盖本发明的任何调整或变型。所附权利要求书并非意图将本发明的范围限制为本说明书中描述的具体实施例。
所属领域的技术人员应了解，上述有关若干实施例的许多不同特征和配置可进一步选择性地应用以形成本发明的其他可能实施例。所属领域的技术人员应进一步了解，将不会提供或详细讨论本发明的任何可能重复方案，即使包含在下述若干权利要求或其他方面中的所有组合和可能的实施例旨在属于本发明的一部分。此外，根据上述对本发明的若干实施例进行的描述，所属领域的技术人员应注意到各种改进、变化和修改。在所属技术领域范围内的此类改进、变化和修改也在所附权利要求书的范围内。此外，应了解，上述说明仅涉及本发明的所述实施例，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做多种变化和修改，本发明的精神和范围由所附权利要求书及其等效物定义。
Claims (17)
1.一种系统，包括：
燃气涡轮发动机，其可操作地排放排气流；
烟道，其与所述燃气涡轮发动机的下游部分流体连通；其中所述烟道包括：
开口，所述排气流中的一部分穿过所述开口排放到大气中；
与所述烟道集成的烟道渗透件，其中所述烟道渗透件引导排气流部分远离所述开口；
与所述烟道集成的烟道回程件，其中所述烟道回程件使得所述排气流部分返回所述烟道；
热交换器，其与所述烟道渗透件的下游流体连通，其中所述热交换器包括接收源自所述烟道渗透件的所述排气流部分的排气入口，以及将所述排气流部分排放到所述烟道的排气出口；
排气流回路，其使所述烟道和所述热交换器之间流体连通；其中所述排气流回路包括：
排气供应路径，其包括：与所述烟道渗透件的出口集成的第一端；定位于所述第一端的下游的旁通阀，以及连接到所述热交换器的所述排气入口的第二端；
排气回程路径，其包括：连接到所述烟道回程件的第一端，以及连接到所述热交换器的所述排气出口的第二端；
燃料气体流回路，其与所述热交换器流体连通；所述燃料气体流回路包括：
燃料供应路径，其包括：与燃料气体供应系统集成的供应端；以及连接到所述热交换器的燃料入口的排放端；以及
燃料回程路径，其包括：连接到所述热交换器的燃料出口的第一端；以及连接到燃料系统的第二端；以及
其中所述热交换器将来自流经所述排气流回路的所述排气流部分的热量可操作地转移到流经所述燃料气体流回路的燃料气体。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述排气回程路径包括定位于所述第一端与所述第二端之间的隔离阀。
3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括排气旁通回路，其使所述排气供应路径和所述排气回程路径之间流体连通。
4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括排气旁通阀。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述排气回程路径包括使所述排气流部分从所述排气出口移动到所述烟道回程件的装置。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括连接在所述烟道渗透件与所述排气供应路径的所述旁通阀之间的冷却回路；其中所述冷却回路包括将冷却流体可操作地供应到所述排气供应路径的流体循环装置。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括至少一个温度测量装置，用以测量所述排气供应路径内的流体的温度。
8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：至少一个温度测量装置，用以测量所述排气回程路径内的流体的温度。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：至少一个温度控制阀，所述温度控制阀流体定位在所述燃料供应路径内。
10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括燃料旁通回路，所述燃料旁通回路使所述燃料供应路径和所述燃料排放路径之间流体连通。
11.根据权利要求6所述的系统，进一步包括至少一个温度控制阀，所述温度控制阀流体定位在所述排气供应路径内。
12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括至少一个温度测量装置，用以测量所述燃料排放路径内的燃料的温度。
13.根据权利要求1所述的系统，进一步包括与所述排气回程路径流体集成的替代性烟道。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述替代性烟道排放接收自所述排气回程路径的所述排气流部分。
15.一种系统，包括：
燃气涡轮机，其包括：入口部分、压缩机部分、燃烧部分，以及可操作地排放排气流的排气部分；
烟道，其与所述排气部分的下游部分流体连通；其中所述烟道包括：
开口，所述排气流中的一部分穿过所述开口排放到大气中；
与所述烟道集成的烟道渗透件，其中所述烟道渗透件引导排气流部分远离所述开口；
与所述烟道集成的烟道回程件，其中所述烟道回程件将所述排气流部分引导到所述烟道；
燃料气体加热器，其与所述烟道渗透件的下游流体连通，其中所述燃料气体加热器包括接收源自所述烟道渗透件的所述排气流部分的排气入口，以及将所述排气流部分排放到所述烟道的排气出口；
排气流回路，其使所述烟道与所述燃料气体加热器之间流体连通；其中所述排气流回路包括：
排气供应路径，其包括：与所述烟道渗透件的出口集成的第一端；定位于上游端的下游的旁通阀，以及连接到所述燃料气体加热器的所述排气入口的第二端；
排气回程路径，其包括：连接到所述烟道回程件的第一端，连接到所述燃料气体加热器的所述排气出口的第二端，以及将所述排气流部分从所述排气出口驱动到所述烟道回程件的鼓风机；
燃料气体流回路，其与所述燃料气体加热器流体连通；所述燃料气体流回路包括：
燃料供应路径，其包括：与燃料气体供应系统集成的供应端；以及连接到所述燃料气体加热器的燃料入口的排放端；以及
燃料排放路径，其包括：连接到所述燃料气体加热器的燃料出口的第一端；以及连接到燃料系统的第二端；以及
其中所述燃料气体加热器将所述燃料气体从第一温度可操作地加热到第二温度。
16.根据权利要求15所述的系统，进一步包括连接在所述烟道渗透件与所述排气供应路径的停止阀之间的冷却回路；其中所述冷却回路包括将冷却流体可操作地供应到所述排气供应路径的空气循环装置。
17.根据权利要求15所述的系统，进一步包括燃料旁通回路，所述燃料旁通回路包括燃料旁通回路阀；其中所述燃料旁通回路连接所述燃料供应路径和所述燃料排放路径。
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