CN103291460A

CN103291460A - 用于涡轮机总成的燃料净化系统

Info

Publication number: CN103291460A
Application number: CN2013100613326A
Authority: CN
Inventors: V.A.R.嫩梅尼; J.F.劳勒; W.E.克里斯温达托; J.M.哈德利
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2013-09-11
Also published as: JP6106455B2; RU2610371C2; RU2013108311A; JP2013174239A; US20130219909A1; EP2631453A2; EP2631453A3

Abstract

本发明公开一种用于涡轮机总成的燃料净化系统。所述燃料净化系统包括燃料输送系统。所述燃料输送系统包括：燃料源，其用于将燃料供应到所述涡轮机总成；控制阀，其用于对所述燃料的燃料流进行调节；分流器，其用于选择性地将所述燃料分配到至少一个燃烧室；以及位于所述至少一个燃烧室的上游的燃烧室阀。所述燃料净化系统还包括蒸汽源，所述蒸汽源用于在所述燃烧室阀的上游位置将蒸汽分配到所述燃料输送系统。

Description

用于涡轮机总成的燃料净化系统

技术领域

本发明涉及用于涡轮机总成(assembly)的燃料输送系统，确切地说，涉及对其中的燃料的净化。

背景技术

用于发电的燃气涡轮机要么采用气体燃料(例如，天然气、合成气等等)，要么采用液体燃料，例如，馏出油或石脑油。一些燃气涡轮机只能依靠气体燃料来运行，另一些燃气涡轮机只能依靠液体燃料来运行，而其他的燃气涡轮机则可以用液体燃料作为备用来操作。在这种情况下，液体燃料并不用于启动或关闭。而被称作双燃料涡轮机的其他涡轮机利用液体燃料和气体燃料，其中液体燃料或气体燃料中的一者作为主要燃料。

对于依靠液体燃料来操作的燃气涡轮机或者作为双燃料单元来操作的燃气涡轮机，液体燃料焦化以及积碳是影响所述单元的可靠性和可用性的根本问题。焦炭形成是引起系统故障的一个原因，这是因为焦炭可能堵塞止回阀、分配器阀、燃料喷嘴，以及液体燃料管路。馏出物的焦炭形成的近似温度在氧气的存在下为250°F，在无氧的情况下为350°F。目前使用的焦化缓解策略包括液体燃料再循环、N2净化系统、空气净化系统，以及水冷却的止回阀。虽然这些方法在一定程度上有效地防止了焦炭形成，但是它们中的一些方法是昂贵的，而其他的方法在焦炭形成之后的移除焦炭方面并非是完全可靠的。

发明内容

根据本发明的一个方面，用于涡轮机总成的燃料净化系统包括燃料输送系统。所述燃料输送系统包括：燃料源，其用于将燃料供应到涡轮机总成；控制阀，其用于对燃料的燃料流进行调节；分流器，其用于选择性地将燃料分配到至少一个燃烧室，以及位于所述至少一个燃烧室的上游的燃烧室阀。所述燃料净化系统还包括蒸汽源，所述蒸汽源用于在所述燃烧室阀的上游的位置将蒸汽分配到燃料输送系统。

进一步的，包括用于调节所述蒸汽的蒸汽流的蒸汽控制阀。

进一步的，其中所述蒸汽被分配到所述分流器的上游。

进一步的，包括位于所述控制阀的下游以及所述分流器的上游的燃料泵。

进一步的，包括用于调节所述蒸汽的蒸汽流的蒸汽控制阀，其中所述蒸汽被分配到所述燃料泵的上游。

进一步的，包括用于选择性地将所述蒸汽分配到所述燃料输送系统的蒸汽控制阀和蒸汽歧管。

进一步的，其中所述蒸汽被分配到所述燃料泵的上游的所述燃料输送系统。

进一步的，其中所述蒸汽源是余热回收蒸汽发生器。

进一步的，包括冷却器，以在将所述蒸汽分配到所述燃料输送系统之前对所述蒸汽进行冷却。

根据本发明的另一方面，对来自涡轮机总成的燃料进行净化的方法包括提供燃料输送系统，该系统具有位于燃烧室上游的燃料供应装置以及燃烧室阀。该方法还包括提供蒸汽源。此外该方法还包括可操作地将所述蒸汽源连接到所述燃料输送系统。另外该方法还包括在所述燃烧室阀的上游的位置选择性地将蒸汽从所述蒸汽源输送到燃料输送系统。

进一步的，包括在涡轮机总成启动序列期间选择性地输送所述蒸汽。

进一步的，包括在涡轮机总成关闭序列期间选择性地输送所述蒸汽。

进一步的，其中所述燃料输送系统进一步包括燃料泵和分流器。

进一步的，包括将所述蒸汽选择性地输送到所述分流器上游的所述燃料输送系统。

进一步的，包括将所述蒸汽选择性地输送到所述燃料泵上游的所述燃料输送系统。

根据本发明的又一方面，对来自涡轮机总成的液体燃料进行净化的方法包括提供液体燃料输送系统，该系统具有位于燃烧室上游的液体燃料供应装置、液体燃料控制阀，以及燃烧室阀。该方法还包括提供蒸汽输送系统，所述系统具有蒸汽源以及蒸汽控制阀。此外该方法还包括可操作地将所述蒸汽输送系统连接到所述液体燃料输送系统。该方法另外还包括在所述燃烧室阀的上游的位置选择性地将蒸汽从所述蒸汽输送系统输送到液体燃料输送系统。

进一步的，包括启动液体燃料关闭序列，所述液体燃料关闭序列包括使所述液体燃料控制阀从开启位置过渡到完全闭合位置。

进一步的，包括在所述液体燃料控制阀过渡到所述完全闭合位置之前，开启所述蒸汽控制阀。

进一步的，其中所述蒸汽控制阀的开启发生在所述液体燃料控制阀过渡到所述完全闭合位置之后。

通过以下结合附图进行的说明可以更加清楚地了解这些和其他优点以及特征。

附图说明

权利要求书详细指出并明确主张了本发明。通过以下结合附图进行的详细说明可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：

图1是涡轮机系统的示意图；

图2是用于第一实施例的涡轮机总成的蒸汽净化系统的示意图；

图3是第二实施例的蒸汽净化系统的示意图；

图4是第三实施例的蒸汽净化系统的示意图；

图5是第四实施例的蒸汽净化系统的示意图；

图6是描绘了对来自涡轮机总成的燃料进行净化的方法的流程图；

图7是描绘了阀顺序控制(也称为阀序发事件，valve sequencing)的方法的流程图；

图8是阀顺序控制方法的图形说明；以及

图9是阀顺序控制方法的图形说明。

具体实施方式参考附图并通过实例来介绍本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参考图1，其中示例性的描绘了涡轮机系统10，所述涡轮机系统10包括涡轮机室12、液体燃料输送系统14，以及气体输送系统16。在所述示例性实施例中，涡轮机系统10是双燃料燃气涡轮发动机，然而，应理解也可以利用其他类型的涡轮机，例如那些只能燃烧液体燃料的涡轮机，确切地说是在任何情况下采用液体燃料的任何涡轮机总成(即涡轮机系统)10。涡轮机室12包括压缩机18、燃烧室24以及涡轮22。

在操作过程中，空气流入压缩机18中并被压缩成高压气体。所述高压气体被供应到燃烧室24并与处理气体(process gas)和/或合成气体(合成气)等燃料混合。燃料与压缩空气被输送到燃烧室24，并且被点燃以形成用于驱动涡轮22的高温高压燃烧产物或气流。涡轮22包括多个旋转组件或旋转级，所述旋转组件或旋转级通过压缩机/涡轮轴杆或转子25以可操作的方式连接到压缩机18。

参考图2，燃烧室24包括燃料喷嘴组件26，所述燃料喷嘴组件26通常包括多个燃料喷嘴。确切地说，每个燃料喷嘴组件26包括气体燃料喷嘴30，所述气体燃料喷嘴30以流体连通的方式与气体燃料源32连接。本说明书中所描述的这种用于操作涡轮机总成10的气体燃料包括，但不限于，干净的合成气以及天然气。另外，每个燃料喷嘴组件26包括液体燃料喷嘴34，其以流体连通的方式与液体燃料源38连接。本说明书中所描述的这种用于操作涡轮机总成10的液体燃料是含碳的液体燃料，其包括，但不限于，馏出油或石脑油。

液体燃料输送系统14包括液体燃料源38，例如，储槽，所述燃料源38可以存储液体燃料以用于选择性地将其输送到涡轮机室12。液体燃料通过流经粗滤器等过滤器40而经历了一个或多个清洁阶段，并且随后由一个或多个泵抽吸到需要的压力，所述泵被描绘为第一液体燃料泵42以及第二液体燃料泵43。随后通过热源44在燃料输送系统14内对液体燃料进行加热，可以使用多种热源用于加热。控制阀46基于涡轮机总成10的条件和要求对燃料流进行控制。分流器48对输送到燃烧室24的液体燃料进行仪表测量。燃烧室阀50在实际上向燃烧室24进行实际输送之前提供了另外的流控机制。燃烧室阀50可以是三通阀，其具有接收液体燃料并且将液体燃料分配到燃烧室24的液体燃料喷嘴34以及选则性地将液体燃料分配到液体燃料再循环系统的能力，所述液体燃料再循环系统将液体燃料输送回液体燃料源38。

涡轮机总成10还包括蒸汽输送系统52，所述蒸汽输送系统52包括蒸汽源54。蒸汽源54可以包括余热回收蒸汽发生器(HRSG)、锅炉，或者能够存储并且输送蒸汽的其他任何适当的结构。在使用HRSG的情况下，如果可用的话，可以从低压(LP)部分、中压(IP)部分，或者高压(HP)部分获得蒸汽。一项示例性实施例从LP部分获得蒸汽，前提是其满足涡轮机室12处的压降需求。蒸汽控制阀56对经由蒸汽输送管路58选择性地输送到液体燃料输送系统14的蒸汽流进行调节，所述蒸汽输送管路58与燃料输送系统14流体连通。在所描绘的实施例中，蒸汽输送到液体燃料输送系统14的位置是在控制阀46的下游以及分流器48的上游，并且可能在第二液体燃料泵43的上游。术语“上游”和“下游”通常是指相对于蒸汽或液体燃料的流动的方向。

在操作中，对于双燃料单元而言，液体燃料净化的执行是在涡轮机总成10关闭气体燃料操作的期间进行的。一旦启动涡轮机总成10的关闭，控制系统就会开始降低负载直到达到预定值。此时，蒸汽控制阀56是开启的以对液体燃料输送系统14进行净化。所述净化过程从液体燃料输送系统14中移除所有的残余液体燃料，以及在操作中可能生成的任何焦炭以及积碳。蒸汽净化的时间选择应经设计成执行特定数目的体积扫掠，使得液体燃料和任何碳沉积物得到减少或者消除。

为了在涡轮机总成10的启动阶段进行操作，将蒸汽引入到液体燃料输送系统14中以移除任何残余的碳以及液体燃料，并且确保在涡轮机总成10一旦需要进行液体燃料操作时能够平稳的过渡到液体燃料操作。

参考图3，其中对另一个示例性实施例进行了示意性描绘。液体燃料输送系统14类似于先前在上文中描述的液体燃料系统。蒸汽输送系统52包括蒸汽源54以及蒸汽控制阀56，还包括用于选择性地将蒸汽分配到燃料输送系统14的蒸汽歧管60。蒸汽输送到液体燃料输送系统14的位置是在分流器48的下游，燃烧室阀50的上游。在这种情况下，蒸汽经由蒸汽歧管60引导并且会朝向下游流回到控制阀46，从而在易受焦化影响的关键区域，例如燃烧室阀50和分流器48的下游的管路中对液体燃料输送系统14进行净化。

参考图4，其中对蒸汽输送系统52的又一个示例性实施例进行了示意性描绘。在所描绘的实施例中，已经存在于涡轮机系统10上的一个现有的蒸汽源54经改装可以包括到液体燃料输送系统14的蒸汽输送选择。类似于上文中描述的先前的实施例，蒸汽引入到液体燃料输送系统14的位置是在控制阀46的下游以及分流器48的上游，并且可选地在第二液体燃料泵43的上游。现有的蒸汽源54可能已经在先前用于NOx减少以及/或者功率增大的用途。

参考图5，其中对又一个示例性实施例进行了示意性描绘。如上文所述，蒸汽输送系统52包括蒸汽源54、蒸汽控制阀56，以及蒸汽歧管60。蒸汽输送系统52的处理条件是取决于某些参数的，其至少部分取决于来自液体燃料输送系统14的被净化的液体燃料的闪燃点以及自燃温度。例如，如果来自蒸汽源54的预期的蒸汽条件高于所使用的液体燃料的自燃温度，那么用于净化的蒸汽在被喷射到液体燃料输送系统14之前需要受到冷却。在这种情况下，采用冷却器62以潜在地在蒸汽被引入到液体燃料输送系统14之前对蒸汽进行冷却。此外，还包括了旁通阀64以对蒸汽是否在途中经过冷却器62然后进入到液体燃料输送系统14进行选择性地控制。

参考图6，其中流程图对在液体燃料输送系统14中净化燃料的方法进行了描述，所述方法通常称作70。所述方法70描绘了在涡轮机总成10的关闭过程中对液体燃料输送系统14的蒸汽净化的利用。对于双燃料单元，涡轮机总成10在液体燃料操作条件72下操作特定的周期。一种类型的涡轮机总成10在单元关闭之前以及单元关闭时按照气体燃料操作条件74运行。一旦启动涡轮机总成10关闭序列76，控制系统就会将负载降低到预定值，在该预定值处蒸汽净化序列78将会启动。蒸汽净化序列78包括选择性地在液体燃料输送系统14的多个部分中分配蒸汽，从而移除残余的液体燃料79，以及在操作过程中可能形成的任何焦炭和积碳。

虽然上文中描述的方法70是指关联于涡轮机总成10的关闭过程，但是应理解在其他涡轮机总成10操作过程中也可以采用蒸汽净化，例如在启动操作以及气体燃料和液体燃料之间的过渡操作中，或者反之亦然。

参考图7和图8，其中对蒸汽净化启动过程中的阀操作序列80进行了描绘。所描绘的图涉及液体燃料操作的中止，其中液体燃料控制阀46从开启位置过渡到闭合位置，从而停止了液体燃料到涡轮机室12的流动。阀操作序列80包括逐渐闭合液体燃料控制阀82。在液体燃料控制阀46完全闭合之前，蒸汽控制阀56是开启的，从而在液体燃料控制阀46完全闭合之前启动蒸汽净化84。蒸汽净化84的启动可以在液体燃料控制阀46的特定的期望的阀位置，由到涡轮机的热输入读数或者由到涡轮机的液体燃料的流动速率来触发。这种可以触发蒸汽控制阀56的开启的液体燃料控制阀46位置的范围可以取决于使用时的应用而改变。通过在液体燃料控制阀46完全闭合之前启动蒸汽净化84，可以使蒸汽与液体燃料混合并且减少了添加到燃烧室24中的未计入的能量。此外，阀操作序列80有助于在燃烧室24的喷嘴组件26处维持正压。

参考图9，应理解虽然在上文中阀操作序列80被描述成涉及在液体燃料控制阀46完全闭合之前开启蒸汽控制阀56的序列，但是还应考虑到阀操作序列80包括在液体燃料控制阀46的闭合86之后开启蒸汽控制阀。

尽管仅结合了有限数目的实施例来详细描述本发明，但容易理解，本发明并不限于所揭示的此类实施例。相反，本发明可经修改以涵盖之前并未描述、但与本发明的精神和范围相符合的任意数目的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管已描述本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各方面可仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应视为受前述说明的限制，而是仅受所附权利要求书的范围的限制。

Claims

1.一种用于涡轮机总成的燃料净化系统，其包括：

燃料输送系统，其包括：

将燃料提供到所述涡轮机总成的燃料源；

调节所述燃料的燃料流的控制阀；

选择性地将所述燃料分配到至少一个燃烧室的分流器；以及

位于所述至少一个燃烧室的上游的燃烧室阀；以及

在所述燃烧室阀的上游位置将蒸汽分配到所述燃料输送系统的蒸汽源。

2.根据权利要求1所述的燃料净化系统，其进一步包括用于调节所述蒸汽的蒸汽流的蒸汽控制阀。

3.根据权利要求2所述的燃料净化系统，其中所述蒸汽被分配到所述分流器的上游。

4.根据权利要求1所述的燃料净化系统，其进一步包括位于所述控制阀的下游以及所述分流器的上游的燃料泵。

5.根据权利要求4所述的燃料净化系统，其进一步包括用于调节所述蒸汽的蒸汽流的蒸汽控制阀，其中所述蒸汽被分配到所述燃料泵的上游。

6.根据权利要求1所述的燃料净化系统，其进一步包括用于选择性地将所述蒸汽分配到所述燃料输送系统的蒸汽控制阀和蒸汽歧管。

7.根据权利要求6所述的燃料净化系统，其进一步包括位于所述控制阀的下游以及所述分流器的上游的燃料泵。

8.根据权利要求7所述的燃料净化系统，其中所述蒸汽被分配到所述燃料泵的上游的所述燃料输送系统。

9.根据权利要求1所述的燃料净化系统，其中所述蒸汽源是余热回收蒸汽发生器。

10.根据权利要求6所述的燃料净化系统，其进一步包括冷却器，以在将所述蒸汽分配到所述燃料输送系统之前对所述蒸汽进行冷却。

11.一种对来自涡轮机总成的燃料进行净化的方法，其包括：

提供燃料输送系统，所述燃料输送系统具有燃料供应装置和位于燃烧室的上游的燃烧室阀；

提供蒸汽源；

可操作地将所述蒸汽源连接到所述燃料输送系统；以及

在所述燃烧室阀的上游位置选择性地将蒸汽从所述蒸汽源输送到所述燃料输送系统。

12.根据权利要求11所述的净化燃料的方法，其进一步包括在涡轮机总成启动序列期间选择性地输送所述蒸汽。

13.根据权利要求11所述的净化燃料的方法，其进一步包括在涡轮机总成关闭序列期间选择性地输送所述蒸汽。

14.根据权利要求11所述的净化燃料的方法，其中所述燃料输送系统进一步包括燃料泵和分流器。

15.根据权利要求14所述的净化燃料的方法，其进一步包括将所述蒸汽选择性地输送到所述分流器上游的所述燃料输送系统。

16.根据权利要求14所述的净化燃料的方法，其进一步包括将所述蒸汽选择性地输送到所述燃料泵上游的所述燃料输送系统。

17.一种对来自涡轮机总成的液体燃料进行净化的方法，其包括：

提供液体燃料输送系统，所述液体燃料输送系统具有液体燃料供应装置、液体燃料控制阀以及位于燃烧室上游的燃烧室阀；

提供蒸汽输送系统，所述蒸汽输送系统具有蒸汽源和蒸汽控制阀；

可操作地将所述蒸汽输送系统连接到所述液体燃料输送系统；以及

在所述燃烧室阀的上游位置选择性地将蒸汽从所述蒸汽输送系统输送到所述液体燃料输送系统。

18.根据权利要求17所述的净化燃料的方法，其进一步包括启动液体燃料关闭序列，所述液体燃料关闭序列包括使所述液体燃料控制阀从开启位置过渡到完全闭合位置。

19.根据权利要求18所述的净化燃料的方法，其进一步包括在所述液体燃料控制阀过渡到所述完全闭合位置之前，开启所述蒸汽控制阀。

20.根据权利要求18所述的净化燃料的方法，其中所述蒸汽控制阀的开启发生在所述液体燃料控制阀过渡到所述完全闭合位置之后。