CN103711590A - 用于发电厂的燃料加热系统和加热燃料的方法 - Google Patents

用于发电厂的燃料加热系统和加热燃料的方法 Download PDF

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J.约翰
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C.普什卡兰
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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Abstract

本发明提供一种用于发电厂的燃料加热系统和加热燃料的方法。该燃料加热系统包括排气结构，该排气结构具有用于在其中接收废气的内部区域。该燃料加热系统也包括流体喷射装置，该流体喷射装置包括用于输送流体的第一流体管道，第一流体管道至少部分地延伸穿过排气结构的内部区域，以加热流体。该燃料加热系统还包括用于接收流体和液体燃料的热交换器，在液体燃料通过热交换器期间由流体加热液体燃料。

Description

用于发电厂的燃料加热系统和加热燃料的方法
技术领域
本发明所公开的主题涉及发电厂，并且更特别地涉及用于这样的发电厂的燃料加热系统，以及加热发电厂内的燃料的方法。
背景技术
发电厂可以包括燃气涡轮机系统，除了其它部段以外，该燃气涡轮机系统具有至少一个燃烧器和涡轮机部段。这样的发电厂也可以包括通过将水喷射到至少一个燃烧器中用于控制排放的喷水系统。水典型地在环境温度或其附近被喷射到至少一个燃烧器中。另外，发电厂包括燃料喷射系统，一个这样的装置配置成适应液体燃料被喷射到至少一个燃烧器中。在燃烧器喷射之前，液体燃料典型地由一个或多个电加热器加热以获得并且保持期望的粘度。遗憾地，一个或多个加热器成本较高并且也需要相当大的功率消耗以充分地操作。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于发电厂的燃料加热系统包括具有用于在其中接收废气的内部区域的排气结构。也包括流体喷射装置，所述流体喷射装置包括用于输送流体的第一流体管道，所述第一流体管道至少部分地延伸穿过所述排气结构的所述内部区域，以加热所述流体。还包括用于接收所述流体和液体燃料的热交换器，在所述液体燃料通过所述热交换器期间由所述流体加热所述液体燃料。
其中，所述流体包括水。
其中，所述的燃料加热系统还包括用于将所述流体从所述热交换器输送到燃烧器的第二流体管道。
其中，所述燃料加热系统还包括用于接收来自所述热交换器的所述液体燃料并且将所述液体燃料输送到燃烧器的液体燃料喷射装置。
其中，所述废气从所述发电厂的涡轮机部段排出且排到所述排气结构。
其中，所述流体以在第一温度进入所述排气结构的所述内部区域并且以在第二温度离开所述排气结构的所述内部区域，所述第二温度大于所述第一温度。
其中，所述第一温度大约为70华氏度。
其中，所述第二温度小于所述流体的饱和温度。
根据本发明的另一方面，一种用于发电厂的燃料加热系统包括具有用于排出废气的排气口的涡轮机部段。也包括与所述排气口可操作地连接以用于接收废气的第一热交换器，所述第一热交换器也接收来自流体喷射装置的流体，其中所述流体由其中的废气加热。还包括配置成接收液体燃料的第二热交换器，所述第二热交换器与所述第一热交换器可操作地连接以接收由所述第一热交换器中的废气加热之后的所述流体，由所述流体加热所述第二热交换器内的所述液体燃料。
其中，所述流体包括水。
其中，所述燃料加热系统还包括用于接收来自所述第二热交换器的所述流体的燃烧器。
其中，所述燃料加热系统还包括用于接收来自所述第二热交换器的所述液体燃料并且将所述液体燃料输送到燃烧器的液体燃料喷射装置。
其中，所述燃料加热系统还包括用于接收来自所述第一热交换器的废气的排气结构。
其中，所述流体以第一温度进入所述第一热交换器并且以第二温度离开所述第一热交换器，所述第二温度大于所述第一温度。
其中，所述第一温度大约为70华氏度。
其中，所述第二温度小于所述流体的饱和温度。
根据本发明的又一方面，提供一种加热发电厂的燃料的方法。所述方法包括用所述发电厂的涡轮机部段的废气加热流体。也包括将由所述废气加热的所述流体路由到热交换器。还包括将液体燃料从液体燃料源路由到所述热交换器。还包括用所述热交换器内的所述流体加热所述液体燃料。
其中，加热所述流体发生在配置成接收来自所述涡轮机部段的废气的排气结构的内部区域内。
其中，加热所述流体发生在配置成接收来自所述涡轮机部段的排气口的废气的流体热交换器内。
其中，所述方法还包括将所述流体和所述液体燃料从所述热交换器路由到燃烧器。
这些和其它优点和特征将从结合附图进行的以下描述变得更明显。
附图说明
被视为本发明的主题在权利要求书中特别地被指出并且明确地要求权利。通过结合附图进行的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点会变得明显，其中：
图1是根据第一实施例的具有燃料加热系统的发电厂的示意图；
图2是示出随着各种环境温度下的发电厂负荷而变化的燃料加热系统内的喷水温度的绘图；
图3是根据第二实施例的具有燃料加热系统的发电厂的示意图；以及
图4是示出加热发电厂内的燃料的方法的流程图。
参考附图通过例子，详细描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
参考图1，根据第一实施例的发电厂示意性地被示出并且通常用数字10表示。发电厂10包括涡轮机系统，例如燃气涡轮机系统12，该燃气涡轮机系统12具有压缩机部段14、燃烧器部段16、涡轮机部段18和转子20。应当领会的是，燃气涡轮机系统12的一个实施例可以包括多个压缩机14、燃烧器16、涡轮机18和转子20。压缩机部段14和涡轮机部段18由转子20联接。转子20包括单轴或联接在一起形成转子20的多个轴段。
燃烧器部段16使用可燃燃料，例如液体燃料，来运转燃气涡轮机系统12。例如，燃料喷嘴与离开压缩机14的主流和液体燃料供应管线24流体连通。燃料喷嘴产生空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排放到燃烧器部段16中，由此导致燃烧以产生热加压废气。燃烧器部段16将热加压废气通过过渡件引导到涡轮机喷嘴（或“第一级喷嘴”）以及其它级的轮叶和喷嘴中，导致涡轮机部段18的外壳体内的涡轮机叶片的旋转。热废气26从涡轮机部段18排放到排气结构28，例如排气旁路或排气管中。排气结构28包括配置成接收热废气26的内部区域30，所述热废气26的温度可以变化，并且在示例性实施例中热废气26的温度超过大约800°F（大约427℃）。
发电厂10包括流体喷射装置32，该流体喷射装置32配置成以高压力将流体，例如水34，喷射到燃烧器部段16中。尽管流体的示例性实施例包括水，但是可以预料可以使用其它流体。水34在燃烧器部段16中转化成蒸汽，这提供期望的排放控制，例如减少NOX。水34是由流体源36，例如软化水储罐，提供给其中具有用于操控水34的各种部件的流体喷射橇38。所述部件例如可以包括泵和过滤器。流体喷射装置32包括将来自喷水橇38的水34输送进入和通过排气结构28的内部区域30的至少一部分的第一流体管道40。在输送通过内部区域30的至少一部分期间，第一流体管道40和由其输送的水34暴露于热废气26。暴露于热废气26使得水34从第一温度被加热到第二温度。在水34进入排气结构28的内部区域30之前测量的水34的第一温度典型地大约为在许多环境中可以对应于大约70°F（大约21℃）的环境温度，但是应当理解的是，第一温度取决于环境条件。在水34从排气结构28的内部区域30离开之后测量的水34的第二温度大于第一温度并且取决于燃气涡轮机系统12的负荷条件，以及确定水34的饱和温度的环境条件。
在排气结构28内被加热之后，水34被输送到热交换器42。热交换器42与液体燃料喷射装置43连通并且配置成经由液体燃料供应管线24接收来自液体源46的液体燃料44。在液体燃料44进入热交换器42之前，液体燃料44被引导通过在其中具有用于操控液体燃料44的许多部件的液体燃料前送橇47。所述部件例如可以包括泵和过滤器。液体燃料44在热交换器42内由已被排气结构28中的热废气26加热的水34加热，如上面详细地所述。液体燃料44的加热对于获得适合于喷射到燃烧器部段16的液体燃料44的粘度是必需的。液体燃料44可以通过热交换器42升高到各种温度和从各种温度升高，并且在一个示例性实施例中温度从大约80°F（大约27℃）升高到大约180°F（大约82℃）。液体燃料44和水34都从热交换器42被引导到燃烧器部段16。液体燃料44可以沿着液体燃料供应管线24被引导且通过一个或多个部件，例如液体燃料选择橇50和/或液体燃料雾化空气橇52。最终，液体燃料44被引导到燃烧器部段16。
在针对水34的情况下，可以使用第二流体管道48将水34路由（Route）到燃烧器部段16，水34由于归结于液体燃料44的加热的损失而略微冷却。应当领会的是，第二流体管道48可以简单地是第一流体管道40的延伸。到达燃烧器部段16的水34的喷射温度取决于环境条件，如上所述，由饱和温度提供喷射温度的上限。在图2中示出了在不同环境温度下的两个喷射温度曲线（Profile）。如图所示，当燃气涡轮机操作负荷增加时，流体喷射温度由于用来加热水34的热废气26的更高温度而增加。绘图示出针对大约32°F（大约0℃）的第一温度曲线54和针对大约122°F（大约50℃）的第二温度曲线56。
现在参考图3，根据第二实施例的发电厂示意性地被示出并且通常用数字100表示。发电厂100的第二实施例在许多方面类似于第一实施例，使得不需要进一步详细地或重复地论述每个部件。在适用的情况下，用于描述第一实施例的类似附图标记可以被使用。不同于将所有热废气26排放到排气结构28，涡轮机部段18将热废气26的至少一部分通过排气口102引导到布置在涡轮机部段18和排气结构28的外部位置的第一热交换器104。第一热交换器104也配置成经由流体喷射橇38接收来自流体源36的具有大约环境温度的水34。水34在通过第一热交换器104期间由热废气26加热。如上面关于第一实施例所述，水34的出口温度由取决于环境条件的饱和温度限制。热废气26然后从第一热交换器104排放到排气结构28或环境。
在第一热交换器104内加热之后，水34被输送到第二热交换器106。类似于第一实施例的热交换器42，第二热交换器106与液体燃料喷射装置43连通并且配置成经由液体燃料供应管线24接收来自液体源46的液体燃料44。剩余部件和操作类似于第一实施例。具体地，液体燃料44由第二热交换器106内的水34加热以获得适合于喷射到燃烧器部段16的粘度。如上面详细地所述，水34和液体燃料44然后都被路由（Routed）到燃烧器部段16。
有益地，在第一和第二实施例中，发电厂10、100都提供用于加热水34和液体燃料44的高效系统。另外，基于在加热水34以用于控制排放期间在燃烧器部段16中减小的潜在的热消耗，将水34加热到大于环境温度的温度以提供发电厂总性能的更高效率。总之，设备和操作成本减小，同时发电厂10、100的效率增加。
如图4的流程图中所示，并且参考图1-3，也提供一种加热发电厂的燃料的方法200。先前已描述第一和第二实施例的发电厂10、100并且不需要进一步详细地描述特定结构部件。加热发电厂的燃料的方法200包括202，用发电厂的涡轮机部段的废气加热流体；204，将由所述废气加热的流体路由到热交换器；206，将液体燃料从液体燃料源路由到热交换器；208，用热交换器内的流体加热液体燃料。
尽管已结合仅仅有限数量的实施例描述了本发明，但是应当容易理解本发明不限于这样的公开实施例。相反地，本发明可以进行修改以包含迄今为止未描述但是与本发明的精神和范围一致的许多变化、改变、替代或等效装置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但是应当理解本发明的方面可以仅仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不被视为由前面的描述限制，而是仅仅由附带的权利要求的范围限制。

Claims (20)

1.一种用于发电厂的燃料加热系统，包括：
排气结构，所述排气结构具有用于在其中接收废气的内部区域；
流体喷射装置，所述流体喷射装置包括用于输送流体的第一流体管道，所述第一流体管道至少部分地延伸穿过所述排气结构的所述内部区域，以加热所述流体；以及
热交换器，所述热交换器用于接收所述流体和液体燃料，在所述液体燃料通过所述热交换器期间由所述流体加热所述液体燃料。
2.根据权利要求1所述的燃料加热系统，其特征在于，所述流体包括水。
3.根据权利要求1所述的燃料加热系统，其特征在于，其还包括用于将所述流体从所述热交换器输送到燃烧器的第二流体管道。
4.根据权利要求1所述的燃料加热系统，其特征在于，其还包括用于接收来自所述热交换器的所述液体燃料并且将所述液体燃料输送到燃烧器的液体燃料喷射装置。
5.根据权利要求1所述的燃料加热系统，其特征在于，所述废气从所述发电厂的涡轮机部段排出且排到所述排气结构。
6.根据权利要求1所述的燃料加热系统，其特征在于，所述流体以第一温度进入所述排气结构的所述内部区域并且以第二温度离开所述排气结构的所述内部区域，所述第二温度大于所述第一温度。
7.根据权利要求6所述的燃料加热系统，其特征在于，所述第一温度大约为70华氏度。
8.根据权利要求6所述的燃料加热系统，其特征在于，所述第二温度小于所述流体的饱和温度。
9.一种用于发电厂的燃料加热系统，包括：
涡轮机部段，所述涡轮机部段具有用于排出废气的排气口；
第一热交换器，所述第一热交换器与所述排气口可操作地连接以用于接收废气，所述第一热交换器也接收来自流体喷射装置的流体，其中所述流体由其中的废气加热；以及
第二热交换器，所述第二热交换器配置成接收液体燃料，所述第二热交换器与所述第一热交换器可操作地连接以接收由所述第一热交换器中的废气加热之后的所述流体，由所述流体加热所述第二热交换器内的所述液体燃料。
10.根据权利要求9所述的燃料加热系统，其特征在于，所述流体包括水。
11.根据权利要求9所述的燃料加热系统，其特征在于，其还包括用于接收来自所述第二热交换器的所述流体的燃烧器。
12.根据权利要求9所述的燃料加热系统，其特征在于，其还包括用于接收来自所述第二热交换器的所述液体燃料并且将所述液体燃料输送到燃烧器的液体燃料喷射装置。
13.根据权利要求9所述的燃料加热系统，其特征在于，其还包括用于接收来自所述第一热交换器的废气的排气结构。
14.根据权利要求9所述的燃料加热系统，其特征在于，所述流体以第一温度进入所述第一热交换器并且以第二温度离开所述第一热交换器，所述第二温度大于所述第一温度。
15.根据权利要求14所述的燃料加热系统，其特征在于，所述第一温度大约为70华氏度。
16.根据权利要求14所述的燃料加热系统，其特征在于，所述第二温度小于所述流体的饱和温度。
17.一种加热发电厂的燃料的方法，包括：
用所述发电厂的涡轮机部段的废气加热流体；
将由所述废气加热的所述流体路由到热交换器；
将液体燃料从液体燃料源路由到所述热交换器；以及
用所述热交换器内的所述流体加热所述液体燃料。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，加热所述流体发生在配置成接收来自所述涡轮机部段的废气的排气结构的内部区域内。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，加热所述流体发生在配置成接收来自所述涡轮机部段的排气口的废气的流体热交换器内。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括将所述流体和所述液体燃料从所述热交换器路由到燃烧器。
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