CN104373220A - 用于燃气轮机的吹扫系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃气轮机的吹扫系统，该燃气轮机包括压缩机（1）、燃烧室（2）、至少一个燃烧器（3）以及气体燃料系统，其特征是，该吹扫系统包括：具有入口端和出口端的冷却器(9)，连通压缩机(1)和冷却器(9)入口端的第一管路(13)，和连通冷却器出口端与该气体燃料系统的气体燃料供应管线的至少一条第二管路(14)，从而可在气体燃料系统至少部分关闭的情况下，使来自压缩机且经冷却器冷却后的空气吹扫该气体燃料系统的已关闭部分的所述气体燃料供应管线(5、6)和燃烧器（3）。本发明还提供一种具有上述吹扫系统的燃气轮机系统以及吹扫燃气轮机的气体燃料系统的方法。

Description

用于燃气轮机的吹扫系统和方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及用于燃气轮机的气体燃料系统的气体燃料供应管线的吹扫系统和方法。

背景技术

在很多领域利用燃气轮机驱动发电机或工作机。燃气轮机主要包括压缩机，燃烧室、燃烧器和涡轮机，空气从外部环境引入压缩机并在其中被高度压缩成燃烧空气，然后燃料空气被导向燃烧腔室。燃烧空气在燃烧腔室内通过燃气轮机燃烧器与燃料共同燃烧成热燃气，该热燃气推动涡轮机工作。

燃气轮机发动机燃烧压缩空气与燃料的混合物以产生燃烧气体，其中一些燃气轮机包括双燃料系统，其使用例如气体燃料和液体燃料，其中双燃料系统允许从一种燃料系统切换到另一种燃料系统。在要从气体燃料系统切换到液体燃料系统的情况下，在供气阀门关断后，由于燃气轮机的气体燃料供应管线和燃烧器内仍充有气体燃料，如天然气、煤气等，如果直接切换到液体燃料系统继续运行，则会造成气体燃料在气体燃料供应管线和燃烧器发生自燃、爆燃，这会对燃气轮机的气体燃料供应管线、燃烧器等部件造成损坏。另外，有的燃气轮机使用多级气体燃烧器，在一些工况下需要关闭某一级或者几级的燃烧器，此时存留在已经关闭部分的燃气系统的燃气供应管线和燃烧器的燃烧可能导致自燃或爆燃。

当前，面对上述问题，已经提出这样的技术方案，即利用惰性气体、蒸汽、氮气、或二氧化碳气体对燃气轮机的、充有气体燃料如天然气的气体燃料系统的供气线路、燃烧器或其它相关部件进行吹扫，利用惰性气体等将气体燃料系统的供气线路、燃烧器或其它相关部件内的气体燃料吹入燃烧腔室内，从而避免发生自燃、爆燃等问题。然而，上述技术方案需要提供附加的系统、硬件部件、惰性介质以及相关的维护和保养等，结构相对复杂并且成本相对较高。例如，图1中示出了现有的一种燃气轮机系统，其包括气体燃料供应系统、压缩机、燃烧器、燃烧腔室和涡轮机，从图中可以看出，为了解决上述问题，设置了连接到气体燃料供应系统的氮气吹扫系统，该氮气吹扫系统包括氮气储罐a、氮气供应管线b以及相应地设置在氮气供应管线中的阀门，例如控制阀c。该燃气轮机系统存在前面提到的结构复杂、成本较高的问题。

在美国专利公开号US2013/0118178A1中公开了一种燃气轮机系统，其包括多燃料燃气涡轮，液体燃料系统和气体燃料系统，其中多燃料燃气涡轮包括压缩机、燃烧器和涡轮。该系统还包括气体燃料吹扫系统，其构造成在燃气涡轮的液体燃料操作期间吹扫气体燃料系统的气体燃料线路，其中气体燃料吹扫系统构造成利用空气和蒸汽相继地吹扫气体燃料系统。这种系统也可消除具有双燃料系统的燃气轮机中存在的自燃、爆燃问题，但其仍具有与图1所示的系统类似的缺点，同样需要提供附加的吹扫气体供应系统，结构较复杂，且成本较高。

因而，当前希望提供一种结构简单、成本降低的用于燃气轮机的吹扫系统。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供一种用于燃气轮机的吹扫系统，该燃气轮机包括压缩机、燃烧室、至少一个燃烧器以及气体燃料系统，其特征是，该吹扫系统包括：具有入口端和出口端的冷却器，连通压缩机和冷却器入口端的第一管路，和连通冷却器出口端与气体燃料系统的气体燃料供应管线的至少一条第二管路，从而可在气体燃料系统至少部分关闭的情况下使来自压缩机且经冷却器冷却后的空气吹扫气体燃料系统已关闭部分的气体燃料供应管线和燃烧器。在本发明的上述方案中，在气体燃料系统部分或者全部关闭的情况下，利用压缩机从外部环境引入空气到冷却器，使空气在冷却器中降低到合适的温度，然后将空气以一定的速度和压力通入已关闭部分的气体燃料供应管线和燃烧器，从而可将已经关闭部分的气体燃料供应管线以及与之相流体连通的燃烧器中的气体燃料吹扫入燃烧腔室内。在吹扫过程中，来自冷却器的低温空气同时会冷却气体燃料供应管线和燃烧器，并将其温度降低到气体燃料的自燃点之下，进而避免出现自燃、爆燃现象。

对于上述用于燃气轮机的吹扫系统来说，也可以将来自压缩机的经冷却的空气以一定的压力和流速持续吹入气体燃料供应管线，从而防止燃烧室内存留的燃烧气回流入燃烧器内，实现对燃烧器或者多级燃烧器的某一级的密封作用。另外，燃气轮机在长时间不使用的情况下，气体燃料供应管线内可能会出现水凝结现象，在运行之前，可以通过压缩机供气，去除气体燃料供应管线中存在的凝结水。

按照本发明的一个方案，所述至少一个燃烧器为多级燃烧器，该气体燃料系统具有多条气体燃料供应管线，所述多条气体燃料供应管线分别连通到所述多级燃烧器的各级，所述第二管路的数目与所述气体燃料供应管线的数目相同，该出口端通过所述第二管路分别连通到相应的气体燃料供应管线，冷却后的空气能够吹扫已关闭的气体燃料供应管线和燃烧器（3）的级。例如，燃烧器可以为二级燃烧器，这种情况下，气体燃料系统配设有两条气体燃料供应管线，所述两条气体燃料供应管线分别连通到该燃烧器的第一级和第二级。当第一级燃烧器关闭时，可以将冷却空气吹入与该级连通的气体燃料供应管线和第一级燃烧器。

为了将来自压缩机的空气可控地输送到气体燃料供应管线，进而输送到燃烧器，可在该压缩机和该气体燃料供应管线之间设有节流控制机构，用于控制从该压缩机到该气体燃料供应管线的吹扫空气的供应。在本发明的一个方案中，该节流控制机构为布置在各所述第二管路中的控制阀，该控制阀用于切断或接通气体燃料到所述燃烧器的供应并且用于控制来自冷却器的空气流的压力和流速。或者，该节流控制机构为包括布置在第二管路中的流量孔板和截止阀，其中该截止阀用于切断或接通气体燃料到所述燃烧器的供应；该流量孔板用于控制来自冷却器的空气流的压力和流速。这里的控制阀、截止阀和流量孔板均是现有技术中已知的，在本文中不再赘述。

有利的是，所述节流控制机构配置成在气体燃料系统部分或者全部关闭的条件下，可使来自该压缩机且经该冷却器冷却后的空气吹扫所述气体燃料系统已经关闭部分的气体燃料供应管线和燃烧器；且可使来自该压缩机且经该冷却器冷却后的空气持续吹扫所述气体燃料供应管线和所述燃烧器，从而避免燃烧室内的燃烧气回流入燃烧器。

在本发明的一个优选方案中，所述至少一条第二管路分别在每条气体燃料供应管线中的控制阀的下游且在临近该控制阀的位置流体连通到该气体燃料供应管线。在这里，下游是按照气体燃料从气体燃料源到燃烧器的流动方向规定的。如此配置，使得能将位于供气和燃烧器之间的气体燃料供应管线段中的基本所有气体燃料和空气吹扫走。

按照本发明的一个方案，该冷却器配置成能将来自该压缩机的空气的温度降低到足以将其所经过的气体燃料供应管线和燃烧器的温度降低到气体燃料的自燃点温度之下（例如200摄氏度以下）。在本发明中冷却器可以选择成任何合适的冷却器，例如按介质分为水冷却器和油冷却器或者空气冷却器；按结构分为间壁式冷却器、板式冷却器、夹套式冷却器和蛇管式冷却器等。

按照本发明的另一个方案，还提供一种燃气轮机系统，其包括燃气轮机和上述用于燃气轮机的吹扫系统。这种燃气轮机系统不仅可以消除自燃、爆燃、回流、水凝结等现象，还具有结构简单、紧凑且成本相对较低的优点。

另外，本发明的一个方案还提供一种用于吹扫燃气轮机的气体燃料系统的方法，所述燃气轮机包括压缩机、燃烧室和至少一个燃烧器和气体燃料系统，所述方法包括以下步骤：

使自压缩机的空气进入冷却器冷却到预定温度；

在气体燃料系统至少部分关闭的情况下，用经冷却的空气下对气体燃料系统的气体燃料供应管线和燃烧器进行吹扫。

有利的是，为了防止气体燃烧系统部分或者全部关闭时，气体燃料供应管线和燃烧器内发生自燃、爆燃等现象，在气体燃料关闭的某一级或多级气体燃料供应管线上执行该吹扫步骤，在该吹扫步骤中，所述气体燃料供应管线和燃烧器中存留的气体燃料被吹扫入该燃烧室内参与燃烧，同时能够冷却空气所经过的供应管线、燃烧器或其它部件。

另外，为了防止在在燃气轮机运行并在气体燃料全部或者部分关闭时，燃烧室内的燃烧气回流入燃烧器中，持续执行上述吹扫步骤，从而防止燃烧室内的燃烧气回流入燃烧器。

本发明的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本申请后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是现有技术中的用于燃气轮机的氮气吹扫系统的结构示意图；

图2示出根据本发明的用于燃气轮机的吹扫系统的结构示意图；

在本发明中，相同的附图标记被用来表示相同的或相似的特征。

具体实施方式

现参考附图，详细说明本发明所公开装置的示意性方案。尽管提供附图是为了呈现本发明的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或局剖以更好地示出和解释本发明的公开内容。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。

在下文中被用于描述附图的某些方向性术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“向上”、“向下”、“上游”、“下游”和其它方向性术语，将被理解为具有其正常含义并且指正常看附图时所涉及的那些方向，这不应解释为对所附权利要求的技术方案的具体限制。

在本发明中的术语“约”或“大约”将会被本领域普通技术人员理解且将根据用到该术语的上下文在一定范围内变化。

图2示出了根据本发明的用于燃气轮机的吹扫系统的一个实施例。从图2中可以看出，燃气轮机包括压缩机1、燃烧室2、多个燃烧器3、涡轮机4以及气体燃料系统。在该实施例中，多个燃烧器3围绕以环形燃烧室2布置。在这里，为清楚起见，仅示出了两个燃烧器，图中示出的内容不应构成对本发明的限制。在燃气轮机的运行过程中，压缩机从外界环境引入空气进行逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高，压缩空气被压送到燃烧室2与燃烧器3喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气，然后再进入到涡轮机中膨胀做功，推动涡轮机做功。在该实施例中，燃烧室2和燃烧器3位置关系是本领域已知的，在本文中不再赘述。

仅仅作为例子，图2中示出的燃烧器3为二级燃烧器，气体燃料系统相应地包括两条气体燃料供应管线5、6，其中气体燃料供应管线5分出多条支管5a分别流体连通到每个燃烧器3的第一级，气体燃料供应管线6分出多条支管6a分别流体连通到每个燃烧器3的第二级，以给燃烧器3供给气体燃料。在气体燃料供应管线5、6中分别设有控制阀7、8，用于切断或接通气体燃料源12到燃烧器3的燃料供应，以及控制气体燃料的流量大小。这里使用的控制阀是现有技术中已知的，其具体的结构和控制方式将不再具体描述。

另外，在本发明适用多种现有的燃烧器，这包括单级和多级燃烧器，或者液体燃料、气体燃料燃烧器或者能够切换使用液体燃料和气体燃料的燃烧器。

有利的是，在上述燃气轮机中设有吹扫系统，该吹扫系统包括冷却器9，该冷却器具有入口端9a和出口端9b，入口端9a通过第一管路13流体连通到压缩机1，出口端9b通过两条第二管路14分别流体连通到供气管路5和6。从图中可以看出，优选将第二管路14在控制阀7、8的下游且临近所述控制阀的位置连通到所述气体燃料供应管线。

为了控制来自压缩机1的空气流量的大小，在第二管路14中设有节流控制装置，用于切断或接通来自压缩机1且经冷却器9冷却后的冷空气到气体燃料供应管线5、6的供应，并控制冷空气的压力和流速。在该实施例中，该节流控制装置包括设置在第二管路中的流量孔板11和截止阀10，流量孔板15用于控制来自冷却器9的冷空气的压力和流速，截止阀10用于控制来自冷却器的冷空气的切断或接通。在该实施例中，流量孔板11和截止阀的结构和配置均是现有技术中已知的，这里不再详细描述。

在其它实施例中，作为替代，该节流控制装置可包括设置在第二管路中的流量孔板11和控制阀，或者仅设置控制阀用于切断或接通吹扫用冷空气气体燃料供应管线的供应，以及控制冷空气的压力和流速大小。

在本发明中，该冷却器9配置成能将来自该压缩机1的空气的温度降低到气体燃料自然点温度以下。一般情况下，从压缩机1出来的空气温度例如高于400摄氏度，经过冷却器的冷却后，其温度可降低到200摄氏度以下，例如在200～170摄氏度之间。另外，在吹扫过程中，冷空气的流速和压力取决于燃气轮机的气体燃料系统的具体配置，只要选择成可以在一定时间内将控制阀7、8下游的气体燃料供应管线和燃烧器中存在的气体燃料充分吹走即可。在本发明中冷却器可以选择成任何合适的冷却器，例如按介质分为水冷却器和油冷却器；按结构分为间壁式冷却器、夹套式冷却器和蛇管式冷却器等。

对于上述用于燃气轮机的吹扫系统，在不需要额外提供空气源的情况下，可以实现吹扫、冷却和密封等功能。具体来说，在气体燃料系统部分或者全部关闭的情况下，然后通过节流控制装置将来自压缩机1经冷却器9冷却后的冷空气沿第二管路14以一定的压力和流速输送入气体燃料供应管线7、8，对气体燃料供应管线以及与其相连通的燃烧器3进行吹扫，从而将气体燃料供应管线和燃烧器内的气体燃料吹扫入燃烧室2内参与燃烧，避免了部分气体燃料系统停止运行时气体燃料供应管线和燃烧器内发生自燃、爆燃现象，同时还能够冷却冷空气所经过的气体燃料供应管线部分和燃烧器等部件。

并且，还可以来自压缩机1的经冷却后的空气在较低的压力和流速下对气体燃料供应管线和燃烧器持续吹扫，从而可防止燃烧室内的燃烧气回流至燃烧器3内，或者在燃烧器之间发生串流，从而实现对燃烧器的密封作用。在这里，冷空气的流速和压力可根据具体需要进行选择。

在本发明中其它实施例中，燃烧器3可以为一级或者多级燃烧器，例如三级、四级、五级或更多级。相应地，气体燃料供应管线需要设置三条、四条或更多条，而用于供应来自压缩机的吹扫、冷却和密封用空气的第二管路14也需要相应地设置三条、四条或更多条。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

附图标记列表

1-压缩机；2-燃烧室；3燃烧器；4-涡轮机；5，6-气体燃料供应管线；5a，6a-气体燃料供应管线的支管；7、8控制阀；9-冷却器；9a、9b-冷却器的入口端和出口端；10-截止阀；11-节流孔板；12-气体燃料源；13-第一管路；14-第二管路。

Claims (9)

1.一种用于燃气轮机的吹扫系统，该燃气轮机包括压缩机（1）、燃烧室（2）、至少一个燃烧器（3）以及气体燃料系统，其特征是，该吹扫系统包括：具有入口端和出口端的冷却器(9)，连通压缩机(1)和冷却器(9)入口端的第一管路(13)，和连通冷却器出口端与该气体燃料系统的气体燃料供应管线的至少一条第二管路(14)，从而可在气体燃料系统至少部分关闭的情况下，使来自压缩机且经冷却器冷却后的空气吹扫该气体燃料系统的已关闭部分的所述气体燃料供应管线(5、6)和燃烧器（3）。

2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的吹扫系统，其中，所述至少一个燃烧器（3）为多级燃烧器，该气体燃料系统具有多条所述气体燃料供应管线（5、6），所述多条气体燃料供应管线分别连通所述多级燃烧器的相应级，所述第二管路（14）的数目与气体燃料供应管线（5、6）的数目相同。

3.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的吹扫系统，其中，在所述压缩机和气体燃料供应管线（5、6）之间设有节流控制机构（10、11），用于控制从压缩机（1）到该气体燃料供应管线（5、6）的吹扫空气的供应。

4.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的吹扫系统，其中，在气体燃料系统至少部分关闭的情况下，每条所述气体燃料供应管线（5、6）均设有用于调节所述燃烧器（9）气体燃料供应的控制阀（7、8），所述至少一条第二管路（14）分别在所述控制阀（7、8）的下游且在邻近控制阀（7、8）的位置。

5.根据权利要求3所述的用于燃气轮机的吹扫系统，其中，所述节流控制机构（10、11、7、8）配置成在气体燃料系统至少部分关闭的情况下，可使来自压缩机（1）且经冷却器（9）冷却后的空气吹扫所述气体燃料供应管线（5、6）和所述燃烧器（3）；并可使来自压缩机（1）且经冷却器（9）冷却后的空气持续吹扫所述气体燃料供应管线（5、6）和所述燃烧器（3），从而避免来自燃烧室（2）的燃烧气回流入该气体燃料系统的已关闭部分的所述气体燃料供应管线(5、6)和燃烧器（3）。

6.一种燃气轮机系统，包括燃气轮机和根据权利要求1至5中任一项所述的吹扫系统，燃气轮机包括压缩机（1）、燃烧室（2）、至少一个燃烧器（3）以及气体燃料系统。

7.一种用于吹扫燃气轮机的气体燃料系统的方法，燃气轮机包括压缩机（1）、燃烧室（2）和至少一个燃烧器（3）和气体燃料系统，所述方法包括以下步骤：

使自压缩机（1）的空气进入冷却器（9）冷却到预定温度；

在气体燃料系统至少部分关闭的情况下，用经冷却的空气对该气体燃料系统的已关闭部分的气体燃料供应管线(5、6)和燃烧器（3）进行吹扫。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，执行该吹扫步骤，使该气体燃料系统的已关闭部分的气体燃料供应管线(5、6)和燃烧器（3）中存留的气体燃料和空气被吹扫入燃烧室（2）内参与燃烧。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，持续执行该吹扫步骤，使来自压缩机（1）且经冷却器（9）冷却后的空气持续吹扫所述气体燃料供应管线（5、6）和所述燃烧器（3），从而避免来自燃烧室（2）的燃烧气回流入该气体燃料系统的已关闭部分的所述气体燃料供应管线(5、6)和燃烧器（3）。