背景技术
[0001] 本实用新型总体上涉及涡轮
发动机,并且更确切地说,涉及使用包括工艺气体的燃料启动
燃气涡轮发动机的系统。
[0002] 至少一些已知的燃气涡轮发动机包括以连续流关系(in a serial flow relationship)连接在一起的至少一个
压缩机、
燃烧器和涡轮。更确切地说,压缩机和涡轮通过轴连接以形成高压
转子组件。进入涡轮发动机的空气与燃料混合并点燃以形成高
能量气体流。所述高能量气体流流动穿过涡轮以可旋转地驱动涡轮,使所述轴可旋转地驱动压缩机。
[0003] 许多现代商用涡轮发动机在稳态条件下操作时使用诸如
合成气、
焦炉气、
高炉煤气、熔融还原炼
铁炉(Corex)气或精炼气等工艺气体。然而,由于诸如火焰稳定速度(flame holding velocity)等限制,在燃气涡轮发动机的启动期间通常无法使用工艺气体。因此,燃气涡轮发动机通常使用启动燃料,例如
天然气和
液体燃料进行启动,然后当燃气涡轮发动机接近稳态条件时转到工艺气体。然而,将启动燃料系统集成到已知的燃气涡轮组件中可能提高组件的复杂性和成本。实用新型内容
[0004] 一方面,本实用新型提供一种用在燃气涡轮发动机中的燃料供给系统。所述燃料供给系统包括燃料
喷嘴;工艺燃料源,所述工艺燃料源配置成引导工艺燃料流向所述燃料喷嘴流动;以及二次燃料源,所述二次燃料源配置成引导二次燃料流向所述燃料喷嘴流动。所述二次燃料流与所述工艺燃料流混合以形成热值高于所述工艺燃料的混合启动燃料,并且所述混合启动燃料在所述燃气涡轮发动机的启动期间从所述燃料喷嘴排出。
[0005] 除了上述一方面的燃料供给系统之外,本实用新型还提供基于上述一方面的燃料供给系统的以下技术方案:
[0006] 技术方案1:根据上述一方面的系统,进一步包括燃料供给管线,所述燃料供给管线配置成引导所述混合启动燃料向所述燃料喷嘴流动,其中所述混合启动燃料形成在所述燃料喷嘴上游的所述燃料供给管线中。
[0007] 技术方案2:根据技术方案1的系统,进一步包括沿所述燃料供给管线连接的控制
阀组件,所述
控制阀组件包括:
[0008] 工艺燃料控制阀;以及
[0009] 启动燃料控制阀,所述启动燃料控制阀沿所述燃料供给管线与所述工艺燃料控制阀并联,其中所述工艺燃料控制阀和所述启动燃料控制阀能够基于所述燃气涡轮发动机的操作条件选择性地进行操作。
[0010] 技术方案3:根据上述一方面的系统,其中所述燃料喷嘴配置成接收所述工艺燃料流和所述二次燃料流,以使所述混合启动燃料在所述燃料喷嘴内形成。
[0011] 技术方案4:根据上述一方面的系统,进一步包括惰性气体源,所述惰性气体源配置成引导惰性气体流向所述燃料喷嘴流动,其中,所述惰性气体流与所述工艺燃料流混合以形成氢含量小于所述工艺燃料的所述混合启动燃料。
[0012] 技术方案5:根据根据技术方案4的系统,其中所述惰性气体源配置成引导所述惰性气体流以一定流速向所述燃料喷嘴流动,以使所述氢含量小于所述混合启动燃料的约5%体积百分比。
[0013] 技术方案6:根据上述一方面的系统,其中所述二次燃料源配置成引导
液化石油气流或
液化天然气流中的至少一者向所述燃料喷嘴流动。
[0014] 另一方面,本实用新型提供一种用在燃气涡轮发动机中的燃料供给系统。所述燃料供给系统包括燃料喷嘴;工艺燃料源,所述工艺燃料源配置成引导工艺燃料流向所述燃料喷嘴流动;以及惰性气体源,所述惰性气体源配置成引导惰性气体流向所述燃料喷嘴流动,其中所述惰性气体流与所述工艺燃料流混合以形成氢含量小于所述工艺燃料的混合启动燃料,并且所述混合启动燃料在所述燃气涡轮发动机的启动期间从所述燃料喷嘴排出。
[0015] 除了上述另一方面的燃料供给系统之外,本实用新型还提供基于上述另一方面的燃料供给系统的以下技术方案:
[0016] 技术方案7:根据上述另一方面的系统,其中,所述惰性气体源配置成引导所述惰性气体流以一定流速向所述燃料喷嘴流动,以使所述氢含量小于所述混合启动燃料的约5%体积百分数。
[0017] 技术方案8:根据上述另一方面的系统,其中,所述惰性气体源配置成引导所述惰性气体流以一定流速向所述燃料喷嘴流动,以使所述混合启动燃料的热值低于所述工艺燃料。
[0018] 技术方案9:根据上述另一方面的系统,进一步包括燃料供给管线,所述燃料供给管线配置成引导所述混合启动燃料向所述燃料喷嘴流动,其中所述混合启动燃料形成在所述燃料喷嘴上游的所述燃料供给管线中。
[0019] 技术方案10:根据技术方案9的系统,进一步包括沿所述燃料供给管线连接的控制阀组件,所述控制阀组件包括:
[0020] 工艺燃料控制阀;以及
[0021] 启动燃料控制阀,所述启动燃料控制阀沿所述燃料供给管线与所述工艺燃料控制阀并联,其中所述工艺燃料控制阀和所述启动燃料控制阀能够基于所述燃气涡轮发动机的操作条件选择性地进行操作。
[0022] 技术方案11:根据上述另一方面的系统,其中所述燃料喷嘴配置成接收所述工艺燃料流和所述惰性气体流,以使所述混合启动燃料在所述燃料喷嘴内形成。
[0023] 技术方案12:根据上述另一方面的系统,其中所述惰性气体源配置成引导氮气流或二
氧化
碳流中的至少一者向所述燃料喷嘴流动。
[0024] 又一方面,本实用新型提供一种燃气涡轮组件。所述组件包括燃烧器,所述燃烧器包括至少一个燃料喷嘴和燃料供给系统,所述燃料供给系统配置成向所述燃烧器供给燃料。所述燃料供给系统包括:工艺燃料源,所述工艺燃料源配置成引导工艺燃料流向所述至少一个燃料喷嘴流动;以及二次燃料源,所述二次燃料源配置成引导二次燃料流向所述至少一个燃料喷嘴流动。所述二次燃料流与所述工艺燃料流混合以形成热值高于所述工艺燃料的混合启动燃料,并且所述混合启动燃料在所述燃气涡轮组件的启动期间从所述至少一个燃料喷嘴排出。
[0025] 除了上述又一方面的燃气涡轮组件之外,本实用新型还提供基于上述又一方面的燃气涡轮组件的以下技术方案:
[0026] 技术方案13:根据上述又一方面的组件,其中所述至少一个燃料喷嘴配置成接收所述工艺燃料流和所述二次燃料流,以使所述混合启动燃料在所述至少一个燃料喷嘴内形成。
[0027] 技术方案14:根据上述又一方面的组件,进一步包括燃料供给管线,所述燃料供给管线配置成引导所述混合启动燃料向所述至少一个燃料喷嘴流动,其中所述混合启动燃料形成在所述至少一个燃料喷嘴上游的所述燃料供给管线中。
[0028] 技术方案15:根据技术方案14的组件,进一步包括沿所述燃料供给管线连接的控制阀组件,所述控制阀组件包括:
[0029] 工艺燃料控制阀;以及
[0030] 启动燃料控制阀,所述启动燃料控制阀沿所述燃料供给管线与所述工艺燃料控制阀并联,其中所述工艺燃料控制阀和所述启动燃料控制阀能够基于所述燃气涡轮组件的操作条件选择性地进行操作。
[0031] 技术方案16:根据上述又一方面的组件,进一步包括惰性气体源,所述惰性气体源配置成引导惰性气体流向所述至少一个燃料喷嘴流动,其中所述惰性气体流与所述工艺燃料流混合以形成氢含量小于所述工艺燃料的所述混合启动燃料。
[0032] 技术方案17:根据技术方案16的组件,其中所述惰性气体源配置成引导所述惰性气体流以一定流速向所述至少一个燃料喷嘴流动,以使所述氢含量小于所述混合启动燃料的约5%体积百分数。
附图说明
[0033] 图1为示例性燃气涡轮组件的示意图;
[0034] 图2为可以与图1所示的燃气涡轮组件一起使用的示例性燃料供给系统的示意图;以及
[0035] 图3为可以与图1所示的燃气涡轮组件一起使用的替代燃料供给系统的示意图。
具体实施方式
[0036] 本实用新型的
实施例涉及使用包括工艺气体的燃料启动燃气涡轮发动机的系统。在所述示例性实施例中,诸如液化石油气或液化天然气等高热值气体与工艺燃料混合,以使混合工艺燃料满足燃气涡轮发动机的某些燃烧要求 (例如,热值下限)。此外,惰性气体可以与混合工艺燃料混合,以确保混合工艺燃料的氢含量小于预定
阈值。因此,混合工艺燃料可以用于启动燃气涡轮发动机而不使用诸如天然气或液体燃料等启动燃料,从而消除与使用启动燃料启动燃气涡轮发动机相关的设备和成本。
[0037] 本
说明书中所用的术语“轴向”和“轴向地”是指大体平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。此外,术语“径向”和“径向地”是指大体垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。另外,本说明书中所用的术语“周向”和“周向地”是指围绕涡轮发动机的中心线弓形地延伸的方向和定向。
[0038] 图1为示例性燃气涡轮组件10的示意图。在所述示例性实施例中,燃气涡轮组件10包括燃气涡轮发动机12,所述燃气涡轮发动机包括压缩机14和设置在压缩机14下游的燃烧器组件16。燃气涡轮发动机12进一步包括设置在燃烧器组件16下游的涡轮18。
[0039] 在操作中,进气流20被引导穿过压缩机14,并且压缩空气流从压缩机 14排出并且被引导向燃烧器组件16流动,在所述燃烧器组件内,所述空气与燃料混合并燃烧以形成向涡轮18排出的燃烧气体流。从燃烧器组件16排出的燃烧气体流围绕燃气涡轮发动机12的中心线22驱动涡轮18,并且燃烧气体流被引导穿过涡轮18,然后以排气流24的形式从燃气涡轮发动机12中排出。
[0040] 图2为可以与燃气涡轮组件10(图1所示)一起使用的示例性燃料供给系统100的示意图。在所述示例性实施例中,燃料供给系统100包括第一燃料
歧管102,所述第一燃料歧管将燃料供给到燃烧器组件16(图1所示)的至少一个燃料喷嘴104。燃料供给系统100还包括工艺燃料源106,所述工艺燃料源引导工艺燃料流108向至少一个燃料喷嘴104流动;二次燃料源 110,所述二次燃料源引导二次燃料流112向至少一个燃料喷嘴104流动;以及惰性气体源114,所述惰性气体源引导惰性气体流116向至少一个燃料喷嘴104流动。示例性工艺燃料包括但不限于合成气、焦炉气、高炉煤气、熔融还原炼铁炉(Corex)气及精炼气。此外,示例性二次燃料包括但不限于液化石油气和液化天然气。另外,示例性惰性气体包括但不限于氮气和二氧化碳。
[0041] 燃料供给系统100还包括引导燃料向至少一个燃料喷嘴104流动的燃料供给管线118、沿燃料供给管线118连接在第一注射
位置122处的二次燃料管线120以及沿燃料供给管线118连接在第二注射位置126处的惰性气体管线124。热量计128和气体分析器130沿燃料供给管线118连接。热量计128 经设置以确定工艺燃料流108的较低热值,而气体分析器130经设置以确定工艺燃料流108的氢含量。更确切地说,热量计128和气体分析器130设置在第一注射位置122和第二注射位置126的下游。因此,如下文更详细所述,热量计128和气体分析器130经设置以便能够通过在第一注射位置122和第二注射位置126处注射二次燃料112和惰性气体116来动态地确定和调整工艺燃料108的较低热值和氢含量。
[0042] 燃料供给系统100进一步包括排气阀132、
截止阀134以及控制阀组件 136,所述控制阀组件设置在源106、110和114与第一燃料歧管102之间。截止阀134选择性地启动以控制被引导流向第一燃料歧管102的燃料流,并且当截止阀134处于关闭位置时,排气阀132排出残留在燃料供给管线118 中的燃料。此外,控制阀组件136包括工艺燃料控制阀138和启动燃料控制阀140,所述启动燃料控制阀沿燃料供给管线118与工艺燃料控制阀138并联。启动燃料控制阀140经尺寸设置以允许相较于工艺燃料控制阀138,引导较少燃料流向至少一个燃料喷嘴104流动,以促进燃气涡轮组件10的正确启动。如下文更详细所述,工艺燃料控制阀138和启动燃料控制阀140能够基于燃气涡轮组件10的操作条件以及基于要引导流向至少一个燃料喷嘴104 的燃料的类型而进行选择性地操作。
[0043] 在操作中,工艺燃料源106引导工艺燃料流108向至少一个燃料喷嘴 104流动,并且二次燃料源110引导二次燃料流112向至少一个燃料喷嘴104 流动,以使二次燃料流112与工艺燃料流108混合以形成热值高于工艺燃料 108的混合启动燃料142。提高工艺燃料108的热值使得包括工艺燃料108的混合物能够用在燃气涡轮组件10的启动期间。如图2所示,混合启动燃料 142在至少一个燃料喷嘴104上游的燃料供给管线118中形成。因此,混合启动燃料142被引导流向至少一个燃料喷嘴104并在燃气涡轮组件10的启动期间从至少一个燃料喷嘴104排出,并且随着燃气涡轮组件10接近稳态操作条件时,仅引导工艺燃料108流向至少一个燃料喷嘴104。
[0044] 更确切地说,控制阀组件136能够选择性地基于燃气涡轮组件10的操作条件进行操作。例如,在燃气涡轮组件10的启动期间,工艺燃料控制阀138 驱动到关闭位置,并且启动燃料控制阀140驱动到打开位置,以使混合启动燃料142被引导流向至少一个燃料喷嘴104。随着燃烧涡轮组件10接近稳态操作条件,工艺燃料控制阀138驱动到打开位置,并且启动燃料控制阀140 驱动到打开/关闭位置,以便仅引导工艺燃料108流向至少一个燃料喷嘴
104。工艺燃料控制阀138和启动燃料控制阀140也可以驱动到打开位置和关闭位置之间的中间位置。
[0045] 在一些实施例中,惰性气体源114引导惰性气体流116向至少一个燃料喷嘴流动,以使惰性气体流116与工艺燃料流108混合以形成氢含量小于工艺燃料108的混合启动燃料142。更确切地说,气体分析器130确定工艺燃料108的氢含量,并且当确定工艺燃料108的氢含量
水平大于预定阈值并处于不安全水平时,惰性气体116与工艺燃料108混合。因此,惰性气体源 114选择性地引导惰性气体流116以一定流速向至少一个燃料喷嘴流动,以使混合启动燃料142的氢含量处于混合启动燃料的安全体积百分比。在一个实施例中,氢含量小于混合启动燃料的约5%体积百分数。
[0046] 图3为可以与燃气涡轮组件10(图1所示)一起使用的替代燃料供给系统144的示意图。在所述示例性实施例中,燃料供给系统144包括与二次燃料源110流动连通地连接的第二燃料歧管146。所述至少一个燃料喷嘴104 经由第一燃料歧管102从源106接收工艺燃料流108,并且经由第二歧管146 从源110接收二次燃料流112。更确切地说,工艺燃料流108和二次燃料流 112被引导穿过至少一个燃料喷嘴104内的相应通道(未示出),并在其中的混合区内混合,以使混合启动燃料142在燃料喷嘴104内形成。因此,在形成混合启动燃料142时,可以使用浓度较大、量较少的二次燃料112以增加工艺燃料108的热值。
[0047] 本实用新型使用多个实例来公开各种实施方式,包括最佳模式,并且还使本领域中的任何技术人员能够实践各种实施方式,包括制造并使用任何装置或系统以及执行所涵盖的任何方法。本实用新型的可取得
专利权的范围由
权利要求书限定,并且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其他实例的结构要素与权利要求书的书面语言无不同,或者如果其他实例包括与权利要求书的书面语言无实质不同的等效结构元素,则这些其他实例在权利要求书的范围内。