[发明专利]燃气涡轮发动机的燃料输送系统以及相关方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机燃料系统，确切地说，涉及一种燃料输送系统和方法，用于将不同类型燃料的可控混合物提供给燃气涡轮发动机的燃烧室，以便提高发动机的燃料灵活性和效率，其中一种燃料名义上包括石脑油或液体馏出物，且另一燃料包括过程气体（或合成气），该过程气体（或合成气）含有体积百分比较高的游离氢。本发明的其他方面涉及从一种燃料类型有效转换成另一燃料类型，以便提高发动机的整体燃料灵活性。

背景技术

现代燃气涡轮发动机要求精确地监测燃料系统并对其进行控制，尤其是对馈送到燃烧室的燃料混合物的各种成分而言，从而将发动机的性能和效率长期维持在所需水平。过去，燃气涡轮机操作时使用的是高能燃料（例如，天然气）与低能燃料（例如，合成气）的组合，这通常会因不同燃料源不相容而造成严重的操作问题，尤其是在燃料源于各地而燃料成分不同，例如，硫含量较高或热值较低的情况下。

任何双气体燃料系统的设计和操作也比较复杂，因为在组合成单燃料时，候选燃料的化学特性、热特性以及流体输送特性各不相同。例如，与仅仅依赖高能燃料的涡轮机相比，用低能燃料操作燃气涡轮发动机需要的体积流速要高得多。此外，低能燃料可能来源于上游气化过程，它通常必须在高于常温，例如，高达或超过500°F（260°C）的情况下供应给燃气涡轮发动机，因此，需要有硬件能调节和控制燃料温度和体积流速发生的较大变化。如果所产生的燃料混合物的平均分子量和热特性随时间改变，则使用不同类型燃料的混合物进行的燃烧室操作也变复杂。

一些工业燃气涡轮机也能够用包括天然气在内的液体和气体燃料来运行，因此，可以包括依赖于液体和气体燃料的燃料供应系统。然而，此类已知的燃气涡轮发动机并不同时燃烧气体和液体燃料。实际上，当涡轮机依赖的是液体燃料时，气体燃料供应（例如，高氢气体或天然气）可能要被关闭或严格限制。类似地，在燃烧室燃烧的只有气体燃料时，所有的液体燃料供应通常都被中断。尽管在燃气涡轮机的操作过程中可以发生燃料转换，在燃料转换过程中，燃料供应从液体改换成气体，但燃料类型之间来回转换会在操作和燃料控制方面产生严重而又难以解决的问题。

如果燃气涡轮发动机燃烧的是液体和气体两种燃料，那么它们通常还需要设置液体燃料净化系统，用以清理液体燃料燃烧室中的燃料喷嘴和/或相关燃料转换管路。例如，在液体燃料系统关闭时，净化系统进行运作，以便将所有的剩余液体燃料从燃烧室的喷嘴中冲出，这通常由进入喷嘴的冷却空气流来完成。此类净化操作固有的效率较低，从而降低了发动机效率，尤其是在初级燃料供应改变形态或改变潜在热值的情况下。

因此，对有效的“双气体”涡轮机燃料系统的需求仍然很大，这种系统能以更有效的方式调节和控制由以下三项组成的混合物的输送和使用：高能燃料、低能燃料或配合比不固定的高能燃料与低能燃料。还需要这样一些方法和系统：它们可以连续而可靠地提供不同燃料（液体和气体），用于从一种燃料源平稳转变成另一燃料源，而不会在转变过程中发生显著的延迟或是操作方面的更改。

发明内容

如下文结合相关图式详述，本发明包括一种用于燃气涡轮机的新型燃料输送系统，从而使燃料的使用以及燃料在不同形式之间的转换变得有效和简单，同时不会对燃气涡轮发动机的整体性能产生不利影响。在示例性实施例中，本发明包括一种燃料气体组件，所述燃料气体组件包括体积百分比较高的游离氢（下文称为“高氢燃料气体”）。本发明还包括：用于将气体燃料输送到燃气涡轮机的一个或多个燃烧室的装置；馏出物燃料组件，其将第一液体燃料提供给所述燃烧室；石脑油燃料组件，其将第二液体燃料（例如，石脑油）输送到所述燃烧室；雾化空气输送系统，其连接到所述燃烧室，用于将所述石脑油或馏出物燃料（或者它们的组合）雾化；空气抽取系统，其连接到所述燃烧室的排出口；以及多个分配控制阀，其用于以下每个组件：所述高氢燃料气体组件、馏出物燃料组件以及石脑油燃料组件。

为了有效地从一种燃料源转换成另一燃料源，本发明还预期使用独立的氮气净化组件，以首先净化通向燃烧室的现有高氢燃料气体或液体燃料馈送管路，其中分配控制阀转到新的候选燃料。在示例性实施例中，高氢燃料气体含有的氢气从体积占至少5%到最大程度的纯氢。

如下文详述，本发明还包括一种用于将馈送到燃气涡轮机燃烧室的燃料成分从气体燃料有效变成液体燃料的相关方法，方式为：将可控量的高氢燃料气体馈送到所述燃烧室；使用多个分配控制阀来关闭氢气流；用氮气来净化运送所述高氢燃料气体的管路；将可控量的液体燃料馈送到相同的燃烧室；以及将来自雾化空气组件的加压空气馈送到所述燃烧室，以将所述液体燃料雾化。