專利名稱：用于預(yù)熱燃料的廢熱利用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來預(yù)熱發(fā)電機(jī)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的燃料的方法和設(shè)備，且更具體地， 涉及從用于渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的軸承的潤滑油中吸取熱，且將該熱應(yīng)用于渦輪機(jī)用的相對(duì)冷 的進(jìn)入燃料以預(yù)熱該燃料。
背景技術(shù)：
近年來，管道天然氣燃料價(jià)格引人注目地持續(xù)增長(zhǎng)，促使重型燃?xì)鉁u輪發(fā)電設(shè)備 為抵抗增長(zhǎng)的燃料成本而探索節(jié)省成本的方法。隨著發(fā)電設(shè)備中對(duì)更高熱效率的要求增 力口，數(shù)量增長(zhǎng)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備正在結(jié)合氣體燃料加熱作為改善整體效率的手段。氣體 燃料加熱器可用來在燃?xì)鉁u輪機(jī)中燃燒前預(yù)熱燃料。氣體燃料加熱可減少為達(dá)到特定燃燒 溫度所需的燃料量，從而改善耗熱率。從露點(diǎn)考慮也要求氣體燃料的預(yù)熱。確定過熱要求以確保在氣體燃料運(yùn)行期間氣 體沒有液體，尤其是烴的小滴。過熱是氣體燃料的供給溫度和相應(yīng)的露點(diǎn)溫度之間的溫度 差異。露點(diǎn)加熱器被用來增加所需的過熱量。簡(jiǎn)單循環(huán)的發(fā)電設(shè)備典型地使用燃燒燃?xì)獾摹?燃燒油的或電的加熱器來加熱燃料，而聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電設(shè)備在最適宜的位置處可以使用從 熱回收蒸汽發(fā)電機(jī)(HRSG)抽取的給水。在現(xiàn)有的渦輪發(fā)電設(shè)備中，熱在密封油、渦輪回轉(zhuǎn)裝置、燃?xì)鉁u輪機(jī)軸承、發(fā)電機(jī) 軸承和發(fā)電機(jī)冷卻水中產(chǎn)生。當(dāng)前，來自燃?xì)鉁u輪機(jī)潤滑油、發(fā)電機(jī)和輔助系統(tǒng)的廢熱經(jīng)由 設(shè)備輔助冷卻水被排至大氣。需要捕獲此廢熱中的一些來加熱渦輪機(jī)燃料。此廢熱吸取將 為燃燒渦輪發(fā)電設(shè)備提高效率、減少熱損失、提高燃料利用以及降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
以下呈現(xiàn)了本發(fā)明的簡(jiǎn)化概要，以提供對(duì)本發(fā)明的一些示例方面的基本理解。此 概要不是本發(fā)明的廣泛綜述。而且，此概要并非意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵元件，也不是意圖描 繪本發(fā)明的范圍。本概要的唯一目的是以簡(jiǎn)化的形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念，作為之后呈 現(xiàn)的更詳細(xì)描述的前奏。根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用來預(yù)熱渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件用的燃料的廢熱利用系 統(tǒng)。該構(gòu)件包括至少一個(gè)發(fā)熱源。該系統(tǒng)包括用來將來自該至少一個(gè)發(fā)熱源的熱應(yīng)用于渦 輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的相對(duì)冷的燃料、以在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料的器件。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用來預(yù)熱渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件用的燃料的廢熱利用 方法。該方法包括從渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件中的至少一個(gè)發(fā)熱源吸取熱，并將該熱應(yīng)用于渦輪發(fā) 動(dòng)機(jī)構(gòu)件用的相對(duì)冷的燃料，以在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料。根據(jù)又一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種方法，該方法提供一種用來預(yù)熱給發(fā)電機(jī)提供 動(dòng)力的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所用的燃料的廢熱利用系統(tǒng)。該渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和/或發(fā)電機(jī)包括至少一個(gè) 發(fā)熱源。該方法包括提供用來將來自該至少一個(gè)發(fā)熱源的熱應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的相對(duì)冷 的燃料、以在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料的器件。


對(duì)本發(fā)明涉及的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在參照附圖閱讀以下具體實(shí)施方式
后，將 更清楚本發(fā)明的前述和其他方面。在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)潤滑油循環(huán)系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的改型的示意圖；圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一方面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的另一改型的示意圖；以及圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一方面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的另一改型的示意圖。部件列表1 圖(3)2 圖3 圖4 圖10—組冗余的交流電泵10 泵12 主油箱(4)14直流電泵16 一對(duì)冗余的油到水熱交換器16油到水熱交換器16熱交換器⑵16熱交換器18 一對(duì)冗余的油到水熱交換器18油到水熱交換器18熱交換器⑵18熱交換器20單向閥22過濾器24過濾器26回轉(zhuǎn)裝置30渦輪發(fā)電機(jī)軸承32 管線34隔離閥34隔離閥36管式安全熱交換器36熱交換器(4)38進(jìn)入燃料管線38 管線40隔離閥40隔離閥
42 管線44止回閥46隔離閥58調(diào)節(jié)閥60調(diào)節(jié)閥62 泵64 管線66管式熱交換器66熱交換器68 隔離閥(2)68 閥70 管線72關(guān)閉的調(diào)節(jié)閥74隔離閥74關(guān)閉的隔離閥86調(diào)節(jié)閥88 泵(2)90 管線92管式熱交換器92熱交換器⑵92熱交換器⑵94 隔離閥(2)94 閥96 管線98管式熱交換器98熱交換器98熱交換器(2)100 管線(2)102單向止回閥104單向止回閥104單向止回閥104止回閥106輔助冷卻水箱(3)108 管線110 管線116打開的閥116關(guān)閉的調(diào)節(jié)閥116打開的閥118隔離閥
134調(diào)節(jié)器134關(guān)閉的閥136調(diào)節(jié)器
136關(guān)閉的閥138關(guān)閉的調(diào)節(jié)閥138打開的閥
具體實(shí)施例方式在圖中描述和圖示了結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的示例性實(shí)施例。這些圖示的 示例并非意圖成為對(duì)本發(fā)明的限制。例如，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面可在其他實(shí)施例甚至 其他類型的裝置中利用。此外，某些術(shù)語僅為了便利而在本文使用，并非作為對(duì)本發(fā)明的限 制。更進(jìn)一步講，在圖中，使用相同標(biāo)號(hào)指示相同元件?，F(xiàn)在參考附圖，且特別地參考圖1，圖示了一種現(xiàn)有的燃?xì)鉁u輪機(jī)潤滑油示意圖。 潤滑油通過一組冗余的交流電泵10循環(huán)，該組冗余的交流電泵10從主油箱12抽吸潤滑 油。提供直流電泵14以防到該場(chǎng)所的交流電中斷。相對(duì)熱的潤滑油從主油箱12泵送至一對(duì)冗余的油到水熱交換器16和18的其中 一個(gè)，潤滑油在該處被冷卻。該“相對(duì)熱的”狀態(tài)意在被廣義地解釋并覆蓋大的溫度范圍。 在某些方面中，箱12中油的實(shí)際溫度將依賴于由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件(例如裝置和/或軸承 26-30)給予油的熱量。通常，短語“相對(duì)熱的”意思是溫度比燃料的溫度高一個(gè)差值，該差 值足可用來如以下更進(jìn)一步所討論地加溫燃料。熱交換器的其中一個(gè)處于備用狀態(tài)，并可 以通過三向閥即時(shí)地轉(zhuǎn)換。在通過過濾器22或24后，油被輸送至回轉(zhuǎn)裝置26、發(fā)電機(jī)軸承 28以及渦輪發(fā)電機(jī)軸承30。應(yīng)該理解的是裝置和/或軸承26-30是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的示 例性部分。且渦輪機(jī)與可能的相關(guān)發(fā)電機(jī)以及機(jī)械驅(qū)動(dòng)器是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件裝置的一個(gè)示 例。在潤滑旋轉(zhuǎn)設(shè)備并從旋轉(zhuǎn)設(shè)備吸收熱后，油被返回到主油箱12。油到水熱交換器16和18典型地提供有包括大約25%的乙二醇和75%的水的冷 卻劑，冷卻劑通過熱交換器循環(huán)，熱在該處被冷卻劑吸取。設(shè)備輔助冷卻水系統(tǒng)最終將從冷 卻劑吸取的廢熱排向大氣。潤滑系統(tǒng)中包括各種感測(cè)裝置(未顯示)以確保箱中足夠的油 高、油壓以及油溫?，F(xiàn)在參考圖2，在圖1中圖示的現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)顯示為通過根據(jù)本發(fā) 明的一個(gè)方面的一種裝置而被改型。相對(duì)熱的潤滑油從主油箱被抽吸，并通過管線32和隔離閥34轉(zhuǎn)向至雙層壁或管 的安全熱交換器36。雙層壁或管的安全熱交換器被用于要避免熱交換介質(zhì)混合的地方。當(dāng) 然，用于熱交換的結(jié)構(gòu)可以變化。在熱交換器36中，與進(jìn)入的相對(duì)冷的渦輪機(jī)用天然氣燃 料交換熱，該燃料通過隔離閥40從進(jìn)入燃料管線38轉(zhuǎn)向。加熱的燃料被輸送到渦輪機(jī)，而 冷卻的潤滑油通過管線42經(jīng)止回閥44被輸送到潤滑油系統(tǒng)。然后，該潤滑油通過三向閥 20到達(dá)熱交換器16和18的其中一個(gè)，然后到達(dá)要潤滑的點(diǎn)。因此，熱交換器36是用來將 來自至少一個(gè)發(fā)熱源的熱應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的相對(duì)冷的燃料、從而在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料 的器件的部分的一個(gè)示例。該“相對(duì)冷的”狀態(tài)被廣義地解釋，并覆蓋大的溫度范圍。在某 些方面，燃料的實(shí)際溫度將取決于存儲(chǔ)燃料時(shí)周圍的溫度和進(jìn)入燃料管線38延伸通過的環(huán)境的溫度。通常，短語“相對(duì)冷的”意味著溫度低于期望的溫度，在期望的溫度下，燃料可 被燃燒以從渦輪機(jī)獲得最大的功率輸出和/或燃料經(jīng)濟(jì)性。此外，“相對(duì)冷的”與油的溫度 相關(guān)，使得燃料的溫度比相對(duì)冷的燃料高一個(gè)差值，該差值足可用來加溫燃料。應(yīng)該了解的 是該示例預(yù)期不限制本發(fā)明的范圍。
為了在熱交換器36的常規(guī)維護(hù)或被感測(cè)到故障期間從現(xiàn)有系統(tǒng)隔離燃料氣體和 潤滑油的轉(zhuǎn)向，隔離閥34和40被打開，隔離閥46、48、50、52、54、56以及調(diào)節(jié)閥58和60被 關(guān)閉。在回路處于此情況下，管線38中的燃料氣體被直接輸送到渦輪機(jī)，而熱交換器36被 隔離，且潤滑油從泵10直接循環(huán)經(jīng)過熱交換器16和18的其中一個(gè)而到達(dá)要潤滑的位置。 所描述的所有閥都可以被電力驅(qū)動(dòng)或空氣驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在參考圖3，在圖1中圖示的現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)顯示為通過根據(jù)本發(fā) 明的另一方面的一種裝置而被改型。此裝置從潤滑油輔助冷卻水中得到熱，且使用該熱來 預(yù)熱相對(duì)冷的天然氣燃料。相對(duì)冷的輔助冷卻水通過泵62抽吸至熱交換器16和18，在此處該輔助冷卻水與 來自主油箱12的熱潤滑油交換熱。熱水通過管線64從熱交換器16或18被引導(dǎo)，并在雙 層壁或管的熱交換器66中與由隔離閥68轉(zhuǎn)向的進(jìn)入的冷天然氣燃料交換熱。加熱的燃料 被輸送到渦輪機(jī)，而冷卻的水通過管線70返回到輔助冷卻水箱。因此，該熱交換器66是用 來將來自至少一個(gè)發(fā)熱源的熱應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的相對(duì)冷的燃料、從而在燃燒前預(yù)熱該 燃料的器件的部分的另外一個(gè)示例。應(yīng)該了解的是該示例預(yù)期不限制本發(fā)明的范圍。為了在熱交換器66的常規(guī)維護(hù)或被感測(cè)到故障期間從冷卻水回路隔離燃料氣體 的轉(zhuǎn)向，隔離閥68和關(guān)閉的調(diào)節(jié)閥72被打開，而隔離閥74、76、78、80、82和84被關(guān)閉。通 過這種情況下的回路，燃料氣體經(jīng)過閥68被直接供向渦輪機(jī)，而熱交換器66被關(guān)閉的隔離 閥74-84和調(diào)節(jié)閥86隔離。然后輔助冷卻水通過熱交換器16和18供入，并通過打開的閥 116返回到輔助冷卻水箱?，F(xiàn)在參考圖4，圖1中圖示的燃?xì)鉁u輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)顯示為通過根據(jù)本發(fā)明的又 一方面的一種裝置進(jìn)行改型。此裝置從潤滑油輔助冷卻水得到廢熱，并用該廢熱來預(yù)熱相 對(duì)冷的天然氣燃料。此裝置也從發(fā)電機(jī)冷卻水得到廢熱并用該廢熱來進(jìn)一步預(yù)熱天然氣燃 料。相對(duì)冷的輔助冷卻水被泵88抽吸到熱交換器16和18，在此處該輔助冷卻水與來 自主油箱12的熱潤滑油交換熱。熱水由管線90從熱交換器16或18引導(dǎo)，并在雙層壁或 管的熱交換器92中與被隔離閥94轉(zhuǎn)向的進(jìn)入的冷天然氣燃料交換熱。相對(duì)冷的天然氣流 經(jīng)管線96到雙層壁或管的熱交換器98，到達(dá)熱交換器92，然后到渦輪機(jī)。冷卻的水經(jīng)管線 100，通過單向止回閥102和104，并流回輔助冷卻水箱106。相對(duì)冷的輔助冷卻水被泵88抽吸到發(fā)電機(jī)，在此處該輔助冷卻水被發(fā)電機(jī)加熱 并被抽吸到熱交換器98，然后通過管線108到熱交換器92。相對(duì)冷的水然后通過管線110 并通過單向止回閥104返回到輔助冷卻水箱。因此，熱交換器92和98是用來將來自至少 一個(gè)發(fā)熱源的熱應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的相對(duì)冷的燃料、從而在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料的器件的 部分的又一個(gè)示例。應(yīng)該了解的是該示例預(yù)期不限制本發(fā)明的范圍。為了在熱交換器98和92的其中一個(gè)或兩者的常規(guī)維護(hù)或被感測(cè)到故障期間從冷 卻水回路隔離燃料燃?xì)廪D(zhuǎn)向，隔離閥94和關(guān)閉的調(diào)節(jié)閥116和138被打開，而隔離閥118、120、124、126、128、130和132以及調(diào)節(jié)器134和136被關(guān)閉。通過這種狀況下的回路，燃料 氣體通過閥94被直接供向渦輪機(jī)，而熱交換器92和98被隔離。從熱交換器16和18流出 的水被關(guān)閉的閥134阻塞，并流經(jīng)打開的閥116，經(jīng)過管線100，通過止回閥104，而回到輔 助冷卻水箱106。發(fā)電機(jī)冷卻水被關(guān)閉的閥136阻塞并流經(jīng)打開的閥138到輔助冷卻水箱 106。從以上示例性結(jié)構(gòu)實(shí)施例將會(huì)了解的是相關(guān)的方法提供了本發(fā)明的其他方面。例如，根據(jù)一個(gè)其他的方面，本發(fā)明提供了用來預(yù)熱渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的燃料的廢熱利用方法，該 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)給發(fā)電機(jī)或機(jī)械驅(qū)動(dòng)構(gòu)件提供動(dòng)力。該方法包括從渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和/或發(fā)電機(jī)中 的至少一個(gè)發(fā)熱源吸取熱，并將該熱應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的相對(duì)冷的燃料，從而在點(diǎn)燃前 預(yù)熱該燃料。作為另一示例，根據(jù)又一方面，本發(fā)明提供了一種方法，該方法提供了用來預(yù) 熱給發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所用燃料的一種廢熱利用系統(tǒng)。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和/或發(fā)電 機(jī)包括至少一個(gè)發(fā)熱源。該方法包括提供一種器件，該器件用來將來自至少一個(gè)發(fā)熱源的 熱應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的相對(duì)冷的燃料、從而在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料。如另一個(gè)示例，根據(jù)聯(lián) 合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的情況下的本發(fā)明的另一個(gè)應(yīng)用，冷的氣體燃料典型地被在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn) 處從HRSG吸取的熱供給水在工作加熱器中加熱。燃?xì)鉁u輪機(jī)燃料在被廢熱利用系統(tǒng)加熱 后可被引進(jìn)工作加熱器，以在聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)中點(diǎn)燃前獲得額外的能量節(jié)省。已參照上述示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。其他人在閱讀和理解了本說明 書之后將想到多種改型和備選方案。只要此類改型和備選方案落入所附權(quán)利要求的范圍 之內(nèi)，則結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的示例性實(shí)施例均意圖包括所有此類改型和備選方 案。
權(quán)利要求
一種用來預(yù)熱渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件用的燃料的廢熱利用系統(tǒng)，該構(gòu)件包括至少一個(gè)發(fā)熱源(例如26-30)，該系統(tǒng)包括用來將來自所述至少一個(gè)發(fā)熱源的熱應(yīng)用于所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的相對(duì)冷的燃料以在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料的器件(例如36，66，92，98)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)發(fā)熱源(例如26-30)包括來 自所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的熱潤滑油。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件具有至少一個(gè)潤滑點(diǎn) (例如26-30)，且潤滑油被應(yīng)用于所述至少一個(gè)潤滑點(diǎn)并在該處變得相對(duì)熱，所述系統(tǒng)包 括用來從所述至少一個(gè)潤滑點(diǎn)抽吸(10)該相對(duì)熱的潤滑油的器件。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)發(fā)熱源包括被加熱的構(gòu)件冷 卻水(62)。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)發(fā)熱源包括被加熱的輔助冷 卻水(106,88)。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助冷卻水通過與來自所述渦輪發(fā)動(dòng) 機(jī)構(gòu)件的熱潤滑油交換熱(16，18)而被加熱。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，用來應(yīng)用熱的器件(例如36，66，92，98)包 括熱交換器。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換器(例如36，66，92，98)為雙層壁或管的熱交換器。
9.一種用來預(yù)熱渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件用的燃料的廢熱利用方法，包括從所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu) 件中的至少一個(gè)發(fā)熱源(例如26-30)吸取熱，以及將該熱(例如36，66，92，98)應(yīng)用于所 述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件用的相對(duì)冷的燃料，從而在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)發(fā)熱源(例如26-30)包括來 自所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的熱潤滑油。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于預(yù)熱燃料的廢熱利用，具體而言，涉及一種廢熱利用系統(tǒng)和用來預(yù)熱渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件用的燃料的相關(guān)方法。該渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件包括至少一個(gè)發(fā)熱源。該系統(tǒng)包括用來將來自至少一個(gè)發(fā)熱源的熱應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件用的相對(duì)冷的燃料以在點(diǎn)燃前預(yù)熱該燃料的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)F02C7/06GK101806250SQ20101012712
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月17日
發(fā)明者D·L·羅杰斯, D·拉什, K·J·格爾希, R·安尼格里 申請(qǐng)人:通用電氣公司