專利名稱：燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和提供供應(yīng)到燃燒器的燃料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說明書所公開的主題涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)，并且更特別地，涉及用于燃料重整(fuel reforming)以增強(qiáng)燃燒系統(tǒng)的可操作性的方法和裝置。
背景技術(shù)：
一種類型的燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器通過利用貧預(yù)混燃料燃燒過程實(shí)現(xiàn)低NOx排放水平，其中燃料和燃燒所有燃料所需的過量空氣在燃燒之前混合以控制并且限制熱NOx產(chǎn)生。常常被稱為干低NOx (DLN)燃燒器的該類型的燃燒器不斷地被重新設(shè)計(jì)從而以更高的效率工作，同時(shí)產(chǎn)生更少的有害空氣污染排放。通常通過增加燃燒室中的總氣體溫度而實(shí)現(xiàn)具有DLN燃燒器的燃?xì)鉁u輪機(jī)的更高效率。然而，典型地通過降低燃燒室中的最大氣體溫度而減小熱NOx排放。導(dǎo)致更熱燃燒室的更高效率的需要在某種程度上與低排放DLN燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)的管理要求矛盾。另外，如果燃燒室中的燃料-空氣混合物過貧并且燃燒溫度過冷，則會發(fā)生一氧化碳(CO)和未燃烴(UHC)的過量排放。CO和UHC排放由不完全燃料燃燒產(chǎn)生。反應(yīng)區(qū)中的溫度應(yīng)當(dāng)足夠高以支持完全燃燒或者在實(shí)現(xiàn)平衡之前將熄滅化學(xué)燃燒反應(yīng)。同時(shí)溫度應(yīng)當(dāng)足夠低以防止過量NOx形成。用于改善該折衷的一種方法是通過將氫或其它非甲烷烴燃料種類加入標(biāo)準(zhǔn)燃料以增加燃燒器的反應(yīng)性。催化重整器(Catalytic reformer)已用于從燃料產(chǎn)生氫以給送到燃燒器。然而催化重整器是昂貴的并且會需要定期維護(hù)或更換。例如，催化劑活性會隨著時(shí)間減小，由此需要為重整器再裝新催化劑。另一個(gè)潛在的問題是重整器催化劑變?yōu)槔缬扇剂现械牧蚨竞?，阻止從燃料正常地形成氫。DLN燃燒器通常由壓力振蕩限制，所述壓力振蕩由于它們能夠適應(yīng)不同燃料而被稱為“動力學(xué)”。這是由于由所需的體積燃料流的變化產(chǎn)生的噴射系統(tǒng)的壓力比的變化。該約束由修正沃泊指數(shù)(Modified Wobbe Index)限定；即，燃燒系統(tǒng)將具有用于改善動力學(xué)的設(shè)計(jì)沃泊值。修正沃泊指數(shù)(麗I)與以BTU/scf為單位的較低加熱值成正比并且與燃料相對于空氣的比重和以蘭金(Rankine)度計(jì)的燃料溫度的乘積的平方根成反比。DLN燃燒器通常被設(shè)計(jì)成在MWI的窄范圍內(nèi)操作，典型地與設(shè)計(jì)目標(biāo)的偏差不大于±5%MWI。當(dāng)燃料組成變化(例如燃料供應(yīng)中的惰性氣體的量減小)時(shí)，MWI可能漂移到不與設(shè)計(jì)范圍一致，例如需要控制動作以相應(yīng)地減小渦輪機(jī)負(fù)荷或改變?nèi)剂蠝囟?。燃?xì)鉁u輪機(jī)越來越多地暴露于MWI變動，原因是氣體燃料源變得更多樣，部分地由于液態(tài)天然氣的市場的滲透并且也部分地由于新的環(huán)境技術(shù)，例如生物燃料和合成氣。將燃?xì)鉁u輪機(jī)中的MWI控制為固定設(shè)定點(diǎn)將減小燃料源麗I的該變動的影響。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)包括壓縮器、燃燒器、渦輪機(jī)和燃料系統(tǒng)，所述燃料系統(tǒng)包括被配置成將來自燃料源的燃料提供給所述燃燒器的一個(gè)或多個(gè)燃料回路。所述系統(tǒng)也包括與所述一個(gè)或多個(gè)燃料回路流體連通的非催化燃料重整器(non-catalytic fuel reformer),其中所述非催化燃料重整器被配置成按照預(yù)定比率接收來自氧化劑流的氧化劑和所述一個(gè)或多個(gè)燃料回路中的燃料的份額(a fraction offuel)并且重整燃料的所述份額以產(chǎn)生部分氧化燃料。所述系統(tǒng)還包括將次級燃料流加入來自所述非催化燃料重整器的部分氧化燃料的次級燃料供應(yīng)、將蒸汽流加入來自所述非催化燃料重整器的部分氧化燃料的蒸汽供應(yīng)，以及在所述非催化燃料重整器的下游部分中的非催化反應(yīng)通道，所述非催化反應(yīng)通道被配置成接收所述次級燃料流、所述蒸汽流和所述部分氧化燃料的混合物。所述系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被配置成調(diào)節(jié)至所述非催化燃料重整器的燃料流、至所述非催化燃料重整器的氧化劑流、所述次級燃料流和所述蒸汽流中的至少一個(gè)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種用于提供供應(yīng)到燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)燃燒器的燃料的方法，所述方法包括在缺少催化劑的情況下用非催化燃料重整器部分地氧化所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)燃料回路中的初級燃料的份額以形成重整產(chǎn)物，其中初級燃料的所述份額和氧化劑在所述非催化燃料重整器中按照預(yù)定比率混合并且燃燒。所述方法也包括通過將選定量的次級燃料和選定量的蒸汽引導(dǎo)到燃料的所述部分氧化份額中導(dǎo)致所述非催化燃料重整器中的非催化反應(yīng)通道中的水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)，由此產(chǎn)生重整產(chǎn)物，以及混合所述重整產(chǎn)物和燃料的剩余份額以產(chǎn)生混合燃料流并且將所述混合燃料流供應(yīng)到所述一個(gè)或多個(gè)燃燒器。根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述，這些和其它優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更明顯。


·在本說明書的結(jié)論部分的權(quán)利要求中特別地指出并且清楚地要求被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述，本發(fā)明的前述和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中:圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的示意圖；以及圖2是與圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的與燃料回路流體連通的重整器的示例性實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
通過例子并參考附圖解釋本發(fā)明的實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征。附圖標(biāo)記列表:10 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)12 壓縮器14 燃燒器108入口16 渦輪機(jī)110重整器管路18 控制系統(tǒng)112出口20 入口管道系統(tǒng)114氧化劑入口21 入口導(dǎo)向葉片116氣體流22 排氣系統(tǒng)117部分24 發(fā)電機(jī)118剩余物流25 致動器121燃燒區(qū)域26 傳感器122次級燃料流(噴射)28 燃料控制器123通道
32非催化燃料重整器124蒸汽流100非催化燃料重整器126反應(yīng)區(qū)域102燃料回路128重整產(chǎn)物流104燃料管路(Reformate flow)106閥
具體實(shí)施例方式在本說明書中描述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)，并且更特別地，描述用于富預(yù)混燃料重整以增強(qiáng)燃燒系統(tǒng)的可操作性的方法和裝置。所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)利用與一個(gè)或多個(gè)燃料回路流體連通的非催化燃料重整器來部分地氧化給送到燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃料流的一部分。燃料重整器提供一種手段以與引入燃料流的MWI無關(guān)地并且在缺少昂貴催化劑的情況下將進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)中的MWI控制在固定設(shè)定點(diǎn)內(nèi)。通過控制轉(zhuǎn)移到進(jìn)入非催化燃料重整器的初級燃料流的總?cè)細(xì)鉁u輪機(jī)燃料的份額控制MWI。而且，非催化燃料重整器提供選定量的蒸汽和選定量的次級燃料，所述次級燃料與部分氧化燃料(也被稱為“氧化燃料”、“重整燃料”或“重整產(chǎn)物”)組合以產(chǎn)生將與燃料流混合的附加氫和/或一氧化碳(CO)。次級燃料和蒸汽的加入促進(jìn)水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)，該反應(yīng)從部分氧化燃料產(chǎn)生氫和CO，而且在重整器的反應(yīng)區(qū)域中沒有催化劑。水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)由CH4+H20=3H2+C0描述。非催化燃料重整器與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)可操作地連通以根據(jù)需要提供燃料調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)所需的排放控制(例如N0x、C0、UHC)或可操作性(例如燃燒壓力振蕩，也被稱為燃燒動力學(xué)或動力學(xué))。當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“燃料重整器” 一般指的是被配置成在近化學(xué)計(jì)量或富燃料(即，缺氧)環(huán)境下重整與氧化劑預(yù)混的燃料的熱反應(yīng)器(thermal reactor)或常規(guī)燃燒器。如本說明書中所述的燃料重整器不利用催化劑，由此減小成本并且減小或消除再裝催化劑所必需的定期維護(hù)和與其關(guān)聯(lián)的成本。近化學(xué)計(jì)量或富燃料操作的選擇取決于正在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的特定目標(biāo)并且將被預(yù)先確定。如果目標(biāo)是主要控制MWI，則重整器可以以近化學(xué)計(jì)量燃料-空氣比操作，并且重整產(chǎn)物將是惰性(不可燃)燃燒產(chǎn)物，主要包括H2O和CO2,具有少量的CO，以及可以與氧化劑一起引入的剩余惰性氣體(N2)。重整產(chǎn)物的溫度將相對較高，并且在摻回(blend back)到主燃料氣體流中之前相對較高濃度的NOx將在重整產(chǎn)物中產(chǎn)生。相反地，如果目標(biāo)是控制MWI以及氫和CO的產(chǎn)生，同時(shí)限制NOx產(chǎn)生，則重整器可以在富燃料方案中、在產(chǎn)生高濃度的NOx的重整產(chǎn)物溫度以下操作。在任一情況下，重整器中的水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)區(qū)域被配置成接收部分氧化燃料、蒸汽流和次級燃料流的混合物。該混合物具有在水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)區(qū)域中反應(yīng)的足夠停留時(shí)間并且因此經(jīng)由吸熱水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生氫和CO。包括部分氧化燃料和增加量的氫和CO的重整產(chǎn)物從反應(yīng)區(qū)域流動并且然后與供應(yīng)到燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器的燃料的剩余部分混合以改善燃 燒器性能、排放和穩(wěn)定性。圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的示意圖，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)包括壓縮器12、燃燒器14和由驅(qū)動軸15聯(lián)接到壓縮器12的渦輪機(jī)16。在圖中可以看到，系統(tǒng)10可以具有單燃燒器或多個(gè)燃燒器(在圖中顯示了兩個(gè))。在一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器是DLN燃燒器。在另一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器是貧預(yù)混燃燒器。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)由操作者命令和控制系統(tǒng)18的組合管理。入口管道系統(tǒng)20將環(huán)境空氣溝連(channel)到壓縮器入口導(dǎo)向葉片21 (1.G.V),通過用致動器25進(jìn)行調(diào)制(modulation)，該壓縮器入口導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)到達(dá)壓縮器12的空氣的量。排氣系統(tǒng)22例如通過聲吸收、熱回收和可能的排放控制裝置溝連來自渦輪機(jī)16的出口的燃燒氣體。渦輪機(jī)16可以驅(qū)動產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)24或任何其它類型的機(jī)械負(fù)載。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的操作可以由檢測壓縮器12、渦輪機(jī)16、發(fā)電機(jī)24和周圍環(huán)境的各種條件的各種傳感器26監(jiān)測。例如，傳感器26可以監(jiān)測圍繞燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的環(huán)境溫度、壓力和濕度、壓縮器排出壓力和溫度、渦輪機(jī)廢氣溫度和排放以及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)的其它壓力和溫度測量。傳感器26也可以包括流量傳感器、速度傳感器、火焰檢測器傳感器、閥位置傳感器、導(dǎo)向葉片角度傳感器、動態(tài)壓力傳感器和感測關(guān)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的操作的各種參數(shù)的其它傳感器。當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，“參數(shù)”指的是物理屬性，其值可以用于限定燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的操作條件，例如在限定位置的溫度、壓力、流體流量等。除了上述傳感器26以外，在下述的非催化燃料重整器32之前和/或之后可以有充分地監(jiān)測、測量或推斷燃料屬性以確定燃料組成的一個(gè)或多個(gè)傳感器。傳感器可以感測以下的一個(gè)或多個(gè)份額(燃料)組成、氫含量、一氧化碳含量、表示燃料MWI的參數(shù)、燃料溫度、燃料和氧化劑流率、產(chǎn)物溫度等。流量控制器28響應(yīng)來自控制系統(tǒng)18的命令以連續(xù)地調(diào)節(jié)從燃料供應(yīng)流動到(一個(gè)或多個(gè))燃燒器14的燃料，并且燃料分流(至燃料回路的獨(dú)立控制燃料供應(yīng))到位于(一個(gè)或多個(gè))燃燒器14的每一個(gè)內(nèi)的多個(gè)燃料噴嘴噴射器(即，燃料回路)。流量控制器28也響應(yīng)控制蒸汽、氧化劑、初級和次級燃料流動到非催化燃料重整器32中的控制系統(tǒng)18的命令。通過經(jīng)由流量控制器28在若干燃料氣體控制閥當(dāng)中調(diào)節(jié)燃料分流，并且通過用控制系統(tǒng)18控制流動到非催化燃料重整器32的蒸汽、氧化劑、初級和次級燃料的流，在機(jī)械負(fù)載范圍上改善排放、火焰穩(wěn)定性、渦輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)和動力學(xué)?？刂葡到y(tǒng)18可以是具有(一個(gè)或多個(gè))處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述處理器執(zhí)行程序使用上述的傳感器輸入和使用來自另外操作者的指令來控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的操作。由控制系統(tǒng)18執(zhí)行的程序可以包括用于調(diào)節(jié)初級燃料流、氧化劑、蒸汽流、次級燃料流和燃料分流至IJ (一個(gè)或多個(gè))燃燒器14的調(diào)度算法。更具體地，由控制系統(tǒng)生成的指令導(dǎo)致流量控制器28中的致動器調(diào)節(jié)至非催化燃料重整器32和燃料噴嘴噴射器的初級燃料流、調(diào)節(jié)壓縮器上的入口導(dǎo)向葉片21、調(diào)節(jié)氧化劑源流動到非催化燃料重整器32、調(diào)節(jié)蒸汽流動到燃料重整器32、調(diào)節(jié)次級燃料流動到燃料重整器32或控制燃?xì)鉁u輪機(jī)上的其它系統(tǒng)設(shè)置。該算法因此能夠使得控制系統(tǒng)18在部分負(fù)荷至全負(fù)荷燃?xì)鉁u輪機(jī)操作條件下將燃燒器燃燒溫度和廢氣溫度保持在預(yù)定溫度限度內(nèi)并且將渦輪機(jī)廢氣NOx和CO排放保持在預(yù)定限度之下。燃燒器14可以是DLN燃燒系統(tǒng)，并且控制系統(tǒng)18可以被程序設(shè)計(jì)和修改成根據(jù)預(yù)定燃料分流計(jì)劃控制DLN燃燒系統(tǒng)的燃料分流。所有這樣的控制功能具有的目標(biāo)是改善燃?xì)鉁u輪機(jī)的可操作性、可靠性和排放。如下面將詳細(xì)地描述，次級燃料流是可以從主燃料流或從專用次級燃料供應(yīng)轉(zhuǎn)移的燃料的流，其中次級燃料流是在燃料的部分氧化之后加入燃料重整器32的選定量的燃料。非催化燃料重整器32與燃料控制系統(tǒng)28中的一個(gè)或多個(gè)燃料回路(未顯示)的燃料流流體連通。氧化劑和燃料的混合物給送到非催化燃料重整器，其中燃料和氧化劑被預(yù)混并且然后在非催化燃料重整器中燃燒。氧化劑可以由壓縮器12供應(yīng)到非催化燃料重整器或者它可以由獨(dú)立氧化劑供應(yīng)提供。將提供給非催化燃料重整器的示例性的氧化劑可以包括、但不限于純氧、空氣、富氧空氣、它們的組合等。在部分氧化燃料流的主要部分之后，蒸汽和次級燃料被引入燃料流的部分氧化主要部分中以促進(jìn)水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)，由此在引導(dǎo)到燃燒器的流中產(chǎn)生氫和/或CO。氧化燃料、蒸汽和次級燃料具有在反應(yīng)區(qū)域中以反應(yīng)的足夠停留時(shí)間并且在缺少催化劑的情況下產(chǎn)生氫和CO。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，初級燃料和氧化劑按照富燃料、缺氧的比率被預(yù)混。氧-燃料的示例性混合物比率將具有足夠的反應(yīng)性以支持非催化燃料重整器中的常規(guī)預(yù)混火焰，而且火焰溫度不太高以致于生成明顯濃度的NOx。所以，非催化燃料重整器中的可接受的混合物比率的范圍在這兩個(gè)限度之間相當(dāng)窄并且將在很大程度上取決于進(jìn)入重整器的燃料的組成。在一個(gè)實(shí)施例中，氧-燃料的質(zhì)量比大體上在大約1. 5:1至大約4:1的范圍內(nèi)，并且更具體地為大約2. 3:1，其中燃料是甲烷。在示例性實(shí)施例中，其中燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)利用甲烷燃料和作為氧化劑的空氣，空氣-燃料的質(zhì)量比為10:1。非催化燃料重整器中的這樣的富燃料、缺氧預(yù)混混合物在燃燒時(shí)從甲烷產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳、氫和水。當(dāng)空氣或富氧空氣用于非催化燃料重整器中時(shí)，氮通常作為經(jīng)歷反應(yīng)的惰性氣體存在于燃燒產(chǎn)物中。重整產(chǎn)物然后被摻回剩余的燃料流。在實(shí)施例中，該布置主要用于產(chǎn)生H2和CO以促進(jìn)燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒過程的延長的貧穩(wěn)定性。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，使用空氣作為氧化劑并且使用甲烷作為燃料，空氣-燃料的質(zhì)量比大體上在大約20:1至5:1之間；具體地為大約18:1至10:1，并且更具體地為大約17:1。這樣的近化學(xué)計(jì)量燃料-空氣混合物將導(dǎo)致重整產(chǎn)物主要包含H20、CO2和N2,以及很少量的H2和CO。所得的混合物將是充分缺氧的，它不再可燃，并且當(dāng)摻回燃料流中時(shí)沒有進(jìn)一步燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。該實(shí)施例的目的是麗I控制以及H2和CO的產(chǎn)生這二者的組合。在實(shí)施例中，所得的重整產(chǎn)物與次級燃料和蒸汽一起給送到非催化重整器的水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)區(qū)域中，從而經(jīng)由水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)促進(jìn)氫和CO的產(chǎn)生。支持吸熱的水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)所需的熱由在重整器的上游部分中從部分氧化所釋放的熱供應(yīng)。轉(zhuǎn)移到非催化燃料重整器32的燃料的比例的控制是響應(yīng)引入燃料的組成的變動而控制所得的混合燃料流的MWI的手段。通過將惰性種類(例如二氧化碳、水蒸汽)加入混合燃料流中以及通過由于反應(yīng)的放熱性質(zhì)而引起的溫度升高的組合，將MWI減小到它的預(yù)定目標(biāo)值。非催化燃料重整器32可以用于部分地重整典型地用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)中的任何氣體和/或液體燃料，例如天然氣(甲烷)和其它類似氣相燃料。非催化燃料重整器32被配置成部分地氧化一小部分燃料以形成氫、一氧化碳和其它燃燒產(chǎn)物。非催化燃料重整器可以重整燃料的大約O.1體積百分比(體積％)至大約100體積％，具體地為大約I體積％至大約50體積％，更具體地為大約2體積％至大約20體積％，并且更加具體地為大約3體積％至大約10體積％。重整燃料的期望百分比可以取決于許多因素，例如而不限于渦輪機(jī)負(fù)荷、燃料類型、水和/或氧化劑添加劑、燃料溫度、排放等?？刂葡到y(tǒng)18可以被配置成調(diào)節(jié)燃料流動到非催化燃料重整器32并且基于來自任何傳感器26的反饋以控制重整燃料的百分比。非催化燃料重整器32可以布置在與燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)的燃料系統(tǒng)流體連通的任何位置，其中非催化燃料重整器32可以接收燃料的至少一部分和蒸汽的供應(yīng)。非催化燃料重整器系統(tǒng)可以與燃燒器的一個(gè)燃料回路或多個(gè)燃料回路流體連通。而且，燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)可以包括與一個(gè)或多個(gè)燃料回路流體連通的單一非催化燃料重整器或多個(gè)非催化燃料重整器。圖2示出與燃料回路102流體連通的非催化燃料重整器100的示例性實(shí)施例。非催化燃料重整器100鄰近燃料管路104布置成使得流動通過燃料管路104的燃料的一部分轉(zhuǎn)移到通過非催化燃料重整器100。如圖所示，燃料的一部分可以通過閥系統(tǒng)的操作而轉(zhuǎn)移到非催化燃料重整器100的入口 108。在圖2的實(shí)施例中，閥106被顯示為布置在燃料管路104中。當(dāng)閉合時(shí)，閥106被配置成將來自燃料管路104的燃料的一部分可控地轉(zhuǎn)移到重整器回路110。閥106可以包括一個(gè)或多個(gè)合適的閥組件，例如節(jié)流閥或旁通閥。閥106以及非催化燃料重整器100可以與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)可操作地連通以提供渦輪機(jī)燃料的特定部分的按需重整。氧化劑入口 114與非催化燃料重整器100流體連通并且被配置成在燃料重整器中的燃燒之前提供用于與燃料預(yù)混合的氧。氧化劑入口 114可以與燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮器流體連通或者它可以與獨(dú)立的氧化劑供應(yīng)流體連通。再次地，氧化劑入口 114可以將氧、空氣、富氧空氣或它們的組合供應(yīng)到非催化燃料重整器100。如圖所示，初級燃料流116在燃料管路內(nèi)流動并且初級燃料流116的一部分117通過入口 108流動到非催化燃料重整器100中。初級燃料流116的剩余部分被引導(dǎo)通過入口 108，其中剩余燃料流118從初級燃料流116的一部分形成。在流動通過氧化劑入口 114的氧化劑與重整器管路110的內(nèi)部的燃料混合之后，在燃燒區(qū)域121內(nèi)發(fā)生燃燒，由此產(chǎn)生部分氧化或重整燃料。次級燃料流122和蒸汽流124然后被引導(dǎo)到燃燒區(qū)域121的下游的部分氧化燃料中。次級燃料流122通過燃料管路104和重整器管路110之間的通道123被計(jì)量。通道123可以包括提供附加流動控制的閥(未顯示)。在實(shí)施例中，次級燃料流122由剩余燃料流118的部分或?qū)Ｓ糜诜谴呋剂现卣?00的獨(dú)立燃料供應(yīng)提供。蒸汽流124可以由包括水管的合適源(例如蒸汽供應(yīng)125)提供，所述水管由渦輪機(jī)的加熱部分加熱或由在組合循環(huán)發(fā)電廠的鍋爐部段中產(chǎn)生的蒸汽加熱。在實(shí)施例中，可以通過將水供應(yīng)引導(dǎo)到管路110中并且加熱它而提供蒸汽。例如，液體水150 (“水供應(yīng)”)可以被引導(dǎo)到燃燒區(qū)域121中，其中液體水源151供應(yīng)水。液體水流150被噴射，以允許水的蒸發(fā)熱從燃燒區(qū)域121吸熱，減小該區(qū)域的有效溫度和減少產(chǎn)生NOx的傾向。燃燒區(qū)域121中的反應(yīng)熱蒸發(fā)液體水150以產(chǎn)生用于反應(yīng)區(qū)域126中的蒸汽。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，液體水流150可以代替蒸汽流124或附加至蒸汽流124而被使用，從而向反應(yīng)區(qū)域126供應(yīng)蒸汽。在實(shí)施例中，液體水可以在反應(yīng)區(qū)域126的上游的任何合適位置被提供，其中供應(yīng)的液體水被轉(zhuǎn)化為用于水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)的蒸汽。繼續(xù)參考圖2，次級燃料流122和蒸汽流124被加入并且與氧化燃料混合，以造成重整器內(nèi)部的水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)區(qū)域126中的水-氣體轉(zhuǎn)移。水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)區(qū)域126被配置成允許蒸汽、次級燃料和部分氧化燃料反應(yīng)的足夠停留時(shí)間，由此產(chǎn)生重整產(chǎn)物中的附加氫和CO。由于非催化燃料重整器100的設(shè)計(jì)，在沒有催化劑的情況下產(chǎn)生附加氫和CO,由此減小成本和維護(hù)，同時(shí)改善重整器的穩(wěn)健性。來自非催化燃料重整器100的也被稱為重整產(chǎn)物的燃料流128提供將與剩余燃料流130混合的增加量的氫和/或CO，以改善燃燒器14 (圖1)內(nèi)的火焰穩(wěn)定性，由此改善調(diào)節(jié)性能。水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，由此吸收能量并且相比于引入的重整產(chǎn)物產(chǎn)生溫度更低的產(chǎn)物。能量從部分氧化過程中的反應(yīng)熱供應(yīng)；因此，反應(yīng)不使用任何外部能量。由于水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)區(qū)域126內(nèi)的足夠停留時(shí)間而能夠發(fā)生反應(yīng)。此外，在例子中，包括128和130的混合燃料流140具有大約300至大約600華氏度的溫度，以控制混合燃料流的麗I?；旌先剂狭?28和130的增加的反應(yīng)性允許燃燒火焰在比來自沒有增加量的氫的燃料流的等效火焰更低的絕熱溫度下穩(wěn)定。此外，通過在更貧火焰條件下操作燃燒器，由于附加氫和/或CO，渦輪機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)更低的NOx排放。本說明書中所述的非催化燃料重整器與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)可操作地連通，所述發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)被配置成提供重整的燃料的份額的控制以及供應(yīng)的蒸汽和次級燃料的量的控制。因此，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)控制混合燃料流中的氫和CO的量以及給送到燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器的混合燃料流的MWI?？刂葡到y(tǒng)可以監(jiān)測來自尤其可以檢測轉(zhuǎn)移到非催化燃料重整器的燃料份額、引入主要燃料流的MWI和蒸汽的溫度的傳感器、熱電偶等的反饋。控制系統(tǒng)還監(jiān)測遍布燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)的過程條件，例如溫度和壓力。這樣的控制系統(tǒng)可以用于調(diào)節(jié)燃料給送速度、燃料壓力、燃料重整器的閥操作，調(diào)節(jié)補(bǔ)充過程氣體給送速度(例如來自氧化劑入口、蒸汽供應(yīng)和次級燃料的給送速度)，或控制燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的其它類似條件。還可以包括燃料氣體分析子系統(tǒng)以將附加反饋提供給這樣的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可以基于任何數(shù)量的過程參數(shù)操作并且控制燃料重整器。來自傳感器、熱電偶等的反饋也向控制系統(tǒng)報(bào)警燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的各種其它條件。示例性過程參數(shù)可以包括而不限于溫度(例如環(huán)境溫度、燃料溫度、噴嘴溫度、燃燒器溫度等)、濕度、入口壓力損失、動態(tài)壓力、廢氣背壓(backpressure)、廢氣排放(例如N0x、C0、UHC等)、渦輪機(jī)負(fù)荷/功率、表示燃料MWI的參數(shù)等。參數(shù)監(jiān)測和控制系統(tǒng)之間的該反饋環(huán)可以指示需要報(bào)警混合燃料流的MWI或包括氫含量的燃料的反應(yīng)性。所以該環(huán)可以通過改變?nèi)剂狭鳌⒀趸瘎┝?、蒸汽流和次級燃料流中的一個(gè)或多個(gè)而改變混合物比率或在非催化燃料重整器內(nèi)供應(yīng)的蒸汽和次級燃料的量。當(dāng)某些參數(shù)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)時(shí)，可能適合于報(bào)警正在重整的燃料的部分乃至?xí)簳r(shí)完全停止重整。如本說明書中所述的非催化燃料重整器及其在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)中的使用方法可以有利地重整一個(gè)或多個(gè)燃料回路中的燃料的一部分，以控制給送到渦輪機(jī)燃燒器的燃料的MW1、氫含量和CO含量而不管引入燃料流中的MWI的變動。而且，非催化燃料重整器還被配置成增加燃料反應(yīng)性，由此改善渦輪機(jī)調(diào)節(jié)。由于貧限度的擴(kuò)展通過經(jīng)由非催化燃料重整器將氫和一氧化碳摻入燃料中，更大負(fù)荷調(diào)節(jié)可以由燃?xì)鉁u輪機(jī)實(shí)現(xiàn)。非催化燃料重整器可以允許具有現(xiàn)有低排放燃燒系統(tǒng)的現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪機(jī)在市場上使用，其中燃料可變性通常排除貧、預(yù)混燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用或由于動態(tài)燃燒不穩(wěn)定性而至少大大減小它們的低排放效能。此外，如本說明書中所述的非催化燃料重整器不需要催化劑并且關(guān)于氧化過程或?qū)τ谒?氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)不促進(jìn)其中的催化反應(yīng)。本說明書中所使用的術(shù)語是為了僅僅描述特定實(shí)施例而不是旨在限制本發(fā)明。本說明書中所公開的范圍是包含的和可組合的(例如，范圍“達(dá)到大約25體積％或更具體地大約5體積％至大約20體積％”包含端點(diǎn)以及“大約5體積％至大約25體積％”的范圍的所有中間值，等等)?！敖M合”包含摻合物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等。此外，術(shù)語“第一”、“第二”等在本說明書中不表示任何順序、量或重要性、而是用于將一個(gè)要素與另一個(gè)區(qū)分開，并且術(shù)語“一”在本說明書中不表示數(shù)量的限制，而是表示存在至少一個(gè)所引用的項(xiàng)。與量結(jié)合使用的修飾語“大約”包含所述的值并且具有上下文所規(guī)定的含義(例如，包括與特定量的測量關(guān)聯(lián)的誤差程度)。當(dāng)在本說明書中使用時(shí)后綴“(S)”旨在包括它修飾的單項(xiàng)和多個(gè)項(xiàng)，由此包括一個(gè)或多個(gè)該項(xiàng)(例如，著色劑(S)包括一個(gè)或多個(gè)著色劑)。在說明書中各處提到“ 一個(gè)實(shí)施例”、“另一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”等表示結(jié)合該實(shí)施例描述的特定要素(例如特征、結(jié)構(gòu)和/或特性)包括在本說明書中所示的至少一個(gè)實(shí)施例中，并且可以存在于或不存在于其它實(shí)施例中。另外，應(yīng)當(dāng)理解所述的要素可以以任何合適的方式在各實(shí)施例中組合。盡管結(jié)合僅有限數(shù)量的實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)容易理解本發(fā)明不限于這樣的公開實(shí)施例。相反地，本發(fā)明可以進(jìn)行修改以包含在此之前未描述的但是它們與本發(fā)明的精神和范圍一致的任何數(shù)量的變型、更改、替代或等效布置。另外，盡管已描述了本發(fā)明的各實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的方面可以僅僅包括所述實(shí)施例中的一些。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)被視為由前面的描述所限制，而是僅僅由所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉂欇啺l(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其包括:壓縮器、燃燒器和渦輪機(jī)；燃料系統(tǒng)，所述燃料系統(tǒng)包括被配置成將來自燃料源的燃料提供給所述燃燒器的一個(gè)或多個(gè)燃料回路；與所述一個(gè)或多個(gè)燃料回路流體連通的非催化燃料重整器，其中所述非催化燃料重整器被配置成按照預(yù)定比率接收來自氧化劑流的氧化劑和所述一個(gè)或多個(gè)燃料回路中的燃料的份額，并且重整燃料的所述份額以產(chǎn)生部分氧化燃料；次級燃料供應(yīng)，所述次級燃料供應(yīng)將次級燃料流加入來自所述非催化燃料重整器的部分氧化燃料；水供應(yīng)，所述水供應(yīng)將蒸汽流加入來自所述非催化燃料重整器的部分氧化燃料；在所述非催化重整器的下游部分中的非催化反應(yīng)通道，所述非催化反應(yīng)通道被配置成接收所述次級燃料流、所述蒸汽流和所述部分氧化燃料的混合物；以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被配置成調(diào)節(jié)至所述非催化燃料重整器的燃料流、至所述非催化燃料重整器的氧化劑流、所述次級燃料流和所述蒸汽流中的至少一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非催化燃料重整器還包括旁路管路，所述旁路管路具有入口和出口并且被配置成將燃料的所述份額轉(zhuǎn)移到所述非催化燃料重整器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括至少一個(gè)閥，所述至少一個(gè)閥被配置成控制燃料流動通過所述旁路管路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水供應(yīng)是蒸汽供應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)被配置成調(diào)節(jié)所述次級燃料流和所述蒸汽流中的至少一個(gè)以控制進(jìn)入所述燃燒器的燃料的氫和一氧化碳中的至少一種的量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，部分氧化燃料、蒸汽和次級燃料的組合經(jīng)由水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生重整產(chǎn)物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述重整產(chǎn)物包括氫、二氧化碳和一氧化碳。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒器是干低NOx燃燒器和貧、預(yù)混燃燒器中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氧化劑包括氧、空氣、富氧空氣或包括前述的至少一種的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非催化燃料重整器還包括氧化劑入口，所述氧化劑入口被配置成將氧化劑輸送到所述非催化燃料重整器，其中所述氧化劑入口與所述壓縮器流體連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料包括甲烷并且所述預(yù)定比率是大約2.3:1的富燃料氧-甲烷質(zhì)量比。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料包括甲烷并且所述預(yù)定比率是大約17:1的近化學(xué)計(jì)量空氣-甲烷質(zhì)量比。
13.一種用于提供供應(yīng)到燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)燃燒器的燃料的方法，其包括:在缺少催化劑的情況下用非催化燃料重整器部分地氧化所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)燃料回路中的初級燃料的份額以形成重整產(chǎn)物，其中初級燃料的所述份額和氧化劑在所述非催化燃料重整器中按照預(yù)定比率混合并且燃燒；通過將選定量的次級燃料和選定量的蒸汽引導(dǎo)到燃料的所述部分氧化份額中，導(dǎo)致所述非催化燃料重整器中的非催化反應(yīng)通道中的水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)，由此產(chǎn)生重整產(chǎn)物；以及混合所述重整產(chǎn)物和燃料的剩余份額以產(chǎn)生混合燃料流，并且將所述混合燃料流供應(yīng)到所述一個(gè)或 多個(gè)燃燒器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，燃料的所述份額為所述一個(gè)或多個(gè)燃料回路中的燃料的總體積的大約百分之三體積比至大約百分之十體積比。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括用控制系統(tǒng)控制至所述非催化燃料重整器的初級燃料流、至所述非催化燃料重整器的氧化劑流、次級燃料流和蒸汽流中的至少一個(gè)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制至所述非催化燃料重整器的初級燃料流、至所述非催化燃料重整器的氧化劑流、次級燃料流和蒸汽流中的至少一個(gè)還包括監(jiān)測燃料溫度、燃料組成、燃料修正沃泊指數(shù)、濕度、動態(tài)壓力、環(huán)境溫度和渦輪機(jī)負(fù)荷中的選定的一種或多種。
17.—種燃?xì)鉂欇啺l(fā)動機(jī)系統(tǒng),其包括:壓縮器、燃燒器和渦輪機(jī)；燃料系統(tǒng)，所述燃料系統(tǒng)包括被配置成將來自燃料流的燃料提供給所述燃燒器的一個(gè)或多個(gè)燃料回路；與所述一個(gè)或多個(gè)燃料回路流體連通的非催化燃料重整器，其中所述非催化燃料重整器被配置成按照預(yù)定比率接收來自氧化劑流的氧化劑和所述一個(gè)或多個(gè)燃料回路中的初級燃料的份額并且產(chǎn)生部分氧化燃料；次級燃料供應(yīng)，所述次級燃料供應(yīng)將次級燃料流加入來自所述非催化燃料重整器的部分氧化燃料；水供應(yīng)，所述水供應(yīng)將蒸汽流加入來自所述非催化燃料重整器的部分氧化燃料；在所述非催化重整器的下游部分中的非催化反應(yīng)通道，所述非催化反應(yīng)通道被配置成接收所述次級燃料流、所述蒸汽流和所述部分氧化燃料的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被配置成調(diào)節(jié)所述次級燃料流和所述蒸汽流中的至少一個(gè)以控制進(jìn)入所述燃燒器的燃料的氫和一氧化碳中的至少一種的量。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非催化燃料重整器產(chǎn)生包括氫、二氧化碳、一氧化碳、水和氮的重整產(chǎn)物，其中所述非催化反應(yīng)通道導(dǎo)致水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)以增加所述重整產(chǎn)物中的氫的量。
全文摘要
本發(fā)明公開燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和提供供應(yīng)到燃燒器的燃料的方法，所述方法包括在缺少催化劑的情況下用非催化燃料重整器部分地氧化所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)燃料回路中的初級燃料的份額以形成重整產(chǎn)物，其中初級燃料的所述份額和氧化劑在所述非催化燃料重整器中按照預(yù)定比率混合并且燃燒。所述方法也包括通過將選定量的次級燃料和選定量的蒸汽引導(dǎo)到燃料的所述部分氧化份額中導(dǎo)致所述非催化燃料重整器中的非催化反應(yīng)通道中的水-氣體轉(zhuǎn)移反應(yīng)，由此產(chǎn)生重整產(chǎn)物，以及混合所述重整產(chǎn)物和燃料的剩余份額以產(chǎn)生混合燃料流并且將所述混合燃料流供應(yīng)到所述一個(gè)或多個(gè)燃燒器。
文檔編號F02C9/26GK103075253SQ20121035691
公開日2013年5月1日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者S.K.維德納 申請人:通用電氣公司