具有氣體監(jiān)測器的氣輪機控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種構(gòu)造成利用液體燃料和氣體燃料來運行的氣輪機(100)可包括燃燒器系統(tǒng)(20)，該燃燒器系統(tǒng)(20)流體地聯(lián)接至壓縮機系統(tǒng)(10)和渦輪系統(tǒng)(70)。氣輪機還可包括控制系統(tǒng)(60)，該控制系統(tǒng)(60)構(gòu)造成基于氣體燃料中的組分濃度選擇性地將氣體燃料和液體燃料引導至燃燒器系統(tǒng)。
【專利說明】具有氣體監(jiān)測器的氣輪機控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種具有氣體監(jiān)測器的氣輪機控制系統(tǒng)，并且更具體地涉及采用一個或更多的氣體監(jiān)測器來控制氣輪機的運行。

【背景技術(shù)】
[0002]在通常的氣輪機中，在燃燒室(稱作燃燒器)中燃燒燃料以產(chǎn)生高壓燃燒氣體。然后這些高壓氣體用于旋轉(zhuǎn)渦輪機的轉(zhuǎn)子以產(chǎn)生動力?？稍跉廨啓C中燃燒各種類型的燃料(例如天然氣或柴油燃料)以產(chǎn)生動力。通常，容易在所處位置處獲取的燃料可用作在那個位置安裝的氣輪機中的燃料。然而在一些情況下，在某一位置處容易獲取的燃料供應可包括有害地影響發(fā)動機的組分。例如，由于在天然氣中天然地存在的硫化氫，以天然氣運行的氣輪機的渦輪部件(例如渦輪葉片)可能會遭受到熱腐蝕損壞。保護發(fā)動機免受這些有害的燃料供應組分的影響的一個方法是設置可能在燃料中存在的這些組分的最大量的限值。用于降低這些有害作用的其他技術(shù)也已被公開。例如，由Janis L.Cocking等人所著的技術(shù)出版物“Protecting Gas Turbine Components”，Platinum Metals Rev., 29 (I), pp.17-19描述了一種鉬基涂層，該鉬金涂層可應用至渦輪葉片以增加它們對熱腐蝕損壞的抵抗力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]一方面，公開了一種以天然氣運行的氣輪機。供應至氣輪機的天然氣可為來自幾個來源的混合物。即使當天然氣供應中H2S水平位于運行極限之內(nèi)時，也可能會出現(xiàn)狀況，此時氣體供應中存在擾動(upset)，該擾動導致H2S高于允許極限。當檢測到這種擾動狀態(tài)時，氣輪機切換成以液體燃料運行。一旦氣體供應隨著H2S回到位于運行極限內(nèi)的水平而再次穩(wěn)定，發(fā)動機可改回以氣體燃料運行。
[0004]一方面，公開了一種造成利用液體燃料和氣體燃料來運行的氣輪機。氣輪機可包括流體地聯(lián)接至壓縮機系統(tǒng)和渦輪系統(tǒng)的燃燒器系統(tǒng)。氣輪機還可包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)構(gòu)造成基于氣體燃料中的組分濃度選擇性地將氣體燃料和液體燃料引導至燃燒器系統(tǒng)。
[0005]另一方面，公開了一種控制構(gòu)造成利用液體燃料和氣體燃料來運行的氣輪機的方法。所述方法可包括監(jiān)測供應至氣輪機的氣體燃料供應中的組分濃度。所述方法還可包括基于氣體燃料供應中的組分濃度選擇性地將氣體燃料或液體燃料提供至氣輪機。
[0006]另一方面，公開了一種氣輪機。該氣輪機可包括一種燃燒器系統(tǒng)，該燃燒器系統(tǒng)構(gòu)造成在其中燃燒天然氣和第二燃料。所述氣輪機還可包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)構(gòu)造成持續(xù)地監(jiān)測天然氣中的硫化氫濃度，并且在天然氣中的硫化氫濃度大于一閾值時將供應至燃燒器系統(tǒng)的燃料供應從天然氣切換至第二燃料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為所公開的氣輪機的示例性剖視圖；
[0008]圖2為圖1的氣輪機的示例性控制系統(tǒng)的示意圖；以及
[0009]圖3為示出對供應至圖1氣輪機的燃料供應進行控制的示例性方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0010]圖1示出一種示例性氣輪機100。氣輪機100尤其可具有一種壓縮機系統(tǒng)10、燃燒器系統(tǒng)20、渦輪系統(tǒng)70和排氣系統(tǒng)90。通常，壓縮機系統(tǒng)10將空氣壓縮至高壓并且將壓縮了的空氣引導至燃燒器系統(tǒng)20。氣體燃料或液體燃料分別地經(jīng)過氣體燃料管道22或液體燃料管道24引入至燃燒器系統(tǒng)20。這些燃料中的一種或多種在燃料噴射器30中與壓縮空氣混合并且在燃燒器系統(tǒng)20的燃燒器50中燃燒。由于液體燃料和氣體燃料可有選擇地經(jīng)過燃料噴射器30引導至燃燒器50，氣輪機100通常稱作雙燃料氣輪機，并且燃料噴射器30通常稱作雙燃料噴射器。燃料在燃燒器50中的燃燒產(chǎn)生高壓、高溫和高速的燃燒氣體。這些燃燒氣體被引導至渦輪系統(tǒng)70。在渦輪系統(tǒng)70中，高壓燃燒氣體抵抗渦輪葉片72的作用膨脹以旋轉(zhuǎn)渦輪輪片或轉(zhuǎn)子74并且產(chǎn)生動力。然后，經(jīng)使用的燃燒氣體經(jīng)過排氣部90排放至大氣。
[0011]各種類型的氣體燃料和液體燃料可經(jīng)過燃料噴射器30而引導至燃燒器50。氣體燃料可包括例如天然氣、填埋氣體、沼氣、合成氣等等。引導至燃燒器系統(tǒng)20的液體燃料可包括柴油、煤油、汽油或其他類型的液體燃料。在一些應用中，氣輪機100可主要采用可在氣輪機100運行位置處低成本地獲得的燃料來運行。例如，在盛產(chǎn)天然氣的油田處，可主要采用天然氣來運行氣輪機100。在這些應用中，液體燃料可保留用于液體燃料更為有利的發(fā)動機運行條件。例如，可在啟動期間以及在燃燒器50中檢測出燃燒不穩(wěn)定時將液體燃料引導至氣輪機100。在氣輪機100到達穩(wěn)定的運行狀態(tài)后，可關(guān)閉供應至燃料噴射器30的液體燃料供應，并且將氣體燃料供應打開。采用當?shù)厝菀撰@得的燃料來運行氣輪機100降低了成本并且增加了運行效率。
[0012]當來自燃燒器50的高壓燃燒氣體抵抗渦輪葉片72而膨脹時，燃燒氣體中的組分可能會與渦輪葉片72的材料起化學反應。燃燒氣體的高溫可促進燃燒氣體和渦輪葉片72之間的化學反應。經(jīng)過一段時間，這些化學反應可能會損壞渦輪葉片72。有害的燃燒氣體組分(其可能會化學腐蝕渦輪葉片72)可能存在于供應至燃燒器50的燃料中和/或氣體中。一種這樣的有害組分為硫化氫(H2S)。硫化氫(一種由有機材料的細菌分解產(chǎn)生的可燃氣體)可能會天然地存在于例如天然氣的燃料中。在以天然氣運行的氣輪機100中，存在于燃料中的硫化氫可通過被稱作熱腐蝕的過程來化學地攻擊渦輪葉片72。在熱腐蝕期間，燃燒氣體中的硫化氫和水分反應以形成侵蝕渦輪葉片72的硫酸。在一些情形中，渦輪葉片72可涂有一種或多種材料以減少熱腐蝕的作用。然而，由于渦輪葉片72所受到的高溫，在燃燒氣體中的硫化氫(或其他化學組分)經(jīng)過一段時間可與氣輪機100的渦輪葉片72和/或其他部件反應并且有害地影響渦輪葉片72和/或其他部件的結(jié)構(gòu)可靠性。
[0013]圖2為氣輪機100的控制系統(tǒng)60的示意圖?？刂葡到y(tǒng)60可控制氣輪機100的運行。例如，基于動力要求，控制系統(tǒng)60可通過氣體燃料管道22或液體燃料管道24來控制引導至氣輪機100的燃料量，從而穩(wěn)定地產(chǎn)生所需的動力。控制系統(tǒng)可包括運行以用于控制氣輪機100的微處理器、存儲內(nèi)存和/或其他電子部件(未示出)。除了由現(xiàn)有技術(shù)中已知的渦輪機控制系統(tǒng)所常規(guī)地執(zhí)行的功能之外，控制系統(tǒng)60還可基于運行參數(shù)來控制供應至氣輪機100的燃料類型和燃料量。氣體燃料管道22和/或液體燃料管道24可流體地聯(lián)接至傳感器和測量裝置，所述傳感器和測量裝置構(gòu)造成測量與通過所述管道的燃料流量有關(guān)的參數(shù)。這些傳感器可尤其包括硫化氫監(jiān)測器62，該硫化氫監(jiān)測器62監(jiān)測通過氣體燃料管道22引導至氣輪機100的氣體燃料中的硫化氫濃度。在一些實施例中，液體燃料管道24也可流體地聯(lián)接至濃度監(jiān)測器64 (例如，硫化氫監(jiān)測器)，所述濃度監(jiān)測器64適用于測量引導至氣輪機100的液體燃料的組分的濃度。
[0014]硫化氫監(jiān)測器62可包括構(gòu)造成持續(xù)地測量位于引導至氣輪機100的氣體燃料中的硫化氫濃度的任意類型的監(jiān)測器。例如，硫化氫監(jiān)測器62可包括薄膜金屬氧化物半導體(TFMOS)傳感器，該薄膜金屬氧化物半導體傳感器輸出一指示氣體燃料流中的硫化氫濃度的信號。雖然將硫化氫監(jiān)測器62描述為持續(xù)地測量硫化氫濃度，然而可設想的是，以離散的時間間隔測量指示氣體燃料流中硫化氫濃度的參數(shù)的傳感器(例如，一種以大于或等于約每分鐘測量一次的頻率進行離散測量的電子傳感器)可用作硫化氫監(jiān)測器62。
[0015]控制器60電子地聯(lián)接至硫化氫監(jiān)測器62以用于檢測在引導至氣輪機100的氣體燃料中的硫化氫濃度。在包括濃度監(jiān)測器64和其他傳感器的實施例中，控制系統(tǒng)60也可電子地聯(lián)接至濃度監(jiān)測器64和其他傳感器。氣體燃料管道22和液體燃料管道24還可包括控制閥26、28和其他流體控制裝置(未示出)，所述控制閥26、28和其他流體控制裝置可由控制系統(tǒng)60操作以用于控制流過這些管線的燃料量。基于氣輪機100的運行參數(shù)(例如發(fā)動機負荷、溫度等等)和/或引導至氣輪機100的燃料中的組分濃度，控制系統(tǒng)60可發(fā)送信號以控制閥26和/或控制閥28來改變(增大、減小、停止或啟動)流過氣體燃料管道22和/或液體燃料管道24的燃料流量。例如，如果硫化氫監(jiān)測器62檢測到(引導至氣輪機100的)氣體燃料中硫化氫的濃度大于或等于預定的閾值，則控制系統(tǒng)60可發(fā)送信號至控制閥26以停止(或減小)經(jīng)過氣體燃料管道22的氣體燃料的流量、并啟動(或增大)經(jīng)過液體燃料管道24流至氣輪機100的液體燃料的流量?？刂葡到y(tǒng)60可持續(xù)地監(jiān)測氣體燃料流中的硫化氫濃度，并在硫化氫濃度降低至閾值之下時將(供應至氣輪機100的)燃料供應切換回氣體燃料。在一些實施例中，只有在一預定的時間段內(nèi)硫化氫濃度都高于或低于閾值時，供應至氣輪機100的燃料供應才可進行切換(從液體切換到氣體燃料，以及從氣體切換到液體燃料)。
[0016]雖然在本文中描述了在氣體燃料中的硫化氫濃度大于或等于閾值時將供應至渦輪機100的燃料供應從氣體燃料切換至液體燃料，但是這僅是示例性的。通常，控制系統(tǒng)60可基于引導至氣輪機100的(液體或氣體)燃料中測量出的任何組分濃度來改變引導至氣輪機100的燃料量和燃料類型。將在下一部分描述氣輪機100的控制系統(tǒng)60的操作。
[0017]工業(yè)話用件
[0018]所公開的氣輪機控制系統(tǒng)可應用于構(gòu)造成利用兩種或更多類型的燃料運行的任何氣輪機。所公開的控制系統(tǒng)可應用于無論采用何種類型的燃料的氣輪機，并且可減小由于供應至氣輪機的燃料組分而導致的對部件的腐蝕或其他負面作用?，F(xiàn)在將會說明氣輪機100的操作。
[0019]圖3的流程圖示出利用天然氣和液體燃料作為燃料的氣輪機100的示例性操作。利用液體燃料啟動氣輪機100(步驟110)。在氣輪機100的動力輸出(或速度或一些其他參數(shù))超過期望值時，控制系統(tǒng)60可操縱控制閥26、28將供應至氣輪機100的燃料供應從液體燃料切換至天然氣燃料(步驟120)。即控制系統(tǒng)60可減小并且最終停止將液體燃料供應至氣輪機100，而相應地啟動并且增大供應至氣輪機100的天然氣供應。然后，控制系統(tǒng)60可利用天然氣燃料來運行氣輪機100 (步驟130)。采用當?shù)乜色@得的天然氣燃料來運行氣輪機100可能會改善氣輪機100的成本效率。當天然氣燃料引導至氣輪機100時，控制系統(tǒng)60利用硫化氫監(jiān)測器62 (步驟140)持續(xù)地監(jiān)測天然氣中的硫化氫濃度。如果硫化氫濃度小于閾值，則控制系統(tǒng)60繼續(xù)將天然氣供應至氣輪機100。然而如果硫化氫的濃度大于或等于閾值，則控制系統(tǒng)60將供應至氣輪機100的燃料供應從天然氣燃料切換至液體燃料(步驟150)。S卩，控制系統(tǒng)60降低并最終停止供應至氣輪機100的天然氣供應，而相應地開啟并且增大往氣輪機100的液體燃料供應。然后利用液體燃料運行氣輪機100 (步驟160)。即使在氣輪機100以液體燃料運行時，控制系統(tǒng)60也持續(xù)地監(jiān)測引導至氣輪機100的天然氣中的硫化氫濃度(步驟170)。如果在天然氣供應中的硫化氫濃度保持與閾值相等或大于閾值，則控制系統(tǒng)60繼續(xù)利用液體燃料運行氣輪機100 (步驟160)。然而，如果硫化氫濃度降低到低于閾值，則供應至氣輪機100的燃料供應從液體燃料切換至天然氣(步驟120)。從而，控制系統(tǒng)60在天然氣中的硫化氫濃度低于閾值時利用天然氣作為燃料來運行氣輪機100，并且在天然氣中的硫化氫濃度高于或等于閾值時利用液體燃料(來運行氣輪機100)。
[0020]在一些實施例中，只有當在步驟140中在一時間間隔閾值內(nèi)天然氣中的硫化氫濃度都高于或等于閾值時，控制系統(tǒng)60才將供應至氣輪機100的燃料從天然氣燃料切換至液體燃料(步驟150)。類似地，在一些實施例中，只有當在步驟170中在一時間間隔閾值內(nèi)天然氣中的硫化氫濃度都保持低于閾值時，控制系統(tǒng)60才將燃料供應從液體燃料切換至天然氣燃料(步驟120)。可基于特定位置處燃料供應的特征由控制系統(tǒng)60自動地選擇或預先選擇用于在燃料類型之間進行切換的濃度閾值和時間間隔閾值。例如，廣為所知的是，天然氣中硫化氫濃度高于一定的百分比值可能會導致難以接受的熱腐蝕。因此，可將閾值預先選擇為該百分比值。并且，基于當?shù)靥烊粴馊剂瞎┙o中的硫化氫濃度的歷史趨勢，控制系統(tǒng)60可選擇從天然氣燃料切換至液體燃料、以及從液體燃料切換至天然氣(燃料)的閾值時間間隔。
[0021]當?shù)靥烊粴獾墓蔀閬碜詭讉€來源的混合。即使當?shù)貧怏w供應中的H2S水平位于操作極限之內(nèi)時，也可能會出現(xiàn)這樣狀況:其中供應中存在擾動，該擾動導致H2S高于允許極限。當檢測到這種情況時，運行改變成以液體燃料進行。一旦氣體供應隨著H2S回到位于運行極限內(nèi)的水平而再次穩(wěn)定，發(fā)動機可改回以氣體燃料運行。在有害燃料組分的濃度達到不利的水平時切換引導至氣輪機100的燃料供應，這有助于延長氣輪機100的壽命。
[0022]對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯而易見的是，可對所公開的氣輪機控制系統(tǒng)做出各種修改和變型?；趯φf明書的考量和所公開的氣輪機控制系統(tǒng)的實施，其他實施例對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員而言也是顯而易見。其意圖在于，說明書和示例僅僅被認為是示例性的，而真正的范圍由所附權(quán)利要求書和它們的等同方案所指出。
【權(quán)利要求】
1.一種氣輪機(100)，構(gòu)造成利用液體燃料和氣體燃料來運行，所述氣輪機(100)包括: 燃燒器系統(tǒng)(20)，該燃燒器系統(tǒng)(20)流體地聯(lián)接至壓縮機系統(tǒng)(10)和渦輪系統(tǒng)(70);以及 控制系統(tǒng)(60)，該控制系統(tǒng)(60)構(gòu)造成基于氣體燃料中的組分濃度選擇性地將氣體燃料和液體燃料引導至燃燒器系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣輪機，其特征在于，所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成在組分濃度低于閾值時將氣體燃料引導至燃燒器系統(tǒng)，并且在組分濃度高于閾值時將液體燃料引導至燃燒器系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣輪機，其特征在于，所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成當在一閾值時間內(nèi)組分濃度都高于一閾值時將液體燃料引導至燃燒器系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣輪機，還包括組分監(jiān)測器(62)，所述組分監(jiān)測器￠2)構(gòu)造成監(jiān)測供應至燃燒器系統(tǒng)的氣體燃料供應中的組分濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣輪機，還包括液體燃料管線(24)和氣體燃料管線(22)，所述液體燃料管線(24)構(gòu)造成將液體燃料引導至燃燒器系統(tǒng)，所述氣體燃料管線(22)構(gòu)造成將氣體燃料引導至燃燒器系統(tǒng)，所述組分監(jiān)測器流體地聯(lián)接至氣體燃料管線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣輪機，其特征在于，所述氣體燃料為天然氣、且所述組分為硫化氫。
7.一種控制氣輪機(100)的方法，所述氣輪機(100)構(gòu)造成利用液體燃料和氣體燃料來運行，所述方法包括: 監(jiān)測供應至氣輪機的氣體燃料供應中的組分濃度；以及 基于氣體燃料供應中的組分濃度選擇性地將氣體燃料或液體燃料提供至氣輪機。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，選擇性地提供的步驟包括在濃度小于閾值時將氣體燃料提供至氣輪機、且在濃度大于閾值時將液體燃料提供至氣輪機。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，將液體燃料提供至氣輪機的步驟包括當在一閾值時間內(nèi)濃度都高于閾值時提供液體燃料。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，供應氣體燃料的步驟包括將天然氣供應至氣輪機，且監(jiān)測濃度的步驟包括監(jiān)測天然氣中的硫化氫濃度。
【文檔編號】F02C9/48GK104204469SQ201380014690
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月16日
【發(fā)明者】K·H·布里奇 申請人:索拉透平公司