[发明专利]燃气涡轮发动机系统和提供供应到燃烧器的燃料的方法

说明书

技术领域

本说明书所公开的主题涉及燃气涡轮发动机燃烧系统，并且更特别地，涉及用于燃料重整（fuel reforming）以增强燃烧系统的可操作性的方法和装置。

背景技术

一种类型的燃气涡轮机燃烧器通过利用贫预混燃料燃烧过程实现低NOx排放水平，其中燃料和燃烧所有燃料所需的过量空气在燃烧之前混合以控制并且限制热NOx产生。常常被称为干低NOx（DLN）燃烧器的该类型的燃烧器不断地被重新设计从而以更高的效率工作，同时产生更少的有害空气污染排放。通常通过增加燃烧室中的总气体温度而实现具有DLN燃烧器的燃气涡轮机的更高效率。然而，典型地通过降低燃烧室中的最大气体温度而减小热NOx排放。导致更热燃烧室的更高效率的需要在某种程度上与低排放DLN燃气涡轮机燃烧系统的管理要求矛盾。另外，如果燃烧室中的燃料-空气混合物过贫并且燃烧温度过冷，则会发生一氧化碳（CO）和未燃烃（UHC）的过量排放。CO和UHC排放由不完全燃料燃烧产生。反应区中的温度应当足够高以支持完全燃烧或者在实现平衡之前将熄灭化学燃烧反应。同时温度应当足够低以防止过量NOx形成。

用于改善该折衷的一种方法是通过将氢或其它非甲烷烃燃料种类加入标准燃料以增加燃烧器的反应性。催化重整器（Catalytic reformer）已用于从燃料产生氢以给送到燃烧器。然而催化重整器是昂贵的并且会需要定期维护或更换。例如，催化剂活性会随着时间减小，由此需要为重整器再装新催化剂。另一个潜在的问题是重整器催化剂变为例如由燃料中的硫毒害，阻止从燃料正常地形成氢。

DLN燃烧器通常由压力振荡限制，所述压力振荡由于它们能够适应不同燃料而被称为“动力学”。这是由于由所需的体积燃料流的变化产生的喷射系统的压力比的变化。该约束由修正沃泊指数（Modified Wobbe Index）限定；即，燃烧系统将具有用于改善动力学的设计沃泊值。修正沃泊指数（MWI）与以BTU/scf为单位的较低加热值成正比并且与燃料相对于空气的比重和以兰金（Rankine）度计的燃料温度的乘积的平方根成反比。DLN燃烧器通常被设计成在MWI的窄范围内操作，典型地与设计目标的偏差不大于±5%MWI。当燃料组成变化（例如燃料供应中的惰性气体的量减小）时，MWI可能漂移到不与设计范围一致，例如需要控制动作以相应地减小涡轮机负荷或改变燃料温度。燃气涡轮机越来越多地暴露于MWI变动，原因是气体燃料源变得更多样，部分地由于液态天然气的市场的渗透并且也部分地由于新的环境技术，例如生物燃料和合成气。将燃气涡轮机中的MWI控制为固定设定点将减小燃料源MWI的该变动的影响。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种燃气涡轮发动机系统包括压缩器、燃烧器、涡轮机和燃料系统，所述燃料系统包括被配置成将来自燃料源的燃料提供给所述燃烧器的一个或多个燃料回路。所述系统也包括与所述一个或多个燃料回路流体连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预定比率接收来自氧化剂流的氧化剂和所述一个或多个燃料回路中的燃料的份额（a fraction of fuel）并且重整燃料的所述份额以产生部分氧化燃料。所述系统还包括将次级燃料流加入来自所述非催化燃料重整器的部分氧化燃料的次级燃料供应、将蒸汽流加入来自所述非催化燃料重整器的部分氧化燃料的蒸汽供应，以及在所述非催化燃料重整器的下游部分中的非催化反应通道，所述非催化反应通道被配置成接收所述次级燃料流、所述蒸汽流和所述部分氧化燃料的混合物。所述系统还包括控制系统，所述控制系统被配置成调节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剂流、所述次级燃料流和所述蒸汽流中的至少一个。

根据本发明的另一个方面，一种用于提供供应到燃气涡轮发动机系统中的一个或多个燃烧器的燃料的方法，所述方法包括在缺少催化剂的情况下用非催化燃料重整器部分地氧化所述燃气涡轮发动机系统的一个或多个燃料回路中的初级燃料的份额以形成重整产物，其中初级燃料的所述份额和氧化剂在所述非催化燃料重整器中按照预定比率混合并且燃烧。所述方法也包括通过将选定量的次级燃料和选定量的蒸汽引导到燃料的所述部分氧化份额中导致所述非催化燃料重整器中的非催化反应通道中的水-气体转移反应，由此产生重整产物，以及混合所述重整产物和燃料的剩余份额以产生混合燃料流并且将所述混合燃料流供应到所述一个或多个燃烧器。

根据结合附图的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更明显。

附图说明