燃料供應系統及控制燃氣渦輪發動機中的超速事件的方法與流程

2023-06-19 13:25:37 3

本公開大體上涉及發電系統，並且更具體地涉及控制燃氣渦輪發動機中的超速事件的系統及方法。

背景技術：

至少一些已知的燃氣渦輪發動機包括以串流關係聯接在一起的至少一個壓縮機、燃燒器和高壓渦輪。更具體而言，壓縮機和高壓渦輪通過軸聯接以形成高壓轉子組件。進入渦輪發動機的空氣與燃料混合併且點燃以形成高能氣體流。高能氣體流流動穿過高壓渦輪以可旋轉地驅動高壓渦輪，使得軸可旋轉地驅動壓縮機。在從高壓渦輪排放之後，氣體流在其流動穿過定位在高壓渦輪後方的低壓渦輪時繼續膨脹。低壓渦輪包括聯接於傳動軸和風扇的轉子組件。低壓渦輪通過傳動軸可旋轉地驅動風扇。在一些實施例中，從渦輪排放的氣體流導送穿過餘熱回收蒸汽發生器。就此而言，產生熱蒸汽，並且蒸汽導送穿過蒸汽渦輪組件用於進一步產生功率。

至少一些已知的燃氣渦輪發動機可易受由於超速事件而產生的損壞。例如，超速事件可在聯接於燃氣渦輪發動機的發電機與外部電負載斷開時發生。發電機上的負載的突然失去可引起燃氣渦輪發動機的速度急劇地增大。至少一些已知的燃氣渦輪發動機包括用於在檢測到超速事件時使燃氣渦輪發動機停機的系統，如切斷供應至燃燒器的燃料流的燃料關閉閥。儘管燃料關閉閥在使燃氣渦輪發動機停機方面有效，但大體上合乎需要的是進一步減少燃氣渦輪發動機在超速狀態下操作的時間的量。

技術實現要素：

在一方面，提供了一種用於在燃氣渦輪發動機中使用的燃料供應系統。燃料供應系統包括燃料歧管，以及與燃料歧管流動連通聯接並且定位在所述燃料歧管上遊的關閉閥。關閉閥構造成在燃氣渦輪發動機在超速狀態下操作時促動到閉合位置中。系統還包括與燃料歧管流動連通聯接的洩壓閥，其中洩壓閥構造成在關閉閥處於閉合位置時，和在燃料歧管內的壓力大於第一預定閾值時，從燃料歧管內釋放燃料。

在另一方面，提供了一種燃氣渦輪發動機。燃氣渦輪發動機包括燃燒器、構造成將燃料供應至燃燒器的燃料歧管，以及與燃料歧管流動連通聯接並且定位在燃料歧管上遊的關閉閥。關閉閥構造成在燃氣渦輪發動機在超速狀態下操作時促動到閉合位置中。系統還包括與燃料歧管流動連通聯接的洩壓閥，其中洩壓閥構造成在關閉閥處於閉合位置時，和在燃料歧管內的壓力大於第一預定閾值時，從燃料歧管內釋放燃料。

在又一方面，提供了一種控制燃氣渦輪發動機中的超速事件的方法。該方法包括將燃料流從燃料源供應至燃料歧管，確定燃氣渦輪發動機的操作狀態，以及在燃氣渦輪發動機在超速狀態下操作時停止至燃料歧管的燃料流。燃料流由定位在燃料源與燃料歧管之間的關閉閥停止。該方法還包括在關閉閥處於閉合位置時，和在燃料歧管內的壓力大於第一預定閾值時，在關閉閥下遊釋放燃料。

技術方案1. 一種用於在燃氣渦輪發動機中使用的燃料供應系統，所述燃料供應系統包括：

燃料歧管；

關閉閥，其與所述燃料歧管流動連通聯接並且定位在所述燃料歧管上遊，其中所述關閉閥構造成在所述燃氣渦輪發動機在超速狀態下操作時促動到閉合位置中；以及

洩壓閥，其與所述燃料歧管流動連通聯接，其中所述洩壓閥構造成在所述關閉閥處於所述閉合位置時，和在所述燃料歧管內的壓力大於第一預定閾值時，從所述燃料歧管內釋放燃料。

技術方案2. 根據技術方案1所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括：

在所述燃料歧管與所述洩壓閥之間延伸的主排放管線；以及

並聯聯接在所述主排放管線與所述洩壓閥之間的感測管線。

技術方案3. 根據技術方案2所述的系統，其特徵在於，所述洩壓閥包括與所述主排放管線流動連通聯接的第一入口，以及與所述感測管線流動連通聯接的第二入口。

技術方案4. 根據技術方案3所述的系統，其特徵在於，所述洩壓閥構造成在所述第二入口處的壓力大於第二預定閾值時促動到開啟位置中，以允許所述主排放管線中的燃料流導送穿過所述洩壓閥，所述第二入口處的所述壓力與所述燃料歧管內的所述壓力對應。

技術方案5. 根據技術方案2所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括沿所述感測管線聯接的至少一個感測閥，其中所述至少一個感測閥構造成在所述關閉閥處於所述閉合位置時促動到開啟位置中，使得所述感測管線中的燃料流朝所述洩壓閥導送。

技術方案6. 根據技術方案5所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括沿所述感測管線聯接在所述至少一個感測閥與所述洩壓閥之間的測試閥。

技術方案7. 根據技術方案1所述的系統，其特徵在於，所述洩壓閥構造成將所述燃料從所述燃料歧管內釋放至大氣。

技術方案8. 一種燃氣渦輪發動機，包括：

燃燒器；

燃料歧管，其構造成將燃料供應至所述燃燒器；

關閉閥，其與所述燃料歧管流動連通聯接並且定位在所述燃料歧管上遊，其中所述關閉閥構造成在所述燃氣渦輪發動機在超速狀態下操作時促動到閉合位置中，使得所述燃料不再供應至所述燃燒器；以及

洩壓閥，其與所述燃料歧管流動連通聯接，其中所述洩壓閥構造成在所述關閉閥處於所述閉合位置時，和在所述燃料歧管內的壓力大於第一預定閾值時，從所述燃料歧管內釋放燃料。

技術方案9. 根據技術方案8所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述燃氣渦輪發動機還包括：

在所述燃料歧管與所述洩壓閥之間延伸的主排放管線；以及

並聯聯接在所述主排放管線與所述洩壓閥之間的感測管線。

技術方案10. 根據技術方案9所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述洩壓閥包括與所述主排放管線流動連通聯接的第一入口，以及與所述感測管線流動連通聯接的第二入口。

技術方案11. 根據技術方案10所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述洩壓閥構造成在所述第二入口處的壓力大於第二預定閾值時促動到開啟位置中，以允許所述主排放管線中的燃料流導送穿過所述洩壓閥，所述第二入口處的所述壓力與所述燃料歧管內的所述壓力對應。

技術方案12. 根據技術方案9所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述燃氣渦輪發動機還包括沿所述感測管線聯接的至少一個感測閥，其中所述至少一個感測閥構造成在所述關閉閥處於所述閉合位置時促動到開啟位置中，使得所述感測管線中的燃料流朝所述洩壓閥導送。

技術方案13. 根據技術方案12所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述至少一個感測閥包括沿所述感測管線並聯聯接的第一感測閥和第二感測閥。

技術方案14. 根據技術方案12所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述燃氣渦輪發動機還包括沿所述感測管線聯接在所述至少一個感測閥與所述洩壓閥之間的測試閥。

技術方案15. 根據技術方案8所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述洩壓閥構造成將所述燃料從所述燃料歧管內釋放至大氣。

技術方案16. 一種控制燃氣渦輪發動機中的超速事件的方法，所述方法包括：

將燃料流從燃料源供應至燃料歧管；

確定所述燃氣渦輪發動機的操作狀態；

在所述燃氣渦輪發動機在超速狀態下操作時停止至所述燃料歧管的所述燃料流，其中所述燃料流由定位在所述燃料源與所述燃料歧管之間的關閉閥停止；以及

在所述關閉閥處於所述閉合位置時，和在所述燃料歧管內的壓力大於第一預定閾值時，在所述關閉閥下遊釋放所述燃料。

技術方案17. 根據技術方案16所述的方法，其特徵在於，釋放所述燃料包括：

沿主排放管線將所述燃料的第一部分從所述燃料歧管朝洩壓閥導送；以及

沿感測管線將所述燃料的第二部分從所述燃料歧管朝所述洩壓閥導送。

技術方案18. 根據技術方案17所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括：

在所述洩壓閥的第一入口處接收所述燃料的所述第一部分；以及

在所述洩壓閥的第二入口處接收所述燃料的所述第二部分，其中所述洩壓閥構造成在所述第二入口處的壓力大於第二預定閾值時，促動到開啟位置中以允許所述主排放管線中的所述燃料導送穿過所述洩壓閥，所述第二入口處的所述壓力與所述燃料歧管內的所述壓力對應。

技術方案19. 根據技術方案17所述的方法，其特徵在於，導送第二部分包括朝沿所述感測管線聯接的至少一個感測閥導送所述燃料的所述第二部分，其中所述至少一個感測閥構造成在所述關閉閥處於所述閉合位置時促動到開啟位置中，使得所述感測管線中的燃料流朝所述洩壓閥導送。

技術方案20. 根據技術方案16所述的方法，其特徵在於，釋放所述燃料包括將所述燃料釋放至大氣。

附圖說明

圖1為示例性發電系統的示意圖；

圖2為可與圖1中所示的燃氣渦輪發動機一起使用的示例性燃料供應系統的示意圖；

圖3為示出控制燃氣渦輪發動機中的超速事件的示例性方法的流程圖。

部件列表

10 發電系統

12 燃氣渦輪發動機

14 低壓壓縮機

16 高壓壓縮機

18 燃燒器組件

20 高壓渦輪

22 低壓渦輪

24 動力渦輪

26 進入空氣

28 中心線

30 排出氣體

32 餘熱回收蒸汽發生器(HRSG)

100 燃料供應系統

102 燃料歧管

104 燃料源

106 供應管線

108 關閉閥

110 洩壓閥系統

112 洩壓閥

114 第一入口

116 第二入口

118 出口

120 主排放管線

122 感測管線

124 第一感測閥

126 第二感測閥

128 測試閥。

具體實施方式

本公開的實施例涉及控制燃氣渦輪發動機中的超速事件的發電系統及方法。更具體而言，本公開的實施例包括燃料供應系統，其具有洩壓閥系統，用於在燃料可到達燃氣渦輪發動機中的燃燒器之前從燃料歧管釋放燃料。更具體而言，洩壓閥與關閉閥組合使用，並且聯接在關閉閥下遊，該關閉閥將燃料選擇性地供應至燃料歧管。當關閉閥處於閉合位置時，洩壓閥促動成在關閉閥下遊釋放捕集的燃料。就此而言，燃料在其可在甩負載事件期間進一步有助於燃氣渦輪發動機中的速度過調之前釋放。

如本文中使用的，用語"軸向"和"軸向地"是指大致平行於渦輪發動機的中心線延伸的方向和定向。此外，用語"徑向"和"徑向地"是指大致垂直於渦輪發動機的中心線延伸的方向和定向。此外，如本文中使用的，用語"周向"和"周向地"是指繞著渦輪發動機的中心線弓形地延伸的方向和定向。

圖1為示例性發電系統10的示意圖。在示例性實施例中，發電系統10包括燃氣渦輪發動機12，其包括低壓壓縮機14、高壓壓縮機16和定位在高壓壓縮機16下遊的燃燒器組件18。燃氣渦輪發動機12還包括定位在燃燒器組件18下遊的高壓渦輪20、定位在高壓渦輪20下遊的低壓渦輪22，以及定位在低壓渦輪22下遊的動力渦輪24。

在操作中，進入空氣流26導送穿過低壓壓縮機14，並且壓縮空氣流從低壓壓縮機14導送至高壓壓縮機16。壓縮空氣從高壓壓縮機16排放，並且朝燃燒器組件18導送，其中空氣與燃料混合併且燃燒以形成朝高壓渦輪20排放的燃燒氣體流。從燃燒器組件18排放的燃燒氣體流繞著燃氣渦輪發動機12的中心線28驅動高壓渦輪20，並且燃燒氣體流導送穿過渦輪20和22，並且接著以排出氣體流30的形式從燃氣渦輪發動機12排放。餘熱回收蒸汽發生器(HRSG)32與燃氣渦輪發動機12流動連通聯接。具體而言，HRSG116接收從燃氣渦輪發動機12排放的排出氣體30，用於產生蒸汽用於由發電系統10進一步使用。

圖2為可與燃氣渦輪發動機12(圖1中所示)一起使用的示例性燃料供應系統100的示意圖。在示例性實施例中，燃料供應系統100包括燃料歧管102，其經由供應管線106接收來自燃料源104的燃料，並且將燃料供應至燃燒器組件18。關閉閥108與燃料歧管102流動連通聯接，並且定位在燃料歧管102上遊。更具體而言，關閉閥108沿供應管線106聯接。在操作中，關閉閥108能夠基於燃氣渦輪發動機12的操作狀態選擇性地促動。例如，當燃氣渦輪發動機12正常操作時，關閉閥108促動到開啟位置中以允許燃料通過供應管線106從燃料源104供應至燃料歧管102。作為備選，當燃氣渦輪發動機12在超速狀態下操作時，關閉閥108促動到閉合位置中以停止至燃料歧管102的燃料流。然而，燃料保持在關閉閥108下遊捕集在燃料供應系統100內，這可引起燃氣渦輪發動機12在超速狀態下繼續操作，即使在關閉閥108處於閉合位置時。

在示例性實施例中，洩壓閥系統110與燃料歧管102流動連通聯接。更具體而言，洩壓閥系統110包括與燃料歧管102流動連通聯接的洩壓閥112。在關閉閥108處於閉合位置時，並且在燃料歧管102內的壓力大於預定閾值時，洩壓閥112從燃料歧管102內釋放燃料。洩壓閥112包括第一入口114、第二入口116和出口118。第一入口114與在燃料歧管102與洩壓閥112之間延伸的主排放管線120流動連通。此外，第二入口116與感測管線122流動連通聯接，感測管線122在主排放管線120與洩壓閥112之間並聯聯接。主排放管線120將燃料的第一部分從燃料歧管102朝洩壓閥112導送，而感測管線122將燃料的第二部分從燃料歧管102朝洩壓閥112導送。就此而言，主排放管線120便於將燃料的大部分從燃料歧管102導送穿過其，並且導送穿過感測管線122的燃料便於促動洩壓閥112，如將在下面更詳細描述的。

更具體而言，當第二入口116處的壓力大於預定閾值時，洩壓閥112促動到開啟位置中，以允許主排放管線120中的燃料流導送穿過洩壓閥112。例如，第二入口116處的壓力大體上與燃料歧管102內的壓力對應。就此而言，導送穿過感測管線122的燃料的相對小的第二部分使得洩壓閥112能夠以更準確且有效的方式促動。

在一個實施例中，至少一個感測閥沿感測管線122聯接。更具體而言，第一感測閥124和第二感測閥126沿感測管線122並聯聯接，以提供沿感測管線122的冗餘感測系統。在操作中，當確定燃氣渦輪發動機12在超速狀態下操作時，第一感測閥124和第二感測閥126促動到開啟位置中。就此而言，來自燃料歧管102的燃料的第二部分朝洩壓閥112導送，並且洩壓閥112在第二入口116處的壓力大於預定閾值時開啟。洩壓閥112以及第一感測閥124和第二感測閥126在第二入口116處的壓力下降到低於預定閾值時閉合，這指示了燃料歧管102內的燃料被成功地釋放，並且緩解超速狀態。在一個實施例中，燃料歧管102內的燃料釋放至大氣。作為備選，燃料歧管102內的燃料朝燃氣渦輪發動機12的入口導送，以便於減少甲烷排放。

在示例性實施例中，測試閥128沿感測管線122聯接在至少一個感測閥與洩壓閥112之間。在正常操作期間，測試閥128處於開啟位置，以允許燃料的第二部分朝洩壓閥112導送。然而，在測試操作期間(例如，在燃氣渦輪發動機12的啟動期間)，測試閥128處於閉合位置，使得可檢驗定位在燃料歧管102與測試閥128之間的構件的操作能力。

圖3為示出控制燃氣渦輪發動機中的超速事件的示例性方法200的流程圖。在示例性實施例中，方法200包括將燃料流從燃料源供應202至燃料歧管，確定204燃氣渦輪發動機的操作狀態，以及在燃氣渦輪發動機在超速狀態下操作時停止206至燃料歧管的燃料流。燃料流由定位在燃料源與燃料歧管之間的關閉閥停止。方法200還包括在關閉閥處於閉合位置時，和在燃料歧管內的壓力大於第一預定閾值時，在關閉閥下遊釋放208燃料。

在一個實施例中，方法200包括將燃料的第一部分從燃料歧管沿主排放管線朝洩壓閥導送，以及將燃料的第二部分從燃料歧管沿感測管線朝洩壓閥導送。方法200還包括在洩壓閥的第一入口處接收燃料的第一部分，以及在洩壓閥的第二入口處接收燃料的第二部分。洩壓閥構造成在第二入口處的壓力大於第二預定閾值時，促動到開啟位置中以允許主排放管線中的燃料導送穿過洩壓閥，第二入口處的壓力與燃料歧管內的壓力對應。此外，導送第二部分包括朝沿感測管線聯接的至少一個感測閥導送燃料的第二部分，其中至少一個感測閥構造成在關閉閥處於閉合位置時促動到開啟位置中，使得感測管線中的燃料流朝洩壓閥導送。

本文中描述的系統和方法的示例性技術效果包括以下中的至少一個：(a)釋放捕集在關閉閥下遊的燃料歧管中的燃料；(b)減小在甩負載事件期間損壞渦輪發動機的可能性；以及(c)改進在甩負載事件期間燃氣渦輪發動機的停機響應時間。

發電系統和相關的構件的示例性實施例在上面詳細描述。系統不限於本文中描述的特定實施例，而是相反，系統的構件和/或方法的步驟可獨立於本文中描述的其它構件和/或步驟且與它們分開使用。例如，本文中描述的構件的構造還可與其它過程組合使用，並且不限於僅利用如本文中所述的發電系統和相關方法來實踐。相反，示例性實施例可結合其中響應於事件來約束燃料流為合乎需要的許多應用實施和使用。

儘管本公開的各種實施例的特定特徵可在一些附圖中示出並且在其它附圖中未示出，但這僅是為了方便。根據本公開的實施例的原理，附圖的任何特徵可與任何其它附圖的任何特徵組合來參照和/或要求權利。

該書面的描述使用實例以公開各種實施(包括最佳模式)，並且還使本領域技術人員能夠實踐各種實施(包括製造和使用任何裝置或系統並且執行任何併入的方法)。本發明的可專利範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這些其它實例具有不與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的字面語言無顯著差別的等同結構元件，則這些其它實例意圖在權利要求的範圍內。