技术领域

本发明涉及用于燃气轮机的燃料供应管线系统 。 本发明还涉及具有该燃 料供应管线系统的燃气轮机系统。 背景技术

轮机、 例如燃气轮机 (GT)是一种以连续流动的流体为工质带动涡轮� �速 旋转以用于输出动力的动力机械， 被广泛应用于众多工业领域， 如运载工具 推进、 发电站、 石化领域等。

为给燃气轮机供应燃气， 通常设置有燃料供应系统以从燃气源、 尤其是 燃气网获取燃气、 如天然气， 并将其供应到燃气轮机的燃烧室、 尤其是燃烧 室内的燃烧器。 例如， 本申请人的 WO2012/072614公开一种燃气轮机系统， 其燃料供应系统包括连接燃气网的主燃料管道 和连接第一燃料管道和燃烧室 的并行的燃料部段， 其中在主燃料管道中设置有作为安全闭锁装置 的第一阀， 在并行的燃料部段中分别设置有作为控制阀的 第二阀和第三阀， 其全文通过 援引加入本文。

为了能够燃料供应系统的安全运行， 现有技术通常希望将整个燃料供应 管线系统的所有点、 尤其是薄弱点的承压能力均在安全压力之上， 该安全压 力大于系统所面临的最高压力。 虽然这样的燃料供应系统能够保证安全运行， 但是全部管线均需要设计成有较高的承压能力 ， 引起成本上升。 尤其是针对 具有不同压力的多种多样的燃气源、 如燃气网时， 这样的燃料供应系统需要 在保持高安全裕量来适应大量的燃气源的高成 本和针对具体燃气源设定具体 承压能力的低灵活性之间折衷。 发明内容

本发明旨在提供一种能以简单的方式有效保证 安全运行的用于燃气轮机 的燃料供应管线系统。

本发明另一目的是提供一种具有该燃料供应管 线系统的燃气轮机系统。 为实现上述目的， 本发明提出了一种用于燃气轮机的燃料供应管 线系统， 包括： 用于控制输送至所述燃气轮机的燃气的控制阀 ； 用于连接燃气源和所 述控制阀的第一管线； 用于连接所述控制阀和燃气轮机的第二管线； 监测装 置， 配置成确定第二管线在紧跟在所述控制阀后、 即邻近控制阀的出口处的 管内压力； 和控制器， 配置成在所述第二管线中确定的管内压力大于 预定管 内压力时减小所述控制阀的有效流通面积且优 选关闭所述控制阀。 人们明白， 在紧跟所述控制阀后所确定的管内压力大于预 定管内压力时， 作为关闭该控 制阀的补充或替代， 也可以设置单独的流量控制机构来关闭该控制 阀后的第 二管线或减小该第二管线的流量， 这落入本发明的范围内。 此外， 人们将可 明白， 根据本发明的控制阀将包括任何合适的流量调 节机构。 在本发明所述 的实施例中， 紧跟所述控制阀后或者邻近控制阀的出口具有 明确的工程上的 意义， 并能为本领域技术人员所理解， 例如是在第二管线上距控制阀出口的 约 9倍第二管道公称内径的距离内、 优选在约 3倍管道公称内径至 9倍管道 公称内径的距离、 优选距控制阀出口约 6倍管道公称内径的距离， 且有利地 在控制阀出口后、 在第二管线内大致出现最大管内压力的位置处 。

通过本发明的技术方案， 能够以简单的方式有效地保持用于燃气轮机的 燃料供应管线系统的管线、 尤其是薄弱部位的管线的总能安全运行。

优选地， 该燃料供应管线系统还包括设置在所述控制阀 上游的闭锁阀， 所述燃料供应管线系统配置成在所确定的管内 压力大于预定管内压力时关闭 所述闭锁阀。 更优选地， 该燃料供应管线系统包括多个并联的所述控制 阀， 所述燃料供应管线系统配置成邻近任一所述控 制阀出口的在第二管线中确定 的管内压力大于预定管内压力时关闭所有控制 阀。 特别优选地， 所述燃料供 应管线系统配置成在所确定的管内压力大于预 定管内压力时使该燃料供应管 线系统停机。

根据本发明的一个特别优选的实施例， 所述第一管线具有第一压力承受 等级、 有时也称 "压力等级"， 所述第二管线具有小于所述第一压力承受等级 的第二压力承受等级。 通过本发明的 "差异化"压力承受等级管线布置和管 内压力监控的结合， 可以根据影响控制阀前和后的管线部分的设计 参数的相 应核心因素， 即就第一管线而言的燃气源、 如燃气网的压力水平和就第二管 线而言的燃气轮机驱动功率， "差异化"地构造控制阀前后的管线， 尤其分别 设计合适的管线压力承受等级， 从而可以通过长度较长的、 低压力承受等级 的第二管线获得更佳的成本效益， 而同时通过压力监控手段来监控压力等级 较弱的第二管线来始终保证较弱的第二管线并 进而整个燃料供应管线系统的 安全运行。 相比于现有技术， 本发明的系统更节省成本、 更具灵活性、 更能 适应具有不同压力等级的多种燃气网、 且仍能安全运行。

根据本发明的另一优选实施例， 该预定管内压力基于所述第二压力承受 等级确定且小于或等于所述第二压力承受等级 。

根据本发明的一个优选实施例， 所述第一压力承受等级大于等于 PN63 , 所述第二压力承受等级小于等于 PN50且大于等于 PN20。

根据本发明的一个实施例， 所述监测装置包括邻近所述控制阀的出口设 置在所述第二管线处的第一压力传感器， 由此可以简单地确定紧跟控制阀后 的管内压力是否超过第二管线的最大允许工作 压力。

根据本发明的另一实施例， 所述监测装置包括设置在所述第一管线中的 第二压力传感器和计算单元， 所述计算单元配置成基于所述第二压力传感器 的测量压力和经控制阀的压降计算所述确定的 管内压力， 由此可省去在控制 阀出口单独设置压力传感器。

根据进一歩优选的实施例， 所述监测装置还包括在所述控制阀上安装的 压差传感器， 用于检测经控制阀的压降或压力损失， 这提供了一种简单的经 控制阀的压降确定手段。

根据另一优选实施例， 所述监测装置配置成检测所述控制阀的开度， 所 述计算单元配置成根据所述控制阀的开度确定 经所述控制阀的压降， 这提供 了一种简单且低成本的经控制阀的压降确定手 段， 且省去了压差传感器。

优选地， 为了能准确确定经控制阀的压降或压力损失， 所述计算单元配 置成基于经典流体力学控制阀压降计算公式如 下式但不限于下式确定经控制 阀的压降或压力损失： τοχζ

： m Kv CV x ΙΙΟ χ χ F t) χ ，

其中， PO=第二压力传感器检测到的压力,

dp— CV=压降，

Kv— CV=控制阀开度所对应的流量系数，

T0=管内流体、 如燃气的温度值，

^ =质量流量值， M=管内流体、 如燃气的摩尔质量，

k=管线内流体、 如燃气的绝热指数，

Χ _τ =控制阀的差压比例参数，

Fp=管线布置影响因子，

Z=管线内流体、 如燃气的可压缩因子，

其中， T0、 ^、 M、 k、 X _T 、 Fp、 Z为常数或能由本领域技术人员所确定。 根据另一优选实施例， 在所述第二管线中还设置具有压力传感器的流 量 计， 所述监测装置包括计算单元， 该计算单元配置成基于所述流量计的压力 传感器的测量压力和在控制阀的出口到所述流 量计之间的第二管线部分的压 降或压力损失计算所确定的管内压力， 这充分利用了管线系统中通常设有的 常规装置、 即流量计， 由此这可省去在控制阀出口单独设置压力传感 器。 并 且， 发明人发现， 尽管流量计距控制阀出口有一段距离， 但仍可通过该流量 计内的压力传感器和计算单元有效确定邻近控 制阀出口的在第二管线中的管 内压力。

优选地， 所述第二管线部分的压降为基于第二管线的最 大允许压力所确 定的该第二管线部分的压降， 这提供了一种简单手段来确定第二管线部分的 压降。

作为替代， 为了能够更准确地确定第二管线部分的压降， 所述第二管线 部分的压降基于下式计算出： 其中， dp— PIPE =该第二管线部分的压降，

P3=流量计的压力传感器检测到的压力测量值，

1^=管线流量系数， 表征通流能力， 一般为已知的或能由本领域技术人员 确定，

T0=管线内流体、 如燃气的温度值，

^ =质量流量值，

=标准密度，

其中， kv、 T0、 、 为常数或能由本领域技术人员所确定。

根据本发明的另一方案， 提供一种燃气轮机系统， 包括： 根据本发明实 施例的燃料供应管线系统， 和燃气轮机， 具有燃烧室、 位于燃烧室内的至少 一个燃烧器、 用于向燃烧室供应压缩空气的空气供应机构和 与燃烧室相连通 的涡轮。

根据本发明的另一方案， 提供一种发电设备， 包括： 根据本发明的燃气 轮机系统和被所述燃气轮机系统驱动的发电机 。

本发明的一部分优点和特征将能由本领域技术 人员在阅读本发明后明 白， 另一部分在下文的具体实施方式中进行说明。 附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解 释， 并不限定本发明的范 围。 其中，

图 1示意性示出了根据本发明的燃气轮机系统的� �一实施例；

图 2示意性示出了根据本发明的燃气轮机系统的� �二实施例；

图 3示意性示出了根据本发明的燃气轮机系统的� �三实施例；

图 4示意性示出了根据本发明的燃气轮机系统的� �四实施例。

在本发明的附图中， 相同或相似的附图标记将表示相同或相似的特 征或 元件。

附图标记列表

10-燃气源； 20-燃料供应管线系统； 21-闭锁阀； 22-第一控制阀； 24-第二控制 阀； 26-第一流量计； 28-第二流量计； 29-供料支管； 30-第一管线； 31-第二管 线； 3 Γ-第二管线部分； 32-第一压力传感器； 32'-第一压力传感器； 34-第二 压力传感器； 36-压差传感器； 38-控制器； 40-燃气轮机； 42-压缩机； 44-燃烧 室； 46-燃烧器； 48-涡轮； 50-发电机； 100-燃气轮机系统； 262-表压传感器； 264-压力传感器； 266-温度传感器。 具体实施方式

现参考下文具体实施方式和附图来描述本发明 的系统和设备的实施例。 尽管提供附图是为了呈现本发明的一些实施例 ， 但附图不必按实施例的具体 特征的尺寸绘制， 某些特征可被放大、 移除或剖切， 以便更好地示出本发明。

参考图 1， 示出了根据本发明的燃气轮机系统 100的实施例。该燃气轮机 系统 100包括燃料供应管线系统 20和燃气轮机 (GT)40。 该燃料供应管线系统 20与燃气源 10、 如燃气网、 尤其是天然气网相连， 并且以可控的方式将燃气 供应至燃气轮机 40。该燃气轮机 40包括用于供应空气的空气供应机构、燃烧 室 (CC)44、 位于燃烧室 44内的多个燃烧器 46以及涡轮 48或透平叶轮。 该空 气供应机构优选包括压缩机 42以将压缩空气如图所示沿箭头 A供应到燃烧室 44。 燃烧室 44内的燃烧器 46则与燃料供应管线系统 20相连， 从而借助于燃 气在压缩空气中燃烧产生热气以推动涡轮 48转动， 且排废气如图示意性所示 沿箭头 B排出。 在所示的实施例中， 该燃气轮机系统 100作为发电设备的一 部分， 从而燃气轮机 40、 具体而言是涡轮 48驱动发电机 50， 以产生电力。 但人们应想到， 根据本发明的燃气轮机系统 100可适用于任何合适的应用， 而不背离本发明的范围。 人们同样可以想到， 根据本发明的燃料供应管线系 统 20可适用于具有其他配置或组成的燃气轮机， 而不背离本发明的范围。

继续参考图 1， 现进一歩描述根据本发明的燃料供应管线系统 20， 包括 与燃气源 10连接的主管线和连接主管线的多个、 如图所示为两条并行的副管 线， 在每个副管线中设置有一控制阀， 即第一和第二控制阀 22、 24， 用于控 制被供应至燃烧器 46的燃料量。 尽管在所示的实施例中具有两条并行的副管 线以及进而两个控制阀 22、 24， 但人们可以想到， 可以仅具有一个控制阀 (即 不具有并行管线)或者具有多于两个的控制阀� � 这都落入本发明的范围。 为描 述发明思想起见， 在本文中将控制阀 22、 24上游管线称作第一管线 30， 而将 下游管线称作第二管线 31。 由此， 在所示实施例中， 控制阀 22、 24各自上游 的第一管线 30包括共用的主管线和各自副管线中位于控制� �� 22、 24上游的 部分。 如图所示， 在控制阀 22、 24下游， 即第二管线 31 中尤其可不具有进 一歩的流量控制或调节机构。

在所示的实施例中， 在主管线中， 即在所有控制阀 22、 24上游的第一管 线中设置有闭锁阀 21或任何合适的安全闭锁装置。 一压缩机 (图中未示出：)还 可优选地设置在闭锁阀 21上游或位于燃气源 10和燃料供应管线系统 20之间， 用于例如在燃气轮机启动时提高燃气压力。

在第一和第二控制阀 22、 24各自下游的第二管线 31 中还可优选各自设 置第一和第二流量计 26、 28。该流量计 26、 28可以是任何合适的常规流量计， 且在所示的实施例中， 该流量计优选可包括表压传感器 262、 压力传感器 264 和温度传感器 266。第二管线 31可包括在流量计 26、 28下游并行延伸的多条 供料支管 29， 每个供料支管 29可以与一个燃料器 46连接。 在所示的实施例 中， 每个第二管线 31可包括 24条供料支管 29， 其进而可与例如 24个均布在 燃烧室 44内的燃烧器 46连接。

仍参考图 1， 描述根据本发明的 "差异化"压力承受等级管线布置和管内 压力监控或说最大工作压力 (MOP)监控的结合。

在所示的实施例中， 第一管线 30可包括具有第一压力承受等级或第一压 力等级的管道且优选由其构成， 而第二管线 31可包括具有第二压力承受等级 或第二压力等级的管道且优选由其构成， 该第一压力承受等级大于第二压力 承受等级。在根据本发明的实施例中，所述第 一压力承受等级例如大于 PN63 , 优选大于等于 PN63且小于等于 PN250, 更优选地大于等于 PN63且小于等于 PN150o 所述第二压力承受等级例如小于等于 PN50, 优选小于等于 PN50且 大于等于 PN20, 优选小于等于 PN40且大于等于 PN20。

该燃料供应管线系统 20还可包括紧跟在各控制阀 22、 24下游的至少一 个第一压力传感器 32、 32，、 例如在一个实施例中为三个第一压力传感器作 为 监测装置。 该该燃料供应管线系统 20还包括控制器 38。 该第一压力传感器 32、 32'配置成检测控制阀 22、 24的出口处的第二管线 31中的管内压力。 该 第一压力传感器优选是绝对压力传感器。 该控制器 38可配置成可获得第一压 力传感器 32、 32' (图中仅显示获得第一压力传感器 32)所测量的压力。 例如在 无意打开控制阀 22和 /或 24使得任一控制阀下游的第二管线中测定的管� ��压 力大于预定管内压力时， 该控制器 38可使相应的控制阀的有效流通面积减小 或关闭、 或优选使得并联的一些且优选全部控制阀关闭 和 /或使闭锁阀关闭， 更优选地使得该燃料供应管线系统 20并进而整个燃气轮机系统 100停机， 此 时所有控制阀 22、 24以及闭锁阀 21关闭。 在所示的实施例中， 该预定管内 压力是基于第二压力等级确定的， 且小于等于该第二压力等级。 优选地， 该 预定管内压力为第二压力等级减去一固定的或 可变的安全裕量。

通过本发明的 "差异化"压力承受等级管线布置和管内压力监� ��的结合， 可以通过选择相对高压力等级的、 位于控制阀上游的第一管线， 本发明的管 线系统 20可以适合多种多样压力水平的燃气源， 尤其是燃气网， 其中不同的 燃气网的压力水平如本领域技术人员所知地通 常是不受用户控制， 且取决于 燃气供应商以及市政燃气网络配置而各不相同 ； 同时， 可以基于具体的燃气 轮机功率， 选择较低压力等级的、 位于控制阀下游的第二管线； 此外， 还借 助于紧邻控制阀的管内压力监控手段， 基于第二管线的较低压力等级来确定 第二管线的安全运行压力。 由此， 控制阀前和后的管线部分可以基于各自的 核心影响因素来 "差异化"地独立构造， 从而可以通过长度相对更长的低压 力等级的第二管线获得更佳的成本效益， 而同时通过压力监控手段始终保证 整个燃料供应管线系统的安全运行。 相比于现有技术， 本发明的系统更节省 成本、 更具灵活性、 更能适应具有不同压力等级的多种燃气网、 且仍能安全 运行。

作为图 1 示出了根据本发明的一个实施例的监测装置的 补充或替代， 在 图 ₂ - ₄ 中示出了根据本发明的其他管内压力监控 手段的实施例。

图 2所示的实施例基本类似于图 1所示的实施例， 除了图 2所示的实施 例未在控制阀 22、 24出口处设置第一压力传感器 32、 32'。 相比之下， 该实 施例的监测装置包括位于第一管线 30、具体地位于闭锁阀 21上游中的至少一 个第二压力传感器 34、例如三个第二压力传感器以及安装在控制� �� 22、 24上 的压差传感器 36。人们将明白， 该第二压力传感器 34可以是为进行根据本发 明的管内压力监控而特设的压力传感器， 也可以为在主管线中常规设置的压 力传感器， 后者降低了管线系统的成本。 同样， 压差传感器 36可以为控制阀 22、 24自带的压差传感器。 在该实施例中， 紧跟控制阀 22、 24下游的第二管 线的管内压力可以通过例如独立的或如图所示 集成在该控制器 38内的一计算 单元由下式计算出：

P=P0-dp_CV _;

其中， P=确定的管内压力，

P0=第二压力传感器检测到的压力测量值，

dp— CV=压差传感器检测到的压降或压力损失。

在一个实施例中， 还可考虑经闭锁阀 21的压降。 但在优选的实施例中， 不考虑经该闭锁阀的压降， 以提供进一歩的安全裕量。

如图 3所示的再一实施例中， 监测装置可以不设置经控制阀 22、 24的压 差传感器， 该控制器 38可以检测各控制阀 22、 24的开度 (图中仅示出检测控 制阀 22 并基于控制阀 22、 24的开度确定经控制阀 22、 24的压降或压力损 失。

更优选地， 经控制阀 22、 24的压降或压力损失可通过计算单元经下式计 算出： 其中， P0=第二压力传感器检测到的压力，

dp— CV=压降，

Kv— CV=控制阀开度所对应的流量系数，

T0=管内流体、 如燃气的温度值，

^ =质量流量值，

M=管内流体、 如燃气的摩尔质量，

k=管内流体、 如燃气的绝热指数，

Χ _τ =控制阀的差压比例参数，

Fp=管线布置影响因子，

Z=管内流体、 如燃气的可压缩因子，

其中， T0、 ^、 M、 k、 X _T 、 Fp、 Z为常数或能由本领域技术人员所确定。 在如图 4所示的又一实施例中， 利用已有的流量计 26、 28的压力传感器 264计算紧跟在控制阀 22、 24下游的第二管线的管内压力。 计算单元可配置 成基于所述流量计 26,28的压力传感器 264的测量压力和在控制阀 22,24的出 口和所述流量计 26,28之间的第二管线部分 31 '的压降确定该管内压力。 本发 明人发现， 尽管流量计 26、 28距离控制阀 22、 24具有一段距离， 但是压力 波的速度快到足以能及时从流量计 26、 28的压力传感器获得管内压力信号来 关闭控制阀和闭锁阀或使管线系统停机。

优选地，紧跟在控制阀 22、 24下游的第二管线的管内压力基于下式确定:

P=P3-dp_PIPE-max;

其中， P=确定的管内压力，

P3=流量计的压力传感器检测到的压力测量值，

dp_PIPE-max =基于第二管线的最大允许压力确定的该第二� �线部分的 压降或压力损失。

由此， 在该管内压力监控中， 该第二管线部分 31 '的压降或压力损失设定 为固定值， 即上述的最大压力损失。 但作为替代实施例， 可以基于第二管线 部分的动态压降或压力损失在确定所述管内压 力。 例如， 紧跟在控制阀 22、 24下游的第二管线的管内压力基于下式确定：

P=P3-dp_PIPE _;

其中， P=确定的管内压力，

P3=流量计的压力传感器检测到的压力测量值， dp— PIPE =该第二管线部分的动态压降或压力损失。

该第二管线部分的动态压降或压力损失基于下 式确定: 其中， dp— PIPE =该第二管线部分的动态压降或压力损失，

P3=流量计的压力传感器检测到的压力测量值，

k _v =管线流量系数， 表征通流能力， 一般为已知的或能由本领域技术人员 简单确定，

T0=管线内流体温度值，

^ =质量流量测量值，

=标准密度，

其中， kv、 T0、 ^、 为常数或能由本领域技术人员所确定。

尽管图 2-4中未示意性地表示控制器 38操纵控制阀 22、 24和闭锁阀 21 关闭，但人们将明白该控制器 38如图 1所示的实施例那样操纵这些控制阀 22、 24和闭锁阀 21关闭。

此外， 尽管在图 2-4中所示的实施例， 计算单元集成在控制器 38内， 但 本领域技术人员将明白， 可以提供独立的计算单元。

以上描述了本发明的优选实施例。 应当理解， 虽然本说明书是按照各个 实施例描述的， 但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案 ， 说明书的这 种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说明书作为一个整体， 各实施例中的技术方案也可以经适当组合， 形成本领域技术人员可以理解的 其他实施方式。 尤其是， 例如上述各实施例可以组合， 从而可以得到多个测 定的管内压力或最大工作压力， 且可在任一测定的管内压力大于预定管内压 力使关闭控制阀和 /或闭锁阀和 /或使得管线系统停机。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式， 并非用以限定本发明的范 围。 任何本领域的技术人员， 在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的 等同变化,修改与结合， 均应属于本发明保护的范围。