專利名稱：操作氣體發動機裝置的方法和氣體發動機的燃料供給體系的制作方法
操作氣體發動機裝置的方法和氣體發動機的燃料供給體系
本發明涉及權利要求1前序部分的操作氣體發動機裝置的方
法。本發明還涉及權利要求9前述部分的氣體發動機的燃料供給體 系。
在邊遠地區和海上平臺，粗天然氣經常是唯一可用以操作動力 發電機和壓縮機站的燃料。在很多情況下，氣體含有不可4妻受含量 的重烴。在活塞發動機和燃氣輪機中使用這種未處理的氣體會弓1起 操作問題。氣體燃料的抗爆震性能經常由甲烷值評估。在具有高壓 縮比，并由此還具有高熱效率的氣體發動機中，氣體燃料中的重烴 組分將導致甲烷值降低。在很多情況下，由于氣體混合物的曱烷值 太低，直接利用氣體燃料運轉的氣體發動機經常不能產生氣體操作 方式所需的大輸出功率。如果需要氣體發動機負荷高于由甲烷值所 限定的輸出功率，則氣體發動機將開始爆震，輸出功率毫無疑問會 降低。
同樣在燃氣輪機中，在設計階段必須設定且考慮將使用的氣體。 如果設計燃氣輪機用例如曱烷操作，則使用含有重烴的氣體將帶來 一定問題。
另一個涉及特別與石油鉆井機有關的現有技術的問題是能否有 利地利用目前不具有可行用途的某些液體燃料(如凝析氣)。另外，如 能使最初設計用氣體運轉的內燃機用液體燃料(如石油鉆探過程中得 到的凝析氣)進行操作將是有益的。通常，在不改變發動機構造的情 況下，這是不可能實現的，而每當使用不同燃料時均需改變發動機 的構造是不可能的。
本發明的一個目標是提供操作氣體發動機裝置的方法，其中使 發動機的性能即使使用含有重烴的燃料、或甚至使用液體燃料來運
轉也能維持在適當水平上。本發明還一個目標是提供氣體發動機的 燃料供給體系，該燃料供給體系以簡單且容易控制的方式對氣體發 動扭4是供具有高曱烷值的高級燃料。本說明書中的短語"氣體發動機，，通常是指氣動的內燃機。術語 "重烴"是指比曱烷CH4重的烴。本發明的目標主要如附加權利要求1和9所公開且并由其他權利要求更仔細地解釋來實現。根據本發明，操作包括用以燃燒氣體燃料的內燃機和具有燃料 來源的燃料供給體系的氣體發動機裝置的方法包括至少 一個如下步驟在將燃料供給到氣體發動機中之前，使燃料中的重烴在氣體發 動機燃料供給體系的重整裝置中裂解。以這種方式，即使燃料最初 包括重烴，也可使供給到發動機中的燃料質量保持在可接受的水平。 在活塞發動機中，這意味著在沒有爆震風險的情況下功率輸出(即發 動機的負荷)可保持在高水平上。同樣，本發明使例如在僅設計甲烷 作為燃料的燃氣輪機中使用含有重烴的燃料成為可能。優選控制裂解反應，以使燃料中的重烴裂解，同時使甲烷裂解 程度最小。這可由根據燃料組成、流速和重整裝置配置存在于反應 中的水量以及在反應器裝置中維持對于每一情況確定的重整裝置的 溫度來實現。實際上，重烴的裂解主要基于重整裝置的溫度控制來 控制。通常，維持重整裝置的溫度在450。C以下。另一個有利之處在于在燃料進入重整裝置之前，燃料通過重整 裝置出來的燃料的熱傳遞加熱。這提高了工藝的能量效率。根椐本發明的一個具體實施方案，燃料來源為液體燃料且該液 體燃料在供給到重整裝置之前通過重整裝置出來的燃料的熱傳遞蒸 發。使用這個實施方案，甚至可用最初為液體的燃料并以有效的方 式操作氣體發動機。本發明的氣體發動機的燃料供給體系包括傳遞燃料到氣體發動 機的供給線，所述供應線裝備有在將燃料供給到氣體發動機之前使
燃料中的重烴裂解的燃料重整裝置。供應線包括自燃料來源通向重整裝置的第 一供應線和自重整裝 置通向氣體發動機的第二供應線，第 一 和第二供應線裝備有共同的 換熱器，在換熱器中第 一供應線的燃料通過第二供應線中的燃料的 熱傳遞加熱。燃料重整裝置優選裝備有溫度控制裝置，通過該溫度 控制裝置可使重整裝置的溫度維持在使重烴裂解同時使曱烷裂解程 度最小的水平上。重整裝置的實際操作參數始終根據所用氣體和所討論的重整裝 置的類型來決定。在下文中，參考附圖以示范方式解釋本發明，其中-
圖1為應用本發明的燃料供給體系到氣體發動機裝置的實施方 案的圖解，且-圖2為應用本發明的燃料供給體系到氣體發動機裝置的另 一 實 施方案的圖解。圖1用圖解展示包括燃料來源2和氣體發動機3以及燃料精制 裝置4的氣體發動機裝置1。氣體發動機可為(例如)氣動活塞發動機 或燃氣輪機。對于本發明，兩種內燃機都適用。燃料精制裝置4首先包括裝備于自燃料來源2通向重整裝置14 的第一供應線12中的過濾元件5。過濾裝置5用以分離燃料流中的 顆粒及其他固體雜質。在過濾裝置5之后在燃油流動方向上，第一 供應線12上裝備有壓力控制閥6。壓力控制閥6控制燃料精制裝置 的壓力，當與活塞發動;^連接時，壓力通常大約為8巴。閥6優選 還裝備有在閥6出故障時形成用于關閉閥出口的安全關閉閥。在第一供應線上還有關閉閥7,在第二供應線13上有關閉閥8, 這些關閉閥用于在特定情況下(如維修)將燃料精制裝置4與體系隔 開。同樣，在啟動之前及維修工作可以開始之前，應該使裝置4保 持惰性，這可以用位于關閉閥7后某處的連接到第一供應線12的閥 10和惰性氣體輸入線9實現。惰性氣體例如可為氮氣。當然，在開
始維修程序以前，關閉閥7、 8也關閉。第一和第二供應線可彼此連 接并且借助于旁通管道24繞過精制裝置4。旁通管道還裝備有關閉 閥25。關閉閥25在關閉閥7和8的發動機/燃料來源側連接第一和 第二供應線。裝置優選裝備有流量計11,例如以便能夠在工藝中調整適當^友/ 蒸汽比。再循環管道17中還有另一個流量計15。再循環管道中還 有用于將水注入第一供應線12中的高壓泵18。再循環管道17將裝 備于第二供應線13上的分滴器23連接到第一供應線12上的流量計 11之后的位置處。分滴器位于第二供應線13上的換熱器19之后， 換熱器19與第一供應線12和第二供應線13連接。如果燃料為氣體，則換熱器19用于加熱第一供應線12中流動 的氣體并冷卻第二供應線13中的氣體。如果精制裝置4和內燃機3 與最初為液體的燃料一起使用，則換熱器19將燃料蒸發為氣體形式 并將其加熱，同時冷卻來自換熱器19另一側的重整裝置14的氣體。另外，第一供應線12裝備有用于在將氣體供給到裝備于第一供 應線12上的^L吸收裝置21之前將氣體加熱到適當溫度的其他加熱 器20,如電熱器。在燃料的硫含量比重整裝置14可接受的含量大 時，則需要硫吸收器。這里，硫吸收器經連接線22與重整裝置14 連接。通常，蒸汽重整裝置(即烴與水的反應在其中進行的重整裝置) 的操作對硫的存在敏感。在這種情況下，連接線還裝備有其他加熱器28。應注意到所有可用于重整裝置的市售可得的催化劑不需要從 燃料中完全移除硫。精制裝置4的操作在下文描述。在啟動之前，裝置4通過使用 氮氣保持惰性，氮氣經輸入線9和閥10供給。將關閉閥7和8關閉， 并開啟排氣管道26中的排氣閥27開啟。通過開啟閥IO將氮氣引入 體系。當所有氧氣都已^tt出體系時，關閉排氣閥27并將體系(例 如)如下文所述加壓。啟動位于連接第一供應線12和第二供應線13的中間管道30中
的循環風扇29并開啟閥31。這樣循環氮氣通過電熱器20、 28，使 精制裝置4和重整裝置14也被加熱到操作條件。隨著溫度增加，壓 力將相應地增加。當達到操作條件時，高壓泵18將沖艮據既定程序 C/S—f友/蒸汽)比(控制設備未圖示)開始將水注入氮氣流中。C/S比取 決于燃料內含物和流速，其預先對于個別情況分別確定。至少在啟 動期間，可通過所提供的例如與再循環管道17連接的進水口(未圖 示)將水引入裝置中。這還取決于所用重整裝置14的類型。當硫吸 收器和重整裝置反應器都已用濕氮氣注滿時，體系準備操作。在正常操作期間，旁通管道24由關閉閥25關閉。當燃料精制裝置4處于正常操作狀態時，來自燃料來源2的含 有重徑的液體燃料或氣體首先在過濾裝置5中過濾。此后，將燃料 供給到換熱器19中，在此燃料經已重整的氣體加熱。如果需要，可 例如通過由閥33控制的補給水輸入線32將水加到燃料流中，以在 重整裝置14中得到所要的碳/蒸汽比。如果采用液體燃料來源，則 在換熱器中將液體燃料蒸發且另外加熱。此刻，將經過第一供應線 12中的換熱器的氣體燃料加熱到約300°C，對于除硫裝置21該溫度 為適當溫度。在可能存在的硫都已從氣體中除去之后，將氣體供給到重整裝 置14中。在重整裝置中，通過維持適當溫度來控制反應。為此，重 整裝置14裝備有加熱器37，加熱器37例如可為電熱器。加熱器37 的操作基于溫度測量探針38控制。還可使用與重整裝置14連接的 基于溫度測量探針38的其他加熱器28。重要的是使溫度維持在將 僅使燃料中的重烴裂解而使曱烷的裂解程度最小的水平上。適當的 溫度取決于例如重整裝置14中所用的實際催化劑和氣體組成。經過重整裝置14之后，在重整裝置的下游側的換熱器19中將 氣體冷卻并將濕氣冷凝。使水滴分離且再注入輸入燃料流中。如果重整裝置為反應時需要氫氣存在的類型，則使一部分加工 過的氣體經中間管道30和循環風扇29再循環回到第一供給管道12。
圖2展示應用本發明的燃料供給體系到氣體發動機裝置的另一 個實施方案。其與具有相應編號的圖1所示的氣體發動裝置基本相 同，但其具有另一類型的重整裝置14。在這種情況下，重整裝置為所謂的自動熱重整裝置(ATR)，其控制在一些情況下得到多種益處。 ATR型重整裝置14裝備有空氣引入管道34,空氣引入管道34裝備 有調節閥35且與壓縮空氣來源36連接。在ATR中，可通過控制所 引入空氣(或02)的量將必需的水(蒸汽)提供到裂化反應中。通過引入 空氣(或02)， 一些氣體將在重整裝置14中燃燒產生熱和水(蒸汽)。 這是有益的，因為重烴通常是首先與空氣中的氧氣反應的組分。這 樣，加入蒸汽和控制重整裝置14的溫度可通過用ATR重整裝置引 入空氣來實現。本發明不限于本文所描述的實施方案，而在附加權利要求書的 范圍內可設想本發明的許多變體。例如，代替蒸汽重整裝置，還可 使用其他類型的裂解裝置。重整裝置可由若干單個裝置形成，當其 可以不同方式操作時適于最終得到適當的氣體性質。
權利要求
1. 一種操作氣體發動機裝置(l)的方法，所迷氣體發動機裝置(l)包括用以燃燒氣體燃料的內燃機(3)和燃料供給體系，所述方法的特 征在于在將燃料供給到氣體發動機(3)之前使燃料中的重烴在內燃機 (3)燃料供給體系的重整裝置(14)中裂解。
2. 權利要求l的方法，其特征在于使燃料中的重烴裂解同時使 曱烷裂解程度最小。
3. 權利要求2的方法，其特征在于重烴的裂解基于重整裝置(14) 的溫度控制來控制。
4. 權利要求2的方法，其特征在于使重整裝置(14)中的溫度維 持在450。C以下。
5. 前述權利要求中任一項的方法，其特征在于在燃料進入重整 裝置(14)之前，燃料通過自重整裝置(14)出來的燃料的熱傳遞加熱。
6. 權利要求l的方法，其特征在于燃料來源(2)為液體燃料且所 述液體燃料在供給到重整裝置(14)之前通過自重整裝置(14)出來的燃 料的熱傳遞蒸發。
7. 前述權利要求1-6中任一項的方法，其特征在于在燃料進入 重整裝置(14)之前將裂解反應所需的水引入(32、 33)燃料中。
8. 前述權利要求1-6中任一項的方法，其特征在于裂解反應所 需的水通過重烴的氧化反應在重整裝置(14)中產生。
9. 一種氣體發動機(3)的燃料供給體系，所述燃料供給體系包括 用于傳遞燃料到氣體發動機(3)的供應線(12、 13),其特征在于供應 線(12、 13)裝備有在將燃料供給到氣體發動機(3)之前裂解燃料中的 重烴的燃料重整裝置(14)。
10. 權利要求9的燃料供給體系，其特征在于所述供應線包括 自燃料來源(2)通向重整裝置(14)的第一供應線(12)和自重整裝置(14) 通向氣體發動機(3)的第二供應線(13),且第 一和第二供應線裝備有 共同的換熱器(19)，在換熱器(19)中第一供應線(12)中的燃料與第二 供應線(13 )中的燃料發生熱傳遞而被加熱。
11.權利要求9的燃料供給體系，其特征在于所述燃料重整裝 置裝備有溫度控制裝置(37、 38)，所述溫度控制裝置(37、 38)用于維 持重整裝置處于適于裂解重烴且使曱烷裂解程度最小的適當溫度。
全文摘要
本發明涉及一種操作包括用以燃燒氣體燃料的內燃機(3)和具有燃料來源(2)的內燃機燃料供給體系的氣體發動機裝置(1)的方法，所述方法的特征在于在將燃料供給到氣體發動機(3)之前，使燃料中的重烴在氣體發動機(3)燃料供給體系的重整裝置(14)中裂解。
文檔編號F02M31/18GK101146991SQ200680009472
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月1日 優先權日2005年3月24日
發明者S·卡爾森, T·馬拉南 申請人:瓦特西拉芬蘭有限公司