例如，主要包含甲烷的消化气(digestion gas)是在生物质 (biomass)的消化过程中产生的，主要包含一氧化碳、氢、烃的裂 解气(pyrolysis gas)是在生物质的气化过程中产生的。这些气体每 单位体积具有较小的热值。民用燃气具有大约50,233kJ/kg(12,000 kcal/kg)的低热值(lower heating value)，而消化气具有大约25,116 kJ/kg(6,000kcal/kg)的低热值，是民用燃气的低热值的一半。裂解 气具有大约5,023kJ/kg(1,200kcal/kg)的低热值，是民用燃气的低 热值的十分之一。
在从生物质中产生的具有较小热值的气体中，可燃性成分的比率 根据地点、季节、或者时间而改变。这些气体的热值由此而变化。通 常，燃料气体的低热值越小，燃料气体就越不容易点燃和稳定燃烧。 尤其是，具有小于6,279kJ/kg(1,500kcal/kg)的低热值的气体难以 在诸如燃气轮机或内燃机之类的热力发动机中维持燃烧。
因此，燃料气体所具有的热值越小，就越发难以在诸如燃气轮机 或内燃机之类的热力发动机中可靠地点燃该燃料气体和可靠地启动 热力发动机。尤其是，在具有同流换热器的燃气轮机设备中，由于同 流换热器具有庞大的储热量，因此在工作开始时燃烧温度缓慢地升 高。因此，难以使用具有较小热值的气体来可靠地启动燃气轮机。
最近，为了在诸如燃气轮机或内燃机之类的热力发动机中利用具 有较小热值的气体，已经进行了如下的尝试。将具有较小热值的气体 提纯到高等级，以提高它的热值。可替换的，将具有较小热值的气体 与具有很大热值的燃料气体，例如丙烷气，进行混合。然而，这些系 统都具有较差的投资效能并且没有大范围推广。因此，大多数消化气 和裂解气在实际利用中被焚烧掉，尽管它们具有相对较大的热值。

本发明是针对以上缺点做出的。因此，本发明的第一个目的是提 供一种燃气轮机设备，其能够以较低的成本，使用小型结构稳定地燃 烧难以被利用的、具有较小热值的气体。
本发明的第二个目的是提供一种燃气轮机发电系统，其能够稳定 地燃烧难以被利用的、具有较小热值的气体，以使用该气体的能量高 效地发电。
根据本发明的第一个方面，提供了一种燃气轮机设备，其能够以 较低的成本，使用小型结构稳定地燃烧难以被利用的、具有较小热值 的气体。所述燃气轮机设备具有空气压缩机，用于压缩空气；燃烧室， 能够燃烧所述空气压缩机所压缩的空气；涡轮，能够被从所述燃烧室 排出的气体转动；以及同流换热器，用于在从所述空气压缩机提供给 所述燃烧室的空气与从所述涡轮排出的废气之间进行热交换。所述燃 气轮机设备包括第一燃料提供装置，用于将具有大热值的燃料提供给 所述燃烧室；第二燃料提供装置，用于将具有比所述燃料小的低热值 的气体提供给所述燃烧室；以及切换装置，用于根据所述空气压缩机 所压缩的空气的温度或者从所述涡轮排出的废气的温度，在所述第一 燃料提供装置和第二燃料提供装置之间进行切换。
采用以上设置，在燃气轮机启动时，可以通过提供所述燃料来预 加所述热同流换热器。然后可以将使用所述燃料的操作切换到使用所 述气体的操作。在该时刻，提供到所述燃烧室的气体被所述燃烧室中 的高温空气所活化(activate)。因此，与所述气体处于正常温度空气 中的情况相比，所述气体具有较大的可燃范围。由此，所述气体容易 被点燃。根据本发明，可以可靠地启动燃气轮机设备并且稳定地燃烧 难以被利用的、具有较小热值的气体。
在该情况下，所述燃气轮机设备可以具有用于测量所述同流换热 器的下游废气温度的第一温度测量装置、用于测量所述燃烧室的上游 空气温度的第二温度测量装置、或者用于测量所述燃烧室的上游空气 温度的第三温度测量装置。所述切换装置可以设置为在所述第一温度 测量装置、所述第二温度测量装置、或者所述第三温度测量装置测量 的温度超过预定值时，在所述第一燃料提供装置和第二燃料提供装置 之间进行切换。
所述燃气轮机设备可以包括用于对在所述切换装置下游端的燃 料加压的至少一个燃料压缩机，或者用于对在所述切换装置上游端的 气体加压的至少一个燃料压缩机。所述燃气轮机还可以包括控制器， 用于控制所述至少一个燃料压缩机的排出量。在所述燃气轮机设备中 可以提供多个燃料压缩机。在该情况下，期望的是，所述燃气轮机设 备包括控制器，用于控制所述多个燃料压缩机中正在工作的燃料压缩 机的数量。
所述切换装置可以包括用于逐渐地混合所述燃料和所述气体并 对所述燃料和所述气体进行切换的三通混合阀，或者用于对所述燃料 和所述气体进行瞬间切换的三通选择阀(selector valve)。
根据本发明的第二个方面，提供了一种燃气轮机设备，其能够以 较低的成本，使用小型结构稳定地燃烧难以被利用的、具有较小热值 的气体。所述燃气轮机设备具有空气压缩机，用于压缩空气；燃烧室， 能够燃烧所述空气压缩机所压缩的空气；涡轮，能够被从所述燃烧室 排出的气体转动；以及同流换热器，用于在从所述空气压缩机提供给 所述燃烧室的空气与从所述涡轮排出的废气之间进行热交换。所述燃 气轮机设备包括第一燃料提供装置，用于将具有大热值的燃料提供给 所述燃烧室；第二燃料提供装置，用于将具有比所述燃料小的低热值 的气体提供给所述燃烧室；以及燃料控制器，用于调节要提供的所述 燃料和所述气体的量。
所述具有较小热值的气体可以具有25,116kJ/kg(6,000kcal/kg) 或者更小的低热值。例如，在生物质的消化过程中产生的消化气和在 生物质的气化过程中产生的裂解气可以用作所述具有较小热值的气 体。天然气、液化石油气、丙烷气、煤油和轻油中的至少一种可以用 作所述具有大热值的燃料。
根据本发明的第三个方面，提供了一种燃气轮机发电系统，其能 够稳定地燃烧难以被利用的、具有较小热值的气体，以使用该气体的 能量高效地发电。所述燃气轮机发电系统具有上述的燃气轮机设备， 以及用于利用在所述燃气轮机中的涡轮的高速转动进行发电的发电 设备。根据本发明，可以在不进行加压的情况下，使得难以被利用的、 具有较小热值的气体稳定地燃烧，以使用该气体的能量高效地发电。
所述发电设备可以包括永磁发电机，耦合到所述燃气轮机中的涡 轮上；转换器，用于将所述永磁发电机的高频AC输出转换为DC输 出；以及转换器，用于将所述DC输出转换为具有预定频率和预定电 压的AC输出，并输出所述AC输出。
结合示出了采用示例方式的本发明的优选实施例的附图，从以下 描述中，本发明的上述的和其他的目的、特征、优点将变得显而易见。

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，其中：
图1是示出根据本发明的实施例的燃气轮机发电系统的框图；
图2是示出在图1中所示的燃气轮机发电系统中的燃料提供系统 的框图；
图3是示出图2中所示的燃料提供系统的一个变体的框图；以及
图4是示出图2中所示的燃料提供系统的另一个变体的框图。

以下将参考图1到4描述根据本发明的燃气轮机发电系统的实施 例。在附图中，由类似的或者对应的参考数字指示的类似的或对应的 部分将不会重复描述。
图1是示出根据本发明的实施例的燃气轮机发电系统1的框图。 如图1所示，燃气轮机发电系统1具有燃气轮机设备2，用于燃烧压 缩空气和燃料气体的气态混合物的，发电设备3，用于利用在燃气轮 机设备2中的涡轮的高速旋转进行发电，以及废热回收设备4，用于 从燃气轮机设备2排出的废气中回收废热量。
燃气轮机设备2包括空气压缩机20，用于压缩空气，燃烧室21， 用于将由空气压缩机20压缩的空气与燃料进行混合并点燃，涡轮22， 具有多个旋转叶片，旋转叶片被燃烧室21排出的燃烧气体以高速转 动，以及同流换热器(热交换器)23，用于利用涡轮22排出的废气 的废热使得要提供给燃烧室21的压缩空气过热。燃气轮机设备2还 包括燃料提供系统24，用于提供燃料给燃烧室21。
发电设备3具有发电机30，直接耦合到涡轮22的旋转轴R上， 转换器31，用于将发电机30的高频AC输出转换为DC输出，转换 器32，用于将转换器31的输出转换为具有预定频率和预定电压的 AC输出，以及电池33，用于驱动发电机30，以便在燃气轮机设备2 开始工作时充当启动电动机。在本实施例中，使用永磁发电机(PMG) 作为发电机30，并且将脉宽调制转换器(PWM)用作转换器32。
在由此构建的燃气轮机发电系统1中，将空气G1吸入到空气压 缩机20中，并在其中进行压缩。压缩空气G2具有大约200℃温度， 并被提供给同流换热器23。当压缩空气G2经过同流换热器23时， 其被涡轮22排出的废气的热量过加热。加热的空气G3具有大约550℃ 的温度。压缩空气G3被提供给燃烧室21，并且与从燃料提供系统 24提供的燃料进行混合。由此，在燃烧室21中形成压缩空气G3和 燃料的气态混合物。在燃烧室21中燃烧压缩空气G3和燃料的气态混 合器，以产生具有高压和大约900℃高温的燃烧气体G4。
在燃烧室21中通过燃烧产生的燃烧气体G4被提供给涡轮22。 涡轮22接收燃烧气体G4，并由此以例如大约68,000rpm的高速进行 旋转。由于涡轮22的旋转轴R连接到空气压缩机20和发电机30的 转子30a，因此发电机30和空气压缩机20随着涡轮22的高速旋转 而进行高速旋转。由此，空气压缩机20压缩空气G1，并且发电机30 产生AC电流。
在发电机30中产生的高频AC电流具有例如大约2,000Hz的频 率，并且在发电设备3的转换器31中整流为DC电流。转换器32将 转换器31的输出转换为具有预定频率(例如，50Hz或60Hz)和预 定电压的AC电流，从而使得其能够用作商业AC电流，然后将其输 出到外部。
涡轮22和同流换热器23通过废气管道29直接相连。涡轮22排 出的废气G5经过废气管道29进入同流换热器23。提供给同流换热 器23的废气G5与流经同流换热器23中的管道的压缩空气G2进行热 交换，以使得压缩空气G2过热。同流换热器23排出的废气G6提供 给废热回收设备4。
例如，废热回收设备4包括热水锅炉，用于在同流换热器23排 出的废气G6与热水之间进行热交换。废热回收设备4使用同流换热 器23排出的废气G6的热量对循环流过热水管道40的热水进行加热， 以便回收废气G6的废热。然后，将已经在废热回收设备4中与热水 进行了热交换的废气G7排出到系统外部。
同流换热器23和废热回收设备4通过废气管道27直接相连。在 同流换热器23与废热回收设备4之间的废气管道27上提供了第一温 度测量装置TE1，用于测量同流换热器23的下游废气G6的温度。同 流换热器23与燃烧室21通过压缩空气管道28直接相连。在同流换 热器23与燃烧室21之间的压缩空气管道28上提供了第二温度测量 装置TE2，用于测量燃烧室21的上游压缩空气G3的温度。在涡轮 22与同流换热器23之间的废气管道29上提供了第三温度测量装置 TE3，用于测量废气G5的温度。
图2是使出燃料提供系统24的框图。如图2所示，燃料提供系 统24具有供给源50(第一燃料提供装置)，用于提供具有大热值的 燃料HG(辅助燃料)，例如液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、 丙烷气、煤油或者轻油。燃料提供系统24还具有供给源51(第二燃 料提供装置)，用于提供具有较小热值的气体LG，例如在生物质的消 化过程中产生的污物消化气(sewage digestion gas)或者在生物质的 气化过程中产生的裂解气。
燃料提供系统24包括脱硫塔52，用于从气体LG中去掉硫化氢， 气体吹风机53，用于对气体LG加压，干燥器54，用于从气体LG 中去掉潮气，以及硅氧烷去除装置55，用于从气体LG中去掉没有被 脱硫塔52去除的硅氧烷。此外，燃料提供系统24还包括三通阀56， 其作为切换装置，用于选择性地将来自第一燃料提供装置50的燃料 HG或者来自第二燃料提供装置51的气体LG提供给燃烧室21。燃 料提供系统24具有设置在三通阀56下游的燃料压缩机57，用于将 燃料加压到预定压力。三通阀56可以包括具有致动器的三通混合阀， 或者具有致动器的三通选择阀。
具有较小热值的气体LG，例如污物消化气或者裂解气，包含硫 化氢，其对于后续的硅氧烷去除装置55、燃料压缩机57或者涡轮22 具有腐蚀性的副作用。因此，要将气体LG从供给源51提供给脱硫 塔52进行去硫，以便使得硫化氢的浓度低于10ppm。脱硫塔52可以 采用使用氧化铁的干式脱硫法，或者湿式脱硫法，例如生物脱硫法。 硅氧烷通过脱硫塔52，因为在脱硫塔52中没有将其从气体LG中去 掉。
已经通过了脱硫塔52的气体LG被气体吹风机53加压，以便具 有小于0.1MPaG的压力。然后，干燥器54对气体LG进行冷却和干 燥。将气体LG从干燥器54引入硅氧烷去除装置55，在此，从气体 LG中去掉硅氧烷。随后，气体LG经过三通阀56。然后，燃料压缩 机57对气体LG加压，以使其具有范围从0.5到0.6MPaG的压力。 将气体LG从燃料压缩机57提供给涡轮22。
在燃气轮机设备2的操作开始时，将三通阀56切换到第一燃料 提供装置，以便将燃料HG提供给燃烧室21。在这时，将发电机30 用作驱动单元，来转动涡轮22。由此，仅仅通过提供燃料HG，将涡 轮22的旋速提高到自持转速。由于具有较高加热值的燃料HG，例 如天然气或丙烷气，能够在常温下可靠地点燃，因此通过在燃气轮机 设备2的操作开始时提供燃料HG，能够可靠地启动涡轮22。
如上所述，可以使用三通混合阀或者三通选择阀作为该三通阀 56。在使用三通混合阀作为该三通阀56的情况下，缓慢地操作该三 通混合阀，以便逐渐将气体LG混合到燃料HG中。最终停止燃料 HG的供应，从而使得燃气轮机设备2仅仅使用气体LG工作。此外， 从三通阀56到燃烧室21的管道容积很大，即使是以足够高的速度切 换三通阀56，也可以平滑地实现从燃料HG到气体LG的切换。在这 种情况下，可以使用能够瞬间切换的三通选择阀作为该三通阀56。 在该情况下，可以使用两个双向电磁阀替代该三通选择器，以降低燃 气轮机设备2的成本。
在涡轮22的转速到达自持转速之后，执行升温，直到涡轮22和 同流换热器23的温度达到预期值。尤其是，由于在压缩空气和来自 涡轮22的废气之间进行热交换的同流换热器23具有很大的热容量， 因此可能需要几分钟才能将同流换热器23加热到预期温度。可以根 据同流换热器23的下游废气G6的温度、燃烧室21的上游压缩空气 G3的温度或者从涡轮22排出的废气G5的温度，确定包含同流换热器 23的部分是否已经被加热到预期温度，其中温度测量装置TE1测量 废气G6的温度，温度测量装置TE2测量压缩空气G3的温度，温度测 量装置TE3测量废气G5的温度。
在包含同流换热器23的部分的温度达到预期温度之后，三通阀 56切换到第二燃料提供装置51，以便将气体LG提供给燃烧室21。 同时，在燃气轮机设备2中，燃烧室21的上游压缩空气G3的温度达 到约550℃，燃烧室21的内部温度达到1000℃。因此，提供给燃烧 室21的气体LG被燃烧室21中的高温空气所活化。由此，与气体 LG处于正常温度空气下的情况相比，气体LG具有较大的可燃范围。 因此，气体LG容易被点燃。根据试验，即使是具有4186kJ/kg(1000 kcal/kg)的低热值的气体都可以被点燃。
当已经在工作之后停止的燃气轮机设备2重新启动时，由于燃烧 室21和同流换热器23具有较高温度，因此压缩空气G3的温度很容 易增加到预期温度。因此，在该情况下，可以在涡轮22的转速达到 自持转速之前，将三通阀56从第一燃料提供装置50切换到第二燃料 提供装置51。可替换的，可以仅使用气体LG来启动燃气轮机设备2， 而不使用燃料HG。
应该根据燃料的热值和涡轮22的输出，来调节燃料提供系统24 所提供的燃料量。因此，如图2所示，期望的是，燃料提供系统24 具有控制器58，用于控制燃料压缩机57排出的燃料量。尽管在图2 所示的实施例中仅仅提供了一个燃料压缩机57，但是可以根据气体 LG的热值而提供多个燃料压缩机57。当提供多个燃料压缩机57时， 期望的是，提供用于控制正在工作的燃料压缩机57的数量的控制器， 以便调节燃料压缩机57排出的燃料量。
在图2所示的示例中，将三通阀56置于燃料压缩机57的上游， 并从燃料压缩机57的上游端提供燃料HG，即，从燃料压缩机57的 吸入端提供燃料HG。然而，本发明并不局限于该示例。例如，如图 3所示，可以将三通阀56置于燃料压缩机57的下游，并从燃料压缩 机57的下游端提供燃料HG，即从燃料压缩机57的排出端提供燃料 HG。在该情况下，应该在调节燃料HG的压力以使其基本上等于从 燃料压缩机57排出的气体LG的压力之后，再将燃料HG提供给三 通阀56。为此，应该对具有比气体LG高的压力的燃料HG进行减压， 然后将其提供给三通阀56。例如，可以通过用于减小民用燃气压力 的减压阀(未示出)，从中压线路或者高压线路中将民用燃气提供给 三通阀56。可替换的，可以通过用于减小天然气压力的减压阀(未 示出)，从天然气气罐中将天然气提供给三通阀56。可以对液化丙烷 气进行加热、加压，然后提供给三通阀56。
此外，在以上实施例中，在燃料提供系统24中进行燃料HG和 气体LG的混合或切换。然而本发明并不局限于该示例。例如，可以 将用于燃料HG的第一燃料提供装置50和用于气体LG的第二燃料 提供装置51分别作为独立线路而连接到燃烧室21上。图4的框图示 出了一个示例，在该示例中，将用于燃料HG的第一燃料提供系统 24a和用于气体LG的第二燃料提供系统24b分别作为独立线路进行 设置。
在图4所示的示例中，第一燃料提供系统24a包括流量控制阀 M1，用于控制要提供给燃烧室21的燃料HG的流速。第二燃料提供 系统24b包括流量控制阀M2，用于控制要提供给燃烧室21的气体 LG的流速。提供了燃料控制器59，用于控制流量控制阀M1和M2， 以便调节要提供给燃烧室21的燃料HG和气体LG的量。在该示例 中，燃烧室21包括燃料总管(manifold)212，其具有多个燃料喷管 210。
将燃料HG提供给燃烧室21，直到涡轮22的转速达到自持转速。 然后，燃料控制器59逐渐关闭第一燃料提供系统24a的流量控制阀 M1，同时燃料控制器自动控制用于气体LG的流量控制阀M2。由此， 燃料控制阀59从燃料HG切换到气体LG。在该情况下，在通过提供 燃料HG而启动涡轮22之后，监视从涡轮22排出的废气温度，同时 能够控制燃料提供系统24a和24b的流量控制阀M1和M2，以便以希 望的比率提供气体LG和燃料HG。此外，通过逐渐关闭流量控制阀 M1并逐渐打开流量控制阀M2，可以将使用燃料HG的操作切换到使 用气体LG的操作。
还可以使用诸如煤油或者轻油之类的液体燃料替代气体作为燃 料HG。在该情况下，期望的是，除了用于气体LG的流量控制阀和 燃烧装置之外，还提供用于液体燃料HG的附加的流量控制阀和燃烧 装置。如同以上示例，将液体燃料HG提供给燃烧室21，以启动燃 气轮机设备2。当同流换热器23的下游废气G6的温度、燃烧室21 的上游压缩空气G3的温度、或者从涡轮22排出的废气的温度达到预 定值时，将使用液体燃料HG的操作切换为使用气体LG的操作。
尽管已经详细示出并描述了本发明的优选实施例，但是应该理解 的是，在不脱离附带的权利要求的范围的情况下，可以对其进行各种 修改和变更
工业应用性
本发明适合于在微型燃气轮机发电系统等等中使用的燃气轮机 设备。