對具有排氣再循環的燃氣渦輪系統的化學計量燃燒控制的制作方法
【專利說明】對具有排氣再循環的燃氣渦輪系統的化學計量燃燒控制
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 該申請要求2013年10月30日提交的名稱為"對具有排氣再循環的燃氣渦輪 系統的化學計量燃燒控制（STOICHIOMETRICCOMBUSTIONCONTROLFORGASTURBINE SYSTEMWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION)" 的美國非臨時專利申請號 14/067, 797， 2012年12月28日提交的名稱為"對具有排氣再循環的燃氣渦輪系統的化學計量燃燒 控制（STOICHIOMETRICCOMBUSTIONCONTROLFORGASTURBINESYSTEMWITHEXHAUST GASRECIRCULATION) "的美國臨時專利申請號61/747, 209,2012年11月2日提交的名 稱為"用于在化學計量排氣再循環燃氣渦輪系統中擴散燃燒的系統和方法（SYSTEMAND METHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATION GASTURBINESYSTEM)"的美國臨時專利申請號61/722, 118,2012年11月2日提交的名 稱為"用于在化學計量排氣再循環燃氣渦輪系統中利用燃料-稀釋劑混合擴散燃燒的系 統和方法（SYSTEMANDMETHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONWITHFUEL-DILUENTMIXING INASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)" 的美國臨時 專利申請號61/722, 115, 2012年11月2日提交的名稱為"用于在化學計量排氣再循環燃 氣渦輪系統中利用氧化劑-稀釋劑混合擴散燃燒的系統和方法（SYSTEMANDMETHODFOR DIFFUSIONCOMBUSTIONWITHOXIDANT-DILUENTMIXINGINASTOICHIOMETRICEXHAUST GASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)"的美國臨時專利申請號61/722, 114,和2012年 11月2日提交的名稱為"用于在化學計量排氣再循環燃氣渦輪系統中利用擴散燃燒負載控 制的系統和方法（SYSTEMANDMETHODFORLOADCONTROLWITHDIFFUSIONCOMBUSTIONIN ASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)" 的美國臨時專利 申請號61/722, 111的優先權和權益，所有這些出于所有目的通過引用以其整體并入本文。
[0003] 發明背景
[0004] 本文公開的主題涉及燃氣渦輪發動機，以及更具體地涉及燃氣渦輪的化學計量控 制系統和方法。
[0005] 燃氣渦輪發動機在各種各樣的應用中使用，例如發電、航空器以及多種機械裝置。 燃氣渦輪發動機通常在燃燒室部分中燃燒燃料與氧化劑（例如，空氣）以產生熱的燃燒產 物，其然后驅動渦輪部分的一個或多個渦輪級（stage)。依次地，渦輪部分驅動壓縮機部分 的一個或多個壓縮機級，從而壓縮氧化劑以連同燃料一起進氣到燃燒室部分中。再一次，燃 料和氧化劑在燃燒室部分中混合，然后燃燒以產生熱的燃燒產物。燃氣渦輪發動機一般沿 著燃燒室部分的燃燒腔的上游的一條或多條流動路徑預混合燃料和氧化劑，并且因此燃氣 渦輪發動機一般使用預混合火焰操作。不幸地，預混合火焰可能難以控制或維持，其可影響 各種排氣排放物和動力需求。此外，燃氣渦輪發動機通常消耗大量空氣作為氧化劑，并將大 量排氣輸出到大氣中。換句話說，排氣通常作為燃氣渦輪運行的副產物被浪費。
【發明內容】
[0006] 在下面概括與最初要求保護的發明范圍相稱的某些實施方式。這些實施方式不 意欲限制要求保護的發明的范圍，而是這些實施方式僅意欲提供發明的可能形式的簡要概 括。事實上，發明可包括多種形式，其可類似于或不同于下面提出的實施方式。
[0007] 在第一實施方式中，系統包括傳感器，其配置為通信代表燃氣渦輪運行的信號。該 系統進一步包括控制器，其通信地連接至傳感器。該系統額外地包括化學計量模型，其配 置為接收代表燃氣渦輪運行的一個或多個輸入和測量的當量比，其中控制器配置為將信號 轉換為一個或多個輸入并基于目標當量比使用化學計量模型來導出致動信號（actuation signal)〇
[0008] 在第二實施方式中，方法包括感測燃氣渦輪發動機的運行，并且傳送代表燃氣渦 輪運行的傳感器信號。該方法進一步包括將傳感器信號轉化為模型輸入并將模型輸入通信 至化學計量模型中。該方法額外地包括使用化學計量模型導出目標當量比并將目標當量比 與測量的當量比進行比較。該方法還包括基于比較目標當量比與測量的當量比導出致動信 號和將致動信號傳送至致動器。
[0009] 在第三實施方式中，系統包括處理器，其配置為感測燃氣渦輪發動機的運行，并且 傳送代表燃氣渦輪運行的傳感器信號。該處理器進一步配置為將傳感器信號轉化為模型輸 入并將模型輸入通信至化學計量模型中。該處理器額外地配置為使用化學計量模型導出目 標當量比并將目標當量比與測量的當量比進行比較。處理器還配置為基于比較目標當量比 與測量的當量比導出致動信號并將致動信號傳送至致動器。
[0010] 附圖簡述
[0011] 當參考附圖閱讀下面的詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面和優點將變 得更好理解，其中貫穿附圖，同樣的字符表示同樣的構件，其中：
[0012] 圖1是系統的實施方式的圖，該系統具有連接到烴生產系統的基于渦輪的服務系 統；
[0013]圖2是圖1的系統的實施方式的圖，進一步圖解了控制系統和聯合的循環系統；
[0014] 圖3為圖1和2的系統的實施方式的圖，進一步圖解了燃氣渦輪發動機、排氣供應 系統和排氣加工系統的細節；
[0015] 圖4為用于運行圖1-3的系統的方法的實施方式的流程圖；
[0016]圖5為圖1-3的燃氣渦輪發動機的實施方式的圖，進一步圖解了燃燒室、燃料噴嘴 和氧化劑、燃料和稀釋劑的流動的細節；
[0017] 圖6為通信地連接至圖1-3的基于渦輪的系統和控制系統的多個傳感器和致動器 的實施方式的圖；
[0018]圖7為適合圖1-3的控制系統使用的基于模型的控制系統的實施方式的圖；和
[0019]圖8為適合使用基于模型的控制來控制圖1-3的基于渦輪的系統的方法的實施方 式的流程圖。
[0020] 發明詳述
[0021] 下面將描述本發明的一個或多個【具體實施方式】。試圖提供這些實施方式的 簡要描述，在說明書中可以不描述實際實施的所有特征。應當理解的是，在任何這樣 的實際實施的研發中，如在任何工程或設計項目中，必須做出眾多實施具體的決定 (implementation-specificdecision)以達到研發者的具體目的，諸如遵守系統相關和商 業相關的約束，其可在不同的實施之間變化。此外，應當理解的是，這樣的研發嘗試可能是 復雜的和耗費時間的，但盡管如此，對具有該公開內容益處的那些普通技術人員仍然是設 計、制造和制作的常規工作。
[0022] 當引入本發明各種實施方式的要素時，冠詞"一（a) "、"一（an) " "該（the) "和"所 述（said)"意欲表示存在一個或多個要素。術語"包含"、"包括"和"具有"意欲包括并且 表示除了所列出的要素還可存在另外的要素。
[0023] 如下面詳細討論的，公開的實施方式一般涉及具有排氣再循環（EGR)的燃氣渦輪 系統，并具體涉及使用EGR化學計量地運行燃氣渦輪系統。例如，燃氣渦輪系統可配置為沿 排氣再循環路徑再循環排氣，連同至少一些再循環的排氣化學計量地燃燒燃料和氧化劑， 和捕獲排氣用于各種目標系統。排氣再循環連同化學計量燃燒可有助于增加排氣中二氧化 碳（C02)的濃度水平，其然后可被后處理來分離和純化C02和氮氣（N2)用于各種目標系統。 燃氣渦輪系統還可沿著排氣再循環路徑采用各種排氣處理（如，熱回收、催化劑反應等）， 由此增加C02的濃度水平，降低其它排放物（如，一氧化碳、氮氧化物和未燃盡的烴）的濃 度水平，并且增加能量回收（如，具有熱回收單元）。此外，燃氣渦輪發動機可配置為使用一 種或多種擴散火焰（如，使用擴散燃料噴嘴）、預混合火焰（如，使用預混合燃料噴嘴）或 其任意組合燃燒燃料和氧化劑。在某些實施方式中，擴散火焰可有助于維持化學計量燃燒 的某種限度內的穩定性和運行，其又有助于增加C02的產生。例如，與燃氣渦輪系統使用預 混合火焰運行相比較，燃氣渦輪系統使用擴散火焰運行可能夠實現更大量的EGR。依次，增 加量的EGR有助于增加C02產生。可能的目標系統包括管道、儲罐、碳封存系統和烴生產系 統，諸如提尚米收率法米油（E0R)系統。
[0024] 本文描述的系統和方法提供渦輪機諸如燃氣渦輪系統的基于模型的化學計量控 制（MBSC)。在一個實施方式中，將化學計量的直接量度（測量值，measure) -一諸如使用入 計量器提供的量度一一與化學計量的基于模型的導出值比較。直接量度與由模型導出的量 度之間的差被用于調節燃氣渦輪的控制，例如，通過改變燃料流動、再循環氣體（如，排氣） 流動、進口導向葉片（IGV)位置等。在另一個實施方式中，測量燃燒產物并用于導出化學計 量值，并且將該值與模型導出值比較。然后，控制系統可使用測量的和導出的值之間的差來 類似地調節控制。
[0025] 圖1是系統10的實施方式的圖，該系統10具有與基于渦輪的服務系統14相關聯 的烴生產系統12。如下面進一步詳細討論的，基于渦輪的服務系統14的各種實施方式配置 為提供各種服務一一諸如電動力、機械動力和流體（如，排氣）一一至烴生產系統12以促進 油和/或氣的生產或回收。在圖解的實施方式中，烴生產系統12包括油/氣提取系統16 和提高采收率法采油（E0R)系統18,其被連接至地下儲層20 (如，油、氣或烴儲層）。油/ 氣提取系統16包括連接至油/氣井26的多種地面設備22,諸如采油樹（Christmastree) 或生產樹24。此外，井26可包括一個或多個管28,其延伸經過土地32中的鉆孔30至地下 儲層20。樹24包括一個或多個閥、節流器、隔離套、防噴器和各種流動控制裝置，其調整壓 力并控制到地下儲層20以及自地下儲層20的流動。雖然樹24 -般用于控制采出液（如， 油或氣）由地下儲層20流出，但E0R系統18通過將一種或多種流體注入地下儲層20可增 加油或氣的生產。
[0026] 因此，E0R系統18可包括流體注入系統34,其具有一個或多個管36,其延伸經過土 地32中的孔38至地下儲層20。例如，E0R系統18可發送為一種或多種流體40--諸如， 氣體、蒸汽、水、化學制品或其任意組合一一至流體注入系統34。例如，如下面進一步詳細討 論的，EOR系統18可被連接至基于渦輪的服務系統14,這樣使得系統14發送排氣42 (如， 基本上或完全不含氧氣）至EOR系統18,以用作注入流體40。流體注入系統34發送流體 40(如，排氣42)穿過一個或多個管36進入地下儲層20,如箭頭44所指示的。注入流體40 穿過在遠離油/氣井26的管28的偏移距離46處的管36進入地下儲層20。因此，注入流 體40轉移位于地下儲層20中的油/氣48并驅動油/氣48向上穿過烴生產系統12的一 個或多個管28,如箭頭50所指示的。如下面進一步詳細討論的，注入流體40可包括來源 于基于渦輪的服務系統14的排氣42,該基于渦輪的服務系統14能夠現場產生烴生產系統 12所需的排氣42。換句話說，基于渦輪的系統14可同時產生一種或多種服務（例如，電動 力、機械動力、蒸汽、水（例如，淡化水）和排氣（例如，基本上不含氧氣））用于由烴生產系 統12使用，由此減少或消除這種服務對外部資源的依賴。
[0027] 在圖解的實施方式中，基于渦輪的服務系統14包括化學計量的排氣再循環 (SEGR)燃氣渦輪系統52和排氣（EG)加工系統54。燃氣渦輪系統52可配置為以化學計量 的燃燒運行模式（如，化學計量控制模式）和非-化學計量的燃燒運行模式（如非化學計 量控制模式）運行，諸如貧燃料控制模式或富燃料控制模式。在化學計量的控制模式中， 燃燒一般以燃料和氧化劑的基本上化學計量比發生，由此得到基本上化學計量的燃燒。特 別地，化學計量燃燒一般包括消耗燃燒反應中基本上所有燃料和氧化劑，這樣使得燃燒產 物基本上或完全不含有未燃盡的燃料和氧化劑。化學計量的燃燒的一個量度為當量比，或 phi(〇)，其為實際燃料/氧化劑比相對于化學計量燃料/氧化劑比的比率。大于1. 0的 當量比導致燃料和氧化劑的富燃料燃燒，而小于1. 〇的當量比導致燃料和氧化劑的貧燃料 燃燒。相反地，1. 〇的當量比導致既非富燃料也非貧燃料的燃燒，由此在燃燒反應中基本上 消耗全部燃料和氧化劑。在公開的實施方式的上下文中，術語化學計量或基本上化學計量 可指大約0. 95至大約1. 05的當量比。然而，公開的實施方式還可包括1. 0加或減0. 01、 0. 02、0. 03、0. 04、0. 05或更多的當量比。再者，基于渦輪的服務系統14中燃料和氧化劑的 化學計量的燃燒可導致基本上無未燃盡的燃料或氧化劑剩余的燃燒產物或排氣（如，42)。 例如，排氣42可具有按體積計小于百分之1、2、3、4或5的氧化劑（如，氧氣）、未燃盡的燃 料或烴（如，HC)、氮氧化物（如，N0X)、一氧化碳（C0)、硫氧化物（如，S0X)、氫氣和其它不完 全燃燒的產物。通過進一步的實例，排氣42可具有按體積計小于大約每百萬之10、20、30、 40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000 或 5000 份（ppmv)的氧 化劑（如，氧氣）、未燃盡的燃料或烴（如，HC)、氮氧化物（如，N0X)、一氧化碳（C0)、硫氧化 物（如，S0X)、氫氣和其它不完全燃燒的產物。然而，公開的實施方式還可在排氣42中產生 其它范圍的殘留燃料、氧化劑和其它排放物水平。如本文所使用，術語排放物，排放物水平 和排放物目標可指某些燃燒產物（如，N0X、C0、S0X、02、N2、H2、HC等）的濃度水平，其可存在 于在再循環氣流、排出的氣流（如，排入到大氣中）和用于各種目標系統（如，烴生產系統 12)的氣流中。
[0028] 雖然在不同的實施方式中SEGR燃氣渦輪系統52和EG加工系統54可包括多種組 件，但圖解的EG加工系統54包括熱回收蒸汽發生器（HRDG) 56和排氣再循環（EGR)系統 58,其接收和處理源于SEGR燃氣渦輪系統52的排氣60。HRSG56可包括一個或多個熱交 換器、冷凝器和各種熱回收設備，其共同起作用以將熱從排氣60傳送至水流，從而產生蒸 汽62。蒸汽62可用在一個或多個蒸汽渦輪、EOR系統18或烴生產系統12的任何其他部分 中。例如，HRSG56可產生低壓、中壓和/或高壓蒸汽62,其可選擇性地施加至低壓、中壓和 高壓蒸汽渦輪級或E0R系統18的不同應用中。除了蒸汽62以外，處理的水64-一諸如淡 化水--也可由HRSG56、EGR系統58和/或EG加工系統54或SEGR燃氣渦輪系統52的 另外部分產生。處理的水64(例如，淡化水）在水缺乏區域一一例如內陸或者沙漠地區一一 可以是特別有用的。處理的水64可至少部分地由于在SEGR燃氣渦輪系統52中大體積的 驅動燃料燃燒的空氣而產生。雖然蒸汽62和水64的現場產生在許多應用中（包括烴生產 系統12)可以是有益的，但排氣42、60的現場產生對于E0R系統18可以是特別有益的，這 是由于其低氧含量、高壓、和源自SEGR燃氣渦輪系統52的熱。因此，HRSG56、EGR系統58 和/或EG加工系統54的另一部分可輸出或再循環排氣66進入SEGR燃氣渦輪系統52,同 時還發送排氣42至E0R系統18,供烴生產系統12使用。同樣地，排氣42可直接從SEGR燃 氣渦輪系統52 (S卩，無需通過EG加工系統54)提取，以用在烴生產系統12的E0R系統18 中。
[0029] 排氣再循環由EG加工系統54的EGR系統58操作。例如，EGR系統58包括一個 或多個管道、閥、鼓風機、排氣處理系統（如，過濾器、顆粒去除單元、氣體分離單元、氣體純 化單元、熱交換器、熱回收單元、水分去除單元、催化劑單元、化學制