燃气涡轮燃烧室控制系统的制作方法
【专利说明】燃气涡轮燃烧室控制系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年10月29日提交的题目为"GAS TURBINE COMBUSTOR CONTROL SYSTEM"的美国非临时专利申请号14/066, 551，2012年12月28日提交的题目为"GAS TURBINE COMBUSTOR CONTROL SYSTEM"的美国临时专利申请号 61/747, 194,2012 年 11 月 2 日提交的题目为"SYSTEM AND METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM" 的美国临时专利申请号 61/722, 118， 2012 年 11 月 2 日提交的题目为 "SYSTEM AND METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION WITH FUEL-DILUENT MIXING IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM"的美国临时专利申请号61/722, 115,2012年11月2日提交的题目为"SYSTEM AND METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION WITH OXIDENT-DILUENT MIXING IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM"的美国临时专利申请号61/722, 114 以 及2012年 11 月 2 日提交的题目为"SYSTEM AND METHOD FOR LOAD CONTROL WITH DIFFUSION COMBUSTION IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM"的 美国临时专利申请号61/722, 111的优先权和权益，所有这些出于所有目的通过引用以其 整体并入本文。
【背景技术】
[0003] 本文所公开的主题涉及燃气涡轮发动机。
[0004] 燃气涡轮发动机在各种各样的应用中使用，例如发电、航空器以及多种机械装置。 燃气涡轮发动机通常在燃烧室部分中燃烧燃料与氧化剂（例如，空气）以产生热的燃烧产 物，其然后驱动涡轮部分的一个或多个涡轮级（Stage)。依次地，涡轮部分驱动压缩机部分 的一个或多个压缩机级，从而压缩氧化剂以连同燃料一起进气到燃烧室部分中。再一次地， 燃料和氧化剂在燃烧室部分中混合，并且然后燃烧以产生热的燃烧产物。通常地，燃烧产物 的性质，例如燃烧产物中特定气体的相对水平（例如，氮氧化物（NOx)和二氧化碳（CO2))可 被在燃烧过程中使用的燃料与氧化剂的比率影响。不幸地，某些比率可导致燃烧产物中过 量水平的氧，其可能是对燃气涡轮系统以及下游组件有害的。
【发明内容】
[0005] 以下总结了与最初要求保护主题的范围相称的某些实施方式。这些实施方式不 意欲限制要求保护的发明的范围，而是这些实施方式仅意欲提供本发明可能形式的简要概 括。事实上，本公开可包括可与以下阐明的实施方式类似或者不同的多种形式。
[0006] 在一个实施方式中，燃气涡轮系统包括：控制器，其具有：共同存储一组或多组指 令的一个或多个有形的、非临时性的、机器可读的介质；和配置为执行该一组或多组指令的 一个或多个处理设备以：接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的燃料相关的燃 料组成信息；接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的氧化剂相关的氧化剂组成 信息；接收与至涡轮燃烧室的氧化剂流动相关的氧化剂流动信息；至少基于燃料组成信息 和氧化剂组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比（FORst);产生用于输入至燃料流动 控制系统的控制信号一一所述燃料流动控制系统被配置为基于氧化剂流动信息、目标当量 比以及？01^控制至涡轮燃烧室的燃料流动，以能够在排气稀释剂的存在下在目标当量比 下燃烧。
[0007] 在另一个实施方式中，燃气涡轮系统包括配置为在排气稀释剂的存在下在目标当 量比下燃烧燃料和氧化剂以产生燃烧产物的涡轮燃烧室；配置为在氧化剂流动速率下传输 氧化剂至涡轮燃烧室的氧化剂路径；配置为在燃料流动速率下传输燃料至涡轮燃烧室的燃 料路径，其中燃料路径包含配置为响应于一个或多个控制信号调节燃料流动速率的燃料流 动控制系统；并且控制器可通信地连接至流动控制系统，其中控制器包括：共同存储一组 或多组指令的一个或多个有形的、非临时性的、机器可读的介质；以及配置为执行一组或多 组指令以向燃料流动控制系统提供一个或多个控制信号的一个或多个处理设备，其中一个 或多个控制信号控制至燃烧室的燃料流动速率以能够在涡轮燃烧室中在目标当量比下燃 烧，其中一个或多个控制信号包含反馈分量和前馈分量。
[0008] 在进一步的实施方式中，提供共同存储通过一个或多个处理设备可执行的一组或 多组指令的一个或多个非临时性的、机器可读的介质以：接收与用于在燃气涡轮系统的涡 轮燃烧室中燃烧的燃料相关的燃料组成信息；接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中 燃烧的氧化剂相关的氧化剂组成信息；接收与至涡轮燃烧室的氧化剂流动相关的氧化剂流 动信息；至少基于燃料组成信息和氧化剂组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比 (FORst);使用FORst和目标当量比确定参考燃料-对-氧化剂比（FORkef);并且产生用于输 入至燃料流动控制系统的控制信号一一该燃料流动控制系统配置为基于氧化剂流动信息 和FORkef控制至涡轮燃烧室的燃料流动，以能够在涡轮燃烧室内在再循环排气的存在下在 燃料和氧化剂之间的目标当量比下燃烧。
【附图说明】
[0009] 当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得 更好理解，在附图中相同字符表示相同构件，其中：
[0010]图1是系统的实施方式的图表，该系统具有连接到烃生产系统的基于涡轮的服务 系统；
[0011] 图2是图1的系统的实施方式的图表，进一步图解了控制系统和联合的循环系 统；
[0012] 图3是图1和2的系统的实施方式的图表，进一步图解了燃气涡轮发动机、排气供 应系统和排气处理系统的细节；
[0013] 图4是用于运行图1-3的系统的过程的实施方式的流程图；
[0014] 图5是图1-3的系统的实施方式的图表，进一步图解了控制系统、燃料分析系统和 配置为确定涉及系统的过程流的组成和流动信息的各种传感器的细节；
[0015] 图6是确定用于运行图5的当量比控制系统的控制输入的过程的实施方式的流程 图；
[0016] 图7是确定用于运行图5的当量比控制系统的控制输入的过程的实施方式的流程 图；
[0017] 图8是确定用于运行图5的当量比控制系统的控制输入的过程的实施方式；以及
[0018]图9是使用与在图1-3和5的燃气涡轮系统的运行期间产生的排气相关的测量值 和模拟值的组合确定测量的当量比的过程的实施方式。
[0019] 详细描述
[0020] 以下将描述本公开的一个或多个具体的实施方式。为了提供这些实施方式 的简明描述，在说明书中可以不描述实际实施的所有特征。应当理解的是，在任何这 种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实施具体的决定 (implementation-specific decision)以达到开发者的具体目标，例如符合系统相关和商 业相关的约束，其可以在不同的实施之间变化。此外，应当理解的是，这种开发努力可能是 复杂的并耗时的，但是对于具有此公开益处的那些普通技术仍然将是设计、制作和制造的 常规任务。
[0021] 当引入本发明各种实施方式的要素时，冠词"一（a) "、"一（an) " "该（the) "和"所 述（said) "意欲表示存在一个或多个要素。术语"包含（comprising) "、"包括（including) " 和"具有（having) "意欲包括并且表示除了所列出的要素还可存在另外的要素。
[0022] 如以下详细讨论的，公开的实施方式通常涉及带有排气再循环（EGR)的燃气涡轮 系统，并且尤其涉及使用EGR的燃气涡轮系统的化学计量的运行。例如，燃气涡轮系统可 配置为沿着排气再循环路径再循环排气，连同至少一些再循环排气化学计量地燃烧燃料和 氧化剂，并且捕获排气以用在多种目标系统。另外，在其下进行燃料和氧化剂的燃烧的化 学计量比可基于前馈和反馈机制二者控制。在某些实施方式中，前馈机制可基于燃料和氧 化剂的组成、燃料和/或氧化剂至燃气涡轮系统的当前流动速率以及期望的化学计量的燃 料-对-空气比。在一些实施方式中，反馈机制可基于再循环排气的测量的组成。控制系 统可利用前馈机制、反馈机制或其组合以控制至燃气涡轮系统的燃料和/或氧化剂流动， 以实现排气的期望组成，例如实现排气中较高水平的二氧化碳（CO2)。
[0023] 除控制燃料和/或氧化剂流动之外，排气的再循环连同化学计量的燃烧可有助于 增加排气中CO2的浓度水平，其可以然后被后处理以分离并纯化CO 2和氮气（N 2)，用于多种 目标系统中。燃气涡轮系统也可以沿着排气再循环路径使用各种排气处理（例如，热回收、 催化剂反应等），从而增加 CO2的浓度水平，减少其他排放物（例如，一氧化碳、氮氧化物、氧 气以及未燃尽的烃）的浓度水平，并且增加能量回收（例如，用热回收单元）。
[0024] 图1是系统10的实施方式的图表，该系统10具有与基于涡轮的服务系统14相关 联的烃生产系统12。如以下进一步详细讨论的，基于涡轮的服务系统14的各种实施方式配 置为提供多种服务一一例如电力、机械动力以及流体（例如，排气）一一至烃生产系统12以 促进油和/或气的生产或回收。在图解的实施方式中，烃生产系统12包括油/气提取系统 16和提高采收率法采油（EOR)系统18,其被连接到地下储层20 (例如，油、气或烃储层）。 油/气提取系统16包括连接到油/气井26的多种地表装置22,例如采油树（Christmas tree)或生产树24。而且，井26可包括延伸穿过在土地32中的钻孔30至地下储层20的 一个或多个管28。树24包括一个或多个阀、节流器、隔离套、防喷器和各种流动控制设备， 其调节压力，并且控制到地下储层20以及自地下储层20的流动。虽然树24通常用于控制 采出液（例如，油或气）自地下储层20流出，但EOR系统18通过将一种或多种流体注入到 地下储层20可增加油或气的生产。
[0025] 因此，EOR系统18可包括流体注入系统34,其具有延伸穿过土地32中的孔38到 地下储层20的一个或多个管36。例如，EOR系统18可发送一种或多种流体40--例如气 体、蒸汽、水、化学制品或其任意结合一一到流体注入系统34。例如，如以下进一步详细讨论 的，EOR系统18可连接到基于涡轮的服务系统14,以便系统14发送排气42 (例如，基本上 或者完全不含氧气）至EOR系统18,以用作注入流体40。流体注入系统34发送流体40 (例 如，排气42)穿过一个或多个管36到地下储层20,如箭头44所示。注入流体40穿过在远 离油/气井26的管28的偏移距离46处的管36进入地下储层20。因此，如箭头50所示， 注入流体40转移位于地下储层20中的油/气48并驱动油/气48向上穿过烃生产系统12 的一个或多个管28。如以下进一步详细讨论的，注入流体40可包括源于基于涡轮的服务 系统14的排气42,该基于涡轮的服务系统14能够现场产生烃生产系统12需要的排气42。 换句话说，基于涡轮的系统14可同时产生一种或多种服务（例如，电力、机械动力、蒸汽、水 (例如，淡化水）和排气（例如，基本上不含氧气））用于由烃生产系统12使用，从而减少或 消除这种服务对外部资源的依赖。
[0026] 在图解的实施方式中，基于涡轮的服务系统14包括化学计量的排气再循环 (SEGR)燃气涡轮系统52和排气（EG)处理系统54。燃气涡轮系统52可配置为以化学计量 的燃烧运行模式（例如，化学计量的控制模式）和非-化学计量的燃烧运行模式（例如， 非-化学计量的控制模式）运行，例如贫燃料控制模式或富燃料控制模式。在化学计量的 控制模式中，燃烧通常在基本上化学计量比的燃料和氧化剂中产生，从而导致基本上化学 计量的燃烧。特别地，化学计量的燃烧通常包括在燃烧反应中消耗基本上所有的燃料和氧 化剂，以便燃烧产物基本上或完全不含有未燃尽的燃料和氧化剂。化学计量的燃烧的一个 量度是当量比，或Phi ( Φ )，其是实际燃料/氧化剂比相对于化学计量的燃料/氧化剂比的 比率。大于1. 0的当量比导致燃料和氧化剂的富燃料燃烧，反之小于1. 0的当量比导致燃 料和氧化剂的贫燃料燃烧。相反，1. 〇的当量比导致即不富燃料也不贫燃料的燃烧，从而在 燃烧反应中基本上消耗所有的燃料和氧化剂。在公开的实施方式的上下文中，术语化学计 量或基本上化学计量可指大约0. 95至大约1. 05的当量比。然而，公开的实施方式也可包 括I. 0加或减0. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05或者更多的当量比。再一次地，在基于涡轮的 服务系统14中燃料和氧化剂的化学计量的燃烧可导致基本上无未燃尽的燃料或氧化剂剩 余的燃烧产物或排气（例如，42)。例如，排气42可具有按体积小于百分之1、2、3、4或5的 氧化剂（例如，氧气）、未燃尽的燃料或烃（例如，HCs)、氮氧化物（例如，NOx)、一氧化碳 (C0)、硫氧化物（例如，S0X)、氢气以及其他不完全燃烧的产物。通过进一步的实例，排气42 可具有小于按体积大约每百万份之 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、 1000、2000、3000、4000或5000份（??11^)的氧化剂（例如，氧气）、未燃尽的燃料或烃（例 如，HCs)、氮氧化物（例如，NOx)、一氧化碳（CO)、硫氧化物（例如，SOx)、氢气以及其他不完 全燃烧的产物。然而，公开的实施方式也可在排气42中产生其他范围的残留燃料、氧化剂 以及其他排放水平。如本文所使用的，术语排放物、排放水平和排放目标可指某些燃烧产物 (例如，N0X、C0、S0X、02、N2、H 2、HCs等）的浓度水平，其可以存在于再循环气流、排出的气流 (例如，排放到大气中）以及用在各种目标系统（例如，烃生产系统12)的气流中。
[0027] 虽然在不同的实施方式中SEGR燃气涡轮系统52和EG处理系统54可包括多种组 件，但图解的EG处理系统54包括热回收蒸汽发生器（HRSG) 56和排气再循环（EGR)系统 58,其接收并处理源于SEGR燃气涡轮系统52的排气60。HRSG 56可包括一个或多个热交 换器、冷凝器以及多种热回收装置，其共同起作用以将热从排气60传送至水流，从而产生 蒸汽62。蒸汽62可用在一个或多个蒸汽涡轮、EOR系统18或烃生产系统12的任何其他部 分中。例如，HRSG 56可产生低压、中压和/或高压蒸汽62,其可选择性地应用于低压、中 压和高压蒸汽涡轮级或者EOR系统18的不同应用中。除了蒸汽62之外，处理的水64-一 例如淡化水--可通过HRSG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54或SEGR燃气涡轮系统 52的另外部分产生。处理的水64(例如，淡化水）在水缺乏区域一一例如内陆或者沙漠地 区--可以是特别有用的。处理的水64可以至少部分地由于在SEGR燃气涡轮系统52中 大体积的驱动燃料燃烧的空气而产生。虽然蒸汽62和水64的现场产生在许多应用中（包 括烃生产系统12)可以是有益的，但排气42、60的现场产生对于EOR系统18可以是特别有 益的，这是由于其低氧含量、高压以及源自SEGR燃气涡轮系统52的热。因此，HRSG 56、EGR 系统58和/或EG处理系统54的另一部分可输出或者再循环排气66到SEGR燃气涡轮系 统52中，同时也发送排气42到EOR系统18,供烃生产系统12使用。同样地，排气42可直 接从SEGR燃气涡轮系统52 ( 即，无需通过EG处理系统54)提取，以用在烃生产系统12的 EOR系统18中。
[0028] EG处理系统54的EGR系统58处理排气再循环。例如，EGR系统58包括一个或 多个管道、阀、鼓风机、排气处理系统（例如，过滤器、颗粒去除单元、气体分离单元、气体纯 化单元、热交换器、热回收单元、水分去除单元、催化剂单元、化学制品注入单元或其任意组 合）和控制元件以沿着从SEGR燃气涡轮系统52的输出（例如，排出的排气60)至输入（例 如，进气的排气66)的排气循环路径再循环排气。在图解的实施方式中SEGR燃气涡轮系统 52进气该排气66到具有一个或多个压缩机的压缩机部分中，从而压缩排气66,以连同氧化 剂68和一种或多种燃料70的进气在燃烧室部分中使用。氧化剂68可包括环境空气、纯氧 气、富氧空气、氧气减少的空气、氧气-氮气混合物或者促进燃料70燃烧的任何合适的氧化 剂。燃料70可包括一种或多种气体燃料、液体燃料或其任意组合。例如，燃料70可包括天 然气、液化天然气（LNG)、合成气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、煤油、柴油燃料、乙醇、甲 醇、生物燃料或其任意组合。
[0029] SEGR燃气涡轮系统52在燃烧室部分中混合并燃烧排气66、氧化剂68以及燃料 70,从而产生热的燃烧气或排气60以驱动涡轮部分中的一个或多个涡轮级。在某些实施方 式中，在燃烧室部分中的每个燃烧室包括一个或多个预混合燃料喷嘴、一个或多个扩散燃 料喷嘴或其任意组合。例如，每个预混合燃料喷嘴可配置为在燃料喷嘴中内部地和/或部 分地在燃料喷嘴上游混合氧化剂68和燃料70,从而将氧化剂-燃料混合物从燃料喷嘴注 入到燃烧区用于预混合的燃烧（例如，预混合的火焰）。通过进一步的实例，每个扩散燃料 喷嘴可配置为在燃料喷嘴内隔离氧化剂68和燃料70的流，从而从燃料喷嘴分别注入氧化 剂68和燃料70到燃烧区中用于扩散燃烧（例如，扩散火焰）。特别地，扩散燃料喷嘴提供 的扩散燃烧延迟氧化剂68和燃料70的混合直到初始燃烧点，即，火焰区域。在使用扩散燃 料喷嘴的实施方式中，扩散火焰可提供增加的火焰稳定性，这是因为扩散火焰通常在氧化 剂68和燃料70的分离的流之间化学计量点处（即，当氧化剂68和燃料70混合时）形成。 在某些实施方式中，一种或多种稀释剂（例如，排气60、蒸汽、氮气或者另一惰性气体）可以 在扩散燃料喷嘴或者在预混合燃料喷嘴中与氧化剂68、燃料70或二者预混合。另外，一种 或多种稀释剂（例如，排气60、蒸汽、氮气或者另一惰性气体）可以在每个燃烧室内的燃烧 点处或者从其下游注入到燃烧室。这些稀释剂的使用可帮助调节火焰（例如，预混合火焰 或者扩散火焰），从而帮助减少NOx排放物，例如一氧化氮（NO)和二氧化氮（NO 2)。不管火 焰的类型如何，燃烧产生热的燃烧气体或排气60以驱动一个或多个涡轮级。当每个涡轮级 被排气60驱动时，SEGR燃气涡轮系统52产生机械动力72和/或电力74 (例如，通过发电 机）。系统52也输出排气60,并且可进一步输出水64。再一次地，水64可以是处理的水， 例如淡化水，其在现场或现场外的多种应用中可以是有用的。
[0030] 排气提取也通过SEGR燃气涡轮系统52使用一个或多个提取点76提供。例如，图 解的实施方式包括具有排气（EG)提取系统80和排气（EG)处理系统82的排气（EG)供应 系统78,其接收来自提取点76的排气42、处理排气42并且然后供应或者分配排气42至各 种目标系统。目标系统可包括EOR系统18和/或其他系统，例如管线86、储罐88或碳封 存（sequestration)系统90。EG提取系统80可包括一个或多个管道、阀、控制元件和流分 离物，其促进排气42与氧化剂68、燃料70以及其他污染物的隔离，同时也控制提取的排气 42的温度、压力以及流动速率。EG处理系统82可包括一个或多个热交换器（例如，热回收 单元例如热回收蒸汽发生器、冷凝器、冷却器或加热器）、催化剂系统（例如，氧化催化剂系 统）、颗粒和/或水去除系统（例如，气体脱水单元、惯性分离器、聚结过滤器、不透水过滤 器以及其他过滤器）、化学制品注入系统、基于溶剂的处理系统（例如，吸收器、闪蒸罐等）、 碳捕获系统、气体分离系统、气体纯化系统、和/或一个基于溶剂的处理系统、排气压缩机、 其任意组合。EG处理系统82的这些子系统能够控制温度、压力、流动速率、水分含量（例 如，水去除的量）、颗粒含量（例如，颗粒去除的量）以及气体组成（例如，〇)2、队等的百分 比）。
[0031] 通过EG处理系统82的一个或多个子系统处理提取的排气42,这依赖于目标系统。 例如，EG处理系统82可引导全部或部分排气42穿过碳捕获系统、气体分离系统、气体纯化 系统和/或基于溶剂的处理系统，其被控制以分离和纯化含碳气体（例如，二氧化碳）92和 /或氮气（N2)94以在多种目标系统中使用。例如，EG处理系统82的实施方式可进行气体 分离和纯化以生成排气42的多个不同流95,例如第一流96、第二流97和第三流98。第一 流96可具有富含二氧化碳和/或贫乏