优化化学计量燃烧的系统和方法

专利名称：优化化学计量燃烧的系统和方法
优化化学计量燃烧的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年8月6日提交的题目为“SYSTEMS AND METHODS FOR OPTIMIZING STOICHIOMETRIC COMBUSTION(优化化学计量燃烧的系统和方法)”的美国临时 专利申请61/371，523的权益，其在此通过引用全文并入。技术领域
本公开一般地涉及低排放动力产生系统。更具体地，本公开涉及用于在燃气轮机 系统中优化基本上化学计量燃烧的系统和方法。
背景技术：
本章节意欲介绍该技术的多个方面，其可能与本技术的示例性实施方式相关。本 讨论被认为有助于提供便于更好地理解本技术具体方面的框架。因此，应当理解到本章节 应该这样阅读，并不必作为现有技术的承认。
在例如与燃气轮机集成的燃烧器内的燃料燃烧可通过监视废气温度进行控制。在 满负荷下，典型的燃气轮机调节引入至多个燃烧器的燃料的量，以便达到期望的燃烧气体 或废气温度。常规的燃烧涡轮控制利用入口导向叶片引入燃烧器的氧化剂。在部分负荷下， 降低引入燃烧器的氧化剂的量并再次控制引入的燃料量以达到期望的废气温度。在部分负 荷下，燃气轮机的效率下降，这是因为降低氧化剂量的能力被入口导向叶片限制，其仅能够 轻微降低氧化剂流量。进一步地，当入口导向叶片处于它们的限流位置时，氧化剂保持在恒 定的较低流速。当它处于产生较低的动力时，燃气轮机的效率则下降，因为为了采用该质量 流量产生该量的动力，要求较低的膨胀机入口温度。此外，现存的氧化剂入口控制装置可能 不允许精细的流速控制并可能引起大压降，而对氧化剂流量具有任何限制。用这些方法中 的任一种控制氧化剂，存在在部分负荷下贫油熄火(lean blow out)或降低压力操作的潜 在问题。
当目标是从废气中捕获二氧化碳(CO2)时，控制引入燃烧器的氧化剂的量可能是 期望的。由于一些原因，目前的二氧化碳捕获技术是昂贵的。一个原因是废气中二氧化碳 的低压和低浓度。然而，二氧化碳浓度可通过在基本上化学计量的条件下操作燃烧过程，从 大约4%显著增加至大于10%。进一步地，一部分废气可作为稀释剂被再循环至燃烧器，以便 控制废气温度。同样，废气中任何未用的氧气可能是捕获的二氧化碳中的污染物，限制了可 用于捕获二氧化碳的溶剂类型。
在很多系统中，氧化剂流速可通过改变单独的氧化剂系统的操作降低。例如，独立 的氧化剂压缩机可减缓至较慢的操作速度，由此提供减小的氧化剂流速。然而，压缩机操作 速度的降低通常降低了压缩机的效率。另外，减缓压缩机可降低进入燃烧器的氧化剂的压 力。相比之下，如果氧化剂由燃气轮机的压缩机部分来提供，降低速度不是在动力产生期间 可控的变量。用于产生60个循环动力(cycle power)的燃气轮机通常在3600rpm下运行。 同样地，为了产生50个循环动力，燃气轮机经常在3000rpm下运行。在常规燃气轮机的燃烧器操作中，进入燃烧器的氧化剂的流量可能不保证显著控制，因为过量的氧化剂被用作 燃烧室中的冷却剂，以控制燃烧条件和废气温度。已经进行了许多研究，以确定控制燃气轮 机中燃烧过程的技术。
例如，Willis等的美国专利号6，332，313公开了具有用于单独燃烧区域的单独、 有阀的空气混合通道的燃烧室。燃烧室组件包括初级、次级和三级燃料和空气混合管道，以 分别供应燃料和空气至初级、次级和三级燃烧区域中的每一个。初级、次级和三级燃料和空 气混合管道中的每一个都包括一对轴向流旋流器和燃料注入器，旋流器被同轴布置以在相 反的方向上旋转空气，燃料注入器同轴供应燃料至各自的轴向流旋流器。提供阀以控制空 气分别供应至初级和次级燃料和空气混合管道。布置管道以供应冷却空气和稀释空气至燃 烧室。测量供应给初级、次级和三级燃料和空气混合管道的空气量。
Mittricker等的国际专利申请公布号W0/2010/044958公开了用于控制例如在燃 气轮机系统中的燃烧产物的方法和系统。一个实施方式包括燃烧控制系统，其具有基本上 包括氧气和CO2并具有氧气与CO2的比率的含氧流，随后将含氧流与燃烧燃料流混合，并在 燃烧器中燃烧以产生具有分别由温度传感器和氧气分析器检测的温度和组成的燃烧产物 流。来自传感器的数据用于控制含氧流和燃烧燃料流的流量和组成。该系统也可包括燃气 轮机，其带有膨胀机并在反馈布置中具有负荷和负荷控制器。
Mittricker等的国际专利申请公布号W0/2009/120779公开了用于低排放动力产 生和烃回收的系统和方法。一个系统包括集成的压力保持和混相驱动(miscible flood) 系统，具有低排放动力产生。另一个系统利用热气体膨胀机和外部燃烧器提供低排放动力 产生、碳隔离(carbon sequestration)、提高采收率法采油(EOR)或二氧化碳销售。另一个 系统利用气体动力涡轮压缩入口压缩机中的空气，并利用膨胀机中载有热二氧化碳的气体 产生动力，提供低排放动力产生。
Paul的美国专利号4，858，428公开了对于燃气轮机具有总优化循环的先进的集 成推进系统。Paul公开了具有集成的高压力和低压力回路的燃气轮机系统，其动力传送用 于从回路之一提取功，到达各回路的空气和燃料的体积根据由微处理器监视的动力要求而 改变。该涡轮系统具有低压力压缩机和分段的高压力压缩机，燃烧室和高压力涡轮与高压 力压缩机相连。燃烧室和低压力涡轮与低压力压缩机相连，低压力涡轮与高压力涡轮分段， 以额外接收从高压力涡轮和微处理器膨胀的气体，从而调节压缩机和涡轮系统中的涡轮部 件之间的空气和气体流量。
Earnest的美国专利号4，271，664公开了具有废气再循环的涡轮发动机。该发动 机具有以开环布雷顿(Brayton)循环操作的主动力涡轮。对主动力涡轮的空气供应由独立 地由闭环朗肯(Rankine)循环的涡轮驱动的压缩机提供，所述闭环朗肯循环的涡轮从布雷 顿涡轮的废气驱赶热能。一部分废气在部分负荷操作期间被再循环进入压缩机入口。
Hagen等的美国专利申请公布号2009/0064653公开了部分负荷燃烧循环。部分负 荷方法在利用稀释剂的热力学循环中控制稀释剂流体、燃料流体和氧化剂流体的传递，以 增加涡轮入口温度和部分负荷操作中的热效率，高于由布雷顿循环、雾化的布雷顿循环或 用一些蒸汽传递或最大蒸汽传递操作的循环的相关技术部分负荷操作获得的热效率。
尽管控制氧化剂流速的一些过去的努力实现了氧化剂入口控制装置，但这样的系 统公开了一起控制所有燃烧器，没有考虑燃烧器之间的差异。进一步地，系统受限于它们精细调节氧化剂流速的能力。发明内容
本技术的示例性实施方式提供了燃气轮机系统。该燃气轮机系统包括氧化剂系 统、燃料系统、控制系统和适于接收和燃烧来自氧化剂系统的氧化剂和来自燃料系统的燃 料而产生废气的多个燃烧器。氧化剂流量调节装置可操作地与燃烧器中的每一个相连。氧 化剂流量调节装置被配置来独立地调节进入相连燃烧器的氧化剂流速。废气传感器与控制 系统通信。废气传感器适于测量废气的至少一个参数，并且控制系统被配置来至少部分基 于由废气传感器测量的参数独立地调节多个氧化剂流量调节装置中的每一个。
氧化剂可包括氧气和稀释剂。稀释剂供应提供给多个燃烧器中的每一个。氧化剂 压缩机可用于向燃烧器提供压缩的氧化剂。
氧化剂流量调节装置可包括流量控制阀。氧化剂流量调节装置可包括可调节的旋 流器子组件。可调节的旋流器子组件可包括放置在流动套管(flow sleeve)周围的环形控 制组件，以可控地调节进入流动套管的氧化剂流速。环形控制组件包括可操作地与安装环 和致动器叶片相连的多个铰接叶片。多个叶片适于通过相对于安装叶片移动致动器叶片在 打开位置和关闭位置以及其间的位置之间可控地调节。
燃气轮机可包括适于与控制系统一起工作的多个废气传感器，以调节到多个燃烧 器中的每一个的氧化剂流速，以便最小化在不同废气传感器上测量的参数之间的差异。在 多个燃烧器的至少一个上的氧化剂流量调节装置适于增加氧化剂、燃料、稀释剂或其任何 组合的混合。
燃烧器可包括稀释剂入口和氧化剂入口，其中氧化剂流量调节装置被放置在氧化 剂入口中。氧化剂流量调节装置可配置来在燃料被引入前混合氧化剂和稀释剂。
涡轮膨胀机可适于接收废气和产生动力。热回收蒸汽发生器可适于接收来自涡轮 膨胀机的废气和产生动力。稀释剂压缩机和废气再循环回路可适于接收来自膨胀机的废 气，其中废气再循环回路包括适于产生动力的热回收蒸汽发生器，并且冷却的排气管线可 适于提供冷却的废气至稀释剂压缩机，并且其中稀释剂压缩机适于向燃烧器提供压缩的稀 释剂。
废气提取系统可位于稀释剂压缩机和燃烧器之间，其中废气提取系统可在升高的 压力下提取稀释剂。
另一个示例性实施方式提供了控制燃气轮机的方法。该方法包括向燃气轮机上的 多个燃烧器提供燃料，和向多个燃烧器提供氧化剂，其中氧化剂流速针对多个燃烧器中的 每一个独立地进行调节。燃料和氧化剂在多个燃烧器中燃烧，以产生废气。测量废气的参 数并调节进入多个燃烧器中的每一个的氧化剂流速，以控制参数处于目标设定点范围内。
该方法可包括在氧化剂提供给多个燃烧器中的每一个前压缩氧化剂。一部分废气 可作为稀释剂返回至多个燃烧器。稀释剂可在稀释剂进入燃烧器前用压缩机压缩。压缩机 可可操作地与适于接收废气和从其产生动力的膨胀机相连接。
至少一部分废气可从在压缩机和多个燃烧器中的每一个之间放置的连接器 (coupling)提取，其中提取的废气量至少部分基于参数。
另一个示例性实施方式提供了非瞬时性计算机可读介质，其包括编码，配置来指示处理器向燃气轮机上的多个燃烧器提供燃料和向多个燃烧器提供氧化剂，其中氧化剂流速针对多个燃烧器中的每一个独立地进行调节。该编码也指示处理器监视在燃烧器的火焰中产生的废气的参数和调节进入多个燃烧器中的每一个的氧化剂流速，从而控制参数处于目标设定点范围内。该参数可以是废气中的氧气浓度。该参数可以是废气中一氧化碳的浓度。
非瞬时性计算机可读介质可包括代表漩涡图(swirl chart)的数据结构。编码可配置来指示处理器，以将与多个传感器相关的测量与数据结构比较，从而确定调节多个燃烧器中的哪一个。该编码可配置来指示处理器，以获得来自多个废气传感器的测量。该编码可配置来指示处理器，以调节到多个燃烧器中的每一个的氧化剂流速，以便最小化在不同废气传感器测量的参数之间的差异。


通过参考以下详细的描述和附图更好地理解本技术的优点，其中
图1为包括燃气轮机的燃气轮机系统的示意图2为说明燃烧器诸如关于图1讨论的燃烧器的一部分的图3为旋流器的图，如关于图2讨论的；
图4为燃气轮机系统的示意图，该系统可用于独立地调节至多个燃烧器中的每一个的氧化剂流量；
图5为包括在涡轮膨胀机上的传感器的燃气轮机系统的示意图6为包括在每个燃烧器外的排气管线上的传感器的燃气轮机系统的示意图7为包括在每个燃烧器的氧化剂供应管线上的单独的氧化剂流量调节阀的燃气轮机系统的示意图8为包括在来自膨胀机排气部分的废气流上的热回收蒸汽发生器(HRSG)的燃气轮机系统的示意图9为包括在从膨胀机排气部分至热回收蒸汽发生器(HRSG)的废气流上的传感器的燃气轮机系统的示意图10为包括来自HRSG·的冷却的废气流上的传感器的燃气轮机系统的示意图11为包括来自HRSG的冷却的废气流上的冷却器的燃气轮机系统的示意图12为结合以上讨论的多个系统的特征的燃气轮机系统的示意图13A和13B为模拟的图形描述,其分别显示当当量比(equivalence ratio) (Φ) 从O. 75至1. 25和从O. 999至1. 001变化时氧气和一氧化碳浓度之间的关系；
图14为用于基于来自传感器阵列的读数偏置(bias)各个燃烧器的方法的方框图；和
图15为可用于独立地控制到燃气轮机中的多个燃烧器的氧化剂和燃料的装置控制系统的方框图。
发明详述
在以下详述部分中，描述了本技术的具体实施方式
。然而，对于以下描述特定于本技术的具体实施方式
或具体用途而言，这意欲仅为示例性目的并仅仅提供示例性实施方式的描述。因此，该技术不限于以下描述的具体实施方式
，而是包括落入所附权利要求的真正精神和范围的所有可选物、改型和等同物。
首先，为了便于参考，阐明用于本申请的一些术语和用于本文的它们的含义。对于 以下没有定义的本文使用的术语，应该给予其相关领域人员给予的最宽泛的定义，如至少 一个印刷的出版物或授权的专利中反映的。进一步地，本技术不被以下显示的术语的用法 所限制，因为所有的等同物、同义词、新出现词(new development)以及用于相同或相似目 的的术语或技术被认为在本权利要求的范围内。
“吸收剂”可用于从废气流量中提取或隔离C02。吸收剂可用于一系列平行的床中， 当一个床中的吸收剂已经到达容量时，其可切换。从流程中移出的床可随后被处理，诸如被 加热，以使CO2脱附。
本申请中用于隔离CO2的合适的吸收剂具有在相关温度范围和组成范围中的适当 大的工作容量、超过其他不期望的组分(诸如N2和O2)的对CO2的良好选择性、良好的动力 学、高耐久性、良好的相容性和适当低的成本。几种固相吸收剂是捕获CO2的潜在候选物。 例如，分子筛是其原子在晶格或框架中以存在大量相互连接的均匀尺寸的孔的方式布置的 材料。所述孔通常仅允许尺寸大约等于或小于孔尺寸的分子进入。因此，分子筛可用于基 于分子相对于孔的尺寸吸收和分离或筛选分子。一类分子筛为沸石。沸石为铝的水合硅酸 盐并且经常包含可交换的阳离子。沸石可以是天然产生的或人造的。天然产生的类型包括 菱沸石、斜发沸石、毛沸石、片沸石和丝光沸石，仅举几例。也可使用人造沸石，包括例如类 型A、D、L、R、S、T、X、Y、ZSM、丝光沸石或斜发沸石。也可使用液相，或溶剂吸收系统，诸如基 于化学吸收作用的那些。这些可包括基于碳酸盐或胺等等的系统。
“物理吸收”表示通过将气态进料流传送进入在相对高的压力例如大约2. 07至13.SMPa下从进料流优先吸收产物的液体而从该进料流吸收产物诸如二氧化碳。将没有所 吸收产物的进料流从液体中去除。该产物可随后诸如通过降低液体上方的压力或通过将产 物分离出液体而从液体中回收。不像基于其他溶剂的方法，诸如基于胺或碳酸盐的那些，将 二氧化碳吸收进入液体不涉及二氧化碳的化学反应。物理吸收方法的例子为SELEXOL * 法，其从HONEYWELL公司的UOP LLC子公司可得。
“碳隔离设备”为这样的设备，在其中可诸如例如通过引入成熟的或枯竭的油和气 储层、未开采的煤层、深层盐水地层、玄武岩地层、页岩地层、或挖掘的隧道或洞穴中而在储 存库(repository)中控制和隔离二氧化碳。进一步地，隔离可与被隔离气体的其他用途结 合，诸如增加来自活性储层的三次采油中的烃生产。
“联合循环动力装置”使用蒸汽涡轮和燃气轮机两者产生动力。燃气轮机以开放布 雷顿循环运行，蒸汽涡轮以由来自燃气轮机的热提供动力的朗肯循环运行。这些联合循环 气体/蒸汽动力装置通常具有比仅气体装置或蒸汽装置高的能量转换效率。联合循环装置 的效率可高达50%至60%。较高的联合循环效率由燃气轮机与蒸汽涡轮组合的协同利用产 生。通常，联合循环动力装置利用来自燃气轮机废气的热，以煮沸水，从而产生蒸汽。典型 的联合循环装置中的锅炉可被称为热回收蒸汽发生器(HRSG)。产生的蒸汽用于向联合循环 装置中的蒸汽涡轮提供动力。燃气轮机和蒸汽涡轮可用于分别向独立的发生器提供动力， 或可选地，蒸汽涡轮可与燃气轮机结合，以便通过共同的驱动轴联合驱动单个发生器。
稀释剂为用于降低供应至燃气轮机以燃烧燃料的氧化剂浓度的气体。稀释剂可以 是过量的氮气、CO2、燃烧废气，或任何数量的其他气体。在实施方式中，稀释剂也可对燃烧器提供冷却。
如本文所用的，“压缩机”包括设计用于增加工作流体压力的任何类型的设备，并 且包括相似或不同类型的压缩设备的任何一种类型或组合。压缩机也可包括与压缩机相关 的辅助设备，诸如马达和驱动系统等等。压缩机可利用一个或多个压缩阶段，例如串联地。 说明性的压缩机可包括但不限于，容积式类型，诸如例如往复和旋转压缩机，和动态类型， 诸如例如离心和轴向流压缩机。例如，压缩机可以是燃气轮机发动机中的第一阶段，如以下 进一步详细讨论的。
“控制系统”通常包括利用逻辑电路的一个或多个物理系统部件，其相互配合以获 得一组共同的处理结果。在燃气轮机发动机的操作中，目的可以是获得特定的废气组成和 温度。控制系统可设计来在外部干扰、由于制造偏差在物理部件中的变动、和输入的设定点 值对于受控输出值变化的存在下可靠地控制物理系统部件。控制系统通常具有至少一个测 量装置，其提供可送入控制器的过程变量的读取，该控制器随后可向致动器提供控制信号， 该致动器随后驱动最终控制元件，其对例如氧化剂流产生作用。控制系统可设计来保持稳 定和避免在具体操作条件范围内的振动。良好设计的控制系统可显著降低人干预的需要， 甚至在操作过程中的扰乱情况期间。
“当量比”指的是进入燃烧器的燃料与氧气的质量比除以当比率为化学计量时燃 料与氧气的质量比。理想的燃料和氧气燃烧形成的CO2和水将具有I的当量比。太贫的混 合物，例如与燃料相比具有更多的氧气，将提供小于I的当量比，而太富的混合物，例如与 氧气相比具有更多的燃料，将提供大于I的当量比。
“燃料”包括可与氧化剂一起燃烧以向燃气轮机提供动力的诸多烃。这样的烃可包 括天然气、处理的天然气、煤油、汽油或诸多其他天然或合成的烃。
“燃气轮机”发动机以布雷顿循环运行。如果废气被排出，则这被称为开放布雷顿 循环，而废气的再循环提供封闭布雷顿循环。如本文所用的，燃气轮机通常包括压缩机部 分、多个燃烧器和涡轮膨胀机部分。压缩机可用于压缩氧化剂，氧化剂与燃料混合并引导至 燃烧器。燃料和氧化剂的混合物随后被点燃以产生热燃烧气体。燃烧气体被引导至涡轮膨 胀机部分，涡轮膨胀机部分从燃烧气体中提取能量，用于向压缩机提供动力，以及产生有用 功以向负荷提供动力。在本文讨论的实施方式中，氧化剂可通过外部压缩机提供给燃烧器， 外部压缩机可以或可以不被机械连接至燃气轮机发动机的轴。进一步地，在实施方式中，压 缩机部分可用于压缩稀释剂，诸如再循环的废气，其可作为冷却剂被送至燃烧器。
“热回收蒸汽发生器”或HRSG是从热气体流中回收热的热交换器或锅炉。它产生 可在过程中使用或用于驱动蒸汽涡轮的蒸汽。HRSG的常规应用是在联合循环动力装置中， 其中来自燃气轮机的热废气被送至HRSG，以产生转而驱动蒸汽涡轮的蒸气。与单独的燃气 轮机或蒸汽涡轮相比，该联合更有效地产生电。
“烃”为主要包括元素氢和碳的有机化合物，尽管氮、硫、氧、金属或诸多其他元素 可少量存在。如本文所用的，烃通常指的是在原始天然气中发现的成分，诸如ch4、c2h2、c2h4、 C2H6, C3异构体、C4异构体、苯和类似物。
“氧化剂”为可流入燃气轮机发动机的燃烧器以燃烧燃料的气体混合物。如本文所 用的，氧化剂可以是与作为稀释剂的诸多其他气体混合的氧气，所述其他气体包括C02、N2, 空气、燃烧废气和类似物。
“传感器”指的是可检测、测定、监视、记录或以其他方式感测物理量的绝对值或改 变的任何装置。如本文描述的传感器可用于测量物理量，包括温度、压力、O2浓度、CO浓度、 CO2浓度、流速、声音数据、振动数据、化学浓度、阀位置或任何其他物理数据。
“压力”为由气体施加在容积的壁上的每单位面积的力。压力可显示为磅每平方英 寸(Psi)。“大气压力”指的是空气的当地压力。“绝对压力”(psia)指的是大气压(在标准 条件下14.7psia)加表压(psig)的总和。“表压”(psig)指的是由测量仪表测量的压力， 其仅指示超过当地大气压的压力(即，Opsig的表压对应于14. 7psia的绝对压力)。术语 “蒸气压”具有通常的热力学含义。对于给定压力下的封闭系统中的纯成分，成分蒸气压基 本上等于系统中的总压。
当提及物质的数量或量或其具体特性使用时，“大量的”指的是足以提供物质或特 性意欲提供的作用的量。在一些情况，可允许的准确的偏差程度可取决于具体的背景。
概述
本发明的实施方式提供了独立地控制燃气轮机发动机上的多个燃烧器的系统和 方法。该控制可至少部分基于来自例如位于废气膨胀机上的环中的传感器的测量。传感器 可包括氧气传感器、一氧化碳传感器和温度传感器等等。进一步地，不同类型的传感器的组 合可用于提供进一步的信息。
传感器可不具有与具体燃烧器的一对一的关系，但可受具体的燃烧器影响。不同 传感器的响应可例如利用可基于漩涡图的和算法以及差算法反向地与具体的燃烧器关联。 漩涡图将膨胀机中废气流动的模式与可能对那点上的废气流有贡献的燃烧器相关。
独立受控的燃烧器的使用可增加燃气轮机发动机的燃烧效率，例如，使燃烧更接 近于一比一的当量比。这样的效率改善可降低废气中的O2和未燃烧的烃，并使从废气中捕 获CO2更有效。这可改善从涡轮捕获CO2，用于提高采收率法采油以及隔离。
图1为包括燃气轮机102的燃气轮机系统100的示意图。燃气轮机102可在单轴 108上具有压缩机104和涡轮膨胀机106。燃气轮机102不限于单轴布置，因为可使用多个 轴，轴之间通常具有机械连接或传送。在实施方式中，燃气轮机102也具有例如通过管线 112供应热废气至膨胀机的多个燃烧器110。例如，燃气轮机102可具有2、4、6、14、18或甚 至更多个燃烧器110，这取决于燃气轮机102的尺寸。
燃烧器110用于燃烧由燃料源114提供的燃料。氧化剂可从不同的来源提供给燃 烧器Iio中的每一个。例如，在实施方式中，外部氧化剂源116诸如外部压缩机可向燃烧器 110提供氧化剂。在实施方式中，氧化剂或再循环的废气118或其混合物可在压缩机104中 压缩并随后提供至燃烧器110。在其他实施方式中，诸如当提供外部氧化剂源116时，压缩 机104可用于仅压缩再循环的废气，其可被送入燃烧器110，用于冷却和稀释氧化剂。
来自燃烧器110的废气在涡轮膨胀机106中膨胀，产生机械能。机械能可通过轴 108向压缩机104提供动力。进一步地，一部分机械能可从燃气轮机中收获作为机械功率输 出120，例如，产生电或向氧化剂压缩机提供动力。膨胀的废气122可被排出用于热回收，再 循环至压缩机104，或用于其任何组合。
在实施方式中，氧化剂可对于燃烧器110中的每一个独立地计量，以控制燃烧器 110中的当量比。本领域技术人员明白的是，例如，在I的当量比下的化学计量燃烧将比非 化学计量燃烧更热。因此，过量的氧化剂或添加的非可燃气体诸如再循环的废气，可被添加以冷却发动机，防止过热损害燃烧器110或涡轮膨胀机106。再循环的废气122的使用提供了进一步的优点，在于该废气缺少氧，使它成为用于提高采收率法采油的更好材料。进一步地，对每个燃烧器110独立地调节氧化剂，例如，如关于图2和3讨论的，可补偿燃烧器110 之间的差异，改善燃气轮机102的总效率。关于图13A、13B和14进一步讨论对燃烧器110 中的每一个控制混合参数。
图2为说明燃烧器诸如关于图1讨论的燃烧器110的一部分的图200。清楚的是这仅是燃烧器110的一个实例，因为很多其他选择是有效的。如图200所示，氧化剂202可被送入可调节的氧化剂旋流器204。旋流器204可通过移动致动器环206更广地打开或部分关闭，如关于图3进一步讨论的。旋流器204产生螺旋气体流208，可增强例如空气与氧化剂流中再循环的废气、或氧化剂与燃料的混合。燃料210可例如沿螺旋气体208外部通过单独的流动路径212注入，这可加热燃料210，增强燃烧。燃料210的注入不限于单独的流动路径212，因为燃料210可在诸多位置注入。例如，燃料214的预加热流可沿旋流器204 的中心向下注入，与螺旋流动路径208中的氧化剂202混合。燃料210在进入燃烧区域216 前与氧化剂202混合，其中燃料210和氧化剂202在火焰218消耗。甲烷在空气中的化学计量燃烧的绝热火焰温度为大约1960°C，甲烷在氧气中的化学计量燃烧的绝热火焰温度为大约2800°C。因此，可能需要冷却，以减少对设备损害的机会。因此，在实施方式中，当注入可调节的氧化剂旋流器204时，稀释剂可被添加至氧化剂202，用于冷却目的。在实施方式中，稀释剂可以是再循环的废气、氮气或不参与燃烧过程的其他气体。
图3为旋流器204的图，如关于图2讨论的。旋流器204具有许多叶片302，其引导氧化剂流304通过每一个叶片302之间的喉道开孔306。致动器环206可用于调节喉道开孔306的尺寸。例如，当致动器环改变角度时，叶片302可打开或关闭，调节进入喉道308 的氧化剂流304。可调节的旋流器204可包括在每个燃烧器110(图1)中，以改变供应至燃烧器110的氧化剂量。可使用旋流器204调节到每个燃烧器110的氧化剂量的系统显示在图4中。
氧化剂到燃烧器的单独控制
图4为可用于单独地调节到诸多燃烧器110中的每一个的氧化剂流量的燃气轮机系统400的示意图。涉及的单元如关于图1 一般地讨论的。系统400使用氧化剂流量调节装置402，诸如以上讨论的旋流器204，和在每个燃烧器110中的混合部分。致动器404可用于调节氧化剂流量调节装置402。
诸多传感器406可放置于燃气轮机102的膨胀机排气部分408中，例如，5、10、15、 20,25,30或更多个，传感器406可放置于膨胀机排气部分408周围的环中。传感器406的数量可由燃气轮机102的尺寸确定。传感器406可以是本文讨论的类型中的任一种，包括氧气传感器、一氧化碳传感器、温度传感器和类似传感器。氧气传感器的例子可包括λ和/ 或宽频带氧化锆氧气传感器、氧化钛传感器、 电流传感器、红外传感器或其任何组合。温度传感器的例子可包括热电偶、电阻温度装置、红外传感器或其任何组合。一氧化碳传感器的例子可包括基于氧化物的膜传感器，诸如锡酸钡和/或二氧化钛。例如，一氧化碳传感器可包括钼活化的二氧化钛、镧稳定化的二氧化钛和类似物。传感器406的选择可由响应时间控制，因为系统的实时控制需要测量。传感器406也可包括不同类型的传感器406的组合。 传感器406发送数据信号410至控制系统412。
控制系统412可以是更大系统诸如分布式控制系统(DCS)、可编程的逻辑控制器 (PLC)、直接数字控制器(DDC)或任何其他合适的控制系统的一部分。进一步地，控制系统 412可自动调节参数，或可向手动实施调节的操作员提供关于燃气轮机102的信息。控制系 统412以下关于图14进一步讨论。
将理解，已经简化图4示出的燃气轮机系统400和其他图中描绘的类似燃气轮机 系统，以辅助说明本技术的多种实施方式。因此，在本技术的实施方式中，氧化剂系统116 和燃料系统114两者，以及燃气轮机系统本身，可包括很多未示出的装置。这样的装置可包 括流量计，诸如孔板流量计、质量流量计、超声流量计、文丘里流量计和类似物。其他装置可 包括阀，诸如打开和关闭管线的活塞液压马达阀(PMV)和调节流速的马达阀诸如薄膜电动 阀(DMV)、球阀和类似物。进一步地，除了显示的单元，压缩机、罐、热交换器和传感器也可在 实施方式中使用。
在图4示出的实施方式中，压缩机104可用于压缩流414，诸如再循环的废气流。 在压缩后，流414可从管线416注入燃烧器110的混合部分。流414不限于纯再循环流，因 为注入流416可向燃烧器110提供氧化剂。来自膨胀机排气部分408的废气流418可用于 提供再循环流，如以下关于图12进一步讨论的。传感器406不限于膨胀机排气部分408， 而可处于许多其他位置。例如，传感器406可放置于膨胀机排气部分408周围的多个环中。 进一步地，传感器406可根据传感器406的类型分开在多个环中，例如氧气分析器在一个环 中，温度传感器在另一个环中。本领域技术人员将明白，可使用诸多合适的布置。另外地， 或代替废气膨胀机中的传感器406，传感器也可被放置于燃气轮机102的其他部分，如关于 图5和6讨论的。
图5为包括涡轮膨胀机106上的传感器502的燃气轮机系统500的示意图。涉及 的单元如以上关于图1和4进行描述。涡轮膨胀机106上的传感器502将信号504发送回 控制系统412，其可用于为燃烧器110中的每一个或所有燃烧器110做出调节决定。诸多 物理测量都可在膨胀机106上实施，例如，传感器106可用于测量温度、压力、CO浓度、O2浓 度、振动等。进一步地，多个传感器502可用于测量这些参数的组合。将传感器502放置在 涡轮膨胀机106上可增加传感器502中的每一个对各个燃烧器106的条件的依赖性，改善 控制算法的效率。这可进一步进行增强，如关于图6讨论的。
图6为包括在每个燃烧器110外的排气管线604上的传感器602的燃气轮机系统 600的示意图。涉及的单元如以上关于图1和4描述的。在该实施方式中，从传感器602返 回控制系统412的信号606具体针对单个的燃烧器110，使特定的控制算法针对燃烧器110 中的每一个能够在控制系统412中实施。如先前讨论的，传感器602可测量温度、压力、CO 浓度、O2浓度或其任何组合。传感器602的该布置可与放置于膨胀机排气部分408或在其 他位置的传感器406结合，以便为燃烧器110中的每一个的具体控制和燃气轮机102的总 体控制数据提供数据。其他技术也可用于实施方式，以获得对燃烧器110的每一个中的燃 烧过程的进一步控制，如关于图7讨论的。
图7为包括在每个燃烧器110的氧化剂供应管线704上的单独氧化剂流量调节阀 702的燃气轮机系统700的示意图。如本文所用的，氧化剂流量调节阀702可以是设计来控 制气体通过管线流动的任何可变几何系统。涉及的单元如以上关于图1、4和6描述的。致 动器706可由控制系统412使用，以通过氧化剂流量调节阀702调节氧化剂的流速。氧化剂流量调节阀702可与氧化剂流量调节装置402 —起操作，以调节氧化剂流量，提供燃烧器 110中燃烧过程的更精密控制。进一步地，在实施方式中，氧化剂流量调节阀702可与在来 自燃烧器110的排气管线604上的传感器602 (图6)结合，以提供进一步控制。
在实施方式中，燃气轮机102可用于提供动力、CO2、热能或其任何组合，用于很多 应用。例如，来自废气的热可如关于图8讨论的进行回收。
能量回收和废气的再循环
图8为包括在来自膨胀机排气部分408的废气流418上的热回收蒸汽发生器 (HRSG)802的燃气轮机系统800的示意图。涉及的单元如以上关于图1和4描述的。废 气流418中的废气可包括但不限于燃料、氧气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、氧化氮、氩 气、水、蒸汽或其任何组合。废气流418可具有大约430°C至大约725°C范围内的温度和大 约IOlkPa至大约IlOkPa的压力。
在示意图800示出的实施方式中，燃烧产生的热可用于煮沸入口水流804，以产生 也可被过加热的蒸汽流806。蒸汽流806可用于例如朗肯循环，以从蒸汽涡轮产生机械动 力，或提供用于公共设施的蒸汽，或两者。来自蒸汽涡轮的机械动力可用于产生电、操作压 缩机等。系统800不限于HRSG802，因为可使用任何类型的热回收单元(HRU)。例如，热可 在热交换器中被回收，以提供热水或其他加热的流体。进一步地，基于有机工作流体(ORC) 的朗肯循环可用于通过将其转化成机械能回收热能。
冷却的废气流808可随后用于其他目的，诸如为流414提供再循环的废气，如以下 讨论的。多种传感器可被添加至系统，以监控和控制蒸汽产生过程，如关于图9和10讨论 的。
图9为包括在从膨胀机排气部分408至热回收蒸汽发生器(HRSG)802的废气流 418上的传感器902的燃气轮机系统900的示意图。涉及的单元如以上关于图1、4和8描 述的。信号904由传感器902提供至控制系统412。传感器902可以是温度传感器、压力传 感器，或先前讨论的任何传感器。进一步地，传感器902可以是单个传感器或一组传感器， 并且可配置来提供信息，用于控制所有燃烧器110，以调节来自燃气轮机102的废气流418 的温度，用于控制HRSG802。在实施方式中，传感器902可与任何先前讨论的传感器布置结 合，例如，如关于图4、5和6所示。HRSG802和燃气轮机102的控制可进一步通过其他位置 的传感器增强，如关于图10讨论的。
图10为包括在来自HRSG802的冷却的废气流808上的传感器902的燃气轮机系 统1000的示意图。涉及的单元如以上关于图1、4和8描述的。信号1004从传感器1002 提供至控制系统412。传感器1002可以是温度传感器、压力传感器，或任何先前讨论的传感 器。进一步地，传感器1002可以是单个传感器或一组传感器，并可配置来提供信息，用于控 制所有燃烧器110以调节来自燃气轮机102的废气流418的温度。信号1004可由控制系统 412用于确定由HRSG802收获的热的量相对于在冷却的废气流808中耗费的热的量。在实 施方式中，传感器1002可与任何或所有先前讨论的传感器布置结合,例如,如关于图4、5、6 和8所示。来自HRSG802的冷却的废气流808中的热可能对于用于下游单元来说太高。因 此，冷却器可用于去除过量的热，如关于图11讨论的。
图11为包括在来自HRSG802的冷却的废气流808上的冷却器1102的燃气轮机系 统1100的示意图。涉及的单元如以上关于图1、4、8和10描述的。冷却器1102可以是非接触式热交换器，或许多其他类型。例如，在实施方式中，冷却器1102可以是逆流直接接触式热交换器，其中水流1104被引入容器顶部，而冷却的废气流808被引入容器底部。当水接触热废气时，它通过蒸发和热交换冷却该流。加热的水流1106从容器底部移出，并可冷却，然后再循环为水流1104。出口废气流1108用水蒸气冷却并饱和，并可用作再循环流，例如至流414，如关于图12讨论的。
图12为结合来自以上讨论的诸多系统的特征的燃气轮机系统1200的示意图。涉及的单元如以上关于图1、4、8和11描述的。在该实施方式中，来自冷却器1102的饱和的废气1202可再循环至压缩机104的入口。在压缩后，饱和的废气1202可作为流416被送至燃烧器110，以辅助冷却燃烧器110。一部分流416可作为提取的侧流1204转移至处理系统，用于其他用途。处理系统可净化侧流1204中的CO2,诸如通过转化或去除任何CO和 O2，以便注入烃储层以增强采油。转移的气体的其他用途可包括碳隔离。在本申请中，侧流 1204可直接注入地下地层以处理。
单独控制至燃烧器的当量比
以上讨论的燃气轮机系统可用于单独地和作为一组控制燃烧器110的每一个中的燃烧过程。如先前提及的，控制的一个目标可以是平衡燃料和氧气的当量·比。这可被实施以最小化未燃烧或部分燃烧的烃——其由废气流中CO浓度代表，并最小化废气流中未消耗的氧气。该当量比关于图13进一步进行讨论。
图13A和13B为模拟的图形描述，显示了随着当量比(Φ)分别从O. 75变化至1. 25 和从O. 999变化至1. 001时氧气和一氧化碳浓度之间的关系。当当量比为大约1. O时，可实现最高效率。氧气浓度作为当量比的函数显示为线1310，一氧化碳浓度作为当量比的函数显示为线1320。当量比(Φ)等于(mol%燃料/mol%氧气)实际/(mol%燃料/mol%氧气) 化学计量。mol%燃料等于F_/(F氧气+F_),其中F燃料等于燃料的摩尔流速和F氧气等于氧气的摩尔流速。
mol%氧气等于Fftn/ (Fft^Fw4),其中Ffw等于氧气的摩尔流速，？_等于燃料的摩尔流速。氧气的摩尔流速取决于氧化剂混合物中氧气与稀释剂的比例，并可计算为Fft气/ (F氧气+F稀释齐I」)。如本文所用的，氧化剂的流速可计算为F氧化齐I」=(F氧气+F稀释剂)。
当当量比(Φ)在I以下或I以上时，废气中氧气和二氧化碳的摩尔分数或浓度改变。例如，当当量比(Φ)在I以下时，氧气的摩尔分数从在当量比(Φ)大约I的大约lppm( S卩，大约1.0Χ1(Γ6的氧气摩尔分数)快速增加至在当量比大约O. 999的大约 IOOppm (B卩，大约IX 10_4的氧气摩尔分数)。同样地，当当量比(Φ)在I以上时，一氧化碳的浓度从在当量比(Φ)大约O. 9995的大约lppm(即，大约IX 1(Γ6的一氧化碳摩尔分数) 快速增加至在当量比(Φ)大约1. 001的大于大约IOOppm( S卩，大约1Χ1(Γ4的一氧化碳摩尔分数)。
至少部分基于从传感器诸如传感器406 (图4)、502 (图5)或602 (图6)获得的数据，到燃烧器110中的每一个的氧化剂116的量和/或燃料114的量可调节以产生具有期望组成的废气流418。例如，监视膨胀机排气部分408、涡轮膨胀机106或排气管线604的废气中的氧气和/或一氧化碳浓度允许控制引入每个燃烧器110的氧化剂116和燃料114的量的单独调节，以便在那个燃烧器110中的当量比(Φ)的预定范围内进行燃料的燃烧。这可用于产生具有小于大约3mol%、小于大约2. 5mol%、小于大约2mol%、小于大约1. 5mol%、小于大约lmol%或小于大约O. 5mol%的氧气和一氧化碳结合浓度的废气流418。此外，废气流 418可具有小于大约4，OOOppm、小于大约2，OOOppm、小于大约1，OOOppm、小于大约500ppm、 小于大约250ppm、或小于大约IOOppm的结合的氧气和一氧化碳。
可计算或输入每个燃烧器110中当量比(Φ)的期望或预定的范围，以进行燃料 114的燃烧，产生包含期望量的氧气和/或一氧化碳的混合废气流418。例如，每个燃烧器 110中的当量比(Φ)可保持在大约0. 85至大约1. 15的预定范围内，以产生具有从低的大约0. 5mol%、大约0. 8mol%或大约lmol%至高的大约1. 5mol%、大约1. 8mol%、大约2mol%或大约2. 2mol%的范围的结合的氧气和一氧化碳浓度的废气流418。在另一个实例中，每个燃烧器110中的当量比(Φ)可保持在大约0. 85至大约1. 15的范围内，以产生具有小于 2mol%、小于大约1. 9mol%、小于大约1. 7mol%、小于大约1. 4mol%、小于大约1. 2mol%或小于大约lmol%的结合的氧气和一氧化碳浓度的废气流418。还在另一个实例中，燃烧器110的每一个中的当量比(Φ)可保持在从大约0. 96至大约1. 04的范围内，以产生具有小于大约4,OOOppm、小于大约3，OOOppm、小于大约2，OOOppm、小于大约1，OOOppm、小于大约500ppm、 小于大约250ppm或小于大约IOOppm的结合的氧气和一氧化碳浓度的废气流418。
注意燃烧器110不必处于相同的设定点，或甚至在相同的范围内。在本技术的实施方式中，不同的或偏置的设定点可用于燃烧器110中的每一个，以考虑结构、性能或操作的差异。这可避免以下情形其中不同燃烧器Iio的不同操作特性使废气流418被不可接受水平的氧气或一氧化碳污染。
因此，在本技术的实施方式中，使用操作燃气轮机102的两种方法。在第一种方法中，整组的燃烧器110例如在启动和响应整体设定点调节诸如速度或动力改变期间作为单一实体进行操作。在第二种方法中，各个燃烧器110可分别偏置，以例如补偿磨损、制造等的差异。
一种操作整组燃烧器110的方法可包括最初，即，在启动时，以大于I的当量比将燃料114和氧气引入氧化剂116中。例如，启动时的当量比(Φ)可处于从低的大约1. 0001、 大约1. 0005、大约1. 001、大约1. 05、或大约1.1至高的大约1.1、大约1. 2、大约1. 3、大约1. 4或大约1. 5的范围内。在另一个实例中，当量比(Φ)可处于从大约1. 0001至大约1.1、从大约1. 0005至大约1. 01、从大约1. 0007至大约1. 005或从大约1. 01至大约1.1的范围内。为了整体调节，废气流418中氧气和/或一氧化碳的浓度可经传感器406、502或 902确定或估计。废气流418中膨胀的废气最初可具有高的一氧化碳浓度(例如，大于大约1，OOOppm或大于大约10, OOOppm)和低的氧气浓度(例如，小于大约IOppm或小于大约 Ippm)。
另一种操作整组燃烧器110的方法可包括最初，即，在开始时，以小于I的当量比将燃料114和氧气引入中氧化剂116中。例如，启动时的当量比(Φ)可处于从低的大约0.5、大约0. 6、大约0. 7、大约0. 8或大约0. 9至高的大约0. 95、大约0. 98、大约0. 99、大约0. 999的范围内。在另一个实例中，当量比(Φ)可处于从大约0. 9至大约0. 999、从大约0. 95至大约0. 99、从大约0. 96至大约0. 99或从大约0. 97至大约0. 99的范围内。废气流418中膨胀的废气应该最初具有高的氧气浓度(例如,大于大约1，OOOppm或大于大约 10, OOOppm)和低的一氧化碳浓度(例如，小于大约IOppm或甚至小于大约Ippm)。
例如，当废气中的氧气浓度从小 于大约Ippm增加至大于大约IOOppnu大约I,OOOppm、大约lmol%、大约2mol%、大约3mol%或大约4mol%时,可提醒操作员、控制系统 412或两者已经达到小于I的当量比(Φ)。在一种或多种实施方式中，经氧化剂116的氧气和燃料114的量可保持恒定或基本上恒定，以提供具有当量比(Φ)略微小于I如大约 O. 99的燃烧过程。经氧化剂116的氧气量可减少和/或燃料114的量可增加，然后保持在恒定或基本上恒定的量，以提供具有当量比(Φ)落入预定范围的燃烧过程。例如，当废气流418中的氧气浓度从小于大约Ippm增加至大约1，OOOppm、大约O. 5mol%、大约2mol%或大约4mol%时，相对于在最初检测到废气中的氧气增加时经氧化剂116引入的氧气量,经氧化剂116引入的氧气量可降低从低的大约O. 01%、大约O. 02%、大约0. 03%或大约0. 04%至高的大约1%、大约2%、大约3%或大约5%的范围内的量。在另一个实例中，当废气流418中的氧气浓度从小于大约Ippm增加至大约1，OOOppm或更多时,相对于在检测到废气中的氧气增加时经氧化剂116引入的氧气量，经氧化剂116引入的氧气量可降低大约0. 01%至大约2%、大约0. 03%至大约1%或大约0. 05%至大约0. 5%。在还另一个实例中，当氧气浓度从小于大约Ippm增加至大约1，OOOppm或更多时,相对于在最初检测到废气中氧气增加时引入的燃料114的量，燃料114的量可增加从低的大约0. 01%、大约0. 02%、大约0. 03%或大约 0. 04%至高的大约1%、大约2%、大约3%或大约5%的范围内的量。
在燃气轮机系统102的操作期间，当燃气轮机系统102发生的一种或多种变化可改变或更改废气流418的当量比(Φ)时，当量比(Φ)可连续地(on a· continous basis) 以周期性时间间隔、以随机或非周期性的时间间隔、或其任何组合，通过传感器406、502或 602进行监视。例如，可能改变或更改当量比(Φ)的燃气轮机系统102可能发生的变化可包括燃料组成的变化、氧化剂组成的变化或其组合。如此，例如，可监视氧气和/或一氧化碳的浓度，并且可对氧化剂116和/或燃料114的量进行调节，以控制废气流418中氧气和 /或一氧化碳的量。
在至少一个实施方式中，降低当量比(Φ)可以以增量步幅、非增量步幅、连续方式或其任何组合进行。例如，氧化剂116和/或燃料114的量可如此调节，以便每次调节氧化剂116和/或燃料114，当量比(Φ)改变固定或基本上固定的量，例如，改变大约0. 001、 大约0. 01或大约0. 05。在另一个实例中，氧化剂116和/或燃料114的量可连续改变，以便当量比连续改变。优选地，氧化剂116和/或燃料114的量改变，并且燃烧进行足以产生基本上一致组成的废气的一段时间，在该时间，氧化剂116和/或燃料114的量可调节以便以从低的大约0. 00001、大约0. 0001或大约0. 0005至高的大约0. 001、大约0. 01或大约0. 05 的范围内的量改变当量比(Φ)。在废气流418获得基本一致的氧气浓度后，氧化剂116和 /或燃料114可再次被调节，以使当量比(Φ)改变。可监视废气流418中氧气和/或一氧化碳的量，并且氧化剂116和/或燃料114的量可重复调节，直到废气流418具有例如小于大约2mol%或小于大约1. 5mol%或小于大约lmol%的结合的氧气和一氧化碳浓度。
燃烧器110可连续操作，以便废气流418具有小于2mol%、小于lmol%、小于0.5mol%或小于大约0.1mo 1%的结合的氧气和一氧化碳浓度。在另一个实例中，在燃烧在燃烧器110内进行期间的时间，对于在操作燃气轮机102期间的时间的大约50%、55%、60%、 65%、70%、75%、80%、85%、90%或大约95%，废气流418可具有小于2mol%或小于大约lmol%的结合的氧气和一氧化碳浓度。换言之，对于燃烧在燃烧器110内进行的大多数时间，废气流 418可具有小于大约2mol%、小于大约lmol%、小于大约0. 5mol%或小于大约0. lmol%的结合的氧气和一氧化碳浓度。
一旦燃气轮机102的总体控制设定，各个燃烧器110所需的偏置可在第二种方法中确定。例如，参考图4，基于来自膨胀机排气部分408中传感器406的数据信号410，每个单独燃烧器110的氧化剂流量调节装置402可由控制系统412调节，以保持传感器406的测量值处于或接近期望的设定点。可从每个传感器406的测量值确定数个计算值。这些可包括例如可用于对η个燃烧器110中的所有氧化剂流量调节装置402进行类似调节的平均值，如关于第一种方法讨论的。
此外，例如基于两个或更多个传感器406的测量值的差异计算的各个差值可用于对燃烧器110的一个或多个上的氧化剂流量调节装置402进行偏置调节，以最小化传感器 406测量值之间的差异。控制系统412也可例如通过调节压缩机入口导向叶片(IGV)或速度控制直接调节氧化剂系统116，以例如一次性对所有燃烧器110改变氧化剂流速。进一步地，控制系统412可对所有燃烧器110的燃料114进行相似的调节，这取决于例如燃气轮机 102选择的速度。至于氧化剂，对燃烧器110中的每一个的燃料供应可独立地偏置，以控制燃烧的当量比。这关于图15进一步讨论。
图14为用于基于来自传感器406阵列的读数偏置各个燃烧器110的方法1400的方框图。可假定燃气轮机102在该方法1400开始前已经启动，并且所有的燃烧器110基本上采用相同的混合物或先前的操作点。方法1400在方框1402开始，其中读数从传感器406 或502获得。在方框1404，确定从各个传感器406或502获得的测量之间的和以及差。在方框1406，可结合和以及差，以辅助识别贡献了废气中高氧气或高一氧化碳状态的燃烧器 110。这也可由漩涡图进行，如以上描述的。在方框1408计算对那些燃烧器110的燃料114 和氧化剂116的调节，例如利用涉及的具体燃烧器110的相同考虑因素，如在第一种方法中用于调节所有燃烧器110的考虑因素。在方框1410，输入氧化剂116的新设定点，并且向燃烧器110提供氧化剂。在方框1412，以基本上同时的方式，对于燃料114，输入新设定点，并且向燃烧器110提供燃料114。在方框1414，燃烧过程消耗提供的燃料114和氧化剂116。 工艺流程然后返回方框1402，其中重复该方法。
更精确的测量可用于提供对燃烧过程的更精细的控制。例如，在图6示出的传感器布置中，每个燃烧器Iio具有位于来自燃烧器110的排气管线604上的单独的传感器 602。在该实施方式中，可实现对各个燃烧器110的改变,并且可例如利用关于第一种方法讨论的技术，对提供太高的氧气或一氧化碳废气的任何燃烧器110进行对氧化剂116和燃料114的精确调节。除了整组燃烧器110中进行的任何统一调节之外，也可进行这些调节， 例如，以响应燃气轮机102的操作速度方面设定点的变化。
控制系统
图15为可用于对燃气轮机102中的 多个燃烧器110独立地控制氧化剂116和燃料114的装置控制系统1500的方框图。如先前提及的，控制系统1600可以是DCS、PLC、DDC 或任何其他合适的控制装置。进一步地，根据IEC61158，任何控制器、受控装置或受监视系统，包括传感器、阀、致动器和其他控制，可以是实时分布式控制网络诸如FIELDBUS系统的一部分。装置控制系统1500可接受控制系统412，用于装置或设备中燃气轮机102上的各个燃烧器110中的每一个。
控制系统1500可具有处理器1502，其可以是遍及装置控制系统1500位于系统中的单核处理器、多核处理器或一系列单独处理器。处理器1502可通过总线1504与装 置控制系统1500中的其他系统通信，包括分布式处理器。总线1504可以是以太网总线、 FIELDBUS或诸多其他总线，包括来自控制系统卖方的专卖总线。储存系统1506可与总线 1504相连接，并可包括非瞬时性计算机可读介质诸如硬盘驱动器、光学驱动器、随机存取存 储器(RAM)驱动器和存储器——包括RAM和只读存储器(ROM)——的任何组合。储存系统 1506可储存用于为装置提供操作系统1508的编码，以及例如基于以上讨论的第一或第二 种方法执行涡轮控制系统1510的编码。
人机界面1512可例如通过位于一个或多个控制站处的显示器1514、键盘1516和 定位设备1518，对装置控制系统1500提供操作员访问。网络界面1520可提供对网络1522 诸如公司的局域网或广域网的访问。
装置界面1524可提供第一燃气轮机系统的测量和控制系统。例如，装置界面1524 可读取多个传感器1526，诸如关于图4、5、6、9和10描述的传感器406、502、602、902和 1002。装置界面1524也可对多种控制进行调节，包括例如用于调节燃气轮机102上的燃烧 器110的燃料114的燃料流量控制1528。其他控制包括氧化剂流量控制1530，对于燃气 轮机102上的燃烧器110中的每一个，例如用于调节氧化剂流量调节装置402上的致动器 404、氧化剂流量调节阀702上的致动器706或两者。装置界面1524也可控制其他装置系统 1532，诸如用于从由燃气轮机102提供的机械能产生动力的发生器。另外的装置系统1532 也可包括用于提供氧化剂116至燃气轮机102的压缩机系统。
装置控制系统1500不限于单个装置界面1524。如果添加更多涡轮，则可添加额外 的装置界面1534以控制那些涡轮。进一步地，功能的分布不限于图15示出的。可使用不 同的布置，例如，一个装置界面系统可操作数个涡轮，而另一个装置界面系统可操作压缩机 系统，并且还有另一个装置界面可操作发生系统。
尽管本技术可允许多种更改和可选形式，但以上讨论的示例性实施方式仅为举例 说明。然而，应再次理解该技术不意欲限于本文公开的具体实施方式
。实际上，本技术包括 落入所附权利要求的真实精神和范围的所有可选物、改型和等同物。
权利要求
1.燃气轮机系统，包括氧化剂系统；燃料系统；控制系统；多个燃烧器，其适于接收和燃烧来自所述氧化剂系统的氧化剂和来自所述燃料系统的燃料而产生废气；多个氧化剂流量调节装置，其中所述多个氧化剂流量调节装置中的每一个可操作地与所述多个燃烧器之一相连，其中氧化剂流量调节装置被配置来独立地调节进入相连的燃烧器的氧化剂流速；和与所述控制系统通信的废气传感器，其中所述废气传感器适于测量所述废气的至少一个参数，并且其中所述控制系统被配置来至少部分基于由所述废气传感器测量的所述参数独立地调节所述多个氧化剂流量调节装置之一。
2.权利要求1所述的系统，其中所述氧化剂包括氧气和稀释剂。
3.权利要求1所述的系统，进一步包括提供给所述多个燃烧器中的每一个的稀释剂供应。
4.权利要求1所述的系统，进一步包括适于向所述多个燃烧器中的每一个提供压缩的氧化剂的氧化剂压缩机。
5.权利要求1所述的系统，其中所述氧化剂流量调节装置包括流量控制阀。
6.权利要求1所述的系统，其中所述氧化剂流量调节装置包括可调节的旋流器子组件。
7.权利要求6所述的系统，其中所述可调节的旋流器子组件包括位于流动套管周围的环形控制组件，以可控地调节进入所述流动套管的氧化剂流速。
8.权利要求7所述的系统，其中所述环形控制组件包括可操作地与安装环和致动器叶片相连的多个铰接叶片。
9.权利要求8所述的系统，其中所述多个叶片适于通过相对于所述安装叶片移动所述致动器叶片在打开位置和关闭位置以及其间位置之间可控地进行调节。
10.权利要求1所述的系统，进一步包括多个废气传感器，其中所述多个废气传感器和所述控制系统适于调节至所述多个燃烧器的氧化剂流速，以最小化不同废气传感器处测量的参数之间的差异。
11.权利要求1所述的系统，其中在所述多个燃烧器中的至少一个上的所述氧化剂流量调节装置适于增加所述氧化剂、所述燃料、稀释剂或其任何组合的混合。
12.权利要求1所述的系统，其中燃烧器包括稀释剂入口和氧化剂入口，其中所述氧化剂流量调节装置被放置在所述氧化剂入口中，并且其中所述氧化剂流量调节装置被配置来在所述燃料被弓I入前混合所述氧化剂和所述稀释剂。
13.权利要求1所述的系统，进一步包括适于接收所述废气和产生动力的涡轮膨胀机。
14.权利要求13所述的系统，进一步包括适于从所述涡轮膨胀机接收所述废气和产生动力的热回收蒸汽发生器。
15.权利要求13所述的系统，进一步包括稀释剂压缩机和适于从所述膨胀机接收所述废气的废气再循环回路，其中所述废气再循环回路包括适于产生动力的热回收蒸汽发生器，和适于向所述稀释剂压缩机提供冷却的废气的冷却排气管线，并且其中所述稀释剂压缩机适于向所述燃烧器提供压缩的稀释剂。
16.权利要求15所述的系统，进一步包括放置在所述稀释剂压缩机和所述燃烧器之间的废气提取系统，其中所述废气提取系统适于在升高的压力下提取稀释剂。
17.控制燃气轮机的方法，所述方法包括提供燃料至燃气轮机上的多个燃烧器；提供氧化剂至所述多个燃烧器，其中对于所述多个燃烧器中的每一个独立地调节氧化剂流速；在所述多个燃烧器中燃烧所述燃料和所述氧化剂，产生废气；测量所述废气的参数；和调节进入所述多个燃烧器中的每一个的氧化剂流速，以调节所述参数至目标设定点范围内。
18.权利要求17所述的方法，进一步包括在所述氧化剂提供给所述多个燃烧器中的每一个之前压缩所述氧化剂。
19.权利要求17所述的方法，进一步包括返回一部分所述废气至所述多个燃烧器作为稀释剂。
20.权利要求19所述的方法，进一步包括在所述稀释剂进入所述燃烧器之前用压缩机压缩所述稀释剂。
21.权利要求20所述的方法，其中所述压缩机可操作地与适于接收所述废气和从其产生动力的膨胀机相连接。
22.权利要求21所述的方法，进一步包括从放置在所述压缩机和所述多个燃烧器中的每一个之间的连接器中提取至少一部分所述废气，其中提取的所述废气的量至少部分基于所述参数。
23.非瞬时性计算机可读介质，其包括编码，所述编码配置来指示处理器以提供燃料至燃气轮机上的多个燃烧器；提供氧化剂至所述多个燃烧器，其中对于所述多个燃烧器中的每一个独立地调节氧化剂流速；监视所述燃烧器的火焰中产生的废气的参数；和调节进入所述多个燃烧器中的每一个的氧化剂流速，以调节所述参数至目标设定点范围内。
24.权利要求23所述的非瞬时性计算机可读介质，其中所述参数是所述废气中的氧气浓度。
25.权利要求23所述的非瞬时性计算机可读介质，其中所述参数是所述废气中的一氧化碳浓度。
26.权利要求23所述的非瞬时性计算机可读介质，包括表示漩涡图的数据结构。
27.权利要求26所述的非瞬时性计算机可读介质，包括配置来指示所述处理器将与多个传感器相关的测量与所述数据结构比较从而确定调节所述多个燃烧器中的哪一个的编码。
28.权利要求23所述的非瞬时性计算机可读介质，包括配置来指示处理器从多个废气传感器获得测量的编码。
29.权利要求28所述的非瞬时性计算机可读介质，包括配置来指示所述处理器调节到所述多个燃烧器中的每一个的氧化剂流速的编码，以最小化在不同废气传感器处测量的参数之间的差异。
全文摘要
提供的是操作燃气轮机系统的更有效的技术。在一个实施方式中，燃气轮机系统包括氧化剂系统、燃料系统、控制系统和适于接收和燃烧来自氧化剂系统的氧化剂和来自燃料系统的燃料而产生废气的多个燃烧器。燃气轮机系统也包括多个氧化剂流量调节装置，其中的每一个可操作地与燃烧器之一相连，其中氧化剂流量调节装置被配置来独立地调节进入相连的燃烧器的氧化剂流速。废气传感器与控制系统通信。废气传感器适于测量废气的至少一个参数，控制系统被配置来至少部分基于废气传感器测量的参数独立地调节氧化剂流量调节装置中的每一个。
文档编号F02C3/20GK103069130SQ201180038887
公开日2013年4月24日 申请日期2011年6月27日 优先权日2010年8月6日
发明者F·F·米特瑞克, R·A·亨廷顿 申请人:埃克森美孚上游研究公司