用于控制再热系统上的化学计量EGR系统的方法和系统与流程

用于控制再热系统上的化学计量EGR系统的方法和系统相关申请的交叉引用本申请和与本文同时提交的[GE案卷249101]、[GE案卷249104]、[GE案卷250883]、[GE案卷250884]、[GE案卷254241]、[GE案卷256159]、[GE案卷257411]和[GE案卷258552]有关，这些案卷全文以引用方式并入本文中并构成本文的一部分。技术领域本申请大体上涉及联合循环功率设施；并且更特别地涉及用于操作结合了化学计量排气再循环(S-EGR)的涡轮机械的系统和方法。

背景技术：
在空气摄入涡轮机械中，压缩空气和燃料混合并燃烧以产生导向至涡轮分段的高能量流体(下称“工作流体”)。工作流体与涡轮动叶相互作用以产生机械能，该机械能被传递到负载。特别地，涡轮动叶使联接到诸如发电机的负载的轴旋转。轴旋转在电气联接到外部电路的线圈中感应电流。在涡轮机械为联合循环功率设施的一部分的情况中，离开涡轮分段的高能流体被导向至热回收蒸汽发生器(HRSG)，其中来自工作流体的热量被传递到水以用于生成蒸汽。燃烧过程产生不期望的排放物和/或污染物，例如一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)。减少这些污染物出于环境和/或管制原因是必要的。排气再循环(EGR)过程有助于减少这些污染物。S-EGR是EGR的一种形式，其中燃烧过程消耗所供应的氧化剂。氧化剂可包括例如空气或氧气源。在S-EGR系统中，只有将足够的氧化剂供应至燃烧系统才能实现按摩尔计的完全燃烧。S-EGR过程可被构造成产生基本上不含氧且包含相对高浓度的所需气体的排气流。这种所需气体包括但不限于：二氧化碳(CO2)、氮气(N2)或氩气。值得注意的是，需要这样的S-EGR系统和方法：其能生成具有相对高浓度的所需气体的排气流，然后将排气流供应至第三方过程并在其中使用。

技术实现要素：
在范围方面与初始要求保护的发明相一致的某些实施例总结如下。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简短总结。实际上，本发明可包括可类似于或不同于下文所述实施例的各种形式。根据本发明的一个实施例，一种系统包括：氧化剂压缩机，其包括ac入口和ac出口；压缩机，其包括压缩机入口和压缩机出口；其中压缩机独立于氧化剂压缩机操作；至少一个燃烧系统，其可操作地生成工作流体并包括头端和排放端，其中头端流体连接到ac出口、压缩机出口和第一燃料源；第一涡轮分段，其可操作地连接到压缩机，其中涡轮分段包括接纳来自至少一个燃烧系统的工作流体的PT入口、以及排放工作流体的PT出口；排放分段，其流体连接到PT出口；排气再循环(EGR)系统，其流体连接在排放分段的排放部和压缩机入口之间，使得离开排放分段的工作流体被压缩机入口摄入；其中，EGR系统包括控制装置以用于调整工作流体的物理性质；抽气部，其除去工作流体的一部分；其中控制装置和压缩机以确定流过抽气部的工作流体的压力的方式联合地操作；以及热交换器，其流体连接到抽气部，其中热交换器将热量从抽气部传递到操作流体。根据本发明的备选实施例，一种方法包括：操作氧化剂压缩机以压缩摄入的氧化剂；操作压缩机以压缩工作流体，其中氧化剂压缩机的操作独立于压缩机的操作；将源自氧化剂压缩机的压缩氧化剂和源自压缩机的压缩工作流体传输至至少一个燃烧系统；将燃料输送至可操作地燃烧燃料、压缩氧化剂和压缩工作流体的混合物的至少一个燃烧系统；其中燃烧系统产生工作流体；首先将工作流体从至少一个燃烧系统传输至一次涡轮分段，然后传输至排放分段；操作流体连接在排放分段的排放部和压缩机入口之间的排气再循环(EGR)系统，使得离开排放分段的工作流体被压缩机入口摄入；将工作流体的一部分传输至抽气部；以及使用热交换器将热量从工作流体传递到操作流体，其中工作流体源自抽气部。在一方面，所述EGR系统以支持大致化学计量操作条件的方式与所述压缩机入口流体一体化。在另一方面，所述抽气部流体连接到下游过程。在又一方面，所述热交换器的冷侧位于在所述ac出口和所述一次燃烧系统的头端以及二次燃烧系统的头端之间的流体流中；并且其中，所述热交换器的冷侧还位于在燃料源和所述一次燃烧系统的头端以及二次燃烧系统的头端之间的流体流中。在又一方面，一种方法，包括：a.操作氧化剂压缩机以压缩摄入的氧化剂；b.操作压缩机以压缩工作流体，其中，所述氧化剂压缩机的操作独立于所述压缩机的操作；c.将源自所述氧化剂压缩机的压缩氧化剂和源自所述压缩机的压缩工作流体传输至至少一个燃烧系统；d.将燃料输送至可操作地燃烧所述燃料、所述压缩氧化剂和所述压缩工作流体的混合物的至少一个燃烧系统；其中，所述燃烧系统产生所述工作流体；e.首先将所述工作流体从所述至少一个燃烧系统传输至一次涡轮分段，并且然后传输至排放分段；f.操作流体连接在所述排放分段的排放部和所述压缩机入口之间的排气再循环(EGR)系统，使得离开所述排放分段的工作流体被所述压缩机入口摄入；g.将所述工作流体的一部分传输至抽气部；以及，h.使用热交换器将热量从所述工作流体传递至操作流体，其中，所述工作流体源自所述抽气部。在又一方面，所述操作流体包括来自燃料源的燃料或源自所述氧化剂压缩机的压缩氧化剂。在又一方面，方法还包括使所述压缩氧化剂传输通过所述热交换器的冷侧；以及使抽取的工作流体传输通过所述热交换器的热侧的入口。在又一方面，方法还包括使所述压缩氧化剂的一部分传输至所述至少一个燃烧系统的头端；其中，所述压缩氧化剂的部分离开所述热交换器的冷侧。在又一方面，方法还包括使所述压缩氧化剂的其余部分传输至二次燃烧系统的头端；其中，所述压缩氧化剂的其余部分离开所述热交换器的冷侧。在又一方面，方法还包括使所述工作流体传输至第三方过程；其中，所述工作流体通过出口离开所述热交换器的热侧。在又一方面，方法还包括使所述燃料传输通过所述热交换器的冷侧的入口；以及使抽取的工作流体传输通过所述热交换器的热侧的入口。在又一方面，方法还包括使所述燃料的一部分传输至所述至少一个燃烧系统的头端；其中，所述燃料的部分通过出口离开所述热交换器的冷侧。在又一方面，方法还包括使所述燃料的其余部分传输至二次燃烧系统的头端；其中，所述其余部分通过出口离开所述热交换器的冷侧。在又一方面，方法还包括使所述工作流体传输至第三方过程；其中，所述工作流体通过出口离开所述热交换器的热侧。在又一方面，方法还包括操作流体连接到所述排放分段的排放部和所述EGR系统的进口的HRSG，其中，所述HRSG从所述工作流体可操作地移除热量，并且然后将所述工作流体排放至所述EGR系统。在又一方面，方法还包括以支持大致化学计量操作条件的方式操作紧邻所述抽气部的燃烧系统。在又一方面，方法还包括：a.使所述压缩氧化剂的一部分传输至所述至少一个燃烧系统的头端；其中，所述压缩氧化剂的部分离开所述热交换器的冷侧；以及，b.使所述压缩氧化剂的其余部分传输至二次燃烧系统的头端；其中，所述压缩氧化剂的其余部分离开所述热交换器的冷侧。附图说明当参照附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点可能变得更好理解，在所有附图中类似的标记表示类似的元件/部件。图1是以闭环模式操作的再热燃气涡轮的实施例的简化示意图，示出了本发明可以在其中操作的环境。图2是以闭环模式操作的再热燃气涡轮的备选实施例的简化示意图，示出了本发明可以在其中操作的环境。图3是以闭环模式操作的再热燃气涡轮的简化示意图，示出了本发明的第一实施例。图4是以闭环模式操作的再热燃气涡轮的简化示意图，示出了本发明的第二实施例。图5是以闭环模式操作的再热燃气涡轮的简化示意图，示出了本发明的第三实施例。具体实施方式下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简要说明，可能无法在本说明书中描述实际实施方案的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在工程或设计项目中，都要做出许多针对实施方案的决定以实现具体目标，例如遵守与系统相关和/或与商业相关的限制，这些限制可能从一个实施方案到另一实施方案变化。此外，应当理解，这样的努力可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的有益效果的本领域普通技术人员来说，这些都是设计、制作和生产中的常规任务。本文公开了详细的示例性实施例。然而，本文所公开的结构和功能上的具体细节仅仅是代表性的，以用于描述示例性实施例的目的。然而，本发明的实施例可以体现为许多备选形式，并且不应理解为仅限于本文所阐述的实施例。因此，虽然示例性实施例能够具有各种修改和替代形式，但其实施例在附图中以举例方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解，并非有意将示例性实施例限制为所公开的特定形式，恰恰相反，示例性实施例将涵盖落入本发明的范围内的所有修改、等同物和替代形式。本文所用技术术语仅用来描述特定实施例，而并非旨在限制示例性实施例。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确表示不是这样。当在本文中使用时，术语“包含”、“包含了”、“包括”和/或“包括了”指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。虽然术语“第一”、“第二”、“一次”、“二次”等可以在本文中用来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用来区别一元件与另一元件。例如但不限于，在不脱离示例性实施例的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所用地，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个的任何和所有的组合。某些技术术语可以在本文中仅为了方便读者而使用，而不应看作是对本发明的范围的限制。例如，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“水平”、“竖直”、“上游”、“下游”、“前部”、“后部”等的词语仅仅描述附图中所示构型。实际上，本发明的实施例的一个或多个元件可取向为沿任何方向，并且因此应将技术术语理解为涵盖此类变型，除非指出不是这样。本发明可应用于多种空气-摄入涡轮机械。这可包括但不限于重型燃气涡轮、航改机等。虽然以下讨论涉及图1至图5中所示的燃气涡轮机，但本发明的实施例可应用于具有不同构型的燃气涡轮。例如但不限于，本发明可应用于具有与图1至图5中所示部件不同的或添加的部件的燃气涡轮。本发明的实施例可应用于但不限于在化学计量条件下操作的功率设施。这里，功率设施可具有简单循环构型或联合循环构型的形式。化学计量条件可以被看作是用按摩尔计刚好够的诸如氧的氧化剂操作燃烧过程以有助于完全燃烧。完全燃烧利用氧燃烧烃基燃料并产生作为主要副产物的二氧化碳和水。许多因素可影响完全燃烧是否发生。这些因素可包括但不限于氧与燃料分子的接近度、振动、动态事件、冲击波等。为了有助于二氧化碳形成而不是一氧化碳形成，通常随燃料供应输送额外的氧气以有助于完全燃烧反应。现在参看附图，其中贯穿若干视图各种数字表示类似的部件，图1是以闭环模式操作的再热燃气涡轮105的实施例的简化示意图，示出了可以在其中实施本发明的环境。在图1中，位置100包括：再热燃气涡轮105，其可操作地连接到热回收蒸汽发生器(HRSG)110、负载115和从再热燃气涡轮105的部件抽取所需气体的抽气部210。再热燃气涡轮105可包括具有压缩机入口121和压缩机出口123的GT压缩机120。GT压缩机120摄入接收自EGR系统240的再循环的排气(下称“工作流体”)，压缩工作流体，并且将压缩工作流体通过压缩机出口123排放。再热燃气涡轮105可包括氧化剂压缩机155，氧化剂压缩机155通过ac入口157摄入例如但不限于环境空气的氧化剂，压缩氧化剂，并且通过ac出口159排放压缩氧化剂。氧化剂压缩机155可将压缩氧化剂通过空气流导管165输送至一次燃烧系统130，空气流导管165可包括下列部件：通气导管175、通气阀180、增压压缩机160和隔离阀170，这些部件中的每一个可根据需要操作。在本发明的实施例中，GT压缩机120独立于且不同于氧化剂压缩机155操作。再热燃气涡轮105还包括一次燃烧系统130，其通过头端接纳：来自GT压缩机出口123的压缩工作流体；燃料源185，其包括第一燃料导管190和第一燃料阀195；以及来自空气流导管165的压缩氧化剂(数量足以用于化学计量燃烧)。一次燃烧系统130燃烧形成通过排放端离开燃烧系统的工作流体的那些流体，该流体可以是大致不含氧的。根据本发明的实施例，燃料源185可将源自单个源的燃料提供至一次燃烧系统130和二次燃烧系统140。备选地，燃料源185可将源自第一燃料源的燃料提供至一次燃烧系统130或二次燃烧系统140中的任一个；并且将源自第二燃料源的燃料提供至另一燃烧系统130、140。再热燃气涡轮105的实施例还包括一次涡轮分段135和二次涡轮分段145。一次涡轮分段135可具有PT入口137，PT入口137接纳来自与PT入口137流体连接的一次燃烧系统130的工作流体中的一些。一次涡轮分段135可包括在轴向方向上邻近转子125交替地安装的旋转部件和静止部件。一次涡轮分段135将工作流体转化为驱动负载115(发电机、泵、压缩机等)的机械扭矩。一次涡轮分段135可接着排放工作流体，其可流过PT出口139至二次燃烧系统140，至二次涡轮分段145，并且至排放分段150，且然后至HRSG110，HRSG110将来自工作流体的热量可操作地传递到水以用于生成蒸汽。二次涡轮分段145可包括类似的部件并像一次涡轮分段135那样操作。EGR系统240将离开HRSG110的工作流体可操作地返回到GT压缩机120。EGR系统240接纳由HRSG110排放的工作流体，HRSG110流体连接到EGR系统240的接纳端或上游端。EGR系统240的排放端可流体连接到GT压缩机120的入口，如所描述的。EGR系统240的实施例包括可操作地调整工作流体的物理性质的控制装置。控制装置可具有热交换器245或EGR压缩机250的形式。如下文所讨论的，EGR系统240的实施例可包括多个控制装置。EGR系统240还可包括有利于吹扫过程的挡板235。抽气部210可操作地除去工作流体的一部分以便由第三方过程使用。抽气部210可与回路一体化，该回路包括抽气隔离阀215、再循环回路220和再循环阀225。抽取的工作流体可以是许多第三方过程所期望的大致不含氧的气体。如所描述的。如图1和图2所示，本发明的实施例可将抽气部210定位在GT压缩机120、一次燃烧系统130或一次涡轮分段135处或内部。这里，工作流体可表现出对于高压应用有用的相对较高的压力。这些应用可包括但不限于碳捕集系统(CCS)或寻求高压、大致不含氧的所需气体的其它应用。结合图1的上述讨论描述了构造用于S-EGR操作的再热燃气涡轮105的基本概念。为便利起见，对应于图1中所标示的那些的部件和元件在图2至图5中用类似的附图标记标示，但仅仅特别地、根据需要或期望而讨论以便理解每个实施例。本发明的实施例包括多种构型，其中一些构型可能在附图中未示出。以下非限制性示例在本发明的实施例的范围和精神内。一些构型可以将抽气部210定位在二次燃烧系统140的下游。这里，氧化剂可进入一次燃烧系统130和二次燃烧系统140中的任一个或仅仅一次燃烧系统130。在该构型中，二次燃烧系统140可在大致化学计量的模式下操作。其它构型可将抽气部定位在一次涡轮分段135附近。这里，氧化剂可进入一次燃烧系统130和二次燃烧系统140。在该构型中，一次燃烧系统130可在大致化学计量的模式下操作。图2是以闭环模式操作的再热燃气涡轮105的备选实施例的简化示意图，示出了本发明可以在其中操作的环境。图2和图1中的再热燃气涡轮105之间的主要差别是抽气部210的位置以及添加的氧化剂供应导管300和隔离阀305。这里，抽气部210位于主涡轮135的排放部处(如图2所示)。在该构型中，添加的氧化剂供应导管300可用来向二次燃烧系统140的头端供应压缩环境空气，二次燃烧系统140可分别与第二燃料导管200和阀门205一体化。如图2所示，添加的氧化剂供应导管300可与向一次燃烧系统130供应压缩氧化剂流的回路一体化。这里，该回路可流体连接到ac出口159，并且第一下游端可连接到一次燃烧系统130的头端；而第二下游端可连接到二次燃烧系统140的头端。本发明的实施例提供了一种降低流过抽气部210的工作流体的温度的方式。从工作流体移除的热量被用来加热操作流体，例如但不限于源自氧化剂压缩机155的压缩空气流或源自燃料源185的燃料。本发明的这些特征可增加再热燃气涡轮105的总体效率，同时提供控制抽取的工作流体的温度的有益效果。图3是以闭环模式操作的再热燃气涡轮105的简化示意图，示出了本发明的第一实施例。图4是以闭环模式操作的再热燃气涡轮105的简化示意图，示出了本发明的第二实施例。如在图3、图4中所示，本发明的实施例使用热交换器310将热量从工作流体传递到操作流体。热交换器310可流体连接到抽气部210。热交换器310的热侧可位于在抽气部210和接纳所抽取的工作流体的第三方过程之间的流体流中。在本发明的一个实施例中，热交换器310的冷侧可位于在ac出口159和一次燃烧系统130的头端以及二次燃烧系统140的头端之间的流体流中。该构型在图3中示出。在本发明的备选实施例中，热交换器310的冷侧可位于在燃料源185和一次燃烧系统130的头端以及二次燃烧系统140的头端之间的流体流中。该构型在图4中示出。在使用中，本发明的实施例结合再热燃气涡轮105的操作而操作，如结合图1、图2所描述的。在本发明的第一实施例中，压缩氧化剂可传输通过热交换器310的冷侧，并且抽取的工作流体可传输通过热交换器310的热侧的入口。接着，离开热交换器310的冷侧的压缩氧化剂的一部分可传输至一次燃烧系统130的头端。接着，以几乎同时的方式，离开热交换器310的冷侧的压缩氧化剂的其余部分可传输至二次燃烧系统140的头端。接着，离开热交换器310的热侧的工作流体可通过出口传输至第三方过程，该过程可包括但不限于碳捕集系统。在本发明的第二实施例中，燃料可传输通过热交换器310的冷侧的入口，并且抽取的工作流体可传输通过热交换器310的热侧的入口。接着，离开热交换器310的冷侧的燃料的一部分可通过出口传输至一次燃烧系统130的头端。接着，以几乎同时的方式，离开热交换器310的冷侧的燃料的其余部分可通过出口传输至二次燃烧系统140的头端。接着，离开热交换器310的热侧的工作流体可通过出口传输至第三方过程。图5是以闭环模式操作的再热燃气涡轮105的简化示意图，示出了本发明的第三实施例。这里，热交换器510的冷侧可位于在ac出口159和一次燃烧系统130的头端以及二次燃烧系统140的头端之间的流体流中。热交换器510的冷侧也可位于在燃料源185和一次燃烧系统130的头端以及二次燃烧系统140的头端之间的流体流中。虽然本文已经示出和描述了具体实施例，但本领域的普通技术人员应理解，预计实现相同目的的任何布置都可替代所示出的具体实施例，并且本发明在其它环境中具有其它应用。本申请旨在涵盖本发明的任何改型或变型。以下权利要求书绝不意图将本发明的范围限制到本文所述的具体实施例。本领域的普通技术人员将理解，以上所述的与若干实施例有关的许多不同的特征和构型还可以选择性地应用，以形成本发明的其它可能的实施例。本领域的技术人员还将理解，本发明的所有可能的复述并未被详细提供或讨论，即使由所附若干权利要求或以其它方式所包括的所有组合和可能的实施例意图成为本申请的一部分。此外，从本发明的若干实施例的以上描述，本领域的技术人员将认识到改进、变化和修改。在本领域内的这些改进、变化和修改也意图被所附权利要求涵盖。此外，应当显而易见的是，前面的描述仅涉及本申请的所描述的实施例，并且在不脱离如所附权利要求及其等同物所限定的本申请的精神和范围的前提下可对本文进行许多变化和改进。