对具有排气再循环的燃气涡轮系统的化学计量燃烧控制的制作方法
【专利说明】对具有排气再循环的燃气涡轮系统的化学计量燃烧控制
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 该申请要求2013年10月30日提交的名称为"对具有排气再循环的燃气涡轮 系统的化学计量燃烧控制（STOICHIOMETRICCOMBUSTIONCONTROLFORGASTURBINE SYSTEMWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION)" 的美国非临时专利申请号 14/067, 797， 2012年12月28日提交的名称为"对具有排气再循环的燃气涡轮系统的化学计量燃烧 控制（STOICHIOMETRICCOMBUSTIONCONTROLFORGASTURBINESYSTEMWITHEXHAUST GASRECIRCULATION) "的美国临时专利申请号61/747, 209,2012年11月2日提交的名 称为"用于在化学计量排气再循环燃气涡轮系统中扩散燃烧的系统和方法（SYSTEMAND METHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATION GASTURBINESYSTEM)"的美国临时专利申请号61/722, 118,2012年11月2日提交的名 称为"用于在化学计量排气再循环燃气涡轮系统中利用燃料-稀释剂混合扩散燃烧的系 统和方法（SYSTEMANDMETHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONWITHFUEL-DILUENTMIXING INASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)" 的美国临时 专利申请号61/722, 115, 2012年11月2日提交的名称为"用于在化学计量排气再循环燃 气涡轮系统中利用氧化剂-稀释剂混合扩散燃烧的系统和方法（SYSTEMANDMETHODFOR DIFFUSIONCOMBUSTIONWITHOXIDANT-DILUENTMIXINGINASTOICHIOMETRICEXHAUST GASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)"的美国临时专利申请号61/722, 114,和2012年 11月2日提交的名称为"用于在化学计量排气再循环燃气涡轮系统中利用扩散燃烧负载控 制的系统和方法（SYSTEMANDMETHODFORLOADCONTROLWITHDIFFUSIONCOMBUSTIONIN ASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)" 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。
[0003] 发明背景
[0004] 本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，以及更具体地涉及燃气涡轮的化学计量控 制系统和方法。
[0005] 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，燃 料和氧化剂在燃烧室部分中混合，然后燃烧以产生热的燃烧产物。燃气涡轮发动机一般沿 着燃烧室部分的燃烧腔的上游的一条或多条流动路径预混合燃料和氧化剂，并且因此燃气 涡轮发动机一般使用预混合火焰操作。不幸地，预混合火焰可能难以控制或维持，其可影响 各种排气排放物和动力需求。此外，燃气涡轮发动机通常消耗大量空气作为氧化剂，并将大 量排气输出到大气中。换句话说，排气通常作为燃气涡轮运行的副产物被浪费。
【发明内容】
[0006] 在下面概括与最初要求保护的发明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发明的可能形式的简要概 括。事实上，发明可包括多种形式，其可类似于或不同于下面提出的实施方式。
[0007] 在第一实施方式中，系统包括传感器，其配置为通信代表燃气涡轮运行的信号。该 系统进一步包括控制器，其通信地连接至传感器。该系统额外地包括化学计量模型，其配 置为接收代表燃气涡轮运行的一个或多个输入和测量的当量比，其中控制器配置为将信号 转换为一个或多个输入并基于目标当量比使用化学计量模型来导出致动信号（actuation signal)〇
[0008] 在第二实施方式中，方法包括感测燃气涡轮发动机的运行，并且传送代表燃气涡 轮运行的传感器信号。该方法进一步包括将传感器信号转化为模型输入并将模型输入通信 至化学计量模型中。该方法额外地包括使用化学计量模型导出目标当量比并将目标当量比 与测量的当量比进行比较。该方法还包括基于比较目标当量比与测量的当量比导出致动信 号和将致动信号传送至致动器。
[0009] 在第三实施方式中，系统包括处理器，其配置为感测燃气涡轮发动机的运行，并且 传送代表燃气涡轮运行的传感器信号。该处理器进一步配置为将传感器信号转化为模型输 入并将模型输入通信至化学计量模型中。该处理器额外地配置为使用化学计量模型导出目 标当量比并将目标当量比与测量的当量比进行比较。处理器还配置为基于比较目标当量比 与测量的当量比导出致动信号并将致动信号传送至致动器。
[0010] 附图简述
[0011] 当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变 得更好理解，其中贯穿附图，同样的字符表示同样的构件，其中：
[0012] 图1是系统的实施方式的图，该系统具有连接到烃生产系统的基于涡轮的服务系 统；
[0013]图2是图1的系统的实施方式的图，进一步图解了控制系统和联合的循环系统；
[0014] 图3为图1和2的系统的实施方式的图，进一步图解了燃气涡轮发动机、排气供应 系统和排气加工系统的细节；
[0015] 图4为用于运行图1-3的系统的方法的实施方式的流程图；
[0016]图5为图1-3的燃气涡轮发动机的实施方式的图，进一步图解了燃烧室、燃料喷嘴 和氧化剂、燃料和稀释剂的流动的细节；
[0017] 图6为通信地连接至图1-3的基于涡轮的系统和控制系统的多个传感器和致动器 的实施方式的图；
[0018]图7为适合图1-3的控制系统使用的基于模型的控制系统的实施方式的图；和
[0019]图8为适合使用基于模型的控制来控制图1-3的基于涡轮的系统的方法的实施方 式的流程图。
[0020] 发明详述
[0021] 下面将描述本发明的一个或多个【具体实施方式】。试图提供这些实施方式的 简要描述，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，在任何这样 的实际实施的研发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出众多实施具体的决定 (implementation-specificdecision)以达到研发者的具体目的，诸如遵守系统相关和商 业相关的约束，其可在不同的实施之间变化。此外，应当理解的是，这样的研发尝试可能是 复杂的和耗费时间的，但尽管如此，对具有该公开内容益处的那些普通技术人员仍然是设 计、制造和制作的常规工作。
[0022] 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"、"包括"和"具有"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。
[0023] 如下面详细讨论的，公开的实施方式一般涉及具有排气再循环（EGR)的燃气涡轮 系统，并具体涉及使用EGR化学计量地运行燃气涡轮系统。例如，燃气涡轮系统可配置为沿 排气再循环路径再循环排气，连同至少一些再循环的排气化学计量地燃烧燃料和氧化剂， 和捕获排气用于各种目标系统。排气再循环连同化学计量燃烧可有助于增加排气中二氧化 碳（C02)的浓度水平，其然后可被后处理来分离和纯化C02和氮气（N2)用于各种目标系统。 燃气涡轮系统还可沿着排气再循环路径采用各种排气处理（如，热回收、催化剂反应等）， 由此增加C02的浓度水平，降低其它排放物（如，一氧化碳、氮氧化物和未燃尽的烃）的浓 度水平，并且增加能量回收（如，具有热回收单元）。此外，燃气涡轮发动机可配置为使用一 种或多种扩散火焰（如，使用扩散燃料喷嘴）、预混合火焰（如，使用预混合燃料喷嘴）或 其任意组合燃烧燃料和氧化剂。在某些实施方式中，扩散火焰可有助于维持化学计量燃烧 的某种限度内的稳定性和运行，其又有助于增加C02的产生。例如，与燃气涡轮系统使用预 混合火焰运行相比较，燃气涡轮系统使用扩散火焰运行可能够实现更大量的EGR。依次，增 加量的EGR有助于增加C02产生。可能的目标系统包括管道、储罐、碳封存系统和烃生产系 统，诸如提尚米收率法米油（E0R)系统。
[0024] 本文描述的系统和方法提供涡轮机诸如燃气涡轮系统的基于模型的化学计量控 制（MBSC)。在一个实施方式中，将化学计量的直接量度（测量值，measure) -一诸如使用入 计量器提供的量度一一与化学计量的基于模型的导出值比较。直接量度与由模型导出的量 度之间的差被用于调节燃气涡轮的控制，例如，通过改变燃料流动、再循环气体（如，排气） 流动、进口导向叶片（IGV)位置等。在另一个实施方式中，测量燃烧产物并用于导出化学计 量值，并且将该值与模型导出值比较。然后，控制系统可使用测量的和导出的值之间的差来 类似地调节控制。
[0025] 图1是系统10的实施方式的图，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。如下面进一步详细讨论的，基于涡轮的服务系统14的各种实施方式配置 为提供各种服务一一诸如电动力、机械动力和流体（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（E0R)系统18,其被连接至地下储层20 (如，油、气或烃储层）。油/ 气提取系统16包括连接至油/气井26的多种地面设备22,诸如采油树（Christmastree) 或生产树24。此外，井26可包括一个或多个管28,其延伸经过土地32中的钻孔30至地下 储层20。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装置，其调整压 力并控制到地下储层20以及自地下储层20的流动。虽然树24 -般用于控制采出液（如， 油或气）由地下储层20流出，但E0R系统18通过将一种或多种流体注入地下储层20可增 加油或气的生产。
[0026] 因此，E0R系统18可包括流体注入系统34,其具有一个或多个管36,其延伸经过土 地32中的孔38至地下储层20。例如，E0R系统18可发送为一种或多种流体40--诸如， 气体、蒸汽、水、化学制品或其任意组合一一至流体注入系统34。例如，如下面进一步详细讨 论的，EOR系统18可被连接至基于涡轮的服务系统14,这样使得系统14发送排气42 (如， 基本上或完全不含氧气）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(如，排气42)穿过一个或多个管36进入地下储层20,如箭头44所指示的。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，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,如箭头50所指示的。如下面进一步详细讨论的，注入流体40可包括来源 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所需的排气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，电动 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，由此减少或消除这种服务对外部资源的依赖。
[0027] 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)加工系统54。燃气涡轮系统52可配置为以化学计量 的燃烧运行模式（如，化学计量控制模式）和非-化学计量的燃烧运行模式（如非化学计 量控制模式）运行，诸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， 燃烧一般以燃料和氧化剂的基本上化学计量比发生，由此得到基本上化学计量的燃烧。特 别地，化学计量燃烧一般包括消耗燃烧反应中基本上所有燃料和氧化剂，这样使得燃烧产 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为当量比，或 phi(〇)，其为实际燃料/氧化剂比相对于化学计量燃料/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，而小于1. 〇的当量比导致燃料和氧化剂的贫燃料 燃烧。相反地，1. 〇的当量比导致既非富燃料也非贫燃料的燃烧，由此在燃烧反应中基本上 消耗全部燃料和氧化剂。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，公开的实施方式还可包括1. 0加或减0. 01、 0. 02、0. 03、0. 04、0. 05或更多的当量比。再者，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（如，42)。 例如，排气42可具有按体积计小于百分之1、2、3、4或5的氧化剂（如，氧气）、未燃尽的燃 料或烃（如，HC)、氮氧化物（如，N0X)、一氧化碳（C0)、硫氧化物（如，S0X)、氢气和其它不完 全燃烧的产物。通过进一步的实例，排气42可具有按体积计小于大约每百万之10、20、30、 40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000 或 5000 份（ppmv)的氧 化剂（如，氧气）、未燃尽的燃料或烃（如，HC)、氮氧化物（如，N0X)、一氧化碳（C0)、硫氧化 物（如，S0X)、氢气和其它不完全燃烧的产物。然而，公开的实施方式还可在排气42中产生 其它范围的残留燃料、氧化剂和其它排放物水平。如本文所使用，术语排放物，排放物水平 和排放物目标可指某些燃烧产物（如，N0X、C0、S0X、02、N2、H2、HC等）的浓度水平，其可存在 于在再循环气流、排出的气流（如，排入到大气中）和用于各种目标系统（如，烃生产系统 12)的气流中。
[0028] 虽然在不同的实施方式中SEGR燃气涡轮系统52和EG加工系统54可包括多种组 件，但图解的EG加工系统54包括热回收蒸汽发生器（HRDG) 56和排气再循环（EGR)系统 58,其接收和处理源于SEGR燃气涡轮系统52的排气60。HRSG56可包括一个或多个热交 换器、冷凝器和各种热回收设备，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，HRSG56可产生低压、中压和/或高压蒸汽62,其可选择性地施加至低压、中压和 高压蒸汽涡轮级或E0R系统18的不同应用中。除了蒸汽62以外，处理的水64-一诸如淡 化水--也可由HRSG56、EGR系统58和/或EG加工系统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一一 可以是特别有用的。处理的水64可至少部分地由于在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E0R系统18可以是特别有益的，这 是由于其低氧含量、高压、和源自SEGR燃气涡轮系统52的热。因此，HRSG56、EGR系统58 和/或EG加工系统54的另一部分可输出或再循环排气66进入SEGR燃气涡轮系统52,同 时还发送排气42至E0R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 (S卩，无需通过EG加工系统54)提取，以用在烃生产系统12的E0R系统18 中。
[0029] 排气再循环由EG加工系统54的EGR系统58操作。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（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