控制排气再循环燃气涡轮系统中排气流量的系统和方法

控制排气再循环燃气涡轮系统中排气流量的系统和方法
【专利说明】控制排气再循环燃气满轮系统中排气流量的系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年6月28日提交的题为"SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING EXHAUST GAS FLOW IN EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEMS"的美国临时专利申请No . 61/841，234和于2014年6月23日提交的题为"SYSTEMS AND MET册DS FOR C0NTR0化ING EXHAUST GAS 化0W IN EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBI肥SYSTEMS"的美国非临时专利申请14/312，659的优先权和权益，上述所有申请通过 引用W其整体并入本文用于各种目的。
技术领域
[0003] 本文公开的主题设及燃气满轮发动机，并且更具体地设及排气再循环化GR)燃气 满轮系统。
【背景技术】
[0004] 燃气满轮发动机用于领域非常广泛的应用中，例如发电、航空器W及各种机械装 置。燃气满轮发动机通常在燃烧器部燃烧燃料和氧化剂(例如，空气生成热燃烧产物，然 后该产物驱动满轮部中的一个或多个满轮级。当满轮级被热燃烧产物驱动时，所述满轮级 将转动动力传递给轴。转动轴进而驱动压缩机部的一个或多个压缩机级，并且还可W驱动 发电机W产生电能。燃气满轮发动机可W包括多种控制，W提高性能和效率，同时也降低排 气中的污染物。遗憾的是，运些控制对于带有排气再循环的燃气满轮系统来说变得复杂。因 此，可能期望改进用于带有排气再循环的燃气满轮系统的控制。

【发明内容】

[0005] 下面概述在范围上与最初要求保护的主题匹配的某些实施例。运些实施例并不旨 在限制要求保护的发明的范围，相反运些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简短概 括。事实上，本公开可能包含可与下面阐述的实施例类似或不同的各种形式。
[0006] 在一个实施例中，一种排气再循环化GR)燃气满轮系统包括排气压缩机，所述排气 压缩机沿EGR路径设置并且被配置为压缩再循环排气W产生排气稀释剂。排气压缩机包含 入口部，所述入口部包含流动控制元件，所述流动控制元件被配置为基于所述流动控制元 件的位置调节进入排气压缩机的再循环排气的流量。另外，所述流动控制元件的位置能够 从最大打开位置到最小打开位置变动。该系统包括沿EGR路径和在排气压缩机上游设置的 循环鼓风机，其中所述循环鼓风机被配置为将再循环排气的流量提供到所述入口部，并且 其中所述再循环排气的流量从最小鼓风机输出到最大鼓风机输出变动。该系统还包括禪连 到所述流动控制元件和所述循环鼓风机的控制器，其中所述控制器被配置为基于所述EGR 燃气满轮系统的测量的或建模的参数控制所述流动控制元件的位置。另外，该控制器被配 置为基于所述流动控制元件的位置控制所述循环鼓风机的一个或多个操作参数W控制到 所述入口部的所述再循环排气的流量。
[0007] 在另一实施例中，一种控制排气再循环化GR)燃气满轮系统的方法包括调节所述 EGR燃气满轮系统的排气压缩机的多个入口导向叶片的角度，其中所述多个入口导向叶片 具有由最小角度和最大角度限定的第一运动范围，并且其中所述角度基于所述EGR燃气满 轮系统的一个或多个监测的或建模的参数而被调节。该方法进一步包括调节安置在所述排 气压缩机上游的循环鼓风机的多个鼓风机叶片的倾斜度，其中所述多个鼓风机叶片具有由 最小倾斜度和最大倾斜度限定的第二运动范围，并且所述多个鼓风机叶片的所述倾斜度至 少基于所述多个入口导向叶片的角度而被调节。
[0008] 在另一实施例中，一种非暂时性的计算机可读介质存储由电子设备的处理器可执 行的指令。所述指令包含基于燃气满轮系统的一个或多个建模的或测量的参数调节所述燃 气满轮系统的压缩机部的多个入口导向叶片的角度的指令，其中所述角度从最小角度到最 大角度变化。所述指令还包括调节流体禪连至所述压缩机部的入口的鼓风机的多个鼓风机 叶片的倾斜度的指令，其中所述倾斜度从最小倾斜度到最大倾斜度变化，其中所述倾斜度 基于相对于所述最小角度的所述多个入口导向叶片的角度而被调节。
【附图说明】
[0009] 当参照附图阅读W下【具体实施方式】时，本发明的运些和其他特征、方面和优点将 变得更容易被理解，其中相似符号在整个附图中代表相似部件，其中：
[0010] 图1是具有禪连到控类生产系统的基于满轮的服务系统的系统实施例的示意图；
[0011] 图2是图1的系统实施例的示意图，其进一步示出控制系统和组合循环系统；
[0012] 图3是图1和图2的系统实施例的示意图，其进一步示出燃气满轮发动机、排气供给 系统和排气处理系统的细节；
[0013] 图4是用于操作图1-3的系统的过程实施例的流程图；
[0014] 图5是用于控制图1-3的化学计量排气再循环(SEGR)燃气满轮系统的控制系统的 实施例的示意图，其示出SEGR燃气满轮系统的排气再循环部分的组件；
[001引图6是示出在入口导向叶片（IGV)角度和鼓风机叶片(BV)倾斜度(pitch)独立变化 时图5的SEGR燃气满轮系统实施例的循环燃气满轮(RGT)排气溫度随着时间变化的图；
[0016] 图7是示出关注用于在SEGR燃气满轮系统的负载增加时确定适合的IGV角度和适 合的BV倾斜度的效率的控制策略的实施例的图；
[0017] 图8是示出关注用于在SEGR燃气满轮系统的负载增加时确定适合的IGV角度和适 合的BV倾斜度的响应性的控制策略的实施例的图；
[0018] 图9是根据当前方案的实施例示出控制器可W用于在控制SEGR燃气满轮系统的操 作时确定适合的IGV角度和适合的BV倾斜度的示例极限和输入的图；W及
[0019] 图10是根据当前方案的实施例示出SEGR燃气满轮系统在操作期间的排气或点火 溫度、IGV角度和BV倾斜度的一组图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明的一个或多个具体实施例将在下面描述。为了提供运些实施例的简要描 述，实际实施方式的所有特征可能没有在本说明书中描述。应认识到，在任何此类实际实施 方式的开发中（例如在工程规划或设计项目中），需要做出众多针对实施方式的决定W实现 特定目标，例如符合在不同实施方式中彼此不同的系统相关约束和/或商业相关约束。而 且，应认识到，运种开发工作可能是复杂和费时的，然而，对受益于本公开的本领域普通技 术人员来说，承担设计、装配和制造仍然是例行工作。
[0021] 本文公开了详细的示例性实施例。但是，本文公开的特定结构和功能细节仅仅代 表描述示例性实施例的目的。而本发明的实施例可W体现为许多替代形式，并且不应解释 为仅限于本文阐述的实施例。
[0022] 因此，虽然示例性实施例能够具有各种修改和替换形式，但其实施例通过附图中 的示例的方式示出并将在本文详细描述。然而，应当理解的是，本发明并不打算将示例性实 施例局限于所公开的具体形式，而是相反，示例性实施例旨在覆盖落入本发明的范围内的 所有修改、等同物和替代实施例。
[0023] 本文所使用的术语仅用于描述某些实施例，并不是为了限制示例性实施例。正如 本文所使用，单数形式"一"、"一个"、"该"也包括复数形式，除非上下文中明确指出不同含 意。当用于本文时，术语"包括"和/或"包含"指定存在所陈述特征、整数、步骤、操作、元件 和/或组件，但不排除存在和添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/ 或其群组。
[0024] 虽然术语第一、第二、主要、次要等可W在本文中被用于描述各个元件，但是运些 元件不应受运些术语限制。运些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如但不限 于，第一元件可W被称为第二元件，并且同样，第二元件可W被称为第一元件，而不偏离示 例性实施例的范围。正如本文所使用的，术语"和/或"包括一个或更多个关联列出项目中的 任意一个、全部及其组合。
[0025] 本文可能使用某些术语，运仅为了方便读者而不应被视为对本发明的范围的限 审IJ。例如，诸如"上面"、"下面"、"左侧"、"右侧"、"前面"、"后面"、"顶部"、"底部"、"水平"、 "垂直"、"上游"、"下游"、"前部"、"后部"等词仅描述在附图中示出的构形。事实上，本发明 的实施例的一个或多个元件可任何方向取向，因此，所述术语应当被理解为包含运类 变化，除非W其他方式指出不同。
[0026] 如下面所详细讨论的，所公开的实施例一般设及带有排气再循环化GR)的燃气满 轮系统，尤其是设及使用EGR的燃气满轮系统的化学计量操作。例如，燃气满轮系统可W被 配置为沿着排气再循环路径再循环排气，使燃料和氧化剂与至少某些再循环排气一起W化 学计量燃烧，并且收集排气用于各个目标系统。除了控制燃料和/或氧化剂的流动之外，排 气的再循环还可W与化学计量燃烧一起帮助增加排气中的C〇2浓度水平，然后二氧化碳可 W被后处理W分离和纯化C〇2和氮气(化）用于各个目标系统。燃气满轮系统还可W采用沿着 排气再循环路径的各种排气处理(例如热回收、催化反应等），从而增加 C〇2的浓度水平，减 少其他排放物(例如一氧化碳、氮氧化物W及未燃烧控类)的浓度水平，并且(例如用热回收 单元)增加能量回收。
[0027] 事实上，通过利用根据本公开的EGR燃气满轮系统内的再循环排气，可W实现若干 好处，包括增加各个组件的操作时间、由于增强的冷却能力所导致的各个组件的更宽操作 范围等。下面进一步描述此类实施例，其中首先介绍EGR燃气满轮系统的一般组件，接着描 述可W在EGR燃气满轮系统内使用再循环排气的方式的特定示例。
[0028] 本文公开的实施例设及通过控制沿排气再循环路径的排气流量控制EGR燃气满轮 系统的参数(例如，排气溫度或点火溫度）。特别地，本实施例提供借由控制通过循环鼓风机 并进入沿排气再循环路径安置的循环压缩机部的排气流量来控制EGR燃气满轮系统的操作 参数的系统和方法。另外，如下面详细阐述，当前公开的控制系统和方法可W使EGR燃气满 轮系统的参数(例如，排气溫度或点火溫度)能够W响应且高效的方式被调节。例如，通过改 善对EGR燃气满轮系统的控制，本方案可W帮助使系统能够保持化学计量的燃烧或接近化 学计量的燃烧，W限制燃烧溫度(例如，限制燃烧过程中NOx的产生)和/或提高用于下游应 用的排气的质量。
[0029] 出于上述考虑，图1是具有与基于满轮的服务系统14关联的控类生产系统12的系 统10的实施例的示意图。如下面进一步详细讨论的，基于满轮的服务系统14的各种实施例 被配置为向控类生产系统12提供各种服务例如电力、机械力和流体(例如排气）W促进油 和/或气的生产或回收。在图示的实施例中，控类生产系统12包括油/气抽取系统16和强化 油回收化OR)系统18,二者被禪连到地下储层20(例如油、气或控类储层）。油/气抽取系统16 包括各种地面设备22,例如禪连到油/气井26的圣诞树或生产树24。此外，井26可W包括通 过±地32中的钻孔30延伸到地下储层20的一个或多个管件28。树24包括一个或多个阀口、 扼流圈、隔离套、防喷器W及各种流量控制装置，其调节压力并且控制去到和来自地下储层 20的流动。虽然树24通常被用于控制从地下储层20流出的生产流体(例如油或气）的流动， E0R系统18可W通过将一种或多种流体注入地下储层20中来增加油或气的产量。
[0030] 因此，E0R系统18可W包括流体注入系统34,该流体注入系统34具有通过±地32中 的孔30延伸到地下储层20的一个或多个管件36。例如，E0R系统18可W将一种或多种流体40 例如气体、蒸汽、水、化学物质或其任何组合输送到流体注入系统34中。例如，如下面所进一 步详细讨论的，E0R系统18可W被禪连到基于满轮的服务系统14,使得系统14将排气42(例 如，基本没有氧气或完全没有氧气）输送到E0R系统18用作注入流体40。流体注入系统34通 过一个或多个管件36将流体40(例如排气42)输送到地下储层20中，如箭头44所指示。注入 流体40通过与油/气井26的管件28间隔开一偏移距离46的管件36进入地下储层20。因此，注 入流体40使安置在地下储层20中的油/气48移位，并驱动油/气48通过控类生产系统12的一 个或多个管件28上升，如箭头50所指示。如下面所进一步详细讨论的，注入流体40可W包括 源自基于满轮的服务系统14的排气42,该基于满轮的服务系统14能够根据控类生产系统12 的需要在现场生成排气42。换句话说，基于满轮的服务系统14可W同时生成供控类生产系 统12使用的一种或多种服务(例如电力、机械力、蒸汽、水(例如淡化水及排气(例如基本 没有氧气）），从而降低或消除运类服务对外部源的依赖。
[0031] 在图示的实施例中，基于满轮的服务系统14包括化学计量排气再循环(SEGR)燃气 满轮系统52和排气巧G)处理系统54。燃气满轮系统52可W被配置为W化学计量燃烧操作模 式(例如化学计量控制模式)和非化学计量燃烧操作模式(例如非化学计量控制模式)如稀 燃料控制模式或富燃料控制模式操作。在化学计量控制模式中，燃烧通常W燃料和氧化剂 的大致化学计量比发生，从而产生大致化学计量燃烧。特别地，化学计量燃烧通常包括在燃 烧反应中消耗几乎全部的燃料和氧化剂，使得燃烧产物基本没有或完全没有未燃烧燃料和 氧化剂。化学计量燃烧的一个量度是当量比或pM( Φ )，其是实际燃料/氧化剂比率相对于 化学计量燃料/氧化剂比率的比率。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1.0的当量比导致燃料和氧化剂的稀燃料燃烧。相反，1.0的当量比导致既不是富燃料 又不是稀燃料的燃烧，从而在燃烧反应中基本消耗所有的燃料和氧化剂。在本公开实施例 的背景下，术语化学计量或基本化学计量可W指的是大约0.95到大约1.05的当量比。然而， 本公开的实施例也可W包括1.0加上或减去0.01、0.02、0.03、0.04、0.05或更多的当量比。 再者，在基于满轮的服务系统14中的燃料和氧化剂的化学计量燃烧可W导致基本没有剩下 的未燃烧燃料或氧化剂的燃烧产物或排气(例如42)。例如，排气42可W具有小于1%、2%、 3%、4%或5 %体积百分比的氧化剂(例如氧气）、未燃烧燃料或控类(例如HC)、氮氧化物(例 如NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如SOx)、氨和其他未完全燃烧产物。通过进一步的示例， 排气 42 可 W 具有小于大约 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、 2000、3000、4000或5000每百万份体积(ppmv)的氧化剂(例如氧）、未燃烧燃料或控类(例如 HC)、氮氧化物(例如NOx)、一氧化碳(C0)、硫氧化物(例如SOx)、氨和未完全燃烧产物。然而， 本公开实施例还可W在排气42中产生其他范围的残留燃料、氧化剂和其他排放物水平。如 本文所使用，术语排放物、排放物水平和排放物目标可W指的是某些燃烧产物（例如NOx、 0)、50、、〇2、化、此、肥等）的浓度水平，所述燃烧产物可^存在于再循环气体流、排出气体流 (例如排放到大气中似及用在各种目标系统(例如控类生产系统12)中的气体流。
[0032] 虽然不同实施例中的SEGR燃气满轮系统52和EG处理系统54可W包括各种组件，但 图示的EG处理系统54包括热回收蒸汽发生器化RSG)56和排气再循环化GR)系统58,二者接 收并处理源自SEGR燃气满轮系统52的排气60。皿SG 56可W包括一个或多个热交换器、冷凝 器和各种热回收设备，它们一起用于将热量从排气60传递至水流，由此产生蒸汽62。蒸汽62 可W被用在一个或多个蒸汽满轮、E0R系统18或控类生产系统12的任何其他部分中。例如， HRSG 56可W生成低压、中压和/或高压蒸汽62,其可W被选择性应用于低压、中压和高压蒸 汽满轮级或E0R系统18的不同应用中。除了蒸汽62之外，处理水64例如淡化水也可W由皿SG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分或SEGR燃气满轮系统52生成。处理水64(例如 淡化水)在例如内陆或沙漠地区等水短缺区域可能是特别有用的。处理水64可W至少部分 由于驱动SEGR燃气满轮系统52内的燃料燃烧的大体积空气而生成。虽然蒸汽62和水64的现 场生成在许多应用(包括控类生产系统12)中是特别有利的，但排气42、60的现场生成对E0R 系统18来说是特别有利的，运是由于所述排气从SEGR燃气满轮系统52获得低氧含量、高压 和热度。因此，皿SG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分可W将排气66输出或再 循环到SEGR燃气满轮系统52中，同时还将排气42输送到E0R系统18 W供控类生产系统12使 用。同样，可W从SEGR燃气满轮系统52直接抽取排气42(即无需经过EG处理系统54)，W用于 控类生产系统12的E0R系统18。
[0033] 排气再循环由EG处理系统54的EGR系统58来处理。例如，EGR系统58包括一个或多 个管道、阀口、鼓风机、排气处置系统(例如过滤器、微粒去除单元、气体分离单元、气体净化 单元、热交换器、热回收单元、湿气去除单元、催化剂单元、化学注入单元或其任何组合）W 及沿着从SEGR燃气满轮系统52的输出端（例如释放的排气60)到输入端（例如吸入的排气 66)的排气再循环路径来再循环排气的控件。在图示的实施例中，SEGR燃气满轮系统52将排