用于监测具有排气再循环的燃气涡轮机系统的系统和方法

用于监测具有排气再循环的燃气涡轮机系统的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年6月28日提交的题为"SYSTEMS AND METHODS FOR MONITORING GAS TURBINE SYSTEMS HAVING EXHAUST GAS RECIRCULATION(用于监测具有排气再循环的 燃气涡轮机系统的系统和方法)"的美国临时专利申请号61/841，235，以及2014年6月23日 提交的题为 "SYSTEMS AND METHODS FOR MONITORING GAS TURBINE SYSTEMS HAVING EXHAUST GAS RECIRCULATI0N(用于监测具有排气再循环的燃气涡轮机系统的系统和方 法)"的美国非临时专利申请号14/312,665的优先权和权益，所有这些专利以其全部内容通 过引用被并入本文，用于所有目的。
技术领域
[0003] 本文所公开的主题涉及燃气涡轮机系统，诸如排气再循环(EGR)燃气涡轮机系统。
【背景技术】
[0004] 燃气涡轮机发动机被用于各种应用中，诸如发电、飞行器和各种机械装置。燃气涡 轮机发动机一般在燃烧器部分中燃烧燃料与氧化剂(例如，空气）以生成热燃烧产物，然后， 该热燃烧产物驱动涡轮机部分的一个或更多个涡轮机级。当由热燃烧产物驱动涡轮机级 时，涡轮机级生成转矩以驱动轴。进而，旋转轴驱动压缩机部分的一个或更多个压缩机级， 并且还能够驱动燃气涡轮机发动机的发电机以产生电能。在操作期间，可能期望测量特定 的气流的一个或更多个属性以提高燃气涡轮机发动机的控制。更进一步地，可能期望提高 测量数据的采集以提高效率，并且减少燃气涡轮机发动机中的损失。

【发明内容】

[0005] 与最初要求保护的主题的范围相当的某些实施例在下面予以概述。这些实施例不 旨在限制所要求保护的发明的范围，相反地这些实施例仅意在提供本发明的可能形式的简 要概述。事实上，本公开可以包含可以类似于或不同于下面阐述的实施例的各种形式。
[0006] 在实施例中，一种系统包括燃气涡轮机发动机，所述燃气涡轮机发动机具有燃烧 器部分，所述燃烧器部分带有被配置为燃烧燃料并且产生排气的一个或更多个燃烧器。所 述系统包括涡轮机部分，所述涡轮机部分包括被设置在所述燃烧器的下游且被配置为由所 述排气驱动的一个或更多个涡轮机级。所述系统还包括排气部分，所述排气部分被设置在 所述一个或更多个涡轮机级的下游，其中所述排气部分具有被配置为从所述涡轮机部分接 收所述排气的排气通道。所述系统进一步包括气流抽排系统，所述气流抽排系统被耦接到 所述排气部分并且具有被设置在所述排气部分周围的多个抽排通道，其中每个抽排路径被 配置为从所述排气通道的下游部分接收排气的一部分。进一步地，所述气流抽排系统被配 置为经由一个或更多个返回通道被动地将排气的所述部分传送到所述排气通道的上游部 分。
[0007] 在另一个实施例中，一种方法包括在燃气涡轮机系统的燃烧器中燃烧燃料与氧化 剂以生成排气。所述方法包括用来自所述燃烧器的所述排气驱动所述燃气涡轮机系统的涡 轮机，以及通过所述燃气涡轮机系统的排气部分中的排气通道提供来自所述涡轮机的所述 排气。所述方法还包括经由一个或更多个抽排通道从所述排气通道的下游部分被动地抽排 所述排气的一部分。所述方法还包括使用耦接到所述多个抽排通道的一个或更多个传感器 在所述排气的所述部分上执行一个或更多个测量。所述方法进一步包括经由一个或更多个 返回通道，被动地将所述排气的所述部分传送到所述排气通道的上游部分。
[0008] 在另一个实施例中，一种系统包括通过旋转式机械的气流路径，其中所述气流路 径具有高压下游区域和低压上游区域。所述系统包括抽排通道，所述抽排通道被配置为被 动地从所述气流路径的所述高压下游区域抽排气流的一部分。所述系统包括传感器，所述 传感器被耦接到所述抽排通道并且被配置为测量穿过所述抽排通道的所述气流的所述部 分的参数。所述系统进一步包括返回通道，所述返回通道被耦接到所述抽排通道，其中所述 返回通道被配置为被动地将所述气流的所述部分从所述抽排通道传送到所述气流路径的 所述低压上游区域。
[0009] 在另一个实施例中，一种系统包括多个抽排通道，所述多个抽排通道被配置为被 动地从气流路径的下游区域抽排气流的一部分。所述系统包括多个传感器，所述多个传感 器被分别地耦接到所述多个抽排通道，其中所述多个传感器被配置为测量穿过所述多个抽 排通道的所述气流的所述部分的一个或更多个参数。所述系统还包括歧管，所述歧管被耦 接到所述多个抽排通道，其中所述歧管被配置为从所述多个抽排通道接收所述气流的所述 部分。所述系统进一步包括返回通道，所述返回通道被耦接到所述歧管，其中所述返回通道 被配置为被动地将所述气流的所述部分提供给所述气流路径的上游区域。
【附图说明】
[0010] 当参考附图阅读以下详细的描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变 得更好理解，其中在全部附图中相同的符号代表相同的部件，其中：
[0011] 图1是具有被耦接到碳氢化合物生产系统的基于涡轮机的服务系统的系统的实施 例的图示；
[0012] 图2是图1的系统的实施例的图示，进一步图示说明控制系统和组合的循环系统；
[0013] 图3是图1和图2的系统的实施例的图示，进一步图示说明燃气涡轮机发动机、排气 供应系统和排气处理系统的细节；
[0014] 图4是用于操作图1至图3系统的过程的实施例的流程图；
[0015] 图5是图2的系统的实施例的图示，进一步图示说明监测/控制系统和排气再循环 系统；
[0016] 图6是沿线6-6截取的图5的系统的排气部分的实施例的横截面视图；
[0017]图7是沿线7-7截取的图6的系统的排气抽排通道的实施例的横截面视图；
[0018]图8是沿线7-7截取的图6的系统的排气抽排通道的替代实施例的横截面视图；
[0019] 图9是具有内部返回通道的图5的系统的排气部分的实施例的图示；以及
[0020] 图10是具有外部返回通道的图5的系统的排气部分的实施例的图示。
【具体实施方式】
[0021]将在下面描述本发明的一个或更多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描 述，实际实施方式的所有特征不可能都在本说明书中描述。应当理解，在任何这种实际实施 方式的开发中，如在工程或设计项目中，应当进行大量【具体实施方式】的决定以达到具体目 标，诸如符合系统相关和/或商业相关的约束，该约束可以从一个实施方式变化到另一实施 方式。此外，应当理解，这种努力可以是复杂的和耗时的，但对于那些受益于本公开的普通 技术人员仍然是设计、制作和制造的常规任务。
[0022]本文公开了详细的示例实施例。然而，为了描述示例实施例的目的，本文公开的具 体结构和功能细节仅是代表性的。然而，本发明的实施例可以以许多替换性的形式来实现， 并且不应被解释为仅限于本文阐述的实施例。
[0023] 因此，虽然示例实施例能够有各种修改和替换形式，但其实施例在图中以示例的 方式被图示说明，并且本文将详细描述其实施例。然而，应当理解，本发明不旨在将示例实 施例限制于所公开的特定形式，但相反，示例实施例将覆盖落在本发明的范围内的所有的 修改、等同物和替换。
[0024] 本文使用的术语仅用于描述特定的实施例，并且不旨在限制示例实施例。如本文 所使用的，单数形式"一/一个"以及"该/所述"也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地指 出。当在本文中使用时，术语"包括"、"包括的"、"包含"和/或"包含的"指定所述特征、整数、 步骤、操作、要素、和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、要 素、部件和/或其集合的存在或添加。
[0025] 虽然本文可以使用术语第一、第二、首先、其次等描述各种要素，但这些要素不应 受这些术语的限制。这些术语仅被用于区分一个要素与另一个要素。例如但不限制于，在不 脱离示例实施例的范围的情况下，第一要素可以被称为第二要素，并且类似地，第二要素可 以被称为第一要素。如本文所使用的，术语"和/或"包括列出的一个或者更多个相关项目中 的任一个和全部的组合。
[0026] 某些术语可以在本文中使用仅为了方便读者，并且不被视为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"、"尾部"等的词只描述图中所示的配置。事实上，本发明的实施例的一个要素或 更多个要素可以以任何方向进行取向，并且因此，术语应被理解为涵盖这些变化，除非另外 规定。
[0027] 如下面所详细讨论的，所公开的实施例一般涉及具有排气再循环(EGR)的燃气涡 轮机系统，并且特别地，涉及使用EGR按化学计量操作燃气涡轮机系统。例如，燃气涡轮机系 统可以被配置为沿排气再循环路径使排气再循环，按化学计量燃烧燃料和氧化剂以及再循 环的排气中的至少一些，并且捕获用于在各种目标系统中使用的排气。除了控制燃料和/或 氧化剂的流动之外，排气的再循环与按化学计量的燃烧一起可以帮助增加排气中CO 2的浓 度水平，然后该排气能够被后处理以分离和净化在各种目标系统中使用的CO2和氮气(N 2)。 燃气涡轮机系统还可以采用沿排气再循环路径的各种排气处理(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、氮氧化物和未燃尽碳氢化 合物)的浓度水平，并且增加能量回收(例如，用热回收单元）。
[0028] 事实上，通过利用根据本公开的EGR燃气涡轮机系统内的再循环的排气可以实现 很多益处，包括增加各种部件的操作时间、由于增强的冷却能力引起的各种部件更广泛的 操作范围，等。随着首先介绍EGR燃气涡轮机系统的一般部件，接下来是通过在EGR燃气涡轮 机系统内可以利用再循环的排气的方式的具体示例，下面进一步详细描述了这样的实施 例。
[0029] 如下面详细讨论的，所公开的实施例一般涉及燃气涡轮机系统，包括具有EGR的燃 气涡轮机系统，诸如按化学计量的排气再循环(SEGR)燃气涡轮机系统。如上面所阐释的，可 能期望测量燃气涡轮机系统中特定的气流的一个或更多个属性(例如，温度、化学组成等）。 例如，可能期望确定穿过燃气涡轮机发动机的排气部分的气流的化学组成。因此，本实施例 包括系统和方法，通过该系统和方法，气流的小部分(本文被称为感觉流)可以被动地从气 流进行抽排，并且被引导通过很多抽排通道。如下面详细讨论的，抽排通道中的每一个可以 包括一个或更多个传感器以分析该感觉流，例如，以确定气流的化学组成。通过分析这些感 觉流，控制器可能够确定SEGR燃气涡轮机系统的操作的方面。例如，在某些实施例中，控制 器可以确定排气流的感觉流富含氧化剂、未燃尽燃料和/或水蒸汽，并且响应于修改被采样 的气流的组成，可以调节SEGR燃气涡轮机系统的参数，使得它包括大体更少的氧化剂、未燃 尽燃料和/或水蒸汽，从而提供在下面讨论的各种下游过程中使用的纯净的排气。通过进一 步的示例，在某些实施例中，控制器可以确定感觉流的组成，并且可以修改SEGR燃气涡轮机 系统的参数，以保持按化学计量的或近似按化学计量的燃烧(例如，以如下面所讨论的〇. 95 到1.05的目标当量比）。
[0030] 进一步地，本实施例能够被动抽排感觉流，其中感觉流可以从气流的下游、较高压 区域进行抽排，由每个抽排通道内的一个或更多个传感器进行分析，并且继而随后被重新 引回到气流的上游、较低压区域。因此，虽然可以在下面在燃气涡轮机系统以及更特别的 SEGR燃气涡轮机系统的背景下讨论本方法，但应当理解，本方法可以在任意数量的情况下 都是有用的，所述情况包含在压差下操作或提供压差的一件仪器(例如，排气部分、压缩机 部分、鼓风机、或任何其他适合的旋转式机械)附近的气流的被动采样。
[0031 ]考虑到上述情况，图1是具有与基于涡轮机的服务系统14相关联的碳氢化合物生 产系统12的系统10的实施例的图示。如下面进一步详细讨论的，基于涡轮机的服务系统14 的各种实施例被配置为将各种服务(诸如电功率、机械功率和流体(例如，排气））提供给碳 氢化合物生产系统12,以便于油和/或气的生产或检索。在所图示说明的实施例中，碳氢化 合物生产系统12包括耦接到地下储层20(例如，油、气或碳氢化合物储层)的油/气抽排系统 16和增强的油回收(EOR)系统18。油/气抽排系统16包括耦接到油/气井26的各种表面仪器 22,诸如采油树或生产树24。更进一步地，井26可以包括延伸穿过地层32中的钻孔30到地下 储层20的一个或更多个管件28。树24包括调节压力并且控制流动到地下储层20以及从地下 储层20流出的一个或更多个阀、扼流圈、隔离套、防喷器和各种流量控制设备。虽然树24- 般被用于控制生产流体(例如，油或气)从地下储层20流出，但EOR系统18可以通过将一种或 更多种流体注入到地下储层20来增加油或气的产量。
[0032]因此，EOR系统18可以包括流体注入系统34,流体注入系统34具有延伸通过地层32 中的孔38到地下储层20的一个或更多个管件36。例如，EOR系统18可以将一种或更多种流体 40(诸如气体、蒸汽、7K、化学品或其任何组合)传送到流体注入系统34中。例如，如下面进一 步详细讨论的，EOR系统18可以被耦接到基于涡轮机的服务系统14,使得系统14将排气42 (例如，基本上或完全没有氧)传送到EOR系统18,以作为注入流体40使用。流体注入系统34 通过一个或更多个管件36将流体40(例如，排气42)传送到地下储层20中，如由箭头44所指 示的。注入流体40通过管件36在远离油/气井26的管件28的偏移距离46处进入地下储层20。 因此，注入流体40取代设置在地下储层20中的油/气48,并且通过碳氢化合物生产系统12的 一个或更多个管件28向上驱动油/气48,如由箭头50所指示的。如下面进一步详细讨论的， 注入流体40可以包括源自基于涡轮机的服务系统14的排气42,基于涡轮机的服务系统14能 够按照碳氢化合物生产系统12所需在现场生成排气42。换句话说，基于涡轮机的系统14可 以同时生成由碳氢化合物生产系统12使用的一个或更多个服务(例如，电功率、机械功率、 蒸汽、水(例如，脱盐水)和排气(例如，基本上没有氧）），从而减少或消除对这种服务的外部 来源的依赖。
[0033]在所图示说明的实施例中，基于涡轮机的服务系统14包括按化学计量的排气再循 环(SEGR)燃气涡轮机系统52和排气(EG)处理系统54。燃气涡轮机系统52可以被配置为以按 化学计量的燃烧操作模式(例如，按化学计量的控制模式)和非按化学计量的燃烧操作模式 (例如，非按化学计量的控制模式）（诸如，贫燃料控制模式或富燃料控制模式)进行操作。在 按化学计量的控制模式中，一般基本上以燃料和氧化剂的化学计量比发生燃烧，从而导致 基本上按化学计量的燃烧。特别地，按化学计量的燃烧一般涉及在燃烧反应中基本上燃烧 所有的燃料和氧化剂，使得燃烧的产物基本上或全部没有未燃尽燃料和氧化剂。按化学计 量的燃烧的一个测量是当量比或Φ，其是实际燃料/氧化剂比相对于按化学计量的燃料/氧 化剂比的比。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 燃料和氧化剂的贫燃料燃烧。相比之下，1.0的当量比导致燃烧既不是富燃料燃烧也不是贫 燃料燃烧，从而在燃烧反应中基本上消耗所有的燃料和氧化剂。在所公开的实施例的上下 文中，术语"按化学计量的"或"基本上按化学计量的"可以指大约0.95到大约1.05的当量 比。然而，所公开的实施例还可以包括1.0加或减0.01、0.02、0.03、0.04、0.05或更多的当量 比。再者，在基于涡轮机的服务系统14中的燃料和氧化剂的按化学计量的燃烧可以导致燃 烧的产物或排气(例如，42)基本上不具有未燃尽燃料或残留的氧化剂。例如，排气42按体积 计可以具有小于氧化剂(例如，氧）、未燃尽燃料或碳氢化合物(例如，HC)、氮氧化物(例如， NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOx)、氢气和其他未完全燃烧的产物的1 %、2 %、3 %、 4%或5%的体积。通过进一步的示例，排气42按体积计可以具有小于大约氧化剂（例如， 氧）、未燃尽燃料或碳氢化合物(例如，HC)、氮氧化物(例如，NO x)、一氧化碳(CO)、硫氧化物 (例如，SOx)、氢气和其他未完全燃烧的产物的百万分之10、百万分之20、百万分之30、百万 分之40、百万分之50、百万分之60、百万分之70、百万分之80、百万分之90、百万分之100、百 万分之200、百万分之300、百万分之400、百万分之500、百万分之1000、百万分之2000、百万 分之3000、百万分之4000或百万分之5000(ppmv)。然而，所公开的实施例还可以产生其他范 围的残留燃料、氧化剂以及排气42中的其他排放水平。如本文所使用的，术语"排放"、"排放 水平"和"排放目标"可以指某些燃烧产物(例如，NO x、CO、SOx、O2、N2、H2、HC等）的浓度水平，所 述某些燃烧产物可以存在于再循环的气流、排泄的气流(例如，排出到大气中）和在各种目 标系统(例如，碳氢化合物生产系统12)中使用的气流中。
[0034]虽然在不同的实施例中，SEGR燃气涡轮机系统52和EG处理系统54可以包括各种部 件，但所图示说明的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,该HRSG 56和EGR系统58接收和处理源自SEGR燃气涡轮机系统52的排气60ARSG 56可 以包括一个或更多个热交换器、冷凝器和各种热回收仪器，所述一个或更多个热交换器、冷 凝器和各种热回收仪器共同起作用以将来自排气60的热量传递到水流，从而生成蒸汽62。 蒸汽62可以被用于一个或更多个蒸汽涡轮机、EOR系统18或碳氢化合物生产系统12中的任 何其他部分中。例如，HRSG 56可以生成低压、中压和/或高压蒸汽62,低压、中压和/或高压 蒸汽62可以选择性地被施加到低、中和高压蒸汽涡轮机级，或EOR系统18的不同应用。除了 蒸汽62之外，可以由HRSG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一个部分或SEGR燃气涡轮 机系统52生成被处理的水64(诸如，脱盐水）。被处理的水64(例如，脱盐水)可以特别地用于 水资源短缺的区域中，诸如内陆或沙漠地区。