用于化學計量排氣再循環(huán)燃氣渦輪機系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于化學計量排氣再循環(huán)燃氣禍輪機系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年4月12日提交的題為"MET冊DS，SYSTEMSANDAPPARATUS RELATINGTOCOMBUSTIONTURBI肥POWERPLANTSWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION"的 美國非臨時專利申請第13/445003號的優(yōu)先權和權益，其全部內(nèi)容通過引用合并于此，W 及 2012 年 12 月 28 日提交的題為"SYSTEMANDMET冊DFORASTOICHIOMETRICEXHAUST GASRECIRCULATIONGASTURBI肥SYSTEM"的美國臨時專利申請第61/747211號的優(yōu)先權 和權益，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
技術領域
[0003] 本文公開的主題設及燃氣禍輪發(fā)動機。
【背景技術】
[0004] 燃氣禍輪發(fā)動機的應用領域非常廣泛，例如發(fā)電、航空器W及各種機械裝置。燃氣 禍輪發(fā)動機通常在燃燒器部燃燒燃料和氧化劑（例如，空氣）W生成熱燃燒產(chǎn)物，然后該產(chǎn) 物驅(qū)動禍輪機部中的一個或多個禍輪機級。禍輪機部進而驅(qū)動壓縮機部中的一個或多個壓 縮機級，從而將氧化劑與燃料一起從入口壓縮到燃燒器部。再者，燃料與氧化劑在燃燒器部 混合，并接著燃燒W產(chǎn)生熱燃燒產(chǎn)物。燃氣禍輪發(fā)動機通常沿著燃燒器部的燃燒室上游的 一個或多個流動路徑預混合燃料和氧化物，因此燃氣禍輪發(fā)動機通常W預混火焰運行。不 利的是，預混火焰可能難W控制或維持，該可能會影響各種排氣排放和功率要求。此外，燃 氣禍輪發(fā)動機通常消耗大量的空氣作為氧化劑，并輸出相當大量的排氣到大氣中。換句話 說，排氣通常作為燃氣禍輪機運行的副產(chǎn)物被浪費掉。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 下面概述在范圍上與最初要求保護的發(fā)明匹配的某些實施例。該些實施例并不 旨在限制要求保護的發(fā)明的范圍，相反該些實施例僅旨在提供本發(fā)明的可能形式的簡短概 括。實際上，本發(fā)明可能包含可與下面闡述的實施例類似或不同的各種形式。
[0006] 在第一實施例中，一種系統(tǒng)包括禍輪燃燒器，由來自禍輪燃燒器的燃燒產(chǎn)物驅(qū)動 的禍輪機，W及排氣壓縮機。該排氣壓縮機被配置為壓縮排氣并將其從禍輪機輸送到禍輪 燃燒器。該系統(tǒng)還包括穿過排氣壓縮機、禍輪燃燒器和禍輪機延伸的排氣再循環(huán)巧GR)路 徑，沿著該EGR路徑布置的第一排氣巧G)抽取口，W及沿著該EGR路徑布置的第二EG抽取 P。
[0007] 在第二實施例中，一種系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)被配置為接收指示流過一 部分排氣再循環(huán)巧GR)路徑的排氣的屬性的傳感器反饋，所述排氣再循環(huán)巧GR)路徑穿過 排氣壓縮機、禍輪燃燒器和禍輪機延伸。該控制系統(tǒng)還被配置為至少部分基于該傳感器反 饋，控制通過沿著EGR路徑設置的多個抽取口抽取排氣。
[0008] 在第=實施例中，一種方法包括用來自禍輪燃燒器的燃燒產(chǎn)物驅(qū)動禍輪機，在排 氣壓縮機中壓縮來自禍輪機的排氣，w及沿著從排氣壓縮機穿過禍輪燃燒器進入禍輪機的 流動路徑輸送排氣。該方法還包括經(jīng)由沿著該流動路徑布置的第一抽取口抽取排氣，W及 經(jīng)由沿著該流動路徑布置的第二抽取口抽取排氣。
【附圖說明】
[0009] 當參照附圖閱讀下列【具體實施方式】時，本發(fā)明的該些和其他特征、方面和優(yōu)點將 變得更加容易理解，其中在整個附圖中相同的符號表示相同的部件，其中：
[0010] 圖1是具有聯(lián)結(jié)/禪連（couple)到姪類生產(chǎn)系統(tǒng)的基于禍輪機的服務系統(tǒng)的系 統(tǒng)實施例的示意圖；
[0011] 圖2是圖1的系統(tǒng)實施例的示意圖，其進一步示出控制系統(tǒng)和組合循環(huán)系統(tǒng)； [001引圖3是圖1和圖2的系統(tǒng)實施例的示意圖，其進一步示出燃氣禍輪發(fā)動機、排氣供 給系統(tǒng)和排氣處理系統(tǒng)的細節(jié)；
[0013] 圖4是用于運行圖1-3的系統(tǒng)的過程實施例的流程圖；
[0014]圖5是圖1-3的系統(tǒng)實施例的示意圖，其進一步示出用于從該系統(tǒng)抽取排氣的多 個抽取點；
[0015]圖6是圖1-3和圖5的系統(tǒng)實施例的示意圖，其示出帶有兩個燃燒器單元的燃氣 禍輪發(fā)動機；
[0016] 圖7是圖3、圖5和圖6的排氣供給系統(tǒng)的實施例的示意圖，其示出混合單元；
[0017] 圖8是圖3、圖5和圖6的排氣供給系統(tǒng)的實施例的示意圖；W及
[0018] 圖9是用于運行圖5-8的系統(tǒng)的過程實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 本發(fā)明的一個或多個具體實施例將在下面描述。為了提供該些實施例的簡要描 述，實際實施方式的所有特征可能沒有在本說明書中描述。應認識到，在任何此類實際實 施方式的開發(fā)中（例如在工程規(guī)劃或設計項目中），需要做出眾多與實施方式相關的決定 W實現(xiàn)指定目標，例如符合在不同實施方式中彼此不同的系統(tǒng)相關約束和/或商業(yè)相關約 束。而且，應認識到，該種開發(fā)工作可能是復雜和費時的，然而，對受益于本公開的本領域普 通技術人員來說，承擔設計、裝配和制造仍然是例行工作。
[0020] 本文公開了詳細的示例性實施例。但是，本文公開的特定結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)僅僅代 表描述示例性實施例的目的。而本發(fā)明的實施例可W體現(xiàn)為許多替代形式，并且不應僅限 于本文闡述的實施例。
[0021] 因此，雖然示例性實施例能夠具有各種修改和替換形式，但其實施例通過附圖中 的示例的方式示出并將在本文詳細描述。然而，應當理解的是，本發(fā)明并不打算將示例性實 施例局限于所公開的特定形式，而是相反，示例性實施例旨在覆蓋落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的 所有修改、等效和替代實施例。
[0022] 本文所使用的術語僅用于描述某些實施例，并不是為了限制示例性實施例。正如 本文所使用，單數(shù)形式"一"、"一個"、"該"也包括復數(shù)形式，除非上下文中明確指出不同含 意。當用于本文時，術語"包括"和/或"包含"指定存在所陳述特征、整數(shù)、步驟、操作、元 件和/或組件，但不排除存在和添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/ 或其群組。
[0023] 雖然術語第一、第二、主要、次要等可W在本文中被用于描述各個元件，但是該些 元件不應受該些術語限制。該些術語僅用于將一個元件與另一個元件區(qū)分開。例如但不限 于，在沒有偏離示例性實施例的范圍的情況下，第一元件可W被稱為第二元件，W及同樣， 第二元件可W被稱為第一元件。正如本文所使用的，術語"和/或"包括一個或多個關聯(lián)列 出項目中的任意一個、全部及其組合。
[0024] 本文可能使用某些術語，該僅為了方便讀者而不應被視為對本發(fā)明的范圍的限 審IJ。例如，諸如"上面"、"下面"、"左側(cè)"、"右側(cè)"、"前面"、"后面"、"頂部"、"底部"、"水平"、 "垂直"、"上游"、"下游"、"前部"、"后部"等詞組僅描述在附圖中示出的構(gòu)形。實際上，本發(fā) 明的實施例的一個或多個元件可W被取向在任何方向，因此，所述術語應當被理解為包含 該類變化，除非W其他方式指出不同。
[0025] 如下面所詳細討論的，所公開的實施例一般設及帶有排氣再循環(huán)巧GR)的燃氣禍 輪機系統(tǒng)，尤其是設及使用EGR的燃氣禍輪機系統(tǒng)的化學計量操作。例如，燃氣禍輪機系統(tǒng) 可W被配置為沿著排氣再循環(huán)路徑再循環(huán)排氣，使燃料和氧化劑與至少某些再循環(huán)排氣一 起W化學計量燃燒，W及收集排氣用于各個目標系統(tǒng)。排氣的再循環(huán)可W與化學計量燃燒 一起幫助增加排氣中的二氧化碳（C〇2)濃度水平，然后二氧化碳可W被后處理W分離和純 化C〇2和氮氣（N2)用于各個目標系統(tǒng)。燃氣禍輪機系統(tǒng)還可W采用沿著排氣再循環(huán)路徑的 各種排氣處理（例如熱回收、催化反應等），從而增加C〇2的濃度水平，減少其他排放物（例 如一氧化碳、氮氧化物W及未燃燒姪類）的濃度水平，并增加能量回收（例如用熱回收單 元）。此外，燃氣禍輪發(fā)動機可W被配置為通過一個或多個擴散火焰（例如，使用擴散燃料 噴嘴）、預混火焰（例如，使用預混燃料噴嘴）或其任何組合來燃燒燃料和氧化劑。在某些 實施例中，擴散火焰可W幫助將化學計量燃燒的穩(wěn)定性和操作維持在某些限度內(nèi)，該進而 幫助增加CA的產(chǎn)量。例如，與利用預混火焰運行的燃氣禍輪機系統(tǒng)相比，利用擴散火焰運 行的燃氣禍輪機系統(tǒng)可W使更大量的EGR可行。反過來，EGR的增加量幫助增加C〇2產(chǎn)量。 可能的目標系統(tǒng)包括管道、儲罐、碳匯系統(tǒng)W及姪類生產(chǎn)系統(tǒng)，例如強化采油巧OR)系統(tǒng)。
[0026] 如下面所進一步討論的，所公開的實施例可W從燃氣禍輪發(fā)動機和沿著排氣再循 環(huán)路徑的排氣處理系統(tǒng)（例如EGR系統(tǒng)）上的一個或多個抽取點（例如1至Ij100個或更多 點）抽取排氣。例如，抽取點可W包括在壓縮機部的每個壓縮機級處或其下游的排氣抽取 點，與一個或多個燃燒器部關聯(lián)的多個排氣抽取點，在一個或多個禍輪機部的每個禍輪機 級處或其下游的排氣抽取點，和/或在各個排氣處理組件（例如，催化劑單元、熱交換器例 如熱回收單元或熱回收蒸汽發(fā)生器、水分去除裝置、微粒去除單元、鼓風機等）處或其上游 或其下游的一個或多個排氣抽取點。該些抽取點中的每一個能夠抽取具有基本等于、大于 或小于其他抽取點的氣體成分、溫度、壓力和/或其他屬性（即主要是排氣屬性）的排氣。 在某些實施例中，每個抽取點可W具有適合不止一個下游處理過程的排氣屬性，因此，每個 抽取點可W被單獨用于該類下游處理過程。在其他實施例中，兩個或更多個抽取點可W集 中作為混合物用于一個或多個下游處理過程或單獨用于一個或多個下游處理過程。例如， 兩個或更多個抽取點可W具有類似的、完全不同的或者部分類似且部分不同的排氣屬性 (例如壓力、溫度、氣體成分等）。在一個實施例中，兩個或更多個抽取點可W具有不同的溫 度和/或氣體成分而具有類似的壓力，使得來自兩個或更多個抽取點的排氣可W被混合在 一起，w實現(xiàn)新的溫度和/或氣體成分而具有基本相同的壓力。在另一個示例中，兩個或更 多個抽取點可W具有類似的溫度和/或氣體成分而具有不同的壓力，使得來自兩個或更多 個抽取點的排氣可W被混合在一起，W實現(xiàn)新的壓力并具有基本相同的溫度和/或氣體成 分。因此，根據(jù)下游處理過程的需求，任何數(shù)量的抽取點可W被用于實現(xiàn)用于下游處理過程 的期望排氣屬性（例如壓力、溫度、氣體成分等）。
[0027]圖1是具有與基于禍輪機的服務系統(tǒng)14關聯(lián)的姪類生產(chǎn)系統(tǒng)12的系統(tǒng)10的實施 例的示意圖。如下面進一步詳細討論的，基于禍輪機的服務系統(tǒng)14的各種實施例被配置為 向姪類生產(chǎn)系統(tǒng)12提供各種服務例如電力、機械力和流體（例如排氣）W促進油和/或氣 的生產(chǎn)或回收。在圖示的實施例中，姪類生產(chǎn)系統(tǒng)12包括油/氣抽取系統(tǒng)16和強化油回 收巧OR)系統(tǒng)18,二者聯(lián)結(jié)/禪連（couple)到地下儲層20 (例如油、氣或姪類儲層）。油 /氣抽取系統(tǒng)16包括各種地面設備22,例如聯(lián)結(jié)到油/氣井26的圣誕樹或生產(chǎn)樹24。此 夕F，井26可W包括通過地球32中的鉆孔30延伸到地下儲層20的一個或多個管件28。樹 24包括一個或多個閥口、扼流圈、隔離套、防噴器W及各種流量控制裝置，其調(diào)節(jié)壓力并且 控制去到和來自地下儲層20的流動。雖然樹24通常被用于控制從地下儲層20流出的生 產(chǎn)流體（例如油或氣）的流動，E0R系統(tǒng)18可W通過將一種或多種流體注入地下儲層20中 來增加油或氣的生產(chǎn)量。
[0028] 因此，E0R系統(tǒng)18可W包括流體注入系統(tǒng)34,該流體注入系統(tǒng)具有通過地球32中 的孔30延伸到地下儲層20的一個或多個管件36。例如，E0R系統(tǒng)18可W將一種或多種流 體40例如氣體、蒸汽、水、化學物質(zhì)或其任何組合輸送到流體注入系統(tǒng)34中。例如，如下面 所進一步詳細討論的，E0R系統(tǒng)18可W被聯(lián)結(jié)到基于禍輪機的服務系統(tǒng)14,使得系統(tǒng)14將 排氣42 (例如，基本沒有氧氣或完全沒有氧氣）輸送到E0R系統(tǒng)18用作注入流體40。流體 注入系統(tǒng)34通過一個或多個管件36將流體40 (例如排氣