對具有排氣再循環(huán)的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的化學(xué)計量燃燒控制的制作方法
【專利說明】對具有排氣再循環(huán)的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的化學(xué)計量燃燒控制
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 該申請要求2013年10月30日提交的名稱為"對具有排氣再循環(huán)的燃?xì)鉁u輪 系統(tǒng)的化學(xué)計量燃燒控制（STOICHIOMETRICCOMBUSTIONCONTROLFORGASTURBINE SYSTEMWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION)" 的美國非臨時專利申請?zhí)?14/067, 797， 2012年12月28日提交的名稱為"對具有排氣再循環(huán)的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的化學(xué)計量燃燒 控制（STOICHIOMETRICCOMBUSTIONCONTROLFORGASTURBINESYSTEMWITHEXHAUST GASRECIRCULATION) "的美國臨時專利申請?zhí)?1/747, 209,2012年11月2日提交的名 稱為"用于在化學(xué)計量排氣再循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中擴(kuò)散燃燒的系統(tǒng)和方法（SYSTEMAND METHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONINASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATION GASTURBINESYSTEM)"的美國臨時專利申請?zhí)?1/722, 118,2012年11月2日提交的名 稱為"用于在化學(xué)計量排氣再循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中利用燃料-稀釋劑混合擴(kuò)散燃燒的系 統(tǒng)和方法（SYSTEMANDMETHODFORDIFFUSIONCOMBUSTIONWITHFUEL-DILUENTMIXING INASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)" 的美國臨時 專利申請?zhí)?1/722, 115, 2012年11月2日提交的名稱為"用于在化學(xué)計量排氣再循環(huán)燃 氣渦輪系統(tǒng)中利用氧化劑-稀釋劑混合擴(kuò)散燃燒的系統(tǒng)和方法（SYSTEMANDMETHODFOR DIFFUSIONCOMBUSTIONWITHOXIDANT-DILUENTMIXINGINASTOICHIOMETRICEXHAUST GASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)"的美國臨時專利申請?zhí)?1/722, 114,和2012年 11月2日提交的名稱為"用于在化學(xué)計量排氣再循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中利用擴(kuò)散燃燒負(fù)載控 制的系統(tǒng)和方法（SYSTEMANDMETHODFORLOADCONTROLWITHDIFFUSIONCOMBUSTIONIN ASTOICHIOMETRICEXHAUSTGASRECIRCULATIONGASTURBINESYSTEM)" 的美國臨時專利 申請?zhí)?1/722, 111的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所有這些出于所有目的通過引用以其整體并入本文。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 本文公開的主題涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，以及更具體地涉及燃?xì)鉁u輪的化學(xué)計量控 制系統(tǒng)和方法。
[0005] 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在各種各樣的應(yīng)用中使用，例如發(fā)電、航空器以及多種機(jī)械裝置。 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)通常在燃燒室部分中燃燒燃料與氧化劑（例如，空氣）以產(chǎn)生熱的燃燒產(chǎn) 物，其然后驅(qū)動渦輪部分的一個或多個渦輪級（stage)。依次地，渦輪部分驅(qū)動壓縮機(jī)部分 的一個或多個壓縮機(jī)級，從而壓縮氧化劑以連同燃料一起進(jìn)氣到燃燒室部分中。再一次，燃 料和氧化劑在燃燒室部分中混合，然后燃燒以產(chǎn)生熱的燃燒產(chǎn)物。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一般沿 著燃燒室部分的燃燒腔的上游的一條或多條流動路徑預(yù)混合燃料和氧化劑，并且因此燃?xì)?渦輪發(fā)動機(jī)一般使用預(yù)混合火焰操作。不幸地，預(yù)混合火焰可能難以控制或維持，其可影響 各種排氣排放物和動力需求。此外，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)通常消耗大量空氣作為氧化劑，并將大 量排氣輸出到大氣中。換句話說，排氣通常作為燃?xì)鉁u輪運行的副產(chǎn)物被浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在下面概括與最初要求保護(hù)的發(fā)明范圍相稱的某些實施方式。這些實施方式不 意欲限制要求保護(hù)的發(fā)明的范圍，而是這些實施方式僅意欲提供發(fā)明的可能形式的簡要概 括。事實上，發(fā)明可包括多種形式，其可類似于或不同于下面提出的實施方式。
[0007] 在第一實施方式中，系統(tǒng)包括傳感器，其配置為通信代表燃?xì)鉁u輪運行的信號。該 系統(tǒng)進(jìn)一步包括控制器，其通信地連接至傳感器。該系統(tǒng)額外地包括化學(xué)計量模型，其配 置為接收代表燃?xì)鉁u輪運行的一個或多個輸入和測量的當(dāng)量比，其中控制器配置為將信號 轉(zhuǎn)換為一個或多個輸入并基于目標(biāo)當(dāng)量比使用化學(xué)計量模型來導(dǎo)出致動信號（actuation signal)〇
[0008] 在第二實施方式中，方法包括感測燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的運行，并且傳送代表燃?xì)鉁u 輪運行的傳感器信號。該方法進(jìn)一步包括將傳感器信號轉(zhuǎn)化為模型輸入并將模型輸入通信 至化學(xué)計量模型中。該方法額外地包括使用化學(xué)計量模型導(dǎo)出目標(biāo)當(dāng)量比并將目標(biāo)當(dāng)量比 與測量的當(dāng)量比進(jìn)行比較。該方法還包括基于比較目標(biāo)當(dāng)量比與測量的當(dāng)量比導(dǎo)出致動信 號和將致動信號傳送至致動器。
[0009] 在第三實施方式中，系統(tǒng)包括處理器，其配置為感測燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的運行，并且 傳送代表燃?xì)鉁u輪運行的傳感器信號。該處理器進(jìn)一步配置為將傳感器信號轉(zhuǎn)化為模型輸 入并將模型輸入通信至化學(xué)計量模型中。該處理器額外地配置為使用化學(xué)計量模型導(dǎo)出目 標(biāo)當(dāng)量比并將目標(biāo)當(dāng)量比與測量的當(dāng)量比進(jìn)行比較。處理器還配置為基于比較目標(biāo)當(dāng)量比 與測量的當(dāng)量比導(dǎo)出致動信號并將致動信號傳送至致動器。
[0010] 附圖簡述
[0011] 當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變 得更好理解，其中貫穿附圖，同樣的字符表示同樣的構(gòu)件，其中：
[0012] 圖1是系統(tǒng)的實施方式的圖，該系統(tǒng)具有連接到烴生產(chǎn)系統(tǒng)的基于渦輪的服務(wù)系 統(tǒng)；
[0013]圖2是圖1的系統(tǒng)的實施方式的圖，進(jìn)一步圖解了控制系統(tǒng)和聯(lián)合的循環(huán)系統(tǒng)；
[0014] 圖3為圖1和2的系統(tǒng)的實施方式的圖，進(jìn)一步圖解了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、排氣供應(yīng) 系統(tǒng)和排氣加工系統(tǒng)的細(xì)節(jié)；
[0015] 圖4為用于運行圖1-3的系統(tǒng)的方法的實施方式的流程圖；
[0016]圖5為圖1-3的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的實施方式的圖，進(jìn)一步圖解了燃燒室、燃料噴嘴 和氧化劑、燃料和稀釋劑的流動的細(xì)節(jié)；
[0017] 圖6為通信地連接至圖1-3的基于渦輪的系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的多個傳感器和致動器 的實施方式的圖；
[0018]圖7為適合圖1-3的控制系統(tǒng)使用的基于模型的控制系統(tǒng)的實施方式的圖；和
[0019]圖8為適合使用基于模型的控制來控制圖1-3的基于渦輪的系統(tǒng)的方法的實施方 式的流程圖。
[0020] 發(fā)明詳述
[0021] 下面將描述本發(fā)明的一個或多個【具體實施方式】。試圖提供這些實施方式的 簡要描述，在說明書中可以不描述實際實施的所有特征。應(yīng)當(dāng)理解的是，在任何這樣 的實際實施的研發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計項目中，必須做出眾多實施具體的決定 (implementation-specificdecision)以達(dá)到研發(fā)者的具體目的，諸如遵守系統(tǒng)相關(guān)和商 業(yè)相關(guān)的約束，其可在不同的實施之間變化。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這樣的研發(fā)嘗試可能是 復(fù)雜的和耗費時間的，但盡管如此，對具有該公開內(nèi)容益處的那些普通技術(shù)人員仍然是設(shè) 計、制造和制作的常規(guī)工作。
[0022] 當(dāng)引入本發(fā)明各種實施方式的要素時，冠詞"一（a) "、"一（an) " "該（the) "和"所 述（said)"意欲表示存在一個或多個要素。術(shù)語"包含"、"包括"和"具有"意欲包括并且 表示除了所列出的要素還可存在另外的要素。
[0023] 如下面詳細(xì)討論的，公開的實施方式一般涉及具有排氣再循環(huán)（EGR)的燃?xì)鉁u輪 系統(tǒng)，并具體涉及使用EGR化學(xué)計量地運行燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)。例如，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)可配置為沿 排氣再循環(huán)路徑再循環(huán)排氣，連同至少一些再循環(huán)的排氣化學(xué)計量地燃燒燃料和氧化劑， 和捕獲排氣用于各種目標(biāo)系統(tǒng)。排氣再循環(huán)連同化學(xué)計量燃燒可有助于增加排氣中二氧化 碳（C02)的濃度水平，其然后可被后處理來分離和純化C02和氮氣（N2)用于各種目標(biāo)系統(tǒng)。 燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)還可沿著排氣再循環(huán)路徑采用各種排氣處理（如，熱回收、催化劑反應(yīng)等）， 由此增加C02的濃度水平，降低其它排放物（如，一氧化碳、氮氧化物和未燃盡的烴）的濃 度水平，并且增加能量回收（如，具有熱回收單元）。此外，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)可配置為使用一 種或多種擴(kuò)散火焰（如，使用擴(kuò)散燃料噴嘴）、預(yù)混合火焰（如，使用預(yù)混合燃料噴嘴）或 其任意組合燃燒燃料和氧化劑。在某些實施方式中，擴(kuò)散火焰可有助于維持化學(xué)計量燃燒 的某種限度內(nèi)的穩(wěn)定性和運行，其又有助于增加C02的產(chǎn)生。例如，與燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)使用預(yù) 混合火焰運行相比較，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)使用擴(kuò)散火焰運行可能夠?qū)崿F(xiàn)更大量的EGR。依次，增 加量的EGR有助于增加C02產(chǎn)生?？赡艿哪繕?biāo)系統(tǒng)包括管道、儲罐、碳封存系統(tǒng)和烴生產(chǎn)系 統(tǒng)，諸如提尚米收率法米油（E0R)系統(tǒng)。
[0024] 本文描述的系統(tǒng)和方法提供渦輪機(jī)諸如燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的基于模型的化學(xué)計量控 制（MBSC)。在一個實施方式中，將化學(xué)計量的直接量度（測量值，measure) -一諸如使用入 計量器提供的量度一一與化學(xué)計量的基于模型的導(dǎo)出值比較。直接量度與由模型導(dǎo)出的量 度之間的差被用于調(diào)節(jié)燃?xì)鉁u輪的控制，例如，通過改變?nèi)剂狭鲃印⒃傺h(huán)氣體（如，排氣） 流動、進(jìn)口導(dǎo)向葉片（IGV)位置等。在另一個實施方式中，測量燃燒產(chǎn)物并用于導(dǎo)出化學(xué)計 量值，并且將該值與模型導(dǎo)出值比較。然后，控制系統(tǒng)可使用測量的和導(dǎo)出的值之間的差來 類似地調(diào)節(jié)控制。
[0025] 圖1是系統(tǒng)10的實施方式的圖，該系統(tǒng)10具有與基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14相關(guān)聯(lián) 的烴生產(chǎn)系統(tǒng)12。如下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的，基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14的各種實施方式配置 為提供各種服務(wù)一一諸如電動力、機(jī)械動力和流體（如，排氣）一一至烴生產(chǎn)系統(tǒng)12以促進(jìn) 油和/或氣的生產(chǎn)或回收。在圖解的實施方式中，烴生產(chǎn)系統(tǒng)12包括油/氣提取系統(tǒng)16 和提高采收率法采油（E0R)系統(tǒng)18,其被連接至地下儲層20 (如，油、氣或烴儲層）。油/ 氣提取系統(tǒng)16包括連接至油/氣井26的多種地面設(shè)備22,諸如采油樹（Christmastree) 或生產(chǎn)樹24。此外，井26可包括一個或多個管28,其延伸經(jīng)過土地32中的鉆孔30至地下 儲層20。樹24包括一個或多個閥、節(jié)流器、隔離套、防噴器和各種流動控制裝置，其調(diào)整壓 力并控制到地下儲層20以及自地下儲層20的流動。雖然樹24 -般用于控制采出液（如， 油或氣）由地下儲層20流出，但E0R系統(tǒng)18通過將一種或多種流體注入地下儲層20可增 加油或氣的生產(chǎn)。
[0026] 因此，E0R系統(tǒng)18可包括流體注入系統(tǒng)34,其具有一個或多個管36,其延伸經(jīng)過土 地32中的孔38至地下儲層20。例如，E0R系統(tǒng)18可發(fā)送為一種或多種流體40--諸如， 氣體、蒸汽、水、化學(xué)制品或其任意組合一一至流體注入系統(tǒng)34。例如，如下面進(jìn)一步詳細(xì)討 論的，EOR系統(tǒng)18可被連接至基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14,這樣使得系統(tǒng)14發(fā)送排氣42 (如， 基本上或完全不含氧氣）至EOR系統(tǒng)18,以用作注入流體40。流體注入系統(tǒng)34發(fā)送流體 40(如，排氣42)穿過一個或多個管36進(jìn)入地下儲層20,如箭頭44所指示的。注入流體40 穿過在遠(yuǎn)離油/氣井26的管28的偏移距離46處的管36進(jìn)入地下儲層20。因此，注入流 體40轉(zhuǎn)移位于地下儲層20中的油/氣48并驅(qū)動油/氣48向上穿過烴生產(chǎn)系統(tǒng)12的一 個或多個管28,如箭頭50所指示的。如下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的，注入流體40可包括來源 于基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14的排氣42,該基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14能夠現(xiàn)場產(chǎn)生烴生產(chǎn)系統(tǒng) 12所需的排氣42。換句話說，基于渦輪的系統(tǒng)14可同時產(chǎn)生一種或多種服務(wù)（例如，電動 力、機(jī)械動力、蒸汽、水（例如，淡化水）和排氣（例如，基本上不含氧氣））用于由烴生產(chǎn)系 統(tǒng)12使用，由此減少或消除這種服務(wù)對外部資源的依賴。
[0027] 在圖解的實施方式中，基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14包括化學(xué)計量的排氣再循環(huán) (SEGR)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)52和排氣（EG)加工系統(tǒng)54。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)52可配置為以化學(xué)計量 的燃燒運行模式（如，化學(xué)計量控制模式）和非-化學(xué)計量的燃燒運行模式（如非化學(xué)計 量控制模式）運行，諸如貧燃料控制模式或富燃料控制模式。在化學(xué)計量的控制模式中， 燃燒一般以燃料和氧化劑的基本上化學(xué)計量比發(fā)生，由此得到基本上化學(xué)計量的燃燒。特 別地，化學(xué)計量燃燒一般包括消耗燃燒反應(yīng)中基本上所有燃料和氧化劑，這樣使得燃燒產(chǎn) 物基本上或完全不含有未燃盡的燃料和氧化劑?；瘜W(xué)計量的燃燒的一個量度為當(dāng)量比，或 phi(〇)，其為實際燃料/氧化劑比相對于化學(xué)計量燃料/氧化劑比的比率。大于1. 0的 當(dāng)量比導(dǎo)致燃料和氧化劑的富燃料燃燒，而小于1. 〇的當(dāng)量比導(dǎo)致燃料和氧化劑的貧燃料 燃燒。相反地，1. 〇的當(dāng)量比導(dǎo)致既非富燃料也非貧燃料的燃燒，由此在燃燒反應(yīng)中基本上 消耗全部燃料和氧化劑。在公開的實施方式的上下文中，術(shù)語化學(xué)計量或基本上化學(xué)計量 可指大約0. 95至大約1. 05的當(dāng)量比。然而，公開的實施方式還可包括1. 0加或減0. 01、 0. 02、0. 03、0. 04、0. 05或更多的當(dāng)量比。再者，基于渦輪的服務(wù)系統(tǒng)14中燃料和氧化劑的 化學(xué)計量的燃燒可導(dǎo)致基本上無未燃盡的燃料或氧化劑剩余的燃燒產(chǎn)物或排氣（如，42)。 例如，排氣42可具有按體積計小于百分之1、2、3、4或5的氧化劑（如，氧氣）、未燃盡的燃 料或烴（如，HC)、氮氧化物（如，N0X)、一氧化碳（C0)、硫氧化物（如，S0X)、氫氣和其它不完 全燃燒的產(chǎn)物。通過進(jìn)一步的實例，排氣42可具有按體積計小于大約每百萬之10、20、30、 40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000 或 5000 份（ppmv)的氧 化劑（如，氧氣）、未燃盡的燃料或烴（如，HC)、氮氧化物（如，N0X)、一氧化碳（C0)、硫氧化 物（如，S0X)、氫氣和其它不完全燃燒的產(chǎn)物。然而，公開的實施方式還可在排氣42中產(chǎn)生 其它范圍的殘留燃料、氧化劑和其它排放物水平。如本文所使用，術(shù)語排放物，排放物水平 和排放物目標(biāo)可指某些燃燒產(chǎn)物（如，N0X、C0、S0X、02、N2、H2、HC等）的濃度水平，其可存在 于在再循環(huán)氣流、排出的氣流（如，排入到大氣中）和用于各種目標(biāo)系統(tǒng)（如，烴生產(chǎn)系統(tǒng) 12)的氣流中。
[0028] 雖然在不同的實施方式中SEGR燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)52和EG加工系統(tǒng)54可包括多種組 件，但圖解的EG加工系統(tǒng)54包括熱回收蒸汽發(fā)生器（HRDG) 56和排氣再循環(huán)（EGR)系統(tǒng) 58,其接收和處理源于SEGR燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)52的排氣60。HRSG56可包括一個或多個熱交 換器、冷凝器和各種熱回收設(shè)備，其共同起作用以將熱從排氣60傳送至水流，從而產(chǎn)生蒸 汽62。蒸汽62可用在一個或多個蒸汽渦輪、EOR系統(tǒng)18或烴生產(chǎn)系統(tǒng)12的任何其他部分 中。例如，HRSG56可產(chǎn)生低壓、中壓和/或高壓蒸汽62,其可選擇性地施加至低壓、中壓和 高壓蒸汽渦輪級或E0R系統(tǒng)18的不同應(yīng)用中。除了蒸汽62以外，處理的水64-一諸如淡 化水--也可由HRSG56、EGR系統(tǒng)58和/或EG加工系統(tǒng)54或SEGR燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)52的 另外部分產(chǎn)生。處理的水64(例如，淡化水）在水缺乏區(qū)域一一例如內(nèi)陸或者沙漠地區(qū)一一 可以是特別有用的。處理的水64可至少部分地由于在SEGR燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)52中大體積的 驅(qū)動燃料燃燒的空氣而產(chǎn)生。雖然蒸汽62和水64的現(xiàn)場產(chǎn)生在許多應(yīng)用中（包括烴生產(chǎn) 系統(tǒng)12)可以是有益的，但排氣42、60的現(xiàn)場產(chǎn)生對于E0R系統(tǒng)18可以是特別有益的，這 是由于其低氧含量、高壓、和源自SEGR燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)52的熱。因此，HRSG56、EGR系統(tǒng)58 和/或EG加工系統(tǒng)54的另一部分可輸出或再循環(huán)排氣66進(jìn)入SEGR燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)52,同 時還發(fā)送排氣42至E0R系統(tǒng)18,供烴生產(chǎn)系統(tǒng)12使用。同樣地，排氣42可直接從SEGR燃 氣渦輪系統(tǒng)52 (S卩，無需通過EG加工系統(tǒng)54)提取，以用在烴生產(chǎn)系統(tǒng)12的E0R系統(tǒng)18 中。
[0029] 排氣再循環(huán)由EG加工系統(tǒng)54的EGR系統(tǒng)58操作。例如，EGR系統(tǒng)58包括一個 或多個管道、閥、鼓風(fēng)機(jī)、排氣處理系統(tǒng)（如，過濾器、顆粒去除單元、氣體分離單元、氣體純 化單元、熱交換器、熱回收單元、水分去除單元、催化劑單元、化學(xué)制