控制排氣再循環(huán)燃氣渦輪系統中排氣流量的系統和方法
【專利說明】控制排氣再循環(huán)燃氣滿輪系統中排氣流量的系統和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年6月28日提交的題為"SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING EXHAUST GAS FLOW IN EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEMS"的美國臨時專利申請No . 61/841，234和于2014年6月23日提交的題為"SYSTEMS AND MET冊DS FOR C0NTR0化ING EXHAUST GAS 化0W IN EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBI肥SYSTEMS"的美國非臨時專利申請14/312，659的優(yōu)先權和權益，上述所有申請通過 引用W其整體并入本文用于各種目的。
技術領域
[0003] 本文公開的主題設及燃氣滿輪發(fā)動機，并且更具體地設及排氣再循環(huán)化GR)燃氣 滿輪系統。
【背景技術】
[0004] 燃氣滿輪發(fā)動機用于領域非常廣泛的應用中，例如發(fā)電、航空器W及各種機械裝 置。燃氣滿輪發(fā)動機通常在燃燒器部燃燒燃料和氧化劑(例如，空氣生成熱燃燒產物，然 后該產物驅動滿輪部中的一個或多個滿輪級。當滿輪級被熱燃燒產物驅動時，所述滿輪級 將轉動動力傳遞給軸。轉動軸進而驅動壓縮機部的一個或多個壓縮機級，并且還可W驅動 發(fā)電機W產生電能。燃氣滿輪發(fā)動機可W包括多種控制，W提高性能和效率，同時也降低排 氣中的污染物。遺憾的是，運些控制對于帶有排氣再循環(huán)的燃氣滿輪系統來說變得復雜。因 此，可能期望改進用于帶有排氣再循環(huán)的燃氣滿輪系統的控制。

【發(fā)明內容】

[0005] 下面概述在范圍上與最初要求保護的主題匹配的某些實施例。運些實施例并不旨 在限制要求保護的發(fā)明的范圍，相反運些實施例僅旨在提供本發(fā)明的可能形式的簡短概 括。事實上，本公開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] 在一個實施例中，一種排氣再循環(huán)化GR)燃氣滿輪系統包括排氣壓縮機，所述排氣 壓縮機沿EGR路徑設置并且被配置為壓縮再循環(huán)排氣W產生排氣稀釋劑。排氣壓縮機包含 入口部，所述入口部包含流動控制元件，所述流動控制元件被配置為基于所述流動控制元 件的位置調節(jié)進入排氣壓縮機的再循環(huán)排氣的流量。另外，所述流動控制元件的位置能夠 從最大打開位置到最小打開位置變動。該系統包括沿EGR路徑和在排氣壓縮機上游設置的 循環(huán)鼓風機，其中所述循環(huán)鼓風機被配置為將再循環(huán)排氣的流量提供到所述入口部，并且 其中所述再循環(huán)排氣的流量從最小鼓風機輸出到最大鼓風機輸出變動。該系統還包括禪連 到所述流動控制元件和所述循環(huán)鼓風機的控制器，其中所述控制器被配置為基于所述EGR 燃氣滿輪系統的測量的或建模的參數控制所述流動控制元件的位置。另外，該控制器被配 置為基于所述流動控制元件的位置控制所述循環(huán)鼓風機的一個或多個操作參數W控制到 所述入口部的所述再循環(huán)排氣的流量。
[0007] 在另一實施例中，一種控制排氣再循環(huán)化GR)燃氣滿輪系統的方法包括調節(jié)所述 EGR燃氣滿輪系統的排氣壓縮機的多個入口導向葉片的角度，其中所述多個入口導向葉片 具有由最小角度和最大角度限定的第一運動范圍，并且其中所述角度基于所述EGR燃氣滿 輪系統的一個或多個監(jiān)測的或建模的參數而被調節(jié)。該方法進一步包括調節(jié)安置在所述排 氣壓縮機上游的循環(huán)鼓風機的多個鼓風機葉片的傾斜度，其中所述多個鼓風機葉片具有由 最小傾斜度和最大傾斜度限定的第二運動范圍，并且所述多個鼓風機葉片的所述傾斜度至 少基于所述多個入口導向葉片的角度而被調節(jié)。
[0008] 在另一實施例中，一種非暫時性的計算機可讀介質存儲由電子設備的處理器可執(zhí) 行的指令。所述指令包含基于燃氣滿輪系統的一個或多個建模的或測量的參數調節(jié)所述燃 氣滿輪系統的壓縮機部的多個入口導向葉片的角度的指令，其中所述角度從最小角度到最 大角度變化。所述指令還包括調節(jié)流體禪連至所述壓縮機部的入口的鼓風機的多個鼓風機 葉片的傾斜度的指令，其中所述傾斜度從最小傾斜度到最大傾斜度變化，其中所述傾斜度 基于相對于所述最小角度的所述多個入口導向葉片的角度而被調節(jié)。
【附圖說明】
[0009] 當參照附圖閱讀W下【具體實施方式】時，本發(fā)明的運些和其他特征、方面和優(yōu)點將 變得更容易被理解，其中相似符號在整個附圖中代表相似部件，其中：
[0010] 圖1是具有禪連到控類生產系統的基于滿輪的服務系統的系統實施例的示意圖；
[0011] 圖2是圖1的系統實施例的示意圖，其進一步示出控制系統和組合循環(huán)系統；
[0012] 圖3是圖1和圖2的系統實施例的示意圖，其進一步示出燃氣滿輪發(fā)動機、排氣供給 系統和排氣處理系統的細節(jié)；
[0013] 圖4是用于操作圖1-3的系統的過程實施例的流程圖；
[0014] 圖5是用于控制圖1-3的化學計量排氣再循環(huán)(SEGR)燃氣滿輪系統的控制系統的 實施例的示意圖，其示出SEGR燃氣滿輪系統的排氣再循環(huán)部分的組件；
[001引圖6是示出在入口導向葉片（IGV)角度和鼓風機葉片(BV)傾斜度(pitch)獨立變化 時圖5的SEGR燃氣滿輪系統實施例的循環(huán)燃氣滿輪(RGT)排氣溫度隨著時間變化的圖；
[0016] 圖7是示出關注用于在SEGR燃氣滿輪系統的負載增加時確定適合的IGV角度和適 合的BV傾斜度的效率的控制策略的實施例的圖；
[0017] 圖8是示出關注用于在SEGR燃氣滿輪系統的負載增加時確定適合的IGV角度和適 合的BV傾斜度的響應性的控制策略的實施例的圖；
[0018] 圖9是根據當前方案的實施例示出控制器可W用于在控制SEGR燃氣滿輪系統的操 作時確定適合的IGV角度和適合的BV傾斜度的示例極限和輸入的圖；W及
[0019] 圖10是根據當前方案的實施例示出SEGR燃氣滿輪系統在操作期間的排氣或點火 溫度、IGV角度和BV傾斜度的一組圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明的一個或多個具體實施例將在下面描述。為了提供運些實施例的簡要描 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），需要做出眾多針對實施方式的決定W實現 特定目標，例如符合在不同實施方式中彼此不同的系統相關約束和/或商業(yè)相關約束。而 且，應認識到，運種開發(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。
[0021] 本文公開了詳細的示例性實施例。但是，本文公開的特定結構和功能細節(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體現為許多替代形式，并且不應解釋 為僅限于本文闡述的實施例。
[0022] 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具體形式，而是相反，示例性實施例旨在覆蓋落入本發(fā)明的范圍內的 所有修改、等同物和替代實施例。
[0023] 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，單數形式"一"、"一個"、"該"也包括復數形式，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、步驟、操作、元件 和/或組件，但不排除存在和添加一個或更多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件和/ 或其群組。
[0024] 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，但是運些 元件不應受運些術語限制。運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，第一元件可W被稱為第二元件，并且同樣，第二元件可W被稱為第一元件，而不偏離示 例性實施例的范圍。正如本文所使用的，術語"和/或"包括一個或更多個關聯列出項目中的 任意一個、全部及其組合。
[0025] 本文可能使用某些術語，運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"、"右側"、"前面"、"后面"、"頂部"、"底部"、"水平"、 "垂直"、"上游"、"下游"、"前部"、"后部"等詞僅描述在附圖中示出的構形。事實上，本發(fā)明 的實施例的一個或多個元件可任何方向取向，因此，所述術語應當被理解為包含運類 變化，除非W其他方式指出不同。
[0026] 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)化GR)的燃氣滿 輪系統，尤其是設及使用EGR的燃氣滿輪系統的化學計量操作。例如，燃氣滿輪系統可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，并且收集排氣用于各個目標系統。除了控制燃料和/或氧化劑的流動之外，排 氣的再循環(huán)還可W與化學計量燃燒一起幫助增加排氣中的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(化）用于各個目標系統。燃氣滿輪系統還可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及未燃燒控類)的濃度水平，并且(例如用熱回收 單元)增加能量回收。
[0027] 事實上，通過利用根據本公開的EGR燃氣滿輪系統內的再循環(huán)排氣，可W實現若干 好處，包括增加各個組件的操作時間、由于增強的冷卻能力所導致的各個組件的更寬操作 范圍等。下面進一步描述此類實施例，其中首先介紹EGR燃氣滿輪系統的一般組件，接著描 述可W在EGR燃氣滿輪系統內使用再循環(huán)排氣的方式的特定示例。
[0028] 本文公開的實施例設及通過控制沿排氣再循環(huán)路徑的排氣流量控制EGR燃氣滿輪 系統的參數(例如，排氣溫度或點火溫度）。特別地，本實施例提供借由控制通過循環(huán)鼓風機 并進入沿排氣再循環(huán)路徑安置的循環(huán)壓縮機部的排氣流量來控制EGR燃氣滿輪系統的操作 參數的系統和方法。另外，如下面詳細闡述，當前公開的控制系統和方法可W使EGR燃氣滿 輪系統的參數(例如，排氣溫度或點火溫度)能夠W響應且高效的方式被調節(jié)。例如，通過改 善對EGR燃氣滿輪系統的控制，本方案可W幫助使系統能夠保持化學計量的燃燒或接近化 學計量的燃燒，W限制燃燒溫度(例如，限制燃燒過程中NOx的產生)和/或提高用于下游應 用的排氣的質量。
[0029] 出于上述考慮，圖1是具有與基于滿輪的服務系統14關聯的控類生產系統12的系 統10的實施例的示意圖。如下面進一步詳細討論的，基于滿輪的服務系統14的各種實施例 被配置為向控類生產系統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/或氣的生產或回收。在圖示的實施例中，控類生產系統12包括油/氣抽取系統16和強化 油回收化OR)系統18,二者被禪連到地下儲層20(例如油、氣或控類儲層）。油/氣抽取系統16 包括各種地面設備22,例如禪連到油/氣井26的圣誕樹或生產樹24。此外，井26可W包括通 過±地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流出的生產流體(例如油或氣）的流動， E0R系統18可W通過將一種或多種流體注入地下儲層20中來增加油或氣的產量。
[0030] 因此，E0R系統18可W包括流體注入系統34,該流體注入系統34具有通過±地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18可W將一種或多種流體40 例如氣體、蒸汽、水、化學物質或其任何組合輸送到流體注入系統34中。例如，如下面所進一 步詳細討論的，E0R系統18可W被禪連到基于滿輪的服務系統14,使得系統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18用作注入流體40。流體注入系統34通 過一個或多個管件36將流體40(例如排氣42)輸送到地下儲層20中，如箭頭44所指示。注入 流體40通過與油/氣井26的管件28間隔開一偏移距離46的管件36進入地下儲層20。因此，注 入流體40使安置在地下儲層20中的油/氣48移位，并驅動油/氣48通過控類生產系統12的一 個或多個管件28上升，如箭頭50所指示。如下面所進一步詳細討論的，注入流體40可W包括 源自基于滿輪的服務系統14的排氣42,該基于滿輪的服務系統14能夠根據控類生產系統12 的需要在現場生成排氣42。換句話說，基于滿輪的服務系統14可W同時生成供控類生產系 統12使用的一種或多種服務(例如電力、機械力、蒸汽、水(例如淡化水及排氣(例如基本 沒有氧氣）），從而降低或消除運類服務對外部源的依賴。
[0031] 在圖示的實施例中，基于滿輪的服務系統14包括化學計量排氣再循環(huán)(SEGR)燃氣 滿輪系統52和排氣巧G)處理系統54。燃氣滿輪系統52可W被配置為W化學計量燃燒操作模 式(例如化學計量控制模式)和非化學計量燃燒操作模式(例如非化學計量控制模式)如稀 燃料控制模式或富燃料控制模式操作。在化學計量控制模式中，燃燒通常W燃料和氧化劑 的大致化學計量比發(fā)生，從而產生大致化學計量燃燒。特別地，化學計量燃燒通常包括在燃 燒反應中消耗幾乎全部的燃料和氧化劑，使得燃燒產物基本沒有或完全沒有未燃燒燃料和 氧化劑?；瘜W計量燃燒的一個量度是當量比或pM( Φ )，其是實際燃料/氧化劑比率相對于 化學計量燃料/氧化劑比率的比率。大于1.0的當量比導致燃料和氧化劑的富燃料燃燒，而 小于1.0的當量比導致燃料和氧化劑的稀燃料燃燒。相反，1.0的當量比導致既不是富燃料 又不是稀燃料的燃燒，從而在燃燒反應中基本消耗所有的燃料和氧化劑。在本公開實施例 的背景下，術語化學計量或基本化學計量可W指的是大約0.95到大約1.05的當量比。然而， 本公開的實施例也可W包括1.0加上或減去0.01、0.02、0.03、0.04、0.05或更多的當量比。 再者，在基于滿輪的服務系統14中的燃料和氧化劑的化學計量燃燒可W導致基本沒有剩下 的未燃燒燃料或氧化劑的燃燒產物或排氣(例如42)。例如，排氣42可W具有小于1%、2%、 3%、4%或5 %體積百分比的氧化劑(例如氧氣）、未燃燒燃料或控類(例如HC)、氮氧化物(例 如NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如SOx)、氨和其他未完全燃燒產物。通過進一步的示例， 排氣 42 可 W 具有小于大約 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、 2000、3000、4000或5000每百萬份體積(ppmv)的氧化劑(例如氧）、未燃燒燃料或控類(例如 HC)、氮氧化物(例如NOx)、一氧化碳(C0)、硫氧化物(例如SOx)、氨和未完全燃燒產物。然而， 本公開實施例還可W在排氣42中產生其他范圍的殘留燃料、氧化劑和其他排放物水平。如 本文所使用，術語排放物、排放物水平和排放物目標可W指的是某些燃燒產物（例如NOx、 0)、50、、〇2、化、此、肥等）的濃度水平，所述燃燒產物可^存在于再循環(huán)氣體流、排出氣體流 (例如排放到大氣中似及用在各種目標系統(例如控類生產系統12)中的氣體流。
[0032] 雖然不同實施例中的SEGR燃氣滿輪系統52和EG處理系統54可W包括各種組件，但 圖示的EG處理系統54包括熱回收蒸汽發(fā)生器化RSG)56和排氣再循環(huán)化GR)系統58,二者接 收并處理源自SEGR燃氣滿輪系統52的排氣60。皿SG 56可W包括一個或多個熱交換器、冷凝 器和各種熱回收設備，它們一起用于將熱量從排氣60傳遞至水流，由此產生蒸汽62。蒸汽62 可W被用在一個或多個蒸汽滿輪、E0R系統18或控類生產系統12的任何其他部分中。例如， HRSG 56可W生成低壓、中壓和/或高壓蒸汽62,其可W被選擇性應用于低壓、中壓和高壓蒸 汽滿輪級或E0R系統18的不同應用中。除了蒸汽62之外，處理水64例如淡化水也可W由皿SG 56、EGR系統58和/或EG處理系統54的另一部分或SEGR燃氣滿輪系統52生成。處理水64(例如 淡化水)在例如內陸或沙漠地區(qū)等水短缺區(qū)域可能是特別有用的。處理水64可W至少部分 由于驅動SEGR燃氣滿輪系統52內的燃料燃燒的大體積空氣而生成。雖然蒸汽62和水64的現 場生成在許多應用(包括控類生產系統12)中是特別有利的，但排氣42、60的現場生成對E0R 系統18來說是特別有利的，運是由于所述排氣從SEGR燃氣滿輪系統52獲得低氧含量、高壓 和熱度。因此，皿SG 56、EGR系統58和/或EG處理系統54的另一部分可W將排氣66輸出或再 循環(huán)到SEGR燃氣滿輪系統52中，同時還將排氣42輸送到E0R系統18 W供控類生產系統12使 用。同樣，可W從SEGR燃氣滿輪系統52直接抽取排氣42(即無需經過EG處理系統54)，W用于 控類生產系統12的E0R系統18。
[0033] 排氣再循環(huán)由EG處理系統54的EGR系統58來處理。例如，EGR系統58包括一個或多 個管道、閥口、鼓風機、排氣處置系統(例如過濾器、微粒去除單元、氣體分離單元、氣體凈化 單元、熱交換器、熱回收單元、濕氣去除單元、催化劑單元、化學注入單元或其任何組合）W 及沿著從SEGR燃氣滿輪系統52的輸出端（例如釋放的排氣60)到輸入端（例如吸入的排氣 66)的排氣再循環(huán)路徑來再循環(huán)排氣的控件。在圖示的實施例中，SEGR燃氣滿輪系統52將排