用于化学计量排气再循环燃气涡轮机系统的系统和方法
【专利说明】用于化学计量排气再循环燃气祸轮机系统的系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年4月12日提交的题为"MET册DS，SYSTEMSANDAPPARATUS RELATINGTOCOMBUSTIONTURBI肥POWERPLANTSWITHEXHAUSTGASRECIRCULATION"的 美国非临时专利申请第13/445003号的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此，W 及 2012 年 12 月 28 日提交的题为"SYSTEMANDMET册DFORASTOICHIOMETRICEXHAUST GASRECIRCULATIONGASTURBI肥SYSTEM"的美国临时专利申请第61/747211号的优先权 和权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本文公开的主题设及燃气祸轮发动机。
【背景技术】
[0004] 燃气祸轮发动机的应用领域非常广泛，例如发电、航空器W及各种机械装置。燃气 祸轮发动机通常在燃烧器部燃烧燃料和氧化剂（例如，空气）W生成热燃烧产物，然后该产 物驱动祸轮机部中的一个或多个祸轮机级。祸轮机部进而驱动压缩机部中的一个或多个压 缩机级，从而将氧化剂与燃料一起从入口压缩到燃烧器部。再者，燃料与氧化剂在燃烧器部 混合，并接着燃烧W产生热燃烧产物。燃气祸轮发动机通常沿着燃烧器部的燃烧室上游的 一个或多个流动路径预混合燃料和氧化物，因此燃气祸轮发动机通常W预混火焰运行。不 利的是，预混火焰可能难W控制或维持，该可能会影响各种排气排放和功率要求。此外，燃 气祸轮发动机通常消耗大量的空气作为氧化剂，并输出相当大量的排气到大气中。换句话 说，排气通常作为燃气祸轮机运行的副产物被浪费掉。
【发明内容】
[0005] 下面概述在范围上与最初要求保护的发明匹配的某些实施例。该些实施例并不 旨在限制要求保护的发明的范围，相反该些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简短概 括。实际上，本发明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] 在第一实施例中，一种系统包括祸轮燃烧器，由来自祸轮燃烧器的燃烧产物驱动 的祸轮机，W及排气压缩机。该排气压缩机被配置为压缩排气并将其从祸轮机输送到祸轮 燃烧器。该系统还包括穿过排气压缩机、祸轮燃烧器和祸轮机延伸的排气再循环巧GR)路 径，沿着该EGR路径布置的第一排气巧G)抽取口，W及沿着该EGR路径布置的第二EG抽取 P。
[0007] 在第二实施例中，一种系统包括控制系统，该控制系统被配置为接收指示流过一 部分排气再循环巧GR)路径的排气的属性的传感器反馈，所述排气再循环巧GR)路径穿过 排气压缩机、祸轮燃烧器和祸轮机延伸。该控制系统还被配置为至少部分基于该传感器反 馈，控制通过沿着EGR路径设置的多个抽取口抽取排气。
[0008] 在第=实施例中，一种方法包括用来自祸轮燃烧器的燃烧产物驱动祸轮机，在排 气压缩机中压缩来自祸轮机的排气，w及沿着从排气压缩机穿过祸轮燃烧器进入祸轮机的 流动路径输送排气。该方法还包括经由沿着该流动路径布置的第一抽取口抽取排气，W及 经由沿着该流动路径布置的第二抽取口抽取排气。
【附图说明】
[0009] 当参照附图阅读下列【具体实施方式】时，本发明的该些和其他特征、方面和优点将 变得更加容易理解，其中在整个附图中相同的符号表示相同的部件，其中：
[0010] 图1是具有联结/禪连（couple)到姪类生产系统的基于祸轮机的服务系统的系 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； [001引图3是图1和图2的系统实施例的示意图，其进一步示出燃气祸轮发动机、排气供 给系统和排气处理系统的细节；
[0013] 图4是用于运行图1-3的系统的过程实施例的流程图；
[0014]图5是图1-3的系统实施例的示意图，其进一步示出用于从该系统抽取排气的多 个抽取点；
[0015]图6是图1-3和图5的系统实施例的示意图，其示出带有两个燃烧器单元的燃气 祸轮发动机；
[0016] 图7是图3、图5和图6的排气供给系统的实施例的示意图，其示出混合单元；
[0017] 图8是图3、图5和图6的排气供给系统的实施例的示意图；W及
[0018] 图9是用于运行图5-8的系统的过程实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明的一个或多个具体实施例将在下面描述。为了提供该些实施例的简要描 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），需要做出众多与实施方式相关的决定 W实现指定目标，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，该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。
[0020] 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，并且不应仅限 于本文阐述的实施例。
[0021] 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特定形式，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、等效和替代实施例。
[0022] 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多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/ 或其群组。
[0023] 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，但是该些 元件不应受该些术语限制。该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，在没有偏离示例性实施例的范围的情况下，第一元件可W被称为第二元件，W及同样， 第二元件可W被称为第一元件。正如本文所使用的，术语"和/或"包括一个或多个关联列 出项目中的任意一个、全部及其组合。
[0024] 本文可能使用某些术语，该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"等词组仅描述在附图中示出的构形。实际上，本发 明的实施例的一个或多个元件可W被取向在任何方向，因此，所述术语应当被理解为包含 该类变化，除非W其他方式指出不同。
[0025] 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巧GR)的燃气祸 轮机系统，尤其是设及使用EGR的燃气祸轮机系统的化学计量操作。例如，燃气祸轮机系统 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，W及收集排气用于各个目标系统。排气的再循环可W与化学计量燃烧 一起帮助增加排气中的二氧化碳（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（N2)用于各个目标系统。燃气祸轮机系统还可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及未燃烧姪类）的浓度水平，并增加能量回收（例如用热回收单 元）。此外，燃气祸轮发动机可W被配置为通过一个或多个扩散火焰（例如，使用扩散燃料 喷嘴）、预混火焰（例如，使用预混燃料喷嘴）或其任何组合来燃烧燃料和氧化剂。在某些 实施例中，扩散火焰可W帮助将化学计量燃烧的稳定性和操作维持在某些限度内，该进而 帮助增加CA的产量。例如，与利用预混火焰运行的燃气祸轮机系统相比，利用扩散火焰运 行的燃气祸轮机系统可W使更大量的EGR可行。反过来，EGR的增加量帮助增加C〇2产量。 可能的目标系统包括管道、储罐、碳汇系统W及姪类生产系统，例如强化采油巧OR)系统。
[0026] 如下面所进一步讨论的，所公开的实施例可W从燃气祸轮发动机和沿着排气再循 环路径的排气处理系统（例如EGR系统）上的一个或多个抽取点（例如1至Ij100个或更多 点）抽取排气。例如，抽取点可W包括在压缩机部的每个压缩机级处或其下游的排气抽取 点，与一个或多个燃烧器部关联的多个排气抽取点，在一个或多个祸轮机部的每个祸轮机 级处或其下游的排气抽取点，和/或在各个排气处理组件（例如，催化剂单元、热交换器例 如热回收单元或热回收蒸汽发生器、水分去除装置、微粒去除单元、鼓风机等）处或其上游 或其下游的一个或多个排气抽取点。该些抽取点中的每一个能够抽取具有基本等于、大于 或小于其他抽取点的气体成分、温度、压力和/或其他属性（即主要是排气属性）的排气。 在某些实施例中，每个抽取点可W具有适合不止一个下游处理过程的排气属性，因此，每个 抽取点可W被单独用于该类下游处理过程。在其他实施例中，两个或更多个抽取点可W集 中作为混合物用于一个或多个下游处理过程或单独用于一个或多个下游处理过程。例如， 两个或更多个抽取点可W具有类似的、完全不同的或者部分类似且部分不同的排气属性 (例如压力、温度、气体成分等）。在一个实施例中，两个或更多个抽取点可W具有不同的温 度和/或气体成分而具有类似的压力，使得来自两个或更多个抽取点的排气可W被混合在 一起，w实现新的温度和/或气体成分而具有基本相同的压力。在另一个示例中，两个或更 多个抽取点可W具有类似的温度和/或气体成分而具有不同的压力，使得来自两个或更多 个抽取点的排气可W被混合在一起，W实现新的压力并具有基本相同的温度和/或气体成 分。因此，根据下游处理过程的需求，任何数量的抽取点可W被用于实现用于下游处理过程 的期望排气属性（例如压力、温度、气体成分等）。
[0027]图1是具有与基于祸轮机的服务系统14关联的姪类生产系统12的系统10的实施 例的示意图。如下面进一步详细讨论的，基于祸轮机的服务系统14的各种实施例被配置为 向姪类生产系统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，姪类生产系统12包括油/气抽取系统16和强化油回 收巧OR)系统18,二者联结/禪连（couple)到地下储层20 (例如油、气或姪类储层）。油 /气抽取系统16包括各种地面设备22,例如联结到油/气井26的圣诞树或生产树24。此 夕F，井26可W包括通过地球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 来增加油或气的生产量。
[0028] 因此，E0R系统18可W包括流体注入系统34,该流体注入系统具有通过地球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被联结到基于祸轮机的服务系统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