Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasrückführungssystem und insbesondere ein Verfahren und ein System zur Regelung der Abgasmenge, die nach der Behandlung durch ein Rückführungssystem wieder in eine Turbomaschine eintritt.
Es gibt eine zunehmende Besorgnis über die Langzeitwirkungen von Stickoxid (nachstehend NOx) und Kohlendioxid (nachstehend "CO2") und Schwefeloxid (SOx)-Emissionen auf die Umwelt. Die zulässigen Emissionspegel, die von einer Turbomaschine wie zum Beispiel einer Gasturbine emittiert werden dürfen, sind streng reguliert. Die Betreiber von Turbomaschinen wünschen Verfahren, um die emittierten NOx-, CO2- und SOx-Pegel zu reduzieren.
Im Abgasstrom sind signifikante Mengen an kondensierbaren Dämpfen vorhanden. Diese Dämpfe enthalten gewöhnlich verschiedene Bestandteile wie z. B. Wasser, Säuren, Aldehyde, Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxide und Chlorverbindungen. Unbehandelt gelassen, beschleunigen diese Bestandteile die Korrosion und Verschmutzung der inneren Bauteile, wenn ihr Eintritt in die Gasturbine zugelassen wird.
Die Abgasrückführung (AGR) beinhaltet allgemein die Rückführung eines Teils der emittierten Abgase durch einen Einlassabschnitt der Turbomaschine. Das Abgas wird dann vor der Verbrennung mit dem Zuluftstrom vermischt. Der AGR-Prozess erleichtert die Entfernung und die Absonderung von konzentriertem CO2und kann auch die NOx- und SOx-Emissionspegel reduzieren.
Bei den aktuell bekannten AGR-Systemen sind einige Probleme vorhanden. Die Menge und Rate des rückgeführten Abgases beeinflusst die Betriebsfähigkeit der Turbomaschine, einschliesslich, aber ohne darauf beschränkt zu sein: die Brennkammerstabilität, die Emissionen, die Verdichterstabilität und die Komponentenlebensdauer.
Aus den obigen Gründen besteht ein Bedarf nach einem Verfahren und System zur Regelung der Zusammensetzung des aus dem AGR-System austretenden Einlassfluids. Das Verfahren und das System sollte die Durchflussrate des Abgases, das wieder in die Turbomaschine eintritt, regeln. Das Verfahren und System sollte die Zusammensetzung des Einlassfluids als Regelparameter verwenden. Das Verfahren und System sollte auch die Empfindlichkeit des AGR-Systems gegenüber unterschiedlichen BrennstoffZusammensetzungen reduzieren.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung eines Abgasstroms bereitgestellt, wobei der Abgasstrom durch eine Turbomaschine erzeugt wird; wobei das Verfahren umfasst: das Vorsehen mindestens eines Abgasrückführungssystems (AGR-Systems), umfassend: mindestens eine AGR-Strom-Konditioniervorrichtung und mindestens eine Durchflussregelvorrichtung; das Verwenden der Durchflussregelvorrichtung, wobei das Verwenden der Durchflussregelvorrichtung die Schritte umfasst des: Empfangens eines Soll-AGR-Anteils, der den Teil des Abgasstroms in einem Einlassfluid enthält, wobei das Einlassfluid in den Einlassabschnitt der Turbomaschine eintritt; Bestimmens des aktuellen AGR-Anteils;
Bestimmens, ob der aktuelle AGR-Anteil in einem Bereich des Soll-AGR-Anteils liegt; und Anpassens einer AGR-Rate des Abgasstroms, wenn der aktuelle AGR-Anteil ausserhalb des Bereichs des Soll-AGR-Anteils liegt.
Nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung eines Abgasstroms bereitgestellt, wobei der Abgasstrom durch eine Turbomaschine erzeugt wird; wobei das Verfahren umfasst: das Vorsehen mindestens eines Abgasrückführungssystems (AGR-Systems), umfassend: das Verwenden eines Durchsatzregelungssystems, wobei die Verwendung der Durchsatzregelung die Schritte umfasst des: Empfangens eines Soll-AGR-Anteils mindestens eines Bestandteils; Bestimmens eines Soll-AGR-Anteils; Bestimmens eines aktuellen AGR-Anteils;
Bestimmens, ob der aktuelle AGR-Anteil innerhalb des Bereichs des Soll-AGR-Anteils liegt; und Anpassens einer AGR-Rate des Abgasstroms, wenn der aktuelle AGR-Anteil ausserhalb des Bereichs des Soll-AGR-Anteils liegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
<tb>Fig. 1<sep>stellt eine schematische Darstellung der Umgebung dar, in welcher eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
<tb>Fig. 2<sep>ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Verwendung eines AGR-Bestand-teilregelungssystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
<tb>Fig. 3<sep>ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Verwendung eines AGR-Durchsatz-regelungssystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
<tb>Fig. 4<sep>ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Verwendung eines AGR-Bestand-teilregelungssystems nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
<tb>Fig. 5<sep>ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Verwendung eines AGR-Durchsatz-regelungssystems nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
<tb>Fig. 6<sep>ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems zur Anpassung einer AGR-Rate nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die folgende ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, die spezifische Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. Andere Ausführungsformen mit abweichender Struktur und Arbeitsweise weichen nicht vom Umfang der vorliegenden Erfindung ab.
Bestimmte Ausdrücke, die hierin verwendet werden, sollen dem Leser nur das Verständnis erleichtern und den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Zum Beispiel beschreiben Wörter wie "oberer", "unterer", "linker" "rechter", "vorderer", "hinterer", "oben", "unten", "horizontal", "vertikal", "vorgeordnet", "nachgeordnet", "vor", "hinter" und dergleichen lediglich die Konfiguration, die in den Zeichnungen gezeigt wird. Doch das oder die Element(e) einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können in jede Richtung orientiert sein und es versteht sich, dass die Ausdrücke solche Varianten umfassen sollen, ausser bei anderslautender Angabe.
Eine AGR-Rate kann als die Rate und Menge des Abgasstroms betrachtet werden, die in den Einlassabschnitt der Turbomaschine eintritt. Die Zusammensetzung des Einlassfluids schliesst, aber ohne darauf beschränkt zu sein, den Abgasstrom, die Zuluft und mindestens einen der obigen Bestandteile und Kombinationen davon ein.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Turbomaschinen angewandt werden, die ein gasförmiges Fluid erzeugen, wie z.B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, eine Hochleistungsgasturbine, eine aeroderivative Gasturbine oder dergleichen (nachstehend als "Gasturbine" bezeichnet). Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auf eine einzelne Gasturbine oder auf eine Vielzahl von Gasturbinen angewandt werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auf eine Gasturbine angewandt werden, die in einer Konfiguration mit einem einfachen Prozess oder mit einem kombinierten Prozess betrieben wird.
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei die verschiedenen Bezugszeichen überall in den Ansichten gleiche Elemente darstellen, ist Fig. 1eine schematische Darstellung, die die Umgebung zeigt, in welcher eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird. Fig. 1 zeigt eine Anlage 100 wie z. B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, ein Kraftwerk mit einer Turbomaschine 105, einem AGR-System 107, einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger (HRSG) 155 und einem Abgasschornstein 165. Alternativ dazu kann die vorliegende Erfindung mit einer Anlage 100 integriert sein, die keinen HRSG 155 aufweist.
Das AGR-System 107 umfasst mehrfache Elemente. Die Konfiguration und die Reihenfolge der Elemente können von der Zusammensetzung des Abgasstroms 170 und der Art des Kühlfluids abhängig sein, das von den Komponenten des AGR-Systems 107 verwendet wird. Zudem können andere Ausführungsformen des AGR-Systems 107 zusätzliche oder weniger Komponenten als die im Folgenden beschriebenen Komponenten aufweisen. Deshalb können verschiedene Anordnungen und/oder Konfigurationen, die von Fig. 1 abweichen, mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst das AGR-System 107: eine Mischstation 115, eine Einlassmodulationsvorrichtung 120, eine Bypassmodulationsvorrichtung 125, einen Bypass-Kamin 130, mindestens eine AGR-Strom-Konditioniervorrichtung 135, eine nachgeordnete Temperaturkonditioniervorrichtung 140, ein Bestandteilreduktionssystem 145, eine vorgeordnete Temperaturkonditioniervorrichtung 150, mindestens eine Abgasmodulationsvorrichtung 160 und mindestens eine AGR-Rückkopplungseinrichtung 175. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann direkte oder indirekte Daten bereitstellen über mindestens eines von: der aktuellen AGR-Rate, der Konzentration des mindestens einen Bestandteils oder Kombinationen davon.
Allgemein kann der vom AGR-System 107 verwendete Prozess einschliessen: das Kühlen des Abgasstroms 170; die Reduktion und Entfernung der oben genannten Bestandteile im Abgasstrom 170; und dann das Mischen des Abgasstroms 170 mit der Zuluft, wodurch ein Einlassfluid geformt wird, das vom Einlassabschnitt 110 zum Abgasschornstein 165 durchströmt. Das AGR-System 107 kann die Temperatur des Abgasstroms 170 auf eine Sättigungstemperatur senken, bei der die obigen Bestandteile kondensieren und dann entfernt werden können. Alternativ dazu kann das AGR-System 107 auch die Temperatur des Abgasstroms 170 senken und einen Gaswäscheprozess (oder dergleichen) verwenden, um die obigen Bestandteile zu entfernen.
Während das AGR-System 107 in Betrieb ist, kann die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 die Durchflussrate des Abgasstroms 170 bestimmen, die zur Bestimmung des AGR-Anteils verwendet werden kann. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann benachbart zum Einlassabschnitt 110 der Turbomaschine 105 angeordnet sein. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann verwendet werden, um die Konzentration des mindestens einen Bestandteils im Einlassfluid zu bestimmen.
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung als ein Verfahren, System oder Computerprogramm-Produkt ausgeführt werden kann. Demnach kann die vorliegende Erfindung die Form einer ausschliesslich hardwaremässigen Ausführungsform, einer ausschliesslich softwaremässigen Ausführungsform (einschliesslich Firmware, speicherresidenter Software, Mikrocode usw.) oder einer Ausführungsform annehmen, die Software- und Hardwareaspekte miteinander verbindet, die hierin allgemein sämtlich als "Schaltkreis", "Modul" oder "System" bezeichnet werden. Überdies kann die vorliegende Erfindung die Form eines Computerprogramm-Produkts auf einem computerlesbaren Speichermedium annehmen, das einen computerlesbaren Programmcode enthält, der im Medium ausgeführt ist.
Jedes geeignete computerlesbare Medium kann verwendet werden. Das computerlesbare Medium kann z. B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleiter-System, -Apparat, -Gerät oder -Ausbreitungsmedium sein. Spezifischere Beispiele (eine nicht erschöpfende Liste) des computerlesbaren Mediums würden Folgendes einschliessen:
eine elektrische Verbindung mit einem oder mehreren Drähten, eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-Lesen-Speicher (ROM), einen löschbaren programmierbaren Nur-Lesen-Speicher (EPROM oder Flash-Memory), eine optische Faser, einen tragbaren Compact-Disk-Nur-Lesen-Speicher (CD-ROM), ein optisches Speichergerät, ein Übertragungsmedium wie jene, die das Internet oder ein Intranet unterstützen, oder ein magnetisches Speichergerät.
Es ist anzumerken, dass das computerlesbare Medium sogar Papier oder ein sonstiges geeignetes Medium sein kann, auf dem das Programm gedruckt ist, da das Programm z.B. durch optische Abtastung des Papiers oder anderen Mediums elektronisch erfasst und dann auf geeignete Weise kompiliert, interpretiert oder bei Bedarf auf sonstige Weise verarbeitet werden und dann in einem Computerspeicher gespeichert werden kann. Im Kontext dieser Patentschrift kann ein computerlesbares Medium jedes Medium sein, welches das Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Anweisungsausführungssystem, -apparat oder -gerät enthalten, speichern, übertragen, ausbreiten oder transportieren kann.
Der Computerprogrammcode zur Durchführung der Vorgänge der vorliegenden Erfindung kann in einer objektorientierten Programmiersprache wie z.B. Java7, Smalltalk oder C++ oder dergleichen geschrieben sein. Der Computerprogrammcode zur Durchführung der Vorgänge der vorliegenden Erfindung kann aber auch in konventionellen prozeduralen Programmiersprachen wie die Programmiersprache"C" oder einer ähnlichen Sprache geschrieben sein. Der Programmcode kann als selbstständiges Softwarepaket vollständig auf dem Rechner des Benutzers, teilweise auf dem Rechner des Benutzers und teilweise auf einem Fernrechner oder vollständig auf einem Fernrechner ausgeführt werden.
Im letzteren Szenario kann der Fernrechner über ein lokales Netzwerk (LAN) oder ein Weitverkehrsnetz (WAN) mit dem Rechner des Benutzers verbunden sein, oder die Verbindung zu einem externen Rechner kann hergestellt werden (z.B. über das Internet mit einem Internet-Dienstanbieter).
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend Bezugnehmend auf Flussdiagramme und/oder Blockdiagramme der Verfahren, Vorrichtungen (Systeme) und Computerprogramm-Produkte nach Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Fluss- und/oder Blockdiagramme und Kombinationen von Blöcken in Fluss- und/ oder Blockdiagrammen durch Computerprogramm-Anweisungen implementiert werden können.
Diese Computerprogramm-Anweisungen können einem Prozessor eines Universalrechners, eines Spezialrechners oder sonstigen programmierbaren Datenverarbeitungsgeräts zur Erzeugung einer Maschine zugeführt werden, sodass die Anweisungen, die vom Prozessor des Rechners oder sonstigen programmierbaren Datenverarbeitungsgeräts ausgeführt werden, Mittel zur Implementierung der im Block oder in Blöcken des Flussdiagramms und/oder Blockdiagramms angegebenen Funktionen/ Vorgänge erzeugen.
Die vorliegende Erfindung hat die technische Wirkung, dass sie die Zusammensetzung eines aus einem AGR-System austretenden und in den Einlassabschnitt einer Turbomaschine eintretenden Einlassfluids regelt, das als Arbeitsfluid betrachtet werden kann.
Diese Computerprogramm-Anweisungen können auch in einem computerlesbaren Speicher gespeichert sein, der einen Rechner oder ein anderes programmierbares Datenverarbeitungsgerät anweisen kann, auf bestimmte Weise zu funktionieren, sodass die im computerlesbaren Speicher gespeicherten Anweisungen ein Produkt mit Anweisungsmitteln ergeben, die die im Block oder in Blöcken des Flussdiagramms und/oder Blockdiagramm angegebenen Funktionen/Vorgänge implementieren.
Die Computerprogramm-Anweisungen können auch in einen Rechner oder ein anderes programmierbares Datenverarbeitungsgerät geladen werden, um im Rechner oder anderen programmierbaren Gerät die Durchführung einer Reihe von Arbeitsschritten zu bewirken, um einen computerimplementierten Prozess zu ergeben, sodass die Anweisungen, die im Rechner oder anderen programmierbaren Gerät ausgeführt werden, Schritte zur Implementierung der im Block oder in Blöcken des Flussdiagramms und/oder Blockdiagramms angegebenen Funktionen/Vorgänge bereitstellen.
Die vorliegende Erfindung kann konfiguriert sein, um das Einlassfluid der Turbomaschine 105 automatisch oder kontinuierlich zu überwachen, um die Menge des Abgasstroms 170 zu bestimmen, die in den Einlassabschnitt 110 eintreten sollte. Alternativ dazu kann das Regelungssystem konfiguriert sein, um zum Start des Betriebs eine Betätigung des Benutzers zu erfordern. Eine Ausführungsform des Regelungssystems der vorliegenden Erfindung kann als eigenständiges System betrieben werden. Alternativ dazu kann das Regelungssystem als Modul oder Ähnliches in ein umfassenderes System wie z. B. ein Turbinen- oder ein Anlagenregelungssystem integriert sein. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, kann das Regelungssystem der vorliegenden Erfindung mit dem Regelungssystem zum Betreiben des AGR-Systems 107 integriert sein.
Nun wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die ein Flussdiagramm ist, das ein Beispiel eines Verfahrens 200 zur Verwendung eines AGR-Bestandteilregelungssystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Verfahren 200 kann mindestens ein AGR-Bestandteilregelungssystem umfassen, das zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, in den Schritten 210 bis 260 betrieben werden kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das AGR-System 107 mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) oder dergleichen integriert sein. Die GUI kann dem Bediener die Navigation durch das im Folgenden beschriebene Verfahren 200 erlauben. Die GUI kann auch mindestens eine Statusmeldung des AGR-Systems 107 anzeigen.
In Schritt 210 des Verfahrens 200 kann das AGR-System 107 einen Abgasstrom 170 wie beschrieben behandeln. Je nach Typ und/oder Betrieb der Turbomaschine 105 kann das erzeugte Abgas eine Durchflussrate von etwa 10 000 Lb/hr bis etwa 50 000 000 Lb/hr und eine Temperatur von etwa 100[deg.] Fahrenheit bis etwa 1100[deg.] Fahrenheit aufweisen.
In Schritt 220 kann das Verfahren 200 einen Soll-AGR-Anteil empfangen. Der AGR-Anteil kann als die Durchflussrate des Abgasstroms 170 betrachtet werden. Alternativ dazu kann er als die Menge wie z.B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, ein Prozentsatz des Abgasstroms 170 im Einlassfluid betrachtet werden. Hier kann der AGR-Anteil bestimmt werden, indem der Massendurchsatz des Abgasstroms 170 durch den Massendurchsatz der Zuluft dividiert wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren 200 den AGR-Anteil automatisch vom Steuersystem empfangen, das das AGR-System 107 betreibt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Benutzer den AGR-Anteil eingeben.
In Schritt 230 kann das Verfahren 200 den Sollpegel mindestens eines Bestandteils bestimmen. Das Verfahren 200 kann zur Bestimmung des Sollpegels eine Spezieserhaltungsmaschine oder dergleichen verwenden. Die Spezieserhaltungsmaschine kann eine Vielzahl von Turbomaschinenbetriebsdaten zusammen mit dem Soll-AGR-Anteil integrieren, um den Sollpegel zu berechnen. Die Vielzahl von Turbomaschinenbetriebsdaten kann einschliessen: mindestens eine BrennstoffZusammensetzung; den Verdichterluftstrom der Turbomaschine 105 und den Brennstoffström der Turbomaschine 105.
Die mindestens eine BrennstoffZusammensetzung kann umfassen, ohne aber darauf beschränkt zu sein: die Zusammensetzung des Brennstoffs, der in ein Verbrennungssystem der Turbomaschine 105 eintritt; und die Zusammensetzung des Brennstoffs, der in einem Hilfszündsystem verwendet wird, das mit der Turbomaschine 105 integriert ist, wobei das Hilfszündsystem einen Hilfskessel ein-schliessen kann, oder Kombinationen davon.
Die Spezieserhaltungsmaschine kann eine physikalische Gleichung oder dergleichen enthalten, um den Sollpegel mindestens eines Bestandteils zu berechnen. Wie erläutert, umfasst der mindestens eine Bestandteil mindestens eines von: SOx, NOx, CO2, O2, Wasser, Chloridionen, Säuren, Aldehyde, Kohlenwasserstoffe oder Kombinationen davon.
Die Spezieserhaltungsmaschine kann eine physikalische Gleichung oder dergleichen enthalten, um den Sollpegel mindestens eines Bestandteils zu berechnen. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, kann die Spezieserhaltungsmaschine einen Soll-Abgas-CO2-Molanteil berechnen in Abhängigkeit von: einem Soll-AGR-Massenanteil, dem Brennstoffström, der BrennstoffZusammensetzung und dem Einlassstrom der Turbomaschine 105. Der Wert des Soll-Abgas-CO2-Molanteils kann mit einem von der mindestens einen AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 gemessenen CO2-Molanteil verglichen werden. Der Vergleichsvorgang kann ein Fehlersignal ergeben, das vom Verfahren 200 zur Rückkopplungsregelung des AGR-Durchflussrate verwendet werden kann.
Zusätzlich kann die Verbrennungsreaktion für die Turbomaschine 105, die einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Standardluft verbrennt, durch Gleichung 1 mithilfe von Molarkoeffizienten beschrieben werden, wie unten dargestellt:
C[alpha]H[gamma] + (a + e) (02 + 3.76N2) => bCO2 + cH2o + eO2 + (a+e) (3.76) N2 [Gleichung 1]
Hier wird die "Brennstoffzusammensetzung" durch die tiefgestellten Zeichen [alpha] und [gamma] für Kohlenstoff und Wasserstoff definiert. Der Molarkoeffizient für den Sauerstoffüberschuss, e, kann als eine Funktion des AGR-Massenanteils (XEGR) , des Verdichtereinlass-Massendurchsatzes (Wc) und des Brennstoff-Massendurchsatzes (WF) berechnet werden, wie durch Gleichung 2 dargestellt.
<EMI ID=2.1>
Der Soll-Abgas-CO2-Molanteil (yco2_target) auf einer Trockenbasis kann Gleichung 3 entsprechend von der Reaktion in Gleichung 1 ausgehend berechnet werden.
<EMI ID=3.1>
Die Gleichungen 1 bis 3 können angepasst werden, um entsprechende Spezieserhaltungsberechnungen für andere Bestandteile als CO2 oder für eine Turbomaschine 105 durchzuführen, die mit anderen Arbeitsfluiden oder Brennstoffarten betrieben wird. Wie erläutert, umfasst der Bestandteil mindestens eines von: SOx, NOx, CO2, O2, Wasser, Chloridionen, Säuren, Aldehyde, Kohlenwasserstoffe oder Kombinationen davon.
In Schritt 240 kann das Verfahren 200 den aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils bestimmen. Wie erläutert, kann das AGR-System 107 mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 umfassen. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann Sensoren, Sender und ähnliche Vorrichtungen einschliessen, die Daten über den aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils bereitstellen können. Die Lage der mindestens einen AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann eine Rückkopplung über die Zusammensetzung des Einlassfluids erlauben. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann allgemein vor und/oder hinter dem Verbrennungssystem der Turbomaschine 105 liegen, wodurch die Genauigkeit der Rückkopplung erhöht wird.
Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann mit dem Steuersystem integriert sein, das zur Durchführung des Verfahrens 200 verwendet wird. Die Daten, die von der mindestens einen AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 bereitgestellt werden, können direkt oder indirekt benutzt werden, um den aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils zu bestimmen.
In Schritt 250 kann das Verfahren 200 bestimmen, ob der aktuelle Pegel des mindestens einen Bestandteils innerhalb eines Bestandteilbereichs liegt. Hier vergleicht das Verfahren 200 den Sollpegel, der in Schritt 230 bestimmt wurde, mit dem in Schritt 240 bestimmten aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Bediener den Bereich festlegen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Bereich automatisch festgelegt werden. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, wenn der Sollpegel 1 ist und der aktuelle Pegel von etwa 0,95 bis etwa 1,05 beträgt, dann kann das Verfahren 200 bestimmen, dass der aktuelle Pegel des mindestens einen Bestandteils innerhalb des Bereichs liegt.
Zusätzlich kann zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, die Turbomaschine 105 mit einem Soll-AGR-Massenanteil von 30%, einem Brennstoff/Verdichtereinlass-Strömungsverhältnis nahe 0,019 und einer Brennstoffzusammensetzung mit 97% Methan (CH4), 2% Ethan (C2H6) und 1 % Propan (C3H8) betrieben werden, was einen Soll-Abgas-CO2-Molanteil (trocken) von 0,051 ergibt. Das Verfahren 200 kann die AGR-Durchflussrate anpassen, um den gemessenen Abgas-CO2-Molanteil (trocken) auf +/-0,001 vom Sollwert zu halten, über einen Bereich von gemessenen CO2-Molanteilen von 0,005 bis 0,25 hinweg.
Wenn der Pegel des mindestens einen Bestandteils ausserhalb des Bereichs liegt, dann kann das Verfahren 200 zu Schritt 260 übergehen; andernfalls kann das Verfahren 200 zu Schritt 210 zurückkehren, wo die Schritte 210-250 wiederholt werden können, bis der mindestens eine Bestandteil ausserhalb des Bereichs liegt.
In Schritt 260 kann das Verfahren 200 eine AGR-Rate anpassen. Wie erläutert, kann die AGR-Rate als die Rate und Menge des Abgasstroms 170 betrachtet werden, die in die Mischstation 115 eintritt, wo das Einlassfluid erzeugt wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren 200 die Schritte 210-260 wiederholen, um zu bestätigen, dass der mindestens eine Bestandteil innerhalb des obigen Bereichs bleibt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Komponenten des AGR-Systems 107 verwenden, um die AGR-Rate anzupassen. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, kann das Verfahren 200 mindestens eine der folgenden Funktionen integrieren: das Anpassen einer Geschwindigkeit einer AGR-Strom-Konditioniervorrichtung 135 wie z. B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, einer AGR-Lüftergeschwindigkeit; das Anpassen einer Neigung mindestens eines AGR-Lüfterblatts; das Modulieren mindestens einer Durchflussregelvorrichtung. Die Durchflussregelvorrichtung kann mindestens eines einschliessen von: einer Einlassklappe, einer Bypass-Klappe, einer Auslassklappe oder Kombinationen davon.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die GUI eine Meldung an den Benutzer ausgeben, wenn die AGR-Rate angepasst werden sollte.
Fig. 3 ist ein Blockdiagram eines beispielhaften Systems 300 zur Regelung der AGR-Rate eines Einlassfluids nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 300 kann mindestens ein AGR-Durchflussrege-lungssystem umfassen, das zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, in den Schritten 310 bis 350 betrieben werden kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das AGR-System 107 mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) oder dergleichen integriert sein. Die GUI kann dem Bediener die Navigation durch das im Folgenden beschriebene Verfahren 300 erlauben. Die GUI kann auch mindestens eine Statusmeldung des AGR-Systems 107 anzeigen.
In Schritt 310 des Verfahrens 300 kann das AGR-System 107 einen Abgasstrom 170 wie beschrieben behandeln. Wie erläutert, kann das erzeugte Abgas eine Durchflussrate von etwa 10 000 Lb/hr bis etwa 50 000 000 Lb/hr und eine Temperatur von etwa 100 Grad Fahrenheit bis etwa 1100 Grad Fahrenheit aufweisen.
In Schritt 320 kann das Verfahren 300 einen Soll-AGR-Anteil empfangen. Der AGR-Anteil kann als die Menge wie z.B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, ein Prozentsatz des Abgasstroms 170 im Einlassfluid betrachtet werden. Der AGR-Anteil kann bestimmt werden, indem der Massendurchsatz des Abgasstroms 170 durch den Massendurchsatz der Zuluft dividiert wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren 300 den AGR-Anteil automatisch vom Steuersystem empfangen, das das AGR-System 107 betreibt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Benutzer den AGR-Anteil eingeben.
In Schritt 330 kann das Verfahren 300 den aktuellen AGR-Anteil bestimmen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die aktuellen AGR-Rate-Daten von der mindestens einen AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 empfangen. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann Sensoren, Sender und ähnliche Vorrichtungen einschliessen, die Daten über die aktuelle Durchflussrate des mindestens einen Abgasstroms 170 bereitstellen können. Die AGR-Rate-Daten können zur Bestimmung des AGR-Anteils verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zur Bestimmung des aktuellen AGR-Anteils mindestens ein Energiegleichgewicht verwendet werden.
Das Energiegleichgewicht basiert allgemein auf der Energieerhaltung, die allgemein besagt, dass die Energie, die in ein System eintritt, der Energie entspricht, die aus diesem System austritt. Das Energiegleichgewicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Gleichung 4 dargestellt, die für WEGR aufgelöst werden kann, was zur Bestimmung des AGR-Anteils verwendet werden kann.
<EMI ID=4.1>
wobei:
WEGR die Durchflussrate des Abgasstroms 170 ist;
TEGRdie Temperatur des Abgasstroms 170 ist;
CP_EGRdie spezifische Wärme bei konstantem Druck des Abgasstroms 170 ist;
WTin die Gesamtdurchflussrate in den Turbomaschineneinlass ist;
TTindie Temperatur des Turbomaschineneinlassstroms ist;
CP_Tindie spezifische Wärme bei konstantem Druck des Turbomaschineneinlassstroms ist;
Tair die Temperatur der Umgebungsluft ist;
Cp_air die spezifische Wärme bei konstantem Druck der Umgebungsluft ist; und
Tref eine Bezugstemperatur zur Berechnung der absoluten Enthalpie ist.
In Schritt 340 kann das Verfahren 300 bestimmen, ob der aktuelle AGR-Anteil innerhalb eines Bereichs des Soll-AGR-Anteils liegt. Hier vergleicht das Verfahren 300 den in Schritt 320 bestimmten Soll-AGR-Anteil mit dem aktuellen AGR-Anteil, der in Schritt 330 bestimmt wurde. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Bediener den Bereich festlegen, der ein Toleranzbereich oder dergleichen sein kann. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Bereich automatisch festgelegt werden. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, wenn der Soll-AGR-Anteil 1 ist und der aktuelle AGR-Anteil etwa 0,95 bis etwa 1,05 beträgt, dann kann das Verfahren 300 bestimmen, dass der aktuelle AGR-Anteil innerhalb des Bereichs liegt.
Wenn der aktuelle AGR-Anteil ausserhalb des Bereichs liegt, dann kann das Verfahren 300 zu Schritt 350 übergehen; andernfalls kann das Verfahren 300 zu Schritt 310 zurückkehren, wo die Schritte 310-340 wiederholt werden können, bis der aktuelle AGR-Anteil ausserhalb des Bereichs liegt.
In Schritt 350 kann das Verfahren 300 eine AGR-Rate anpassen. Wie erläutert, kann die AGR-Rate als die Rate und Menge des Abgasstroms 170 betrachtet werden, die in die Mischstation 115 eintritt, wo das Einlassfluid erzeugt wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren 300 die Schritte 310-350 wiederholen, um zu bestätigen, dass der aktuelle AGR-Anteil innerhalb des Bereichs des Soll-AGR-Anteils liegt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Komponenten des AGR-Systems 107 verwenden, um die AGR-Rate anzupassen. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, kann das Verfahren 300 mindestens eine der folgenden Funktionen integrieren: das Anpassen einer Geschwindigkeit einer AGR-Strom-Konditioniervorrichtung 135 wie z.B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, einer Luftquelle, wobei die Luftquelle einen Lüfter, ein Gebläse oder Kombinationen davon umfasst; das Anpassen einer Neigung mindestens eines AGR-Lüfterblatts; das Modulieren mindestens einer Durchflussregelvorrichtung. Die Durchflussregelvorrichtung kann mindestens eines einschliessen von: einer Einlassklappe, einer Bypass-Klappe, einer Auslassklappe oder Kombinationen davon.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die GUI eine Meldung an den Benutzer ausgeben, wenn die AGR-Rate angepasst werden sollte.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das AGR-Durchsatzregelungssystem des Verfahrens 300 mit dem AGR-Bestandteilregelungssystem des Verfahrens 200 integriert sein. Allgemein kann das AGR-Durchsatzregelungssystem ein relativ schnelleres Ansprechverhalten auf den Gesamtbetrieb des AGR-Systems 107 gewährleisten als das Bestandteilregelungssystem. Allgemein kann das AGR-Bestandteilregelungssystem eine relativ präzisere Rückkopplung über den Gesamtbetrieb des AGR-Systems gewährleisten als das AGR-Durchsatzregelungssystem. Daher kann die Integration des AGR-Durchsatzregelungssystems und des AGR-Bestandteilregelungssystems für eine schnelle Anfangsrückkopplung sorgen, gefolgt von einem langsameren und präziseren Ansprechverhalten auf den Gesamtbetrieb des AGR-Systems 107.
Fig. 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens 400 zur Verwendung eines AGR-Bestandteilregelungssystems nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Das Verfahren 400 kann mindestens ein AGR-Bestandteilregelungssystem umfassen, das zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, in den Schritten 410 bis 450 betrieben werden kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das AGR-System 107 mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) oder dergleichen integriert sein. Die GUI kann dem Bediener die Navigation durch das im Folgenden beschriebene Verfahren 400 gestatten. Die GUI kann auch mindestens eine Statusmeldung des AGR-Systems 107 anzeigen.
In Schritt 410 des Verfahrens 400 kann das AGR-System 107 einen Abgasstrom 170 wie beschrieben behandeln.
In Schritt 420 kann das Verfahren 400 einen Sollpegel für mindestens einen Bestandteil empfangen. Der Sollpegel für den mindestens einen Bestandteil kann eine Emissionsbegrenzung einschliessen. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, kann die Anlage 100 mit einer NOx-Emissionsbegrenzung von 9 PPM betrieben werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren 400 den Sollpegel des mindestens einen Bestandteils automatisch vom Steuersystem empfangen, das das AGR-System 107 oder die Turbomaschine 105 betreibt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Benutzer den Sollpegel für den mindestens einen Bestandteil eingeben. Wie erläutert, umfasst der mindestens eine Bestandteil mindestens eines von: SOx, NOx, CO2, O2, Wasser, Chloridionen, Säuren, Aldehyde, Kohlenwasserstoffe oder Kombinationen davon.
In Schritt 430 kann das Verfahren 400 den aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils bestimmen. Wie erläutert, kann das AGR-System 107 mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 umfassen. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann Sensoren, Sender und ähnliche Vorrichtungen einschliessen, die Daten über den aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils bereitstellen können. Die Lage der mindestens einen AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann eine Rückkopplung über die Zusammensetzung des Einlassfluids erlauben. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann allgemein vor und/oder hinter dem Verbrennungssystem der Turbomaschine 105 liegen, wodurch die Genauigkeit der Rückkopplung erhöht wird.
Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann mit dem Steuersystem integriert sein, das zur Durchführung des Verfahrens 400 verwendet wird. Die Daten, die von der mindestens einen AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 bereitgestellt werden, können direkt oder indirekt benutzt werden, um den aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils zu bestimmen.
In Schritt 440 kann das Verfahren 400 den aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils bestimmen. Hier vergleicht das Verfahren 400 den Sollpegel, der in Schritt 420 bestimmt wurde, mit dem in Schritt 430 bestimmten aktuellen Pegel des mindestens einen Bestandteils. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Bediener den Bereich festlegen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Bereich automatisch festgelegt werden. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, wenn der Sollpegel 1 ist und der aktuelle Pegel von etwa 0,95 bis etwa 1,05 beträgt, dann kann das Verfahren 400 bestimmen, dass der aktuelle Pegel des mindestens einen Bestandteils innerhalb des Bereichs liegt.
Zusätzlich kann zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, die Turbomaschine 105 mit einem Soll-AGR-Massenanteil von 30%, einem Brennstoff/ Verdichtereinlass-Strömungsverhältnis nahe 0,019 und einer BrennstoffZusammensetzung mit 97% Methan (CH4), 2% Ethan (C2H6) und 1% Propan (C3H8) betrieben werden, was einen Soll-Abgas-CO2-Molanteil (trocken) von 0,051 ergibt. Das Verfahren 400 kann die AGR-Durchflussrate anpassen, um den gemessenen Abgas-CO2-Molanteil (trocken) auf +/-0,001 vom Sollwert zu halten, über einen Bereich von gemessenen CO2-Molanteilen von 0,005 bis 0,25 hinweg.
Wenn der Pegel des mindestens einen Bestandteils ausserhalb des Bereichs liegt, dann kann das Verfahren 400 zu Schritt 450 übergehen; andernfalls kann das Verfahren 400 zu Schritt 410 zurückkehren, wo die Schritte 410-440 wiederholt werden können, bis der mindestens eine Bestandteil ausserhalb des Bereichs liegt.
In Schritt 450 kann das Verfahren 400 eine AGR-Rate anpassen. Wie erläutert, kann die AGR-Rate als die Rate und Menge des Abgasstroms 170 betrachtet werden, die in die Mischstation 115 eintritt, wo das Einlassfluid erzeugt wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren 400 die Schritte 410-450 wiederholen, um zu bestätigen, dass der mindestens eine Bestandteil innerhalb des obigen Bereichs bleibt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Komponenten des AGR-Systems 107 verwenden, um die AGR-Rate anzupassen. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, kann das Verfahren 400 mindestens eine der folgenden Funktionen integrieren: das Anpassen einer Geschwindigkeit einer AGR-Strom-Konditioniervorrichtung 135 wie z.B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, einer AGR-Lüftergeschwindigkeit; das Anpassen einer Neigung mindestens eines AGR-Lüfterblatts; das Modulieren mindestens einer Durchflussregelvorrichtung. Die Durchflussregelvorrichtung kann mindestens eines einschliessen von: einer Einlassklappe, einer Bypass-Klappe, einer Auslassklappe oder Kombinationen davon.
Fig. 5 ist ein Flussdiagram, das ein Beispiel eines Verfahrens 500 zur Verwendung eines AGR-Durchsatzregelungssystems nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Verfahren 500 kann mindestens ein AGR-Durchsatzregelungssystem umfassen, das z.B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, in den Schritten 510 bis 560 betrieben werden kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das AGR-System 107 mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) oder dergleichen integriert sein. Die GUI kann dem Bediener die Navigation durch das im Folgenden beschriebene Verfahren 500 gestatten. Die GUI kann auch mindestens eine Statusmeldung des AGR-Systems 107 anzeigen.
In Schritt 510 des Verfahrens 500 kann das AGR-System 107 einen Abgasstrom 170 wie beschrieben behandeln.
In Schritt 520 kann das Verfahren 500 einen Sollpegel des mindestens einen Bestandteils empfangen. Wie erläutert, kann der Sollpegel für den mindestens einen Bestandteil eine Emissionsbegrenzung einschliessen. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, kann die Anlage 100 mit einer NOx-Emissionsbegrenzung von 9 PPM betrieben werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren 500 den Sollpegel des mindestens einen Bestandteils automatisch vom Steuersystem empfangen, das das AGR-System 107 oder die Turbomaschine 105 betreibt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Benutzer den Sollpegel für den mindestens einen Bestandteil eingeben. Wie erläutert, umfasst der mindestens eine Bestandteil mindestens eines von: SOx, NOx, CO2, O2, Wasser, Chloridionen, Säuren, Aldehyde, Kohlenwasserstoffe oder Kombinationen davon.
In Schritt 530 kann das Verfahren 500 die vorgenannte Spezieserhaltungsmaschine verwenden, um einen Soll-AGR-Anteil zu bestimmen. Wie erläutert, kann der AGR-Anteil als die Menge wie z.B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, ein Prozentsatz des Abgasstroms 170 im Einlassfluid betrachtet werden. Wie erläutert, kann der AGR-Anteil bestimmt werden, indem der Massendurchsatz des Abgasstroms 170 durch den Massendurchsatz der Zuluft dividiert wird.
In Schritt 540 kann das Verfahren 500 den aktuellen AGR-Anteil bestimmen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die aktuellen AGR-Rate-Daten von der mindestens einen AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 empfangen. Die mindestens eine AGR-Rückkopplungsvorrichtung 175 kann Sensoren, Sender und ähnliche Vorrichtungen einschliessen, die Daten über die aktuelle Durchflussrate des mindestens einen Bestandteils bereitstellen können. Die AGR-Rate-Daten können zur Bestimmung des AGR-Anteils verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zur Bestimmung des aktuellen AGR-Anteils das vorgenannte Energiegleichgewicht verwendet werden.
In Schritt 550 kann das Verfahren 500 bestimmen, ob der aktuelle AGR-Anteil innerhalb eines Bereichs des Soll-AGR-Anteils liegt. Hier vergleicht das Verfahren 500 den in Schritt 530 bestimmten Soll-AGR-Anteil mit dem aktuellen AGR-Anteil, der in Schritt 540 bestimmt wurde. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Bediener den Bereich festlegen, der ein Toleranzbereich oder dergleichen sein kann. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Bereich automatisch festgelegt werden. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, wenn der Soll-AGR-Anteil 1 ist und der aktuelle AGR-Anteil etwa 0,95 bis etwa 1,05 beträgt, dann kann das Verfahren 500 bestimmen, dass der aktuelle AGR-Anteil innerhalb des Bereichs liegt.
Wenn der Pegel des mindestens einen Bestandteils ausserhalb des Bereichs liegt, dann kann das Verfahren 500 zu Schritt 560 übergehen; andernfalls kann das Verfahren 500 zu Schritt 510 zurückkehren, wo die Schritte 510-550 wiederholt werden können, bis der mindestens eine Bestandteil ausserhalb des Bereichs liegt.
In Schritt 560 kann das Verfahren 500 eine AGR-Rate anpassen. Wie erläutert, kann die AGR-Rate als die Rate und Menge des Abgasstroms 170 betrachtet werden, die in die Mischstation 115 eintritt, wo das Einlassfluid erzeugt wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren 500 die Schritte 510-560 wiederholen, um zu bestätigen, dass der aktuelle AGR-Anteil innerhalb des Bereichs des Soll-AGR-Anteils liegt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Komponenten des AGR-Systems 107 verwenden, um die AGR-Rate anzupassen. Zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, kann das Verfahren 500 mindestens eine der folgenden Funktionen integrieren: das Anpassen einer Geschwindigkeit einer AGR-Strom-Konditioniervorrichtung 135 wie z. B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, einer Luftquelle, wobei die Luftquelle einen Lüfter, ein Gebläse oder Kombinationen davon umfasst; das Anpassen einer Neigung mindestens eines AGR-Lüfterblatts; das Modulieren mindestens einer Durchflussregelvorrichtung. Die Durchflussregelvorrichtung kann mindestens eines einschliessen von: einer Einlassklappe, einer Bypass-Klappe, einer Auslassklappe oder Kombinationen davon.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die GUI eine Meldung an den Benutzer ausgeben, wenn die AGR-Rate angepasst werden sollte.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das AGR-Durchsatzregelungssystem des Verfahrens 500 mit dem AGR-Bestandteilregelungssystem des Verfahrens 400 integriert sein. Allgemein kann das AGR-Durchsatzregelungssystem ein relativ schnelleres Ansprechverhalten auf den Gesamtbetrieb des AGR-Systems 107 gewährleisten als das Bestandteilregelungssystem. Allgemein kann das AGR-Bestandteilregelungssystem eine relativ präzisere Rückkopplung über den Gesamtbetrieb des AGR-Systems gewährleisten als das AGR-Durchsatzregelungssystem. Daher kann die Integration des AGR-Durchsatzregelungssystems und des AGR-Bestandteilregelungssystems für eine schnelle Anfangsrückkopplung sorgen, gefolgt von einem langsameren und präziseren Ansprechverhalten auf den Gesamtbetrieb des AGR-Systems 107.
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems 600 zur Anpassung einer AGR-Rate nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Elemente der Verfahren 200, 300, 400 und 500 können im System 600 ausgeführt sein und von diesem durchgeführt werden. Das System 600 kann eine oder mehrere Benutzer- oder Client-Kommunikationsgeräte 602 oder ähnliche Systeme oder Geräte (in Fig. 6 werden zwei gezeigt) umfassen. Jedes Kommunikationsgerät 602 kann zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, ein Computersystem, einen PDA, ein Mobiltelefon oder eine ähnliche Vorrichtung sein, die in der Lage ist, eine elektronische Nachricht zu senden und zu empfangen.
Das Kommunikationsgerät 602 kann einen Systemspeicher 604 oder ein lokales Dateisystem umfassen. Der Systemspeicher 604 kann zum Beispiel, ohne aber darauf beschränkt zu sein, einen Nur-Lesen-Speicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Flash-Speicher und andere Speichergeräte einschliessen. Der ROM kann ein Ein-/Aus-gabesystem (BIOS) umfassen. Das BIOS kann elementare Routinen enthalten, die die Informationsübertragung zwischen Elementen oder Komponenten des Kommunikationsgeräts 602 unterstützen. Der Systemspeicher 604 kann ein Betriebssystem 606 enthalten, um den Gesamtbetrieb des Kommunikationsgeräts 602 zu steuern. Der Systemspeicher 604 kann auch ein Zugangsprogramm 608 oder einen Web Browser umfassen.
Der Systemspeicher 604 kann auch Datenstrukturen 610 oder computerausführbaren Code zur Anpassung des Betriebs einer Turbomaschine einschliessen, die den Verfahren 200, 300, 400 und 500 jeweils in Fig. 2, 3, 4 und 5 entsprechen oder Elemente davon umfassen.
Der Systemspeicher 604 kann zudem einen Vorlagen-Cachespeicher 612 umfassen, der in Verbindung mit den Verfahren 200, 300, 400 und 500 in Fig. 2, 3, 4 und 5verwendet werden kann, um eine AGR-Rate anzupassen.
Das Kommunikationsgerät 602 kann auch einen Prozessor oder eine Verarbeitungseinheit 614 umfassen, um den Betrieb der anderen Komponenten des Kommunikationsgeräts 602 zu steuern. Das Betriebssystem 606, das Zugangsprogramm 608 und die Datenstrukturen 610 können auf der Verarbeitungseinheit 614 betreibbar sein. Die Verarbeitungseinheit 614 kann durch einen Systembus 616 mit dem Speichersystem 604 und anderen Komponenten des Kommunikationsgeräts 602 verbunden sein.
Das Kommunikationsgerät 602 kann auch mehrere Ein-/Ausgabe (E/A)-Geräte oder eine Kombination von Ein-/Ausgabegeräten 618 umfassen. Jedes Ein-/Ausgabegerät 618 kann durch eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle (nicht in Fig. 6gezeigt) mit dem Systembus 616 verbunden sein. Die Ein-und Ausgabegeräte oder die Kombination von E/A-Geräten 618 erlauben einem Benutzer die Bedienung und den Zugang zum Kommunikationsgerät 602 und die Steuerung des Zugangsprogramms 608 und der Datenstrukturen 610, um auf die Software zur Anpassung des Betriebs einer AGR-Rate zuzugreifen, sie zu bedienen und zu steuern. Die E/A-Geräte 618 können eine Tastatur und eine Computer-Zeigervorrichtung oder dergleichen umfassen, um die hierin erläuterten Vorgänge durchzuführen.
Die E/A-Geräte 618 können zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, auch Festplatten, optische, mechanische, magnetische oder Infrarot-Eingabe/Ausgabe-Geräte, Modems oder Ähnliches umfassen. Die E/A-Geräte 618 können verwendet werden, um auf ein Medium 620 zuzugreifen. Das Medium 620 kann computerlesbare oder computerausführbare Anweisungen und andere Information zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem System wie z.B. den Kommunikationsgeräten 602 enthalten, speichern, übertragen oder transportieren.
Das Kommunikationsgerät 602 kann auch andere Geräte umfassen oder daran angeschlossen sein, wie z.B. ein Display oder einen Bildschirm 622. Der Bildschirm 622 kann als Benutzerschnittstelle zum Kommunikationsgerät 602 dienen.
Das Kommunikationsgerät 602 kann auch eine Festplatte 624 einschliessen. Die Festplatte 624 kann durch eine Festplattenschnittstelle (nicht in Fig. 6gezeigt) mit dem Systembus 616 kommunizieren. Die Festplatte 624 kann auch Bestandteil des lokalen Dateisystems oder Systemspeichers 604 sein. Programme, Software und Daten für den Betrieb des Kommunikationsgeräts 602 können zwischen dem Systemspeicher 604 und der Festplatte 624 übertragen und ausgetauscht werden.
Das Kommunikationsgerät 602 kann mit mindestens einer Anlagensteuerung 626 kommunizieren und über ein Netzwerk 628 auf andere Server oder andere Kommunikationsgeräte wie das Kommunikationsgerät 602 zugreifen. Der Systembus 616 kann durch eine Netzschnittstelle 630 mit dem Netzwerk 628 verbunden sein. Die Netzschnittstelle 630 kann ein Modem, eine Ethernet-Karte, ein Router, ein Gateway oder dergleichen zum Anschluss an das Netzwerk 628 sein. Die Verbindung kann eine verdrahtete oder drahtlose Verbindung sein. Das Netzwerk 628 kann das Internet, ein privates Netzwerk, ein Intranet oder Ähnliches sein.
Die mindestens eine Anlagensteuerung 626 kann auch einen Systemspeicher 632 umfassen, der ein Dateisystem, ROM, RAM, und dergleichen einschliessen kann. Der Systemspeicher 632 kann ein Betriebssystem 634 wie das Betriebssystem 606 in den Kommunikationsgeräten 602 umfassen. Der Systemspeicher 632 kann auch Datenstrukturen 636 zur Anpassung einer AGR-Rate aufweisen. Die Datenstrukturen 636 können die gleichen Vorgänge wie die umfassen, die jeweils in Bezug auf die Verfahren 200, 300, 400 und 500 zur Anpassung einer AGR-Rate beschrieben wurden. Der Server-Systemspeicher 632 kann auch andere Dateien 638, Anwendungen, Module und dergleichen einschliessen.
Die mindestens eine Anlagensteuerung 626 kann auch einen Prozessor 642 oder eine Verarbeitungseinheit zur Steuerung des Betriebs anderer Geräte in der mindestens einen Anlagensteuerung 62 6 umfassen. Die mindestens eine Anlagensteuerung 626 kann auch E/A-Geräte 644 aufweisen. Die E/A-Geräte 644 können den E/A-Geräten 618 der Kommunikationsgeräte 602 entsprechen. Die mindestens eine Anlagensteuerung 626 kann zudem andere Geräte 646 wie einen Bildschirm oder dergleichen umfassen, um zusammen mit den E/A-Geräten 644 eine Schnittstelle zur mindestens einen Anlagensteuerung 626 bereitzustellen. Die mindestens eine Anlagensteuerung 626 kann auch eine Festplatte 648 aufweisen. Ein Systembus 650 kann die verschiedenen Komponenten der mindestens einen Anlagensteuerung 626 verbinden.
Eine Netzschnittstelle 652 kann die mindestens eine Anlagensteuerung 626 über den Systembus 650 mit dem Netzwerk 628 verbinden.
Die Flussdiagramme und Blockdiagramme in den Zeichnungen veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Arbeitsweise möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogramm-Produkten nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In dieser Hinsicht kann jeder Schritt in den Fluss- oder Blockdiagrammen ein Modul, Segment, oder Code-Teil darstellen, die eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zum Implementieren der spezifizierten logischen Funktion (en) umfassen. Es ist auch anzumerken, dass in einigen alternativen Implementierungen die Funktionen, die in einem Schritt genannt werden, in einer anderen Reihenfolge als gezeigt auftreten können.
Zum Beispiel können zwei Schritte, die aufeinanderfolgend gezeigt werden, tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Schritte können je nach der betroffenen Funktionalität manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist auch anzumerken, dass jeder Schritt in den dargestellten Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammen und Kombinationen von Schritten in den dargestellten Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammen durch Spezialhardwaresysteme implementiert werden kann, die die spezifizierten Funktionen oder Vorgänge durchführen, oder durch Kombinationen von Spezialhardware und Computeranweisungen.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht einschränken. Hierin schliessen die Singularformen "ein(e)", "der/die/das" auch die Pluralformen ein, ausser, wenn der Kontext eindeutig etwas anderes angibt. Ferner versteht es sich, dass die Begriffe "einschliessen" und/oder "umfassen", wenn sie in dieser Patentschrift benutzt werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder den Zusatz einer oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus nicht ausschliessen.
Auch wenn hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, versteht es sich, dass jede Anordnung, die ausgelegt ist, um den gleichen Zweck zu erfüllen, für die gezeigten spezifischen Ausführungsformen eingesetzt werden kann, und dass die Erfindung in anderen Umgebungen andere Anwendungen hat. Es ist beabsichtigt, dass diese Anmeldung Anpassungen oder Varianten der vorliegenden Erfindung einschliesst. Die folgenden Ansprüche sollen den Umfang der Erfindung in keiner Weise auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen einschränken.
State of the art
The present invention relates to an exhaust gas recirculation system, and more particularly to a method and system for controlling the amount of exhaust gas that re-enters a turbomachine after being treated by a recirculation system.
There is growing concern about the long-term effects of nitrogen oxide (hereinafter NOx) and carbon dioxide (hereafter "CO2") and sulfur oxide (SOx) emissions on the environment. The allowable emission levels that may be emitted by a turbomachine such as a gas turbine are strictly regulated. Turbomachinery operators want procedures to reduce the levels of NOx, CO2 and SOx emitted.
There are significant amounts of condensable vapors in the exhaust stream. These vapors usually contain various ingredients such as. As water, acids, aldehydes, hydrocarbons, sulfur oxides and chlorine compounds. Left untreated, these components accelerate corrosion and fouling of the internal components when they are admitted to the gas turbine.
Exhaust gas recirculation (EGR) generally includes recycling a portion of the emitted exhaust gases through an inlet portion of the turbomachine. The exhaust gas is then mixed with the supply air stream prior to combustion. The EGR process facilitates the removal and separation of concentrated CO2 and can also reduce NOx and SOx emission levels.
The currently known EGR systems have some problems. The amount and rate of recirculated exhaust gas affects the operability of the turbomachine, including but not limited to: combustor stability, emissions, compressor stability, and component life.
For the above reasons, there is a need for a method and system for controlling the composition of the inlet fluid leaving the EGR system. The method and system should control the flow rate of exhaust gas re-entering the turbomachine. The method and system should use the composition of the inlet fluid as a control parameter. The method and system should also reduce the sensitivity of the EGR system to different fuel compositions.
Brief description of the invention
According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of controlling an exhaust gas flow, wherein the exhaust gas flow is generated by a turbomachine; the method comprising: providing at least one exhaust gas recirculation (EGR) system, comprising: at least one EGR flow conditioning device and at least one flow control device; using the flow control device, wherein using the flow control device comprises the steps of: receiving a desired EGR fraction containing the portion of the exhaust flow in an inlet fluid, the inlet fluid entering the inlet portion of the turbomachine; Determining the current EGR fraction;
Determining if the current EGR fraction is within a range of the desired EGR fraction; and adjusting an exhaust gas flow EGR rate when the current EGR fraction is outside the range of the desired EGR fraction.
According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of controlling an exhaust gas flow, wherein the exhaust gas flow is generated by a turbomachine; the method comprising: providing at least one exhaust gas recirculation (EGR) system, comprising: using a flow control system, the use of flow control comprising the steps of: receiving a desired EGR fraction of at least one constituent; Determining a desired EGR fraction; Determining an actual EGR fraction;
Determining if the current EGR fraction is within the range of the desired EGR fraction; and adjusting an exhaust gas flow EGR rate when the current EGR fraction is outside the range of the desired EGR fraction.
Brief description of the drawings
<Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic representation of the environment in which an embodiment of the present invention operates.
<Tb> FIG. 2 <sep> is a flowchart illustrating an example of a method of using an EGR inventory control system according to an embodiment of the present invention.
<Tb> FIG. 3 <sep> is a flowchart illustrating an example of a method of using an EGR flow rate control system according to an embodiment of the present invention.
<Tb> FIG. 4 <sep> is a flowchart illustrating an example of a method of using an EGR inventory control system according to another embodiment of the present invention.
<Tb> FIG. 5 <SEP> is a flowchart illustrating an example of a method of using an EGR flow rate control system according to another embodiment of the present invention.
<Tb> FIG. 6 <sep> is a block diagram of an exemplary EGR rate adjustment system in accordance with an embodiment of the present invention.
Detailed description of the invention
The following detailed description of preferred embodiments refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments of the invention. Other embodiments with different structure and operation do not depart from the scope of the present invention.
Certain terms used herein are intended to facilitate the reader's understanding only and are not intended to limit the scope of the invention. For example, words such as "upper", "lower", "left", "right", "front", "rear", "upper", "lower", "horizontal", "vertical", "upstream", "subordinate , "before," "behind," and the like, only the configuration shown in the drawings. However, the element (s) of an embodiment of the present invention may be oriented in any direction and it is understood that the terms are intended to include such variants, unless stated otherwise.
An EGR rate may be considered as the rate and amount of exhaust flow entering the inlet portion of the turbomachine. The composition of the inlet fluid includes, but is not limited to, the exhaust stream, the supply air, and at least one of the above ingredients and combinations thereof.
The present invention can be applied to various turbomachines that produce a gaseous fluid, such as, but not limited to, a high performance gas turbine, an aeroderivative gas turbine or the like (hereinafter referred to as "gas turbine"). An embodiment of the present invention may be applied to a single gas turbine or to a plurality of gas turbines. An embodiment of the present invention may be applied to a gas turbine operated in a simple process or a combined process configuration.
Referring now to the drawings wherein the various reference numbers represent like elements throughout the views, FIG. 1 is a schematic diagram showing the environment in which an embodiment of the present invention operates. Fig. 1 shows a system 100 such. For example, but not limited to, a power plant having a turbomachine 105, an EGR system 107, a heat recovery steam generator (HRSG) 155 and an exhaust stack 165. Alternatively, the present invention may be integrated with a plant 100 that does not have a HRSG 155 has.
The EGR system 107 includes multiple elements. The configuration and order of the elements may depend on the composition of the exhaust stream 170 and the type of cooling fluid used by the components of the EGR system 107. In addition, other embodiments of the EGR system 107 may include additional or fewer components than the components described below. Therefore, various arrangements and / or configurations other than those of FIG. 1 may be integrated with one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the EGR system 107 includes: a mixing station 115, an inlet modulation device 120, a bypass modulation device 125, a bypass flue 130, at least one EGR flow conditioning device 135, a downstream temperature conditioning device 140, a constituent reduction system 145, an upstream temperature conditioning device 150, at least one exhaust modulation device 160, and at least one EGR feedback device 175. The at least one EGR feedback device 175 may provide direct or indirect data about at least one of: the current EGR rate, the concentration of the at least one component, or combinations thereof ,
Generally, the process used by the EGR system 107 may include: cooling the exhaust stream 170; the reduction and removal of the above components in the exhaust stream 170; and then mixing the exhaust stream 170 with the supply air, thereby forming an intake fluid that flows from the inlet portion 110 to the exhaust stack 165. The EGR system 107 may lower the temperature of the exhaust stream 170 to a saturation temperature at which the above ingredients may condense and then be removed. Alternatively, the EGR system 107 may also lower the temperature of the exhaust stream 170 and use a gas scrubbing process (or the like) to remove the above ingredients.
While the EGR system 107 is in operation, the at least one EGR feedback device 175 may determine the flow rate of the exhaust stream 170 that may be used to determine the EGR fraction. The at least one EGR feedback device 175 may be disposed adjacent to the inlet portion 110 of the turbomachine 105. The at least one EGR feedback device 175 may be used to determine the concentration of the at least one constituent in the inlet fluid.
It should be noted that the present invention may be practiced as a method, system, or computer program product. Thus, the present invention may take the form of an exclusively hardware embodiment, an exclusively software embodiment (including firmware, memory resident software, microcode, etc.) or an embodiment that interconnects software and hardware aspects, collectively collectively referred to herein as "circuit", " Module "or" system ". Moreover, the present invention may take the form of a computer program product on a computer readable storage medium containing computer readable program code embodied in the medium.
Any suitable computer readable medium may be used. The computer-readable medium may, for. For example, but not limited to, an electronic, magnetic, optical, electromagnetic, infrared, or semiconductor system, apparatus, device, or propagation medium. More specific examples (a non-exhaustive list) of the computer-readable medium would include:
an electrical connection to one or more wires, a portable computer diskette, a hard disk, random access memory (RAM), read only memory (ROM), erasable programmable read only memory (EPROM or flash memory), optical Fiber, a portable compact disc read only memory (CD-ROM), an optical storage device, a transmission medium such as those supporting the Internet or an intranet, or a magnetic storage device.
It should be noted that the computer-readable medium may even be paper or other suitable medium on which the program is printed, since the program may be e.g. be electronically detected by optical scanning of the paper or other medium and then compiled in a suitable manner, interpreted or otherwise processed as needed and then stored in a computer memory. In the context of this specification, a computer-readable medium may be any medium that may contain, store, transfer, propagate, or transport the program for use by or in connection with the instruction execution system, apparatus, or device.
The computer program code for carrying out the operations of the present invention may be used in an object-oriented programming language such as e.g. Java7, Smalltalk or C ++ or the like. However, the computer program code for carrying out the operations of the present invention may also be written in conventional procedural programming languages such as the "C" programming language or a similar language. The program code can be executed as a stand-alone software package completely on the user's computer, partly on the user's computer and partly on a remote computer or completely on a remote computer.
In the latter scenario, the remote computer may be connected to the user's computer via a local area network (LAN) or a wide area network (WAN), or the connection to an external computer may be established (e.g., via the Internet with an internet service provider).
The present invention will now be described with reference to flowcharts and / or block diagrams of the methods, apparatus (systems), and computer program products according to embodiments of the invention. It is understood that each block of the flow and / or block diagrams and combinations of blocks in flow and / or block diagrams can be implemented by computer program instructions.
These computer program instructions may be supplied to a processor of a general purpose computer, a special purpose computer, or other programmable computing device for generating a machine such that the instructions executed by the processor of the computer or other programmable computing device include means for implementation in the block or in blocks of the flowchart and / or block diagram specified functions / operations.
The present invention has the technical effect of regulating the composition of an inlet fluid leaving an EGR system and entering the inlet portion of a turbomachine, which may be considered to be working fluid.
These computer program instructions may also be stored in computer readable memory that may instruct a computer or other programmable computing device to function in a particular manner so that the instructions stored in the computer readable memory result in a product having instruction means corresponding to those in the block or blocks implement functions / operations specified in the flowchart and / or block diagram.
The computer program instructions may also be loaded into a computer or other programmable computing device for effecting a series of operations in the computer or other programmable device to yield a computer-implemented process such that the instructions provided in the computer or other programmable device Device, provide steps to implement the functions / operations specified in the block or in blocks of the flowchart and / or block diagram.
The present invention may be configured to automatically or continuously monitor the inlet fluid of the turbomachine 105 to determine the amount of exhaust gas flow 170 that should enter the inlet section 110. Alternatively, the control system may be configured to require actuation of the user to start operation. An embodiment of the control system of the present invention may be operated as a stand-alone system. Alternatively, the control system may be incorporated as a module or the like into a more comprehensive system, such as a computer. B. a turbine or a system control system be integrated. For example, but not limited to, the control system of the present invention may be integrated with the control system for operating the EGR system 107.
Reference is now made to FIG. 2, which is a flowchart illustrating an example of a method 200 of using an EGR constituent control system according to one embodiment of the present invention. The method 200 may include at least one EGR constituent control system that may be operated, for example, but not limited to, in steps 210-260. In an embodiment of the present invention, the EGR system 107 may be integrated with a graphical user interface (GUI) or the like. The GUI may allow the operator to navigate through the method 200 described below. The GUI may also display at least one status message of the EGR system 107.
In step 210 of the method 200, the EGR system 107 may treat an exhaust stream 170 as described. Depending on the type and / or operation of the turbomachine 105, the generated exhaust gas may have a flow rate of about 10,000 Lb / hr to about 50,000,000 Lb / hr and a temperature of about 100 ° Fahrenheit to about 1,100 ° Fahrenheit exhibit.
In step 220, the method 200 may receive a desired EGR fraction. The EGR fraction may be considered as the flow rate of the exhaust stream 170. Alternatively, it may be considered as the amount, such as, but not limited to, a percentage of exhaust flow 170 in the inlet fluid. Here, the EGR fraction can be determined by dividing the mass flow rate of the exhaust stream 170 by the mass flow rate of the supply air.
In one embodiment of the present invention, the method 200 may automatically receive the EGR fraction from the control system that operates the EGR system 107. In another embodiment of the present invention, a user may enter the EGR fraction.
In step 230, the method 200 may determine the desired level of at least one component. The method 200 may use a species conservation engine or the like to determine the desired level. The species preservation engine may integrate a plurality of turbomachinery operating data along with the desired EGR fraction to calculate the desired level. The plurality of turbomachinery operating data may include: at least one fuel composition; the compressor airflow of the turbomachine 105 and the fuel flow of the turbomachine 105.
The at least one fuel composition may include, but is not limited to: the composition of the fuel entering a combustion system of the turbomachine 105; and the composition of the fuel used in an auxiliary ignition system integrated with the turbomachine 105, wherein the auxiliary ignition system may include an auxiliary boiler, or combinations thereof.
The species preservation engine may include a physical equation or the like to calculate the target level of at least one constituent. As explained, the at least one constituent comprises at least one of: SOx, NOx, CO2, O2, water, chloride ions, acids, aldehydes, hydrocarbons, or combinations thereof.
The species preservation engine may include a physical equation or the like to calculate the target level of at least one constituent. For example, but not limited to, the species preservation engine may calculate a desired exhaust CO2 mole fraction based on: a desired EGR mass fraction, the fuel flow, the fuel composition, and the inlet flow of the turbomachine 105. The value of the target Exhaust CO2 mole fraction may be compared to a CO2 mole fraction measured by the at least one EGR feedback device 175. The comparison process may provide an error signal that may be used by the EGR flow rate feedback control method 200.
In addition, the combustion reaction for the turbomachine 105 combusting a hydrocarbon fuel in standard air may be described by Equation 1 using molar coefficients as shown below:
C [alpha] H [gamma] + (a + e) (02 + 3.76N2) => bCO2 + cH2o + eO2 + (a + e) (3.76) N2 [Equation 1]
Here, the "fuel composition" is defined by the subscripts [alpha] and [gamma] for carbon and hydrogen. The excess oxygen molar coefficient, e, can be calculated as a function of the EGR mass fraction (XEGR), compressor inlet mass flow rate (Wc), and fuel mass flow rate (WF), as represented by Equation 2.
<EMI ID = 2.1>
The target exhaust CO2 mole fraction (yco2_target) on a dry basis can be calculated according to Equation 3, based on the reaction in Equation 1.
<EMI ID = 3.1>
Equations 1-3 can be adapted to perform appropriate species conservation calculations for components other than CO2 or for a turbomachine 105 operating with other working fluids or fuel types. As discussed, the ingredient comprises at least one of: SOx, NOx, CO2, O2, water, chloride ions, acids, aldehydes, hydrocarbons, or combinations thereof.
In step 240, the method 200 may determine the current level of the at least one constituent. As discussed, the EGR system 107 may include at least one EGR feedback device 175. The at least one EGR feedback device 175 may include sensors, transmitters, and similar devices that may provide data about the current level of the at least one component. The location of the at least one EGR feedback device 175 may allow feedback on the composition of the inlet fluid. The at least one EGR feedback device 175 may be generally in front of and / or behind the combustion system of the turbomachine 105, thereby increasing the accuracy of the feedback.
The at least one EGR feedback device 175 may be integrated with the control system used to perform the method 200. The data provided by the at least one EGR feedback device 175 may be used directly or indirectly to determine the current level of the at least one constituent.
In step 250, the method 200 may determine whether the current level of the at least one constituent is within a constituent region. Here, the method 200 compares the target level determined in step 230 with the current level of the at least one constituent determined in step 240. In one embodiment of the present invention, an operator may specify the area. In another embodiment of the present invention, the range can be set automatically. For example, but not limited to, when the target level is 1 and the current level is from about 0.95 to about 1.05, then the method 200 may determine that the current level of the at least one component is within the range ,
In addition, for example, but not limited to, turbo-machine 105 may have a target EGR mass fraction of 30%, a fuel / compressor inlet flow ratio close to 0.019, and a fuel composition containing 97% methane (CH4), 2% ethane (C2H6 ) and 1% propane (C3H8), giving a target dry CO2 mole fraction (dry) of 0.051. The method 200 may adjust the EGR flow rate to maintain the measured exhaust CO2 mole fraction (dry) at +/- 0.001 from the setpoint over a range of measured CO2 mole fractions of 0.005 to 0.25.
If the level of the at least one component is out of range, then method 200 may proceed to step 260; otherwise, the method 200 may return to step 210 where steps 210-250 may be repeated until the at least one component is out of range.
In step 260, the method 200 may adjust an EGR rate. As discussed, the EGR rate may be considered as the rate and amount of exhaust stream 170 entering the mixing station 115 where the inlet fluid is being generated. In one embodiment of the present invention, method 200 may repeat steps 210-260 to confirm that the at least one component remains within the above range.
An embodiment of the present invention may use the components of the EGR system 107 to adjust the EGR rate. For example, but not limited to, the method 200 may integrate at least one of the following functions: adjusting a speed of an EGR flow conditioner 135, such as an engine; B. but not limited to an EGR fan speed; adjusting an inclination of at least one EGR fan blade; modulating at least one flow control device. The flow control device may include at least one of: an inlet flap, a bypass flap, an outlet flap, or combinations thereof.
In one embodiment of the present invention, the GUI may issue a message to the user if the EGR rate should be adjusted.
3 is a block diagram of an exemplary system 300 for controlling the EGR rate of an intake fluid according to an embodiment of the present invention. The method 300 may include at least one EGR flow control system that may be operated, for example, but not limited to, in steps 310-350. In an embodiment of the present invention, the EGR system 107 may be integrated with a graphical user interface (GUI) or the like. The GUI may allow the operator to navigate through the method 300 described below. The GUI may also display at least one status message of the EGR system 107.
In step 310 of the method 300, the EGR system 107 may treat an exhaust stream 170 as described. As discussed, the generated exhaust gas may have a flow rate of about 10,000 Lb / hr to about 50,000,000 Lb / hr and a temperature of about 100 degrees Fahrenheit to about 1100 degrees Fahrenheit.
In step 320, the method 300 may receive a desired EGR fraction. The EGR fraction may be considered as the amount such as, but not limited to, a percentage of the exhaust stream 170 in the inlet fluid. The EGR fraction may be determined by dividing the mass flow rate of the exhaust stream 170 by the mass flow rate of the supply air. In one embodiment of the present invention, the method 300 may automatically receive the EGR fraction from the control system that operates the EGR system 107. In another embodiment of the present invention, a user may enter the EGR fraction.
In step 330, method 300 may determine the current EGR fraction. An embodiment of the present invention may receive the current EGR rate data from the at least one EGR feedback device 175. The at least one EGR feedback device 175 may include sensors, transmitters, and similar devices that may provide data about the current flow rate of the at least one exhaust stream 170. The EGR rate data can be used to determine the EGR fraction. In another embodiment of the present invention, at least one energy balance may be used to determine the current EGR fraction.
The energy balance is generally based on energy conservation, which generally states that the energy entering a system corresponds to the energy exiting that system. The energy balance of one embodiment of the present invention is shown in Equation 4, which can be resolved for WEGR, which can be used to determine the EGR fraction.
<EMI ID = 4.1>
in which:
WEGR is the flow rate of the exhaust gas flow 170;
TEGR is the temperature of the exhaust stream 170;
CP_EGR is the specific heat at constant pressure of the exhaust stream 170;
WTin is the total flow rate into the turbomachine inlet;
TT is the temperature of the turbomachine inlet stream;
CP_Tindie is specific heat at constant pressure of the turbomachine inlet stream;
Tair is the temperature of the ambient air;
Cp_air is the specific heat at constant pressure of the ambient air; and
Tref is a reference temperature for calculating the absolute enthalpy.
In step 340, the method 300 may determine whether the current EGR fraction is within a range of the desired EGR fraction. Here, the method 300 compares the target EGR fraction determined in step 320 with the current EGR fraction determined in step 330. In an embodiment of the present invention, an operator may specify the range that may be a tolerance range or the like. In another embodiment of the present invention, the range can be set automatically. For example, but not limited to, if the desired EGR fraction is 1 and the current EGR fraction is about 0.95 to about 1.05, then the method 300 may determine that the current EGR fraction is within of the area.
If the current EGR fraction is out of range, then method 300 may proceed to step 350; otherwise, the method 300 may return to step 310 where steps 310-340 may be repeated until the current EGR fraction is out of range.
In step 350, the method 300 may adjust an EGR rate. As discussed, the EGR rate may be considered as the rate and amount of exhaust stream 170 entering the mixing station 115 where the inlet fluid is being generated. In one embodiment of the present invention, method 300 may repeat steps 310-350 to confirm that the current EGR fraction is within the range of the desired EGR fraction.
An embodiment of the present invention may use the components of the EGR system 107 to adjust the EGR rate. For example, but not limited to, method 300 may integrate at least one of the following functions: adjusting a speed of an EGR flow conditioner 135, such as, but not limited to, an air source, where the air source is a fan , a blower or combinations thereof; adjusting an inclination of at least one EGR fan blade; modulating at least one flow control device. The flow control device may include at least one of: an inlet flap, a bypass flap, an outlet flap, or combinations thereof.
In one embodiment of the present invention, the GUI may issue a message to the user if the EGR rate should be adjusted.
In another embodiment of the present invention, the EGR flow rate control system of method 300 may be integrated with the EGR component control system of method 200. Generally, the EGR flow rate control system can provide a relatively faster response to the overall operation of the EGR system 107 than the constituent control system. In general, the EGR component control system can provide relatively more accurate feedback on the overall operation of the EGR system than the EGR flow control system. Therefore, the integration of the EGR flow rate control system and the EGR constituent control system may provide fast initial feedback, followed by slower and more precise overall EGR system 107 responsiveness.
4 is a flowchart illustrating an example of a method 400 of using an EGR component control system according to another embodiment of the present invention.
The method 400 may include at least one EGR constituent control system that may be operated, for example, but not limited to, in steps 410-450. In an embodiment of the present invention, the EGR system 107 may be integrated with a graphical user interface (GUI) or the like. The GUI may allow the operator to navigate through method 400 described below. The GUI may also display at least one status message of the EGR system 107.
In step 410 of method 400, EGR system 107 may treat exhaust flow 170 as described.
In step 420, the method 400 may receive a target level for at least one component. The target level for the at least one component may include an emission limit. For example, but not limited to, Plant 100 may be operated with a NOx emission limit of 9 PPM. In one embodiment of the present invention, the method 400 may automatically receive the desired level of the at least one component from the control system that operates the EGR system 107 or the turbomachine 105. In another embodiment of the present invention, a user may enter the desired level for the at least one component. As explained, the at least one constituent comprises at least one of: SOx, NOx, CO2, O2, water, chloride ions, acids, aldehydes, hydrocarbons, or combinations thereof.
In step 430, the method 400 may determine the current level of the at least one constituent. As discussed, the EGR system 107 may include at least one EGR feedback device 175. The at least one EGR feedback device 175 may include sensors, transmitters, and similar devices that may provide data about the current level of the at least one component. The location of the at least one EGR feedback device 175 may allow feedback on the composition of the inlet fluid. The at least one EGR feedback device 175 may be generally in front of and / or behind the combustion system of the turbomachine 105, thereby increasing the accuracy of the feedback.
The at least one EGR feedback device 175 may be integrated with the control system used to perform the method 400. The data provided by the at least one EGR feedback device 175 may be used directly or indirectly to determine the current level of the at least one constituent.
In step 440, the method 400 may determine the current level of the at least one constituent. Here, the method 400 compares the target level determined in step 420 with the current level of the at least one constituent determined in step 430. In one embodiment of the present invention, an operator may specify the area. In another embodiment of the present invention, the range can be set automatically. For example, but not limited to, when the target level is 1 and the current level is from about 0.95 to about 1.05, then the method 400 may determine that the current level of the at least one component is within the range ,
In addition, for example, but not limited to, turbo-machine 105 may have a target EGR mass fraction of 30%, a fuel / compressor inlet flow ratio close to 0.019, and a fuel composition containing 97% methane (CH4), 2% ethane (C2H6 ) and 1% propane (C3H8), giving a target dry CO2 mole fraction (dry) of 0.051. The method 400 may adjust the EGR flow rate to maintain the measured exhaust CO2 mole fraction (dry) at +/- 0.001 from the set point over a range of measured CO2 mole fractions of 0.005 to 0.25.
If the level of the at least one component is out of range, then method 400 may proceed to step 450; otherwise, the method 400 may return to step 410 where steps 410-440 may be repeated until the at least one component is out of range.
In step 450, the method 400 may adjust an EGR rate. As discussed, the EGR rate may be considered as the rate and amount of exhaust stream 170 entering the mixing station 115 where the inlet fluid is being generated. In one embodiment of the present invention, the method 400 may repeat steps 410-450 to confirm that the at least one component remains within the above range.
An embodiment of the present invention may use the components of the EGR system 107 to adjust the EGR rate. For example, but not limited to, the method 400 may integrate at least one of the following functions: adjusting a speed of an EGR flow conditioner 135 such as, but not limited to, an EGR fan speed; adjusting an inclination of at least one EGR fan blade; modulating at least one flow control device. The flow control device may include at least one of: an inlet flap, a bypass flap, an outlet flap, or combinations thereof.
5 is a flowchart illustrating an example of a method 500 for using an EGR flow rate control system according to another embodiment of the present invention. The method 500 may include at least one EGR flow control system that may be operated, for example, but not limited to, in steps 510-560. In an embodiment of the present invention, the EGR system 107 may be integrated with a graphical user interface (GUI) or the like. The GUI may allow the operator to navigate through the method 500 described below. The GUI may also display at least one status message of the EGR system 107.
In step 510 of the method 500, the EGR system 107 may treat an exhaust stream 170 as described.
In step 520, the method 500 may receive a target level of the at least one component. As explained, the target level for the at least one component may include an emission limit. For example, but not limited to, Plant 100 may be operated with a NOx emission limit of 9 PPM. In one embodiment of the present invention, the method 500 may automatically receive the desired level of the at least one component from the control system that operates the EGR system 107 or the turbomachine 105. In another embodiment of the present invention, a user may enter the desired level for the at least one component. As explained, the at least one constituent comprises at least one of: SOx, NOx, CO2, O2, water, chloride ions, acids, aldehydes, hydrocarbons, or combinations thereof.
In step 530, method 500 may use the aforementioned species preservation engine to determine a desired EGR fraction. As explained, the EGR fraction may be considered as the amount, such as, but not limited to, a percentage of the exhaust stream 170 in the inlet fluid. As discussed, the EGR fraction may be determined by dividing the mass flow rate of the exhaust stream 170 by the mass flow rate of the supply air.
In step 540, the method 500 may determine the current EGR fraction. An embodiment of the present invention may receive the current EGR rate data from the at least one EGR feedback device 175. The at least one EGR feedback device 175 may include sensors, transmitters, and similar devices that may provide data on the current flow rate of the at least one constituent. The EGR rate data can be used to determine the EGR fraction. In another embodiment of the present invention, the aforementioned energy balance may be used to determine the current EGR fraction.
In step 550, the method 500 may determine whether the current EGR fraction is within a range of the desired EGR fraction. Here, the method 500 compares the target EGR fraction determined in step 530 with the current EGR fraction determined in step 540. In an embodiment of the present invention, an operator may specify the range that may be a tolerance range or the like. In another embodiment of the present invention, the range can be set automatically. For example, but not limited to, if the desired EGR fraction is 1 and the current EGR fraction is about 0.95 to about 1.05, then the method 500 may determine that the current EGR fraction is within of the area.
If the level of the at least one component is out of range, then method 500 may proceed to step 560; otherwise, the method 500 may return to step 510 where steps 510-550 may be repeated until the at least one component is out of range.
In step 560, the method 500 may adjust an EGR rate. As discussed, the EGR rate may be considered as the rate and amount of exhaust stream 170 entering the mixing station 115 where the inlet fluid is being generated. In one embodiment of the present invention, method 500 may repeat steps 510-560 to confirm that the current EGR fraction is within the range of the desired EGR fraction.
An embodiment of the present invention may use the components of the EGR system 107 to adjust the EGR rate. For example, but not limited to, the method 500 may integrate at least one of the following functions: adjusting a speed of an EGR flow conditioner 135, such as an engine; For example, but not limited to, an air source, wherein the air source includes a fan, a blower, or combinations thereof; adjusting an inclination of at least one EGR fan blade; modulating at least one flow control device. The flow control device may include at least one of: an inlet flap, a bypass flap, an outlet flap, or combinations thereof.
In one embodiment of the present invention, the GUI may issue a message to the user if the EGR rate should be adjusted.
In another embodiment of the present invention, the EGR flow rate control system of method 500 may be integrated with the EGR component control system of method 400. Generally, the EGR flow rate control system can provide a relatively faster response to the overall operation of the EGR system 107 than the constituent control system. In general, the EGR component control system can provide relatively more accurate feedback on the overall operation of the EGR system than the EGR flow control system. Therefore, the integration of the EGR flow rate control system and the EGR constituent control system may provide fast initial feedback, followed by slower and more precise overall EGR system 107 responsiveness.
6 is a block diagram of an exemplary EGR rate adjustment system 600 according to one embodiment of the present invention. The elements of the methods 200, 300, 400, and 500 may be implemented in and executed by the system 600. The system 600 may include one or more user or client communication devices 602 or similar systems or devices (two shown in FIG. 6). For example, but not limited to, each communication device 602 may be a computer system, a PDA, a cell phone, or similar device capable of transmitting and receiving an electronic message.
The communication device 602 may include a system memory 604 or a local file system. For example, system memory 604 may include, but is not limited to, read only memory (ROM), random access memory (RAM), flash memory, and other memory devices. The ROM may include an input / output system (BIOS). The BIOS may include elementary routines that support information transfer between elements or components of the communication device 602. The system memory 604 may include an operating system 606 to control the overall operation of the communication device 602. The system memory 604 may also include an access program 608 or a web browser.
The system memory 604 may also include data structures 610 or computer-executable code for adjusting the operation of a turbomachine corresponding to, or comprising elements of, methods 200, 300, 400, and 500, respectively, in FIGS. 2, 3, 4, and 5.
The system memory 604 may also include a template cache 612 that may be used in conjunction with the methods 200, 300, 400, and 500 in FIGS. 2, 3, 4, and 5 to adjust an EGR rate.
The communication device 602 may also include a processor or processing unit 614 to control the operation of the other components of the communication device 602. The operating system 606, the access program 608, and the data structures 610 may be operable on the processing unit 614. The processing unit 614 may be connected through a system bus 616 to the memory system 604 and other components of the communication device 602.
The communication device 602 may also include multiple input / output (I / O) devices or a combination of input / output devices 618. Each input / output device 618 may be connected to system bus 616 through an input / output interface (not shown in FIG. 6). The input / output devices or the combination of I / O devices 618 allow a user to operate and access the communication device 602 and control the access program 608 and data structures 610 to access the software for adjusting the operation of an EGR rate to operate and control them. The I / O devices 618 may include a keyboard and a computer pointing device or the like to perform the operations discussed herein.
The I / O devices 618 may include, but are not limited to, hard disks, optical, mechanical, magnetic or infrared input / output devices, modems, or the like, for example. The I / O devices 618 may be used to access a medium 620. The medium 620 may include computer-readable or computer-executable instructions and other information for use by or in connection with a system such as a computer. include, store, transmit or transport the communication devices 602.
The communication device 602 may also include or be connected to other devices, such as those shown in FIG. a display or screen 622. The screen 622 may serve as a user interface to the communication device 602.
The communication device 602 may also include a hard disk 624. The hard disk 624 may communicate with the system bus 616 through a hard disk interface (not shown in FIG. 6). The hard disk 624 may also be part of the local file system or system memory 604. Programs, software and data for the operation of the communication device 602 may be transferred and exchanged between the system memory 604 and the hard disk 624.
The communication device 602 may communicate with at least one plant controller 626 and access to other servers or other communication devices such as the communication device 602 via a network 628. The system bus 616 may be connected to the network 628 through a network interface 630. The network interface 630 may be a modem, an Ethernet card, a router, a gateway, or the like for connection to the network 628. The connection can be a wired or wireless connection. Network 628 may be the Internet, a private network, an intranet, or the like.
The at least one plant controller 626 may also include a system memory 632 that may include a file system, ROM, RAM, and the like. The system memory 632 may include an operating system 634, such as the operating system 606 in the communication devices 602. The system memory 632 may also include data structures 636 for adjusting an EGR rate. The data structures 636 may include the same operations as those described with respect to the EGR rate adjustment methods 200, 300, 400, and 500, respectively. The server system memory 632 may also include other files 638, applications, modules, and the like.
The at least one plant controller 626 may also include a processor 642 or a processing unit for controlling the operation of other devices in the at least one plant controller 62 6. The at least one plant controller 626 may also include I / O devices 644. The I / O devices 644 may correspond to the I / O devices 618 of the communication devices 602. The at least one plant controller 626 may also include other devices 646, such as a screen or the like, to provide an interface to the at least one plant controller 626 along with the I / O devices 644. The at least one plant controller 626 may also include a hard disk 648. A system bus 650 may connect the various components of the at least one plant controller 626.
A network interface 652 may connect the at least one plant controller 626 to the network 628 via the system bus 650.
The flowcharts and block diagrams in the drawings illustrate the architecture, functionality, and operation of possible implementations of systems, methods, and computer program products according to various embodiments of the present invention. In this regard, each step in the flow or block diagrams may represent a module, segment, or code portion that includes one or more executable instructions for implementing the specified logical function (s). It should also be noted that in some alternative implementations, the functions mentioned in one step may occur in a different order than shown.
For example, two steps that are shown in succession may, in fact, be performed substantially concurrently, or the steps may sometimes be performed in reverse order, depending on the functionality involved. It should also be noted that each step in the illustrated block diagrams and / or flowcharts and combinations of steps in the illustrated block diagrams and / or flowcharts may be implemented by specialized hardware systems performing the specified functions or operations, or by combinations of specialized hardware and computer instructions.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. Herein, the singular forms "a (e)", "the / the" include the plural forms, unless the context clearly indicates otherwise. Furthermore, it is understood that the terms "include" and / or "comprise" when used in this specification indicate the presence of said features, integers, steps, acts, elements and / or components, but the presence or otherwise Addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof are not excluded.
Although specific embodiments have been illustrated and described herein, it should be understood that any arrangement designed to accomplish the same purpose may be employed for the specific embodiments shown, and that the invention has other uses in other environments. It is intended that this application include adaptations or variations of the present invention. The following claims are not intended to limit the scope of the invention in any way to the specific embodiments described herein.