CN102953817B - 动力设备及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及动力设备及操作方法。至少一个主空气压缩机(12)形成压缩环境气流(26)。压缩环境气流(26)在压力下输送到涡轮燃烧器(32)，该压力大于或基本上等于作为再循环气流(50)的至少第一部分从涡轮压缩机(30)输送到涡轮燃烧器(32)的输出压力。燃料流(28)被输送到涡轮燃烧器(32)，并且可燃混合物形成并燃烧，从而形成再循环气流(50)。产生至少基本上等于使涡轮压缩机(30)旋转所需的功率的涡轮功率。再循环气流(50)的至少一部分再循环通过再循环回路(52)。再循环气流(50)的过量部分被泄放，或者涡轮压缩机排气(44)的一部分绕开涡轮燃烧器(32)，或者两者兼有。

Description

动力设备及操作方法
技术领域
本公开内容的主题总体上涉及发电设备的领域，且更特定地涉及操作化学计量排气再循环(SEGR)涡轮系统。
背景技术
各种燃气涡轮系统是已知的并用于动力设备中的发电。通常，燃气涡轮系统包括用于压缩空气流的涡轮压缩机和将压缩空气与燃料混合并点燃混合物而生成排气的涡轮燃烧器。排气然后可通过涡轮膨胀，从而导致涡轮旋转，涡轮又可经由涡轮轴连接到涡轮发电机，用于发电。燃气涡轮通常在燃烧过程内使用过量空气来控制涡轮温度并管理不期望的排放物。这常常导致带有大量过量氧气的排气流。因此，存在着对使用可在没有带大量过量氧气的排气流的情况下操作的燃气涡轮系统的动力设备布置的需求。此外，将期望该动力设备布置提供通过处理排气和/或回收二氧化碳、氮气和水的流来进一步减少排放物的选择。
发明内容
在一方面，提供了一种用于在恒速无负载下操作动力设备的方法。该方法包括利用至少一个主空气压缩机来压缩环境空气以形成具有压缩环境气体流率的压缩环境气流。压缩环境气流的至少第一部分在压力下从至少一个主空气压缩机输送到涡轮燃烧器，该压力大于或基本上等于作为具有再循环气体流率的再循环气流的至少第一部分从涡轮压缩机输送到涡轮燃烧器的输出压力。燃料流以燃料流率输送到涡轮燃烧器，其中燃料流率、压缩环境气体流率和再循环气体流率足以维持燃烧。压缩环境气流的至少第一部分与再循环气流的至少第一部分和涡轮燃烧器中的燃料流混合而形成可燃混合物。可燃混合物在涡轮燃烧器中燃烧而形成再循环气流。使用再循环气流来驱动连接到涡轮燃烧器的涡轮，使得涡轮和涡轮压缩机旋转，并且产生至少基本上等于使涡轮压缩机旋转所需的功率的涡轮功率。再循环气流的至少一部分从涡轮经再循环回路再循环到涡轮压缩机。再循环气流的过量部分在涡轮压缩机的输出部与通往涡轮压缩机的输入部之间泄放，或者再循环气流的至少第二部分作为具有旁通流率的旁通流绕开涡轮燃烧器，或者两者兼有。
在另一方面，提供了一种用于操作动力设备的方法。该方法包括利用至少一个主空气压缩机来压缩环境空气以形成具有压缩环境气体流率的压缩环境气流。压缩流的至少第一部分从至少一个主空气压缩机输送到涡轮燃烧器。压缩环境气流的至少第一部分在涡轮燃烧器中与再循环气流的至少第一部分和燃料流混合而形成可燃混合物。可燃混合物在涡轮燃烧器中燃烧而形成再循环气流。使用再循环气流来驱动连接到涡轮燃烧器的涡轮，使得涡轮和涡轮压缩机旋转，并且产生涡轮功率。再循环气流的至少一部分再循环通过再循环回路，其中再循环气流从涡轮再循环到涡轮压缩机。再循环气流的过量部分(如果有的话)在涡轮压缩机的输出部与通往涡轮压缩机的输入部之间泄放，或者再循环气流的至少第二部分作为具有旁通流率的旁通流绕开涡轮燃烧器，或者两者兼有。
另外的方面将在下文的描述中部分地陈述，并且部分将从该描述变得显而易见，或者可通过实施下述方面来获知。下文描述的优点将借助于在所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和达到。应理解，前文的总体描述和下文的详细描述两者都是示例性和说明性的，而不是限制性的。
附图说明
当参考附图阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将变得更好理解，其中构件不必按比例绘制，并且全部附图中对应的标号标记对应的零件，在附图中：
图1是根据本发明的一实施例的示例性动力设备布置10的概略图示；
图2是根据本发明的一实施例的图1的动力设备布置10的示例性构造100的概略图示。
附图标记：
10示例性动力设备布置
12主空气压缩机
14可变放气阀
16系间(inter-train)阀
18从属(slave)可变放气阀
19系间管道
20涡轮发电机
22涡轮轴
24增压压缩机
25空气喷射阀
26压缩环境气流的第一部分
27气体控制阀
28燃料流
30涡轮压缩机
31次级流动路径
32涡轮燃烧器
34涡轮
36热回收蒸汽发生器
38风门
40再循环气流冷却器
42风机
44涡轮压缩机排气
45抽气阀
47涡轮旁通阀
48排气抽取点
49旁通管道
50再循环气流
52再循环回路
60从属涡轮发电机
62从属涡轮轴
64从属增压压缩机
65从属空气喷射阀
66压缩环境气流的第二部分
67从属气体控制阀
68从属燃料流
70从属涡轮压缩机
71从属次级流动路径
72从属涡轮燃烧器
74从属涡轮
76从属热回收蒸汽发生器
78从属风门
80从属再循环气流冷却器
82从属风机
84从属涡轮压缩机排气
85从属抽气阀
87从属涡轮旁通阀
88从属排气抽取点
89从属旁通管道
90从属再循环气流
92从属再循环回路
100示例性构造。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了许多具体细节，以提供对实施例的透彻理解。可在没有这些具体细节中的一个或更多的情况下或者利用其它方法、构件、材料等来实施这些实施例。在其它情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使实施例的方面变得模糊。
遍及该说明书对“一个实施例”、“一实施例”或“实施例”的谈及意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特点被包括在至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在本说明书全文各处的出现不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构或特点可以任何适当的方式结合在一个或更多实施例中。
发电行业中近期的需求已使得必须开发可构造成基本上消耗空气工作流体中的全部氧气来产生基本上无氧气的排气流的燃气涡轮布置。这种排气流可更容易地适合于使用NOx催化剂的排放减少。此外，这种排气流可由于低氧气浓度而更好地适合于燃烧后碳捕获方案。此外，基本上无氧气的排气流可更容易地适合于增强的油回收应用。
可通过燃烧系统中的化学计量燃烧来实现来自燃气涡轮的基本上无氧的排气。即，包含氧气的新鲜空气供应可与燃料流匹配，使得燃烧过程接近燃烧化学计量操作。
将甲烷与氧气的化学计量燃烧反应示出如下：
。
化学计量燃烧可引起对于燃气涡轮发动机中采用的材料和冷却技术而言过高的气体温度。为了降低这些高温，可使燃气涡轮排气产物的一部分再循环回到燃烧系统，以降低燃烧温度。理想而言，这种稀释气体也应明显无氧气，以便不会将另外的氧气导入系统中并从而削弱化学计量燃烧的优点。使用化学计量燃烧和再循环排气的燃气涡轮应用被称为化学计量排气再循环(SEGR)。
SEGR系统可使用直接供给到燃烧过程中以提供用于燃烧的氧气的高压空气供应。这种空气可由辅助压缩机供应。实际上，辅助压缩机在SEGR燃气涡轮所需的压力和流率下提供空气的能力将不会跨越负载的全部操作范围和系统所经历的环境温度而匹配。辅助压缩机可允许压缩机有时提供比燃气涡轮所需更多的空气。此外，辅助压缩机可设计有始终提供比燃气涡轮所需更多的空气的能力。在一些状况下，可能需要将其中一些由辅助压缩机压缩的空气排出到大气。
如下文详细所述，本发明的实施例可用于通过使用SEGR循环来减少燃气涡轮动力设备系统中的排放物，该SEGR循环可实现用于动力产生的基本上化学计量的燃烧反应。SEGR燃气涡轮可构造成以便提供低氧气含量排气。该低氧气含量排气可与NOx还原催化剂一起使用，以提供还可无NOx污染物的排气流。
当前公开的主题的实施例包括通过首先使动力设备的一个或更多燃气涡轮上升到恒速无负载操作来起动可使用SEGR循环的燃气涡轮动力设备的能力。如文中所用，术语“恒速无负载”意味着使燃气涡轮在恒定转速(例如，>1000rpm)下操作并且产生足够的功率以在没有从所附发电机单元施加的任何电负载的情况下至少操作涡轮压缩机。在一些实施例中，在恒速无负载下操作的燃气涡轮可具有全速运行但可不连接至电网的涡轮。
动力设备布置
现在转到附图且首先参照图1，示出了示例性动力设备布置10。示例性动力设备布置10可包括主空气压缩机12，用于将环境空气压缩成压缩环境气流26的至少第一部分。此外，动力设备布置10可包括可流体连接至主空气压缩机12的涡轮燃烧器32。压缩环境气流26的至少第一部分到涡轮燃烧器32的流可由空气喷射阀25调节。压缩环境气流26的至少第一部分的过量部分可在主空气压缩机12的输出部与通往涡轮燃烧器32的输入部之间泄放。在一些实施例中，压缩环境气流26的至少第一部分可经由可变放气阀14泄放至大气。
涡轮燃烧器32可构造成接收来自主空气压缩机12的压缩环境气流26的至少第一部分、来自涡轮压缩机30的再循环气流50的至少第一部分、以及燃料流28，以形成可燃混合物并燃烧该可燃混合物而生成再循环气流50。在一些实施例中，燃料流28可由气体控制阀27调节以输送燃料流率。此外，动力设备布置10可包括位于涡轮燃烧器32下游的涡轮34。涡轮34可构造成使再循环气流50膨胀，并且可经由涡轮轴22来驱动诸如涡轮发电机20的外部负载以发电。在所示的实施例10中，主空气压缩机12和涡轮压缩机30可经由涡轮轴22通过由涡轮34生成的功率来驱动。
在一些实施例中，主空气压缩机12还可包括可调节的进口导叶，以控制进入主空气压缩机12中的空气流。主空气压缩机的进口导叶可用于调节输送到涡轮燃烧器32的压缩环境气流26的至少第一部分的压力和流率。此外，涡轮压缩机30还可包括可调节的进口导叶，以控制进入涡轮压缩机30中的空气流。涡轮压缩机30的进口导叶可用于调节作为再循环气流50的至少第一部分从涡轮压缩机30输送到涡轮燃烧器32的输出压力和流率。
如文中所用，术语“再循环气流”指的是通过可燃混合物在涡轮燃烧器32中燃烧并流经再循环回路52而生成的气流。在一些实施例中，再循环气流可具有低氧气含量。术语“低氧气含量”指的是低于约5vol%、低于约2vol%或低于约1vol%的氧气含量。
如文中所用，术语“燃气涡轮组件”指的是动力设备布置除主空气压缩机12外的全部所列构件。在包括多个主空气压缩机的实施例中，术语“燃气涡轮组件”指的是动力设备布置除多个主空气压缩机外的全部所列构件。
在一些实施例中，再循环气流50可从涡轮34经再循环回路52被引向热回收蒸汽发生器36用于生成蒸汽。蒸汽涡轮还可构造成使用来自热回收蒸汽发生器36的蒸汽来生成另外的电力，并且蒸汽涡轮可连接到蒸汽发生器。在一些实施例中，热回收蒸汽发生器36与蒸汽涡轮和蒸汽发生器结合可构造成当再循环气流50的温度在从约200℃至约700℃、从约260℃至约600℃或者从约300℃至约550℃的范围内时生成另外的电力。在一些实施例中，蒸汽涡轮可布置成连接到涡轮轴22。再循环气流50然后可被引导回到再循环回路52中到达再循环气流冷却器40。在仍然其它实施例中，再循环回路52可不包含热回收蒸汽发生器36，并且再循环气流50可代之在从涡轮34离开后被直接导入再循环气流冷却器40中。在其它实施例中，再循环回路52可不包括再循环气流冷却器40。
在一些实施例中，再循环气流冷却器40可在涡轮34下游的任何位置结合在再循环回路52中。再循环气流冷却器40可构造成将再循环气流50的温度降低到合适的温度，以便经由再循环回路52向下游输送到涡轮压缩机30中。在一些实施例中，合适的温度可低于约66℃，低于约49℃，或者低于约45℃。
在一些实施例中，风机42可流体连接至再循环气流冷却器40上游的再循环回路52。风机42可构造成在经由再循环回路52输送到再循环气流冷却器40中之前提高再循环气流50的压力。
在一些实施例中，示例性动力设备布置10可包括位于涡轮压缩机30下游的旁通管道49，并且可经由涡轮压缩机排气44与再循环气流50的一部分流体连接。旁通管道49可用于使涡轮压缩机排气44的至少一部分作为具有旁通流率的旁通流绕开涡轮燃烧器32。在一些实施例中，通过旁通管道49的旁通流可由涡轮旁通阀47调节。涡轮旁通阀47可用于调节通过旁通管道49的旁通流率。在一些实施例中，旁通管道49可用于使再循环气流50的至少第二部分绕开涡轮燃烧器32。
在一些实施例中，旁通流可流体连接至涡轮34下游的再循环回路52。在仍然其它实施例中，进入旁通管道49中的旁通流的一部分可作为抽取流48被抽取并可由抽气阀45调节。
在一些实施例中，抽气阀45可在位于涡轮旁通阀47上游或下游的点流体连接至旁通管道49。在一些实施例中，抽取流48可流体连接至一个或更多另外的过程。在一些实施例中，旁通抽气阀45可经由抽取流48流体连接至诸如碳捕获隔离(CCS)系统的气体分离系统。在仍然其它实施例中，气体分离系统可产生浓缩二氧化碳和浓缩氮气的流，两者都具有低氧气含量。
再循环气流50的过量部分可在涡轮压缩机30的输出部与通往涡轮压缩机30的输入部之间的某处泄放。在一些实施例中，向大气泄放的燃气涡轮可与燃气涡轮组件流体连通，并且可位于涡轮压缩机30的输出部与涡轮压缩机30的输入部之间的任何位置。在一些实施例中，动力设备布置10可包括连接到再循环回路52的风门38。风门38可打开，以向大气泄放一部分再循环气流50。在一些实施例中，再循环气流50的过量部分可从旁通管道49泄放。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括次级流动路径31，该次级流动路径31可将再循环气流50的至少第三部分作为次级流从涡轮压缩机30输送到涡轮34。次级流可用于冷却和密封涡轮34，包括涡轮34的单独构件，诸如涡轮外罩、涡轮喷嘴、涡轮叶片顶端、涡轮轴承支承壳体等。在冷却和密封涡轮34和任何单独的涡轮构件之后，可将次级流引导到涡轮34的输出部下游的再循环回路52中。
如图1所示，在一些实施例中，涡轮轴22可为“冷端驱动”构造，意味着涡轮轴22可在涡轮组件的压缩机端连接到发电机20。在其它实施例中，涡轮轴22可为“热端驱动”构造，意味着涡轮轴22可在涡轮组件的涡轮端连接到发电机20。
如文中所用，术语“从属”与术语次级、辅助或另外同义。在下文的实施例中，术语“从属”指的是两个燃气涡轮组件中的第二个，但在下文的实施例中也可指与主燃气涡轮组件一起操作的任何另外的燃气涡轮组件，例如第二燃气涡轮组件。
在一些实施例中，主空气压缩机12可向从属涡轮燃烧器72输送压缩环境气体，该从属涡轮燃烧器72可经由系间管道19流体连接至主空气压缩机12。通过系间管道19的压缩环境气体流可由系间阀16进一步调节，以形成压缩环境气流66的至少第二部分。在一些实施例中，压缩环境气流66的至少第二部分可经由从属可变放气阀18向大气泄放。在一些实施例中，压缩环境气流66的至少第二部分到从属涡轮燃烧器72的流可由从属空气喷射阀65调节。
从属涡轮燃烧器72可构造成接收来自主空气压缩机12的压缩环境气流66的至少第二部分、来自从属涡轮压缩机70的从属再循环流90、以及从属燃料流68，以形成从属可燃混合物并燃烧该从属可燃混合物而生成从属再循环气流90。在一些实施例中，从属燃料流68可由从属气体控制阀67调节以输送从属燃料流率。此外，示例性动力设备布置10可包括位于从属涡轮燃烧器72下游的从属涡轮74。从属涡轮74可构造成使从属再循环气流90膨胀，并且可经由从属涡轮轴62来驱动诸如从属涡轮发电机60的外部负载以发电。
在一些实施例中，从属涡轮压缩机70还可包括可调节的进口导叶，以控制输送到从属涡轮压缩机70的空气的流率。在一些实施例中，从属涡轮压缩机70的进口导叶可用于调节作为从属再循环气流90从从属涡轮压缩机70输送到从属涡轮燃烧器72的流率和输出压力。
如文中所用，术语“从属再循环气流”指的是通过从属可燃混合物在从属涡轮燃烧器72中燃烧并流经从属再循环回路92而生成的气流。在一些实施例中，从属再循环气流90可包括低氧气含量。术语“低氧气含量”指的是低于约5vol%、低于约2vol%或者低于约1vol%的氧气含量。
在一些实施例中，从属再循环气流90可从从属涡轮燃烧器72经从属再循环回路92被引向从属热回收蒸汽发生器76，用于蒸汽的生成。从属蒸汽涡轮还可构造成使用来自从属热回收蒸汽发生器76的蒸汽来生成另外的电力，并且从属蒸汽涡轮可连接到从属蒸汽发生器。在一些实施例中，从属热回收蒸汽发生器76与从属蒸汽涡轮和从属蒸汽发生器结合可构造成当从属再循环气流90的温度在从约200℃至约700℃、从约260℃至约600℃或从约300℃至约550℃的范围内时生成另外的电力。在一些实施例中，从属蒸汽涡轮可布置成连接到从属涡轮轴62。从属再循环气流90然后可被引导回到从属再循环回路92中到达从属再循环气流冷却器80。在仍然其它实施例中，再循环回路92可不包含从属热回收蒸汽发生器76，并且从属再循环气流90可代之在从从属涡轮74离开后被直接导入从属再循环气流冷却器80中。在其它实施例中，从属再循环回路92可不包括从属再循环气流冷却器80。
从属再循环气流冷却器80可在从属涡轮74下游的任何位置结合在从属再循环回路92中。从属再循环气流冷却器80可构造成将从属再循环气流90的温度降低到合适的温度，以经由从属再循环回路92向下游输送到从属涡轮压缩机70中。在一些实施例中，合适的温度可低于约66℃，低于约49℃，或者低于约45℃。
在一些实施例中，从属风机82可流体连接至从属再循环气流冷却器80上游的从属再循环回路92。从属风机82可构造成在经由从属再循环回路92输送到从属涡轮压缩机70中之前提高从属再循环气流90的压力。
在一些实施例中，示例性动力设备布置10可包括位于从属涡轮压缩机70下游且经由从属涡轮压缩机输出流84与从属再循环气流90的一部分流体连接的从属旁通管道89。在一些实施例中，通过从属旁通管道89的从属旁通流可由从属涡轮旁通阀87调节。从属涡轮旁通阀87可用于调节通过从属旁通管道89的从属旁通流率。在一些实施例中，从属再循环气流90的至少第二部分可作为具有从属旁通流率的从属旁通流绕开从属涡轮燃烧器70。
在一些实施例中，从属旁通流可流体连接至涡轮74下游的从属再循环回路92。在仍然其它实施例中，进入从属旁通管道89中的从属旁通流的一部分可作为从属抽取流88被抽取并由从属抽气阀85调节。
在一些实施例中，从属旁通阀85可在位于从属涡轮旁通阀87上游或下游的点流体连接至从属旁通管道89。在一些实施例中，从属旁通流可被输送到一个或更多另外的过程。在一些实施例中，从属旁通抽气阀85可经由从属抽取流88流体连接至诸如碳捕获隔离(CCS)系统的从属气体分离系统。在仍然其它实施例中，从属气体分离系统可产生浓缩二氧化碳和浓缩氮气的流，两者都具有低氧气含量。
在一些实施例中，向大气泄放的从属燃气涡轮可与从属燃气涡轮组件流体连通，并且可位于从属涡轮压缩机70的输出部与从属涡轮压缩机70的输入部之间的任何位置。在一些实施例中，动力设备布置10可包括连接到从属再循环回路92的从属风门78。从属风门78可打开，以向大气泄放一部分从属再循环气流90。在一些实施例中，从属再循环气流90的过量部分可从从属旁通管道89泄放。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括从属次级流动路径71，该从属次级流动路径71可将从属再循环气流90的第三部分作为从属次级流从从属涡轮压缩机70输送到从属涡轮74。从属次级流可用于冷却和密封从属涡轮74，包括从属涡轮74的单独构件，诸如涡轮外罩、涡轮喷嘴、涡轮叶片顶端、涡轮轴承支承壳体等。在冷却和密封从属涡轮74和任何单独的涡轮构件之后，从属次级流可被引导到从属涡轮74下游的从属再循环回路92中。
如图1所示，在一些实施例中，从属涡轮轴62可为“冷端驱动”构造，意味着从属涡轮轴62可在涡轮组件的压缩机端连接到从属发电机60。在其它实施例中，从属涡轮轴62可为“热端驱动”构造，意味着从属涡轮轴62可在涡轮组件的涡轮端连接到从属发电机60。
图2是图1的示例性动力设备布置10的示例性构造100的概略图示。如参考图1所述，增压压缩机24可结合在主空气压缩机12下游并与主空气压缩机12流体连接，并且结合在涡轮燃烧器32上游并与涡轮燃烧器32流体连接。增压压缩机24可在输送到涡轮燃烧器32中之前进一步压缩压缩环境气流26的至少第一部分。类似地，从属增压压缩机64可结合在主空气压缩机12下游并与主空气压缩机12流体连接，并且结合在从属涡轮燃烧器72上游并与从属涡轮燃烧器72流体连接。从属增压压缩机64可在输送到从属涡轮燃烧器72中之前进一步压缩压缩环境气流66的至少第二部分。
在一些实施例中，动力设备布置包括一个燃气涡轮组件。在其它实施例中，动力设备布置包括由系间管道19流体连接的两个燃气涡轮组件。如文中所用，术语“系间管道”可指两个或更多燃气涡轮组件与一个或更多主空气压缩机之间的流体连接。在仍然其它实施例中，动力设备布置包括三个或更多燃气涡轮组件和一个或更多另外的主空气压缩机，其中另外的主空气压缩机彼此流体连接并与燃气涡轮组件流体连接。在又其它实施例中，动力设备布置构造成用于基本上化学计量燃烧。在仍然其它实施例中，动力设备布置构造成用于基本上零排放发电。
在一些实施例中，燃料流28和/或从属燃料流68可包括有机气体，包括但不限于甲烷、丙烷和/或丁烷。在仍然其它实施例中，燃料流28和/或从属燃料流68可包括有机液体，包括但不限于甲醇和/或乙醇。在又其它实施例中，燃料流28和/或从属燃料流68可包括从诸如煤的固体含碳材料获得的燃料源。
用于操作动力设备的方法
在一些实施例中，提供了一种用于操作示例性动力设备布置10的方法，其中系间阀16可关闭。在操作中，环境空气可由主空气压缩机12压缩，以形成具有压缩环境气体流率的压缩环境气流26的至少第一部分。压缩环境气流26的至少第一部分可从主空气压缩机12输送到涡轮燃烧器32并可由空气喷射阀25调节。压缩环境气流26的至少第一部分的流还可由可变放气阀14调节。
压缩环境气流的至少第一部分可在涡轮燃烧器32中与再循环气流50的至少第一部分和燃料流28混合而形成可燃混合物。燃料流28的流率可由气体控制阀27调节。可燃混合物然后可在涡轮燃烧器32中被点燃并燃烧，从而形成可驱动涡轮34和涡轮压缩机30两者以产生涡轮功率的再循环气流50。
如文中所用，术语“驱动”和“驱动的”意味着再循环气流50在涡轮34中膨胀从而导致涡轮34旋转。涡轮34经由涡轮轴22连接到涡轮压缩机30，因此涡轮34的旋转导致了涡轮压缩机30的旋转。涡轮轴22也可在涡轮发电机20中旋转并且还可发电。
如图1所示，在一些实施例中，涡轮轴22可为“冷端驱动”构造，意味着涡轮轴22可在涡轮组件的压缩机端连接到发电机20。在其它实施例中，涡轮轴22可为“热端驱动”构造，意味着涡轮轴22可在涡轮组件的涡轮端连接到发电机20。
在一些实施例中，再循环气流50的至少一部分可再循环通过再循环回路52。再循环回路52可将涡轮34的输出部与涡轮压缩机30的输入部流体连接。再循环气流50还可经过热回收蒸汽发生器36、再循环气流冷却器40和涡轮风机42从涡轮34的输出部来到涡轮压缩机30的输入部。
再循环气流50的过量部分(如果有的话)可在涡轮压缩机30的输出部与通往涡轮压缩机30的输入部之间的位置从系统泄放。泄放步骤可用于防止燃气涡轮组件的过压。在一些实施例中，泄放步骤可用于降低从涡轮压缩机30输送到涡轮燃烧器32的再循环气流50的压力。在一些实施例中，该操作方法还可包括向大气打开可流体连接至再循环回路52的风门38。
在一些实施例中，涡轮压缩机30的排气的至少一部分可经由旁通管道49绕开涡轮燃烧器32。如文中所用，涡轮压缩机30的“排气”可为压缩再循环气流50从涡轮压缩机30的输出。旁通流率可由涡轮旁通阀47调节。在一些实施例中，旁通管道49可将旁通流输送到涡轮34下游的再循环回路52。在一些实施例中，再循环气流50的至少第二部分可作为具有从属旁通流率的从属旁通流绕开从属涡轮燃烧器32。
在一些实施例中，进入旁通管道49中的旁通流的一部分可作为抽取流48被抽取并且可由抽气阀45调节。在一些实施例中，抽气阀45可在位于涡轮旁通阀47上游或下游的点流体连接至旁通管道49。在一些实施例中，旁通流可被引向第二过程。在一些实施例中，旁通流的至少一部分可被输送到气体分离系统。在一些实施例中，旁通抽气阀45可经由抽取流48流体连接至诸如碳捕获隔离(CCS)系统的气体分离系统。在仍然其它实施例中，气体分离系统可产生浓缩二氧化碳和浓缩氮气的流，两者都具有低氧气含量。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括次级流动路径31，该次级流动路径31可将再循环气流50的至少第三部分作为次级流从涡轮压缩机30输送到涡轮34。次级流可用于冷却和密封涡轮34，包括涡轮34的单独构件，诸如涡轮外罩、涡轮喷嘴、涡轮叶片顶端、涡轮轴承支承壳体等。在冷却和密封涡轮34和任何单独的涡轮构件之后，可将次级流引导到涡轮34的输出部附近的再循环回路52中。
在一些实施例中，通过可燃混合物的燃烧而生成的涡轮功率可用于使涡轮轴22旋转，该涡轮轴22可构造成当在涡轮发电机20中旋转时发电。在一些实施例中，可使用基本上化学计量燃烧来发电。
在仍然其它实施例中，提供了一种用于操作示例性动力设备构造100的方法，并且该方法可包括增压压缩机24的使用，该增压压缩机24可结合在主空气压缩机12下游并与主空气压缩机12流体连接，并且结合在涡轮燃烧器32上游并与涡轮燃烧器32流体连接。增压压缩机24可在输送到涡轮燃烧器32中之前进一步压缩压缩环境气流26的至少第一部分。增压压缩机24的排气可被输送到涡轮燃烧器32。在一些实施例中，增压压缩机24的排气可由空气喷射阀25调节。
用于在恒速无负载下操作动力设备的方法
在另一实施例中，提供了一种用于在恒速无负载下操作示例性动力设备布置10的方法，其中系间阀16可关闭。
恒速无负载操作可考虑用于操作的若干因素。第一，由涡轮34产生的功率应该等于主空气压缩机12(如果附接到涡轮轴22)所消耗的功率加涡轮压缩机30所消耗的功率。第二，燃气涡轮组件的排气温度可被维持在合适的温度，以使热回收蒸汽发生器36能够操作。第三，进入涡轮燃烧器32的压缩环境气流26的至少第一部分的压力应该大于或基本上等于从涡轮压缩机30进入涡轮燃烧器32的再循环气流50的至少第一部分的压力。第四，压缩环境气流26的至少第一部分与再循环气流50的至少第一部分的组合应该存在充分的氧气，使得燃烧可在涡轮燃烧器32中进行而不会贫油熄火。
此外，上文在章节“动力设备布置”中所述的设备的每一个元件都可影响恒速无负载操作。在恒速无负载操作时，涡轮34以恒定速度旋转，但涡轮发电机20未接合而发电。主空气压缩机12可具有设定成允许匹配或超过来自涡轮压缩机30的流的压力所需的最低流量的进口导叶。涡轮压缩机30可具有设定成允许向涡轮燃烧器32提供主空气压缩机12未提供的任何必要的剩余流所需的最低流量的进口导叶。可变放气阀14可关闭。系间阀16可关闭。燃料流28的燃料流率可结合压缩环境气流26的至少第一部分和再循环气流50的至少第一部分的流率的组合来设定，以通过燃烧提供充分的涡轮功率。此外，再循环气流50的过量部分可从燃气涡轮组件泄放，使得组件不会过压。
在下文详细说明的一些实施例中，旁通管道49可用于将来自涡轮压缩机30的额外压力作为旁通流“排出”。旁通流可由涡轮旁通阀47调节。跨过涡轮34的流量可等于来自涡轮压缩机30的流率乘以一减涡轮旁通阀打开百分比，加上压缩环境气流26的至少第一部分的流率加上燃料流26的流率。于是，涡轮功率可等于跨过涡轮34的流量乘以跨过涡轮34抽取的比功。从涡轮34抽取的比功可与跨过涡轮34的压降和温降成正比。跨过涡轮区段的温降可受涡轮34进口温度影响，涡轮34进口温度可受进入涡轮燃烧器32中的燃料流影响。
在操作中，环境空气可由主空气压缩机12压缩，以形成具有压缩环境气体流率的压缩环境气流26的至少第一部分。在一些实施例中，通往主空气压缩机12的进口导叶可用于控制压缩环境气体流率，并且可被调节到约30°至约55°、从约35°至约50°或者从约40°至约45°的范围。压缩环境气流26的至少第一部分可从主空气压缩机12输送到涡轮燃烧器32，并且该流可由空气喷射阀25进一步调节。在一些实施例中，压缩环境气流26的至少第一部分的流可另外由可变放气阀14调节。可调节压缩环境气体流率，以控制压缩环境气流26输送到涡轮燃烧器32的压力。
压缩环境气流26的至少第一部分可在压力下从主空气压缩机12输送到涡轮燃烧器32，该压力大于或基本上等于作为具有再循环低氧气含量气体流率的再循环气流50的至少第一部分从涡轮压缩机30输送到涡轮燃烧器32的输出压力。燃料流28也可以某一燃料流率输送到涡轮燃烧器32。在实施例中，燃料流率、压缩环境气体流率和再循环气体流率可足以维持涡轮燃烧器32中的燃烧。
再循环气流50的至少第一部分具有可被调节的流率。调节再循环气流50的至少第一部分的流率可控制从涡轮压缩机30输送到涡轮燃烧器32的输出压力。在一些实施例中，涡轮压缩机30的进口导叶可用于调节再循环低氧气含量流率和压力。在一些实施例中，可将涡轮压缩机30的进口导叶调节到约35°至约65°、约40°至约60°或约45°至约55°的范围。
在一些实施例中，燃料流28的燃料流率可由气体控制阀27调节，以提供在约10pps至约30pps、约15pps至约25pps或从约18pps至约22pps的范围内的燃料流率。如文中所用，术语“pps”意味着磅每秒并以质量标明流率。
压缩环境气流26的至少第一部分可在涡轮燃烧器32中与再循环气流50的至少第一部分和燃料流29混合而形成可燃混合物。可燃混合物然后可在涡轮燃烧器32中被点燃并燃烧，从而形成再循环气流50并驱动涡轮34和涡轮压缩机30两者，并且产生至少基本上等于使涡轮压缩机30旋转所需的功率的涡轮功率。如文中所用，术语“驱动”意味着涡轮34和涡轮压缩机30两者都旋转。因此，可燃混合物的燃烧可产生至少基本上等于使涡轮压缩机旋转所需的功率的涡轮功率。
再循环气流50的至少一部分可再循环通过再循环回路52。再循环回路52可将涡轮34的输出部与涡轮压缩机30的输入部流体连接。再循环气流50还可经过热回收蒸汽发生器36、再循环气流冷却器40和涡轮风机42从涡轮34的输出部来到涡轮压缩机30的输入部。
在一些实施例中，再循环气流50可被引导通过热回收蒸汽发生器36，用于蒸汽的生成。蒸汽涡轮还可构造成使用来自热回收蒸汽发生器36的蒸汽生成另外的电力，并且蒸汽涡轮可连接到蒸汽发生器。在一些实施例中，热回收蒸汽发生器36可构造成当再循环气流50的温度在从约200℃至约700℃、从约260℃至约600℃或者从约300℃至约550℃的范围内时生成另外的电力。在一些实施例中，蒸汽涡轮可连接到涡轮轴22。
再循环气流50的过量部分可在涡轮压缩机30的输出部与通往涡轮压缩机30的输入部之间的位置从系统泄放。泄放步骤可用于防止燃气涡轮组件的过压。在一些实施例中，泄放步骤可用于降低从涡轮压缩机30输送到涡轮燃烧器32的再循环气流50的压力。在一些实施例中，泄放方法还可包括向大气打开可流体连接至再循环回路52的风门38。
在一些实施例中，涡轮压缩机30的排气的至少第二部分可经由旁通管道49绕开涡轮燃烧器32。如文中所用，涡轮压缩机30的“排气”可为压缩再循环气流50从涡轮压缩机30的输出。此外，旁通管道49可将旁通流输送到涡轮34下游的再循环回路52。在一些实施例中，涡轮压缩机30的排气可作为具有旁通流率的旁通流绕开涡轮燃烧器32，其中该旁通流率可被调节。在一些实施例中，可使用涡轮旁通阀47来调节旁通流率。在一些实施例中，涡轮旁通阀47可构造成以在涡轮压缩机30的输出流率的约20%至约80%、从约30%至约70%或从约40%至约60%的范围内的旁通流率输送旁通流。
在一些实施例中，进入旁通管道49中的旁通流的一部分可作为抽取流48被抽取并且可由抽气阀45调节。在一些实施例中，旁通阀45可在位于涡轮旁通阀47上游或下游的点流体连接至旁通管道49。在一些实施例中，旁通流可被输送到第二过程。在一些实施例中，旁通流的至少一部分可被输送到气体分离系统。在一些实施例中，旁通抽气阀45可经由抽取流48流体连接至诸如碳捕获隔离(CCS)系统的气体分离系统。在仍然其它实施例中，气体分离系统可产生浓缩二氧化碳和浓缩氮气的流，两者都具有低氧气含量。
在一些实施例中，压缩环境气流26的至少第一部分可在可基本上等于从涡轮压缩机30到涡轮燃烧器32的输出压力的压力下输送到涡轮燃烧器32。如文中所用，术语“基本上等于”意味着小于约10%、小于约5%或小于约1%的压差。在一些实施例中，压缩环境气流26的至少第一部分可在可大于或基本上等于从涡轮压缩机30到涡轮燃烧器32的输出压力的压力下输送到涡轮燃烧器32。
在一些实施例中，涡轮轴22可将涡轮34连接到涡轮压缩机30。在恒速无负载操作下，通过燃烧可燃混合物产生的涡轮功率可基本上等于使涡轮压缩机30旋转所需的功率。在其它实施例中，涡轮轴22还可连接到主空气压缩机12，其中通过燃烧可燃混合物产生的涡轮功率可基本上等于使涡轮压缩机30和主空气压缩机12两者旋转所需的功率。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括次级流动路径31，该次级流动路径31可将再循环气流50的至少第三部分作为次级流从涡轮压缩机30输送到涡轮34。次级流可用于冷却和密封涡轮34，包括涡轮34的单独构件，诸如涡轮外罩、涡轮喷嘴、涡轮叶片顶端、涡轮轴承支承壳体等。在冷却和密封涡轮34和任何单独的涡轮构件之后，可将次级流引导到涡轮34的输出部附近的再循环回路52中。
在仍然其它实施例中，提供了一种用于在恒速无负载下操作示例性动力设备构造100的方法，并且该方法可包括增压压缩机24的使用，该增压压缩机24可结合在主空气压缩机12下游并与主空气压缩机12流体连接，并且结合在涡轮燃烧器32上游并与涡轮燃烧器32流体连接。增压压缩机24还可在输送到涡轮燃烧器32中之前压缩压缩环境气流26的至少第一部分。增压压缩机24的排气可被输送到涡轮燃烧器32。在一些实施例中，增压压缩机24的排气可由空气喷射阀25调节。
在一些实施例中，该方法包括操作包括一个燃气涡轮组件的动力设备布置。在其它实施例中，该方法包括操作动力设备布置，该动力设备布置包括由系间管道19流体连接的两个燃气涡轮组件。如文中所用，术语“系间管道”可指两个或更多燃气涡轮组件与一个或更多主空气压缩机之间的流体连接。在仍然其它实施例中，该方法包括操作动力设备布置，动力设备布置包括三个或更多燃气涡轮组件和一个或更多另外的主空气压缩机，其中另外的主空气压缩机彼此流体连接并与燃气涡轮组件流体连接。在又其它实施例中，该方法包括操作构造成用于基本上化学计量燃烧的动力设备布置。在仍然其它实施例中，该方法包括操作构造成用于基本上零排放发电的动力设备布置。
包括授予DanielSnook、LisaWichmann、SamDraper和NoemieDionOuellet的“PowerPlantandMethodofUse”(2011年8月25日提交)、授予DanielSnook、LisaWichmann、SamDrape、NoemieDionOuellet和ScottRittenhouse的“PowerPlantandMethodofOperation”(2011年8月25日提交)、授予DanielSnook,LisaWichmann、SamDraper、NoemieDionOuellet和ScottRittenhouse的“PowerPlantStart-UpMethod”(2011年8月25日提交)、授予DanielSnook、LisaWichmann、SamDraper和NoemieDionOuellet的“PowerPlantandControlMethod”(2011年8月25日提交)、授予PredragPopovic的“PowerPlantandMethodofOperation”(2011年8月25日提交)、授予SamDraperandKennethKohl的“PowerPlantandMethodofOperation”(2011年8月25日提交)、授予SamDraper的“PowerPlantandMethodofOperation”(2011年8月25日提交)、授予SamDraper的“PowerPlantandMethodofOperation”(2011年8月25日提交)、授予LisaWichmann的“PowerPlantandMethodofOperation”(2011年8月25日提交)以及授予KarlDeanMinto的“PowerPlantandControlMethod”(2011年8月25日提交)的美国专利申请提供了其它构造和操作方法，这些申请的公开内容通过引用并入本文中。
应该显而易见的是，前文仅涉及本发明的优选实施例，并且可在文中作出许多变更和修改而不偏离如由所述权利要求及其等同限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于在恒速无负载下操作动力设备(10)的方法，包括：
利用至少一个主空气压缩机(12)压缩环境空气，以形成具有压缩环境气体流率的压缩环境气流(26)；
将所述压缩环境气流(26)的至少第一部分在压力下从所述至少一个主空气压缩机(12)输送到涡轮燃烧器(32)，所述压力大于或等于作为具有再循环气体流率的再循环气流(50)的至少第一部分从涡轮压缩机(30)输送到所述涡轮燃烧器(32)的输出压力；
以燃料流率将燃料流(28)输送到所述涡轮燃烧器(32)，其中所述燃料流率、所述压缩环境气体流率以及所述再循环气体流率足以维持燃烧；
使所述压缩环境气流(26)的至少第一部分在所述涡轮燃烧器(32)中与所述再循环气流(50)的至少第一部分和所述燃料流(28)混合而形成可燃混合物；
使所述可燃混合物在所述涡轮燃烧器(32)中燃烧，以形成所述再循环气流(50)；
使用所述再循环气流(50)驱动连接到所述涡轮燃烧器(32)的涡轮(34)，使得所述涡轮(34)和涡轮压缩机(30)旋转，并且产生至少等于使所述涡轮压缩机(30)旋转所需的功率的涡轮功率；
使所述再循环气流(50)的至少一部分再循环通过再循环回路(52)，其中所述再循环气流(50)的至少一部分从所述涡轮(34)再循环到所述涡轮压缩机(30)；以及
在所述涡轮压缩机(30)的输出部与通往所述涡轮压缩机(30)的输入部之间泄放所述再循环气流(50)的过量部分，或者使涡轮压缩机排气(44)的至少一部分作为具有旁通流率的旁通流绕开所述涡轮燃烧器(32)，或者两者兼有。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括输送次级流通过次级流动路径(31)，其中所述次级流动路径(31)将所述再循环气流(50)的至少第二部分从所述涡轮压缩机(30)输送到所述涡轮(34)以冷却和密封所述涡轮(34)，并且随后输送到所述再循环回路(52)中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调节所述旁通流率，使得从所述涡轮压缩机(30)输送到所述涡轮燃烧器(32)的输出压力小于或等于从所述至少一个主空气压缩机(12)输送到所述涡轮燃烧器(32)的所述压缩环境气流(26)的至少第一部分的压力。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过机械地连接到所述涡轮(34)和所述涡轮压缩机(30)的涡轮轴(22)的旋转来驱动所述至少一个主空气压缩机(12)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述涡轮功率等于使所述涡轮压缩机(30)旋转所需的功率和驱动所述至少一个主空气压缩机(12)所需的功率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如果具有所述压缩环境气流(26)的至少第一部分的过量部分，则在所述至少一个主空气压缩机(12)的输出部与所述涡轮燃烧器(32)的输入部之间泄放所述压缩环境气流(26)的至少第一部分的所述过量部分。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旁通流流体连接至抽气阀(45)，并且所述旁通流的至少一部分被输送到第二过程。
8.一种用于操作动力设备(10)的方法，包括：
利用至少一个主空气压缩机(12)压缩环境空气，以形成具有压缩环境气体流率的压缩环境气流(26)；
将所述压缩环境气流(26)的至少第一部分从所述至少一个主空气压缩机(12)输送到涡轮燃烧器(32)；
使所述压缩环境气流(26)的至少第一部分与再循环气流(50)的至少第一部分和燃料流(28)混合，以在所述涡轮燃烧器(32)中形成可燃混合物；
使所述可燃混合物在所述涡轮燃烧器(32)中燃烧，以形成所述再循环气流(50)；
使用所述再循环气流(50)驱动连接到所述涡轮燃烧器(32)的涡轮(34)，使得所述涡轮(34)和涡轮压缩机(30)旋转，并产生涡轮功率；
使所述再循环气流(50)的至少一部分再循环通过再循环回路(52)，其中所述再循环气流(50)的至少一部分从所述涡轮(34)再循环到所述涡轮压缩机(30)；以及
如果有则在所述涡轮压缩机(30)的输出部与通往所述涡轮压缩机(30)的输入部之间泄放所述再循环气流(50)的过量部分，或者使涡轮压缩机排气(44)的至少一部分作为具有旁通流率的旁通流绕开所述涡轮燃烧器(32)，或者两者兼有。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括输送次级流通过次级流动路径(31)，其中所述次级流动路径(31)将所述再循环气流(50)的至少第二部分从所述涡轮压缩机(30)输送到所述涡轮(34)以冷却和密封所述涡轮(34)，并且随后输送到所述再循环回路(52)中。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用化学计量燃烧来发电。
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