CN102953818A - 功率设备和操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率设备和操作方法。更具体而言，一种功率设备包括至少一个主空气压缩机(12)和至少一个燃气涡轮组件。该组件包括涡轮燃烧器(32)，涡轮燃烧器(32)用于将压缩的环境气体流(26)与再循环低氧含量气体流(50)和燃料流(28)混合以形成可燃混合物，用于燃烧以形成再循环低氧含量流(50)。再循环回路(52)将再循环低氧含量气体流(50)从涡轮(34)再循环到涡轮压缩机(30)。集成入口抽气热管道(44)将至少一个燃气涡轮组件流体连接到至少一个主空气压缩机(12)的输入并将再循环低氧含量气体流(50)的至少一部分从至少一个燃气涡轮组件输送到至少一个主空气压缩机(12)的输入。
Description
技术领域
本公开的主题大体上涉及功率设备领域，并且更具体而言涉及操作化学计量排气再循环涡轮系统的方法。
背景技术
各种类型的燃气涡轮系统是已知的，并且在功率设备中用于发电。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以产生排气的涡轮燃烧器。排气可然后通过涡轮膨胀，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中使用过量的空气来控制涡轮温度和管理不期望的排放物。这往往导致具有大量多余氧气的排气流。
因此，存在对这样一种功率设备系统(arrangement)的需要，其使用可在没有具有大量多余氧气的排气流的情况下操作的燃气涡轮系统。此外，将希望这种功率设备系统提供一种选择，以通过处理排气而进一步减少排放和/或回收二氧化碳、氮气和水的流。
发明内容
在一个方面，提供了一种功率设备系统。该功率设备系统包括用于将环境空气压缩成压缩的环境气体的至少一个主空气压缩机和至少一个燃气涡轮组件。燃气涡轮组件包括涡轮燃烧器，其流体连接到至少一个主空气压缩机，用于将压缩的环境气体与再循环低氧含量气体流的至少第一部分和燃料流混合以形成可燃混合物，并且用于燃烧可燃混合物和形成再循环的低氧含量流。燃气涡轮组件还包括连接到涡轮燃烧器和涡轮轴的涡轮。涡轮被布置成由来自涡轮燃烧器的再循环低氧含量气体流驱动。该组件还包括涡轮压缩机，该涡轮压缩机流体连接到涡轮燃烧器，并且连接到涡轮轴且被布置成由涡轮轴驱动。该组件还包括用于将再循环低氧含量气体流从涡轮再循环到涡轮压缩机的再循环回路。最后，该组件包括集成入口抽气热管道，该管道用于将至少一个燃气涡轮组件流体连接到至少一个主空气压缩机的输入，用于将再循环低氧含量气体流的至少第二部分从至少一个燃气涡轮组件输送到至少一个主空气压缩机的输入。
在另一方面，提供了一种用于操作功率设备的方法。该方法包括：用至少一个主空气压缩机压缩环境空气以形成压缩的环境气体流；将压缩的环境气体流输送到至少一个燃气涡轮组件的涡轮燃烧器；以及将压缩的环境气体流与再循环低氧含量气体流的至少第一部分和燃料流混合以形成可燃混合物并在涡轮燃烧器中燃烧该混合物以产生再循环低氧含量气体流。该方法还包括使用再循环低氧含量气体流驱动涡轮，其中涡轮连接到涡轮轴。流体连接到涡轮燃烧器的涡轮压缩机由涡轮轴的旋转来驱动。该方法还包括使用再循环回路将再循环低氧含量气体流从涡轮再循环到涡轮压缩机。另外，该方法包括使用集成入口抽气热管道将再循环低氧含量气体流的至少第二部分从至少一个燃气涡轮组件抽出到至少一个主空气压缩机的输入，其中入口抽气热管道将至少一个燃气涡轮组件流体连接到至少一个主空气压缩机的输入。
另外的方面将在随后的描述中部分地阐述，并且将从该描述部分地显而易见，或者可通过实践下文描述的方面来了解。下文描述的优点将依靠在所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和获得。应当理解，前述一般描述和下面的详细描述仅仅是示例性和说明性的，而不是限制性的。
附图说明
当参照附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，构件未必按比例绘出，并且其中在全部附图中对应的附图标记指示对应的构件，其中：
图1是根据本发明的实施例的示例性功率设备系统10的示意图。
图2是根据本发明的实施例的另一个示例性功率设备系统100的示意图。
部件列表
10 示例性功率设备系统
12 主空气压缩机
14 可变抽气阀
16 列间阀
18 次要可变抽气阀
19 列间管道
20 涡轮发电机
22 涡轮轴
24 增压压缩机
25 空气流量阀
26 压缩的环境气体流的第一部分
27 燃料流阀
28 燃料流
30 涡轮压缩机
31 第二流体通道
32 涡轮燃烧器
34 涡轮
36 热回收蒸汽发生器
38 挡风门
40 再循环气体流冷却器
41 涡轮压缩机输出流
42 鼓风机
43 可调式集成入口抽气热阀
44 集成入口抽气热管道
45 再循环气体流抽出阀
47 涡轮旁路阀
48 排气抽出点
49 涡轮旁路管道
50 再循环低氧含量气体流
52 再循环回路
60 次要涡轮发电机
62 次要涡轮轴
64 次要增压压缩机
65 次要空气流量阀
66 压缩的环境气体流的第二部分
67 次要燃料流阀
68 次要燃料流
70 次要涡轮压缩机
71 次要第二流体通道
72 次要涡轮燃烧器
74 次要涡轮
76 次要热回收蒸汽发生器
78 次要挡风门
80 次要再循环气体流冷却器
81 次要涡轮压缩机输出流
82 次要鼓风机
85 次要再循环气体流抽出阀
87 次要涡轮旁路阀
88 次要排气抽出点
89 次要涡轮旁路管道
90 次要再循环低氧含量气体流
92 次要再循环回路
100 另一个示例性功率设备系统。
具体实施方式
在以下描述中，给出了许多特定细节以提供对实施例的充分理解。这些实施例可以在没有特定细节中的一个或多个的情况下或利用其它方法、构件、材料等来实践。在其它情况下，为了避免使实施例的方面模糊而没有详细示出或描述熟知的结构、材料或操作。
在说明书全文中，对“一个实施例”、“一实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在该说明书全文中，在不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部指的是相同实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
发电行业的最近要求迫切地需要开发一种燃气涡轮系统，该系统可被构造成消耗在空气工作流体中的几乎所有氧以产生基本上无氧的排气流。这样的排气流可以更容易地适合使用NOx催化剂来减少排放。另外，这样的排气流由于低氧浓度而可更好地适合实现(post)燃烧碳捕集解决方案。此外，很大程度上无氧的排气流可更容易适用于提高油回收应用。
来自燃气涡轮的基本上无氧的排气可通过在燃烧系统中的化学计量燃烧来实现。也就是说，含氧新鲜空气供应可以匹配到燃料流，使得燃烧过程在接近燃烧化学计量处进行。
甲烷和氧的化学计量燃烧反应示出如下：
化学计量燃烧导致对于在燃气涡轮发动机中采用的材料和冷却技术的可能太高的气体温度。为了降低这样高的温度，燃气涡轮排放产物的一部分可以再循环回燃烧系统以稀释燃烧温度。理想的是，这种稀释气体也应是显著不含氧的，以免将另外的氧气引入到系统中，并且从而降低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)。
如下文详细讨论地，通过使用可以允许用于发电的基本上化学计量的燃烧反应的SEGR循环，本发明的实施例可用来最小化燃气涡轮功率设备系统中的排放。SEGR燃气涡轮可被构造成使得提供低氧含量的排气。这种低氧含量排气可与NOx还原催化剂一起使用来提供也可不含NOx污染物的排气流。
在一些实施例中，不受任何理论约束，集成入口抽气热可用来在起动期间保护压缩机并加热压缩机入口，以便在操作期间将更少量的空气吸入压缩机中。在一些特定实施例中，该技术包括使用SEGR循环来提供二氧化碳、氮气和水的低氧含量流。
功率设备系统
现在转到附图并首先参考图1，示出了功率设备系统10。功率设备系统10包括主空气压缩机12，用于将环境空气压缩成压缩的环境气体流26的至少第一部分。压缩的环境气体流26的至少第一部分可经由可变抽气阀14排放至大气。此外，功率设备系统10包括流体连接到主空气压缩机12的涡轮燃烧器32。涡轮燃烧器32被构造成接纳来自主空气压缩机12的压缩的环境气体流26的至少第一部分、来自涡轮压缩机30的再循环低氧含量气体流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可燃混合物以产生再循环低氧含量气体流50。压缩的环境气体流26的至少第一部分的流可由空气流量阀25调节。燃料流28的流量可由燃料流阀27调节。
此外，功率设备系统10包括位于涡轮燃烧器32下游的涡轮34。涡轮34被构造成使再循环低氧含量气体流50膨胀并可经由涡轮轴22驱动诸如涡轮发电机20的外部负载以发电。在图示实施例10中，主空气压缩机12和涡轮压缩机30由涡轮34产生的功率经由涡轮轴22驱动。
如图1所示，在一些实施例中，涡轮轴22可以是“冷端驱动”构型，这意味着涡轮轴22可以在涡轮组件的压缩机端处连接到涡轮发电机20。在其它实施例中，涡轮轴22可以是“热端驱动”构型，这意味着涡轮轴22可以在涡轮组件的涡轮端处连接到涡轮发电机20。
如本文所用，术语“再循环低氧含量气体流”是指通过可燃混合物在涡轮燃烧器32中的燃烧而产生且流过再循环回路52的气体流。在一些实施例中，术语“低氧含量”是指低于约5 vol%、低于约2 vol%或低于约1 vol%的氧含量。
如本文所用，术语“燃气涡轮组件”是指除了主空气压缩机12之外的功率设备系统的所列出的所有构件。在包括多个主空气压缩机的实施例中，术语“燃气涡轮组件”是指除了多个主空气压缩机之外的功率设备系统的所列出的所有构件。
在一些实施例中，可将再循环低氧含量气体流50从涡轮34通过再循环回路52导向至热回收蒸汽发生器36以用于产生蒸汽。蒸汽涡轮可被构造成使用来自热回收蒸汽发生器36的蒸汽产生附加的电力，并且蒸汽涡轮可连接到蒸汽发生器。在一些实施例中，蒸汽涡轮可被布置成连接到涡轮轴22。再循环低氧含量气体流50然后可被导向返回再循环回路52中至再循环气体流冷却器40。在又一实施例中，再循环回路52可不包含热回收蒸汽发生器36，并且再循环低氧含量气体流50可以相反在离开涡轮34之后被直接引入再循环气体流冷却器40。在其它实施例中，再循环回路52可不包括再循环气体流冷却器40。
再循环气体流冷却器40可在涡轮34下游任意位置合并入再循环回路52中。再循环气体流冷却器40可被构造成将再循环低氧含量气体流50的温度降低至合适的温度用于在下游经由再循环回路52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℃或低于约45℃。
在一些实施例中，功率设备系统10可包括集成入口抽气热管道44，其将燃气涡轮组件流体连接到主空气压缩机12的输入。集成入口抽气热管道44可被构造成将再循环低氧含量气体流50的至少第二部分从燃气涡轮组件输送到主空气压缩机12的输入。再循环低氧含量气体流50的至少第二部分通过集成入口抽气热管道44的流可由可调式集成入口抽气热阀43来调节。
如图1所描绘的，集成入口抽气热管道44可以将涡轮压缩机30的输出流体连接到主空气压缩机12的输入。现在转到图2，在另一实施例中，集成入口抽气热管道44可以将再循环回路52中的至少一个点流体连接到主空气压缩机12的输入。在一些实施例中，集成入口抽气热管道44可以在再循环气体流冷却器40上游的点处连接到再循环回路52。在其它实施例中，集成入口抽气热管道44可在热回收蒸汽发生器36上游的点处连接到再循环回路52。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括第二流体通道31，第二流体通道31将再循环低氧含量气体流50的至少第三部分作为第二流从涡轮压缩机30输送到涡轮34。第二流可用来冷却和密封涡轮34，包括涡轮34的各个构件，诸如，涡轮护罩、涡轮喷嘴、涡轮叶片顶端、涡轮轴承支撑外壳等。在冷却和密封涡轮34和任何单独的涡轮构件之后，第二流可以在涡轮34的输出附近导向至再循环回路52中。
在一些实施例中，功率设备系统10还可包括将涡轮压缩机30的输出与再循环回路52流体连接的涡轮旁路管道49。涡轮旁路管道49可被构造成将再循环低氧含量气体流50的至少第四部分旁路涡轮燃烧器32，并且将再循环低氧含量气体流50的至少第四部分的旁路流输送到涡轮34下游的再循环回路52。在一些实施例中，旁路流可由涡轮旁路阀47调节。
在一些实施例中，功率设备系统10还可包括再循环气体流抽出(extraction)阀45，再循环气体流抽出阀45位于涡轮压缩机30下游且经由涡轮压缩机输出流41与再循环低氧含量气体流50的至少第五部分流体连接。在一些实施例中，再循环气体流抽出阀45可流体连接到涡轮旁路管道49。在其它实施例中，再循环气体流抽出阀45可在涡轮旁路阀47上游或下游的点处流体连接到涡轮旁路管道49。在一些实施例中，再循环气体流抽出阀45可经由排气抽出点48流体连接到诸如碳捕集封存(CCS)系统的气体分离系统。在又一实施例中，气体分离系统可产生浓缩的二氧化碳和浓缩的氮气的流，两者都具有低的氧含量。
在一些实施例中，增压压缩机24可合并入主空气压缩机12下游且与主空气压缩机12流体连接并且合并入涡轮燃烧器32上游且与涡轮燃烧器32流体连接。增压压缩机24可将压缩的环境气体流26在输送到涡轮燃烧器32中之前进一步压缩。
在又一些其它实施例中，鼓风机42可流体连接到再循环气体流冷却器40上游或下游的再循环回路52。鼓风机42可被构造成在再循环低氧含量气体流50经由再循环回路52输送到涡轮压缩机30中之前增加再循环低氧含量气体流50的压力。
在一些实施例中，主空气压缩机12还可包括可调式入口导叶以控制进入主空气压缩机12的空气流。另外，涡轮压缩机30还可包括可调式入口导叶以控制进入涡轮压缩机30的空气流。
在一些实施例中，功率设备系统10可包括连接到再循环回路52的挡风门(damper door)38。挡风门38可打开以将再循环低氧含量气体流50的一部分排放到大气。
如本文所用，术语“次要(slave)”与术语“第二”、“辅助”或“附加”同义。在下面的实施例中，术语“次要”是指两个燃气涡轮组件中的第二个，但也可表示用主燃气涡轮组件操作的任何附加的燃气涡轮组件，诸如在下面的实施例中的第二燃气涡轮组件。
在该实施例中，且如图1所描绘地，上述燃气涡轮组件可经由通过列间(inter-train)阀16调节的列间管道19连接到次要燃气涡轮组件。主空气压缩机12可以将环境空气压缩到可输送至次要涡轮燃烧器72的压缩的环境气体流的至少第二部分66。压缩的环境气体流的至少第二部分66可经由次要可变抽气阀18排放到大气。
次要涡轮燃烧器72可被构造成接纳来自主空气压缩机12的压缩的环境气体流的至少第二部分66、来自次要涡轮压缩机70的次要再循环低氧含量气体流90的至少第一部分、以及次要燃料流68，以形成次要可燃混合物并燃烧次要可燃混合物以产生次要再循环低氧含量气体流90。压缩的环境气体流的至少第二部分的流可由次要空气流量阀65调节。次要燃料流68的流可由次要燃料流阀67调节。
此外，次要涡轮74可位于次要涡轮燃烧器72的下游。次要涡轮74被构造成使次要再循环低氧含量气体流90膨胀并可经由次要涡轮轴62驱动诸如次要涡轮发电机60的外部负载以发电。
如图1所示，在一些实施例中，次要涡轮轴62可以是“冷端驱动”构型，这意味着次要涡轮轴62可在涡轮组件的压缩机端处连接到次要涡轮发电机60。在其它实施例中，次要涡轮轴62可以是“热端驱动”构型，这意味着次要涡轮轴62可在涡轮组件的涡轮端处连接到次要涡轮发电机60。
如本文所用，术语“次要再循环低氧含量气体流”是指通过次要可燃混合物在次要涡轮燃烧器72中的燃烧而产生且流过次要再循环回路92的气体流。在一些实施例中，术语“低氧含量”是指低于约5 vol%、低于约2 vol%或低于约1 vol%的氧含量。
在实施例中，次要再循环低氧含量气体流90可从次要涡轮74通过次要再循环回路92导向至次要热回收蒸汽发生器76用于产生蒸汽。次要蒸汽涡轮可进一步被构造成使用来自次要热回收蒸汽发生器76的蒸汽产生附加的电力，并且次要蒸汽涡轮可连接到次要蒸汽发生器。在一些实施例中，次要蒸汽涡轮可被布置成连接到次要涡轮轴62。次要再循环低氧含量气体流90然后可被导向回到次要再循环回路92中至次要再循环气体流冷却器80。在又一些其它实施例中，次要再循环回路92可不包含次要热回收蒸汽发生器76，并且次要再循环低氧含量气体流90可以相反在离开次要涡轮74之后被直接引入次要再循环气体流冷却器80。在其它实施例中，次要再循环回路92可不包括次要再循环气体流冷却器80。
次要再循环气体流冷却器80可在次要涡轮74下游任意位置处合并入次要再循环回路92中。次要再循环气体流冷却器80可被构造成将次要再循环低氧含量气体流90的温度降低至合适的温度，用于在下游经由次要再循环回路92输送到次要涡轮压缩机70中。在一些实施例中，合适的温度可低于约66℃、低于约49℃或低于约45℃。
在一些实施例中，可使用次要集成入口抽气热管道，该管道将次要燃气涡轮组件流体连接到主空气压缩机12的输入。次要集成入口抽气热管道可被构造成将次要再循环低氧含量气体流90的至少第二部分从燃气涡轮组件输送到主空气压缩机12的输入。次要再循环低氧含量气体流90的至少第二部分通过次要集成入口抽气热管道的流可由次要可调式集成入口抽气热阀来调节。
次要集成入口抽气热管道可将次要涡轮压缩机70的输出流体连接到主空气压缩机12的输入。次要集成入口抽气热管道可将次要再循环回路92中的至少一个点流体连接到主空气压缩机12的输入。在一些实施例中，次要集成入口抽气热管道可以在次要再循环气体流冷却器80上游的点处连接到次要再循环回路92。在其它实施例中，次要集成入口抽气热管道可以在次要热回收蒸汽发生器76上游的点处连接到次要再循环回路92。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还包括次要第二流体通道71，次要第二流体通道71将次要再循环低氧含量气体流90的至少第三部分作为次要第二流从次要涡轮压缩机70输送到次要涡轮74。次要第二流可用来冷却和密封次要涡轮74，包括次要涡轮74的单独构件，诸如，涡轮护罩、涡轮喷嘴、涡轮叶片顶端、涡轮轴承支撑外壳等。在冷却和密封次要涡轮74和任何单独的涡轮构件之后，次要第二流可以在次要涡轮74的输出附近导向至次要再循环回路92中。
在该实施例中，功率设备系统10可包括将次要涡轮压缩机70的输出与次要再循环回路92流体连接的次要涡轮旁路管道89。次要涡轮旁路管道89可被构造成将次要再循环低氧含量气体流90的至少第四部分旁路次要涡轮燃烧器72，并且将次要再循环低氧含量气体流90的至少第四部分的次要旁路流输送到次要涡轮74下游的次要再循环回路92。在一些实施例中，次要旁路流可由次要涡轮旁路阀87调节。
在实施例中，功率设备系统10可包括次要再循环气体流抽出阀85，次要再循环气体流抽出阀85位于次要涡轮压缩机70的下游且经由次要涡轮压缩机输出流81与次要再循环低氧含量气体流90的至少第五部分流体连接。在一些实施例中，次要再循环气体流抽出阀85可流体连接到次要涡轮旁路管道89。在其它实施例中，次要再循环气体流抽出阀85可在次要涡轮旁路阀87上游或下游的点处流体连接到次要涡轮旁路管道89。在一些实施例中，次要再循环气体流抽出阀85可经由次要排气抽出点88流体连接到诸如次要碳捕集封存(CCS)系统的次要气体分离系统。在又一些其它实施例中，次要气体分离系统可产生浓缩的二氧化碳和浓缩的氮气的流，两者都具有低的氧含量。
在一些实施例中，次要增压压缩机64可合并入主空气压缩机12下游且与主空气压缩机12流体连接并且合并入次要涡轮燃烧器72上游且与次要涡轮燃烧器72流体连接。次要增压压缩机64可将压缩的环境气体流的至少第二部分66在输送到次要涡轮燃烧器72中之前进一步压缩。
在又一些其它实施例中，次要鼓风机82可流体连接到次要再循环气体流冷却器80上游或下游的次要再循环回路92。次要鼓风机82可被构造成在经由次要再循环回路92输送到次要涡轮压缩机70中之前增加次要再循环低氧含量气体流90的压力。
在一些实施例中，次要涡轮压缩机70还可包括可调式入口导叶以控制进入次要涡轮压缩机70的空气流。
在一些实施例中，功率设备系统10可包括连接到次要再循环回路92的次要挡风门78。次要挡风门78可打开以将次要再循环低氧含量气体流90的一部分排放到大气。
在一些实施例中，功率设备系统包括一个燃气涡轮组件。在其它实施例中，功率设备系统包括由列间管道19流体连接的两个或更多个燃气涡轮组件。如本文所用，术语“列间管道”可以指在两个或更多个燃气涡轮组件与一个或多个主空气压缩机之间的任何流体连接。在又一些其它实施例中，功率设备系统包括三个或更多个燃气涡轮组件和一个或多个附加的主空气压缩机，其中附加的主空气压缩机彼此连接并且与燃气涡轮组件流体连接。在又一些其它实施例中，功率设备系统被构造用于基本上化学计量的燃烧。在又一些其它实施例中，功率设备系统被构造用于基本上零排放的发电。
在一些实施例中，燃料流28和/或次要燃料流68包括有机气体，包括但不限于甲烷、丙烷和/或丁烷。在又一些其它实施例中，燃料流28和/或次要燃料流68包括有机液体，包括但不限于甲醇和/或乙醇。在又一些其它实施例中，燃料流28和/或次要燃料流68包括从诸如煤的固体含碳材料获得的燃料源。
操作方法
在一个实施例中，提供了一种用于操作功率设备系统10的方法，其中，使用主空气压缩机12压缩环境空气以形成压缩的环境气体流26。压缩的环境气体流26的至少第一部分可输送到燃气涡轮组件。压缩的环境气体流26的至少第一部分可直接输送到涡轮燃烧器32。压缩的环境气体流26的至少第一部分可然后与再循环低氧含量气体流50的至少第一部分和燃料流28混合以形成可燃混合物。可燃混合物可以在涡轮燃烧器32中燃烧以产生再循环低氧含量气体流50。
在该实施例中，可使用再循环低氧含量气体流50驱动涡轮34，从而导致涡轮34旋转。如本文所用，术语“使用再循环低氧含量气体流驱动”意味着再循环低氧含量气体流50在离开涡轮燃烧器32且在进入涡轮34之后膨胀，从而导致涡轮34旋转。
在该实施例中，涡轮34的旋转可导致涡轮轴22旋转，并且还导致涡轮压缩机30旋转。涡轮轴22可以在涡轮发电机20中旋转，使得涡轮轴22的旋转可导致涡轮发电机20发电。在该实施例中，涡轮压缩机30可流体连接到涡轮燃烧器32，使得涡轮压缩机30可以压缩并输送再循环低氧含量气体流50到涡轮燃烧器32。
如图1所示，在一些实施例中，涡轮轴22可以是“冷端驱动”构型，这意味着涡轮轴22可以在涡轮组件的压缩机端处连接到涡轮发电机20。在其它实施例中，涡轮轴22可以是“热端驱动”构型，这意味着涡轮轴22可以在涡轮组件的涡轮端处连接到涡轮发电机20。
在该实施例中，可将再循环低氧含量气体流50从涡轮34通过再循环回路52导向至热回收蒸汽发生器36用于产生蒸汽。蒸汽涡轮可被构造成使用来自热回收蒸汽发生器36的蒸汽产生附加的电力，并且蒸汽涡轮可连接到蒸汽发生器。在一些实施例中，蒸汽涡轮可被布置成连接到涡轮轴22。再循环低氧含量气体流50可然后被导向回到再循环回路52中至再循环气体流冷却器40。在又一实施例中，再循环回路52可不包含热回收蒸汽发生器36，并且再循环低氧含量气体流50可以相反在离开涡轮34之后被直接引入再循环气体流冷却器40。在其它实施例中，再循环回路52可不包括再循环气体流冷却器40。
再循环气体流冷却器40可以在涡轮34下游任意位置处合并入再循环回路52中。再循环气体流冷却器40可被构造成将再循环低氧含量气体流50的温度降低至合适的温度，用于在下游经由再循环回路52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℃或低于约45℃。
在该实施例中，再循环低氧含量气体流50的至少第二部分可从燃气涡轮组件被抽到主空气压缩机12的输入。抽气流可经由集成入口抽气热管道44输送到主空气压缩机12，其中集成入口抽气热管道44将燃气涡轮组件流体连接到主空气压缩机12的输入。再循环低氧含量气体流50的至少第二部分通过集成入口抽气热管道44的流动可由可调式集成入口抽气热阀43来调节。
如图1所描绘的，集成入口抽气热管道44可以将涡轮压缩机30的输出流体连接到主空气压缩机12的输入。现在转到图2，在另一个实施例中，集成入口抽气热管道44可将再循环回路52中的至少一个点流体连接到主空气压缩机12的输入。在一些实施例中，集成入口抽气热管道44可在再循环气体流冷却器40上游的点处连接到再循环回路52。在一些实施例中，集成入口抽气热管道44可以在热回收蒸汽发生器36上游的点处连接到再循环回路52。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还包括第二流体通道31，第二流体通道31将再循环低氧含量气体流50的至少第三部分作为第二流从涡轮压缩机30输送到涡轮34。第二流可用来冷却和密封涡轮34，包括涡轮34的单独构件，诸如，涡轮护罩、涡轮喷嘴、涡轮叶片顶端、涡轮轴承支撑外壳等。在冷却和密封涡轮34和任何单独的涡轮构件之后，第二流可在涡轮34的输出附近导向至再循环回路52中。
在一些实施例中，再循环低氧含量气体流50的至少第四部分可使用涡轮旁路管道49旁路涡轮燃烧器32。涡轮旁路管道49可将再循环低氧含量气体流50的至少第四部分的旁路流输送到再循环回路52。
在实施例中，再循环低氧含量气体流50的至少第五部分可使用位于涡轮压缩机30下游的再循环气体流抽出阀45经由涡轮压缩机输出流41从该燃气涡轮组件抽出。在一些实施例中，再循环气体流抽出阀45可流体连接到涡轮旁路管道49。在其它实施例中，再循环气体流抽出阀可以在涡轮旁路阀47上游或下游的点处流体连接到涡轮旁路管道49。在一些实施例中，再循环气体流抽出阀45可经由排气抽出点48流体连接到诸如碳捕集封存(CCS)系统的气体分离系统。在又一实施例中，气体分离系统可产生浓缩的二氧化碳和浓缩的氮气的流，两者都具有低的氧含量。
在一些实施例中，压缩的环境气体流26的至少第一部分可由增压压缩机24进一步压缩。增压压缩机24可合并入主空气压缩机12下游且与主空气压缩机12流体连接并且合并入涡轮燃烧器32上游且与涡轮燃烧器32流体连接。
在另一个实施例中，提供了一种用于操作功率设备系统10的方法，其中次要燃气涡轮组件也被操作。压缩的环境气体流的至少第二部分66可输送到次要燃气涡轮组件。压缩的环境气体流的至少第二部分66可直接输送到次要涡轮燃烧器72。压缩的环境气体流的至少第二部分66可然后与次要再循环低氧含量气体流90的至少第一部分和次要燃料流68混合以形成次要可燃混合物。次要可燃混合物可在次要涡轮燃烧器72中燃烧以产生次要再循环低氧含量气体流90。
在该实施例中，可使用次要再循环低氧含量气体流90驱动次要涡轮74，从而导致次要涡轮74旋转。如本文所用，术语“使用次要再循环低氧含量气体流驱动”意味着次要再循环低氧含量气体流90在离开次要涡轮燃烧器72且在进入次要涡轮74之后膨胀，从而导致次要涡轮74旋转。
在该实施例中，次要涡轮74的旋转可导致次要涡轮轴62旋转，并且还导致次要涡轮压缩机70旋转。次要涡轮轴62可在次要涡轮发电机60中旋转，使得次要涡轮轴62的旋转可导致次要涡轮发电机60发电。在该实施例中，次要涡轮压缩机70可流体连接到次要涡轮燃烧器72，使得次要涡轮压缩机70可压缩并输送次要再循环低氧含量气体流90到次要涡轮燃烧器72。
如图1所示，在一些实施例中，次要涡轮轴62可以是“冷端驱动”构型，这意味着次要涡轮轴62可以在涡轮组件的压缩机端处连接到次要涡轮发电机60。在其它实施例中，次要涡轮轴62可以是“热端驱动”构型，这意味着次要涡轮轴62可在涡轮组件的涡轮端处连接到次要涡轮发电机60。
在一些实施例中，次要再循环低氧含量气体流90可从次要涡轮74通过次要再循环回路92导向至次要热回收蒸汽发生器76用于产生蒸汽。次要蒸汽涡轮可被构造成使用来自次要热回收蒸汽发生器76的蒸汽产生附加的电力，并且次要蒸汽涡轮可连接到次要蒸汽发生器。在一些实施例中，次要蒸汽涡轮可被布置成连接到次要涡轮轴62。次要再循环低氧含量气体流90可然后被导向回到次要再循环回路92中至次要再循环气体流冷却器80。在又一些其它实施例中，次要再循环回路92可不包含次要热回收蒸汽发生器76，并且次要再循环低氧含量气体流90可以相反在离开次要涡轮74之后被直接引入次要再循环气体流冷却器80。在其它实施例中，次要再循环回路92可不包括次要再循环气体流冷却器80。
次要再循环气体流冷却器80可在次要涡轮74下游任意位置处合并入次要再循环回路92中。次要再循环气体流冷却器80可被构造成将次要再循环低氧含量气体流90的温度降低至合适的温度，用于在下游经由次要再循环回路92输送到次要涡轮压缩机70中。在一些实施例中，合适的温度可低于约66℃、低于约49℃或低于约45℃。
在该实施例中，次要再循环低氧含量气体流90的至少第二部分可从次要燃气涡轮组件被抽到主空气压缩机12的输入。次要抽气流可经由次要集成入口抽气热管道输送到主空气压缩机12，其中次要集成入口抽气热管道将次要燃气涡轮组件流体连接到主空气压缩机12的输入。次要再循环低氧含量气体流90的至少第二部分通过次要集成入口抽气热管道的流动可由次要可调式集成入口抽气热阀来调节。
在一些实施例中，次要集成入口抽气热管道可将次要涡轮压缩机70的输出流体连接到主空气压缩机12的输入。在另一个实施例中，次要集成入口抽气热管道可将次要再循环回路92中的至少一个点流体连接到主空气压缩机12的输入。在一些实施例中，次要集成入口抽气热管道可在次要再循环气体流冷却器80上游的点处连接到次要再循环回路92。在一些实施例中，次要集成入口抽气热管道可在次要热回收蒸汽发生器76上游的点处连接到次要再循环回路92。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还包括次要第二流体通道71，次要第二流体通道71将次要再循环低氧含量气体流90的至少第三部分作为次要第二流从次要涡轮压缩机70输送到次要涡轮74。次要第二流可用来冷却和密封次要涡轮74，包括次要涡轮74的单独构件，诸如，涡轮护罩、涡轮喷嘴、涡轮叶片顶端、涡轮轴承支撑外壳等。在冷却和密封次要涡轮74和任何单独的涡轮构件之后，次要第二流可以在次要涡轮74的输出附近导向入次要再循环回路92中。
在一些实施例中，次要再循环低氧含量气体流90的至少第四部分可使用次要涡轮旁路管道89旁路次要涡轮燃烧器72。次要涡轮旁路管道89可将次要再循环低氧含量气体流90的至少第四部分的次要旁路流输送到次要再循环回路92。
在一些实施例中，次要再循环低氧含量气体流90的至少第五部分可使用位于次要涡轮压缩机70下游的次要再循环气体流抽出阀85经由次要涡轮压缩机输出流81从次要燃气涡轮组件抽出。在一些实施例中，次要再循环气体流抽出阀85可流体连接到次要涡轮旁路管道89。在其它实施例中，次要再循环气体流抽出阀可在次要涡轮旁路阀87上游或下游的点处流体连接到次要涡轮旁路管道89。在一些实施例中，次要再循环气体流抽出阀85可经由从排气抽出点88流体连接到诸如次要碳捕集封存(CCS)系统的次要气体分离系统。在又一些其它实施例中，次要气体分离系统可产生浓缩的二氧化碳和浓缩的氮气的流，两者都具有低的氧含量。
在一些实施例中，压缩的环境气体流的至少第二部分66可由次要增压压缩机64进一步压缩。次要增压压缩机64可合并入主空气压缩机12下游且与主空气压缩机12流体连接并且合并入次要涡轮燃烧器72上游且与次要涡轮燃烧器72流体连接。
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功率设备系统。在其它实施例中，该方法包括操作包括由列间管道19流体连接的两个或更多个燃气涡轮组件的功率设备系统。在又一些其它实施例中，该方法包括操作包括三个或更多个燃气涡轮组件和一个或多个附加的主空气压缩机的功率设备系统，其中附加的主空气压缩机彼此连接并且与燃气涡轮组件流体连接。在又一些其它实施例中，该方法包括操作被构造用于基本上化学计量的燃烧的功率设备系统。在又一些其它实施例中，该方法包括操作被构造用于基本上零排放发电的功率设备系统。
其它构型和操作的方法由包括下列的美国专利申请提供：授予Daniel Snook、Lisa Wichmann、Sam Draper、Noemie Dion Ouellet和Scott Rittenhouse的“Power Plant and Method of Operation”(提交于2011年8月25日)；授予Daniel Snook、Lisa Wichmann、Sam Draper、Noemie Dion Ouellet和Scott Rittenhouse的“Power Plant and Method of Operation”(提交于2011年8月25日)；授予Daniel Snook、Lisa Wichmann、Sam Draper、Noemie Dion Ouellet和Scott Rittenhouse的“Power Plant Start-Up Method”(提交于2011年8月25日)；授予Daniel Snook、Lisa Wichmann、Sam Draper和Noemie Dion Ouellet的“Power Plant and Control Method”(提交于2011年8月25日)；授予Predrag Popovic的“Power Plant and Method of Operation”(提交于2011年8月25日)；授予Sam Draper和Kenneth Kohl的“Power Plant and Method of Operation”(提交于2011年8月25日)；授予Sam Draper的“Power Plant and Method of Operation”(提交于2011年8月25日)；授予Sam Draper的“Power Plant and Method of Operation”(提交于2011年8月25日)；授予Daniel Snook、Lisa Wichmann、Sam Draper和Noemie Dion Ouellet的“Power Plant and Method of Use”(提交于2011年8月25日)；以及授予Karl Dean Minto的“Power Plant and Control Method”(提交于2011年8月25日)，这些专利申请的公开以引用方式并入本文中。
应当显而易见的是，前面的描述仅涉及本发明的优选实施例，并且在不脱离如所附权利要求及其等同物所限定的本发明的精神和范围的前提下可对本文进行许多的变化和改进。
Claims (10)
1.一种功率设备系统，包括：
至少一个主空气压缩机(12)，所述至少一个主空气压缩机(12)用于将环境空气压缩成压缩的环境气体流(26)；和
至少一个燃气涡轮组件，所述至少一个燃气涡轮组件包括：
涡轮燃烧器(32)，所述涡轮燃烧器(32)流体连接到所述至少一个主空气压缩机(12)，用于将所述压缩的环境气体流(26)的至少第一部分与再循环低氧含量气体流(50)的至少第一部分和燃料流(28)混合以形成可燃混合物，并且用于燃烧所述可燃混合物和形成所述再循环低氧含量气体流(50)；
涡轮(34)，所述涡轮(34)连接到所述涡轮燃烧器(32)和涡轮轴(22)，并且被布置成由来自所述涡轮燃烧器(32)的再循环低氧含量气体流(50)驱动；
涡轮压缩机(30)，所述涡轮压缩机(30)流体连接到所述涡轮燃烧器(32)，并且连接到所述涡轮轴(22)和被布置成由所述涡轮轴(22)驱动；
再循环回路(52)，所述再循环回路(52)用于将所述再循环低氧含量气体流(50)从所述涡轮(34)再循环到所述涡轮压缩机(30)；以及
集成入口抽气热管道(44)，所述集成入口抽气热管道(44)将所述至少一个燃气涡轮组件流体连接到所述至少一个主空气压缩机(12)的输入，用于将所述再循环低氧含量气体流(50)的至少第二部分从所述至少一个燃气涡轮组件输送到所述至少一个主空气压缩机(12)的输入。
2.根据权利要求1所述的功率设备系统，其特征在于，所述集成入口抽气热管道(44)将所述再循环回路(52)中的至少一个点流体连接到所述至少一个主空气压缩机(12)的输入。
3.根据权利要求1所述的功率设备系统，其特征在于，所述至少一个燃气涡轮组件还包括在所述再循环回路(52)中的热回收蒸汽发生器(36)，所述热回收蒸汽发生器(36)被构造成接纳来自所述涡轮(34)的再循环低氧含量气体流(50)用于使用蒸汽涡轮和蒸汽发生器发电。
4.根据权利要求1所述的功率设备系统，其特征在于，所述至少一个燃气涡轮组件还包括第二流体通道(31)，所述第二流体通道(31)将所述再循环低氧含量气体流(50)的至少第三部分作为第二流从所述涡轮压缩机(30)输送到所述涡轮(34)，并且所述第二流在冷却和密封所述涡轮(34)之后被进一步输送到所述再循环回路(52)。
5.根据权利要求1所述的功率设备系统，其特征在于，所述功率设备被构造用于基本上化学计量的燃烧。
6.一种用于操作功率设备的方法，包括：
用至少一个主空气压缩机(12)压缩环境空气以形成压缩的环境气体流(26)；
将所述压缩的环境气体流(26)的至少第一部分输送到至少一个燃气涡轮组件；
将所述压缩的环境气体流(26)的至少第一部分与再循环低氧含量气体流(50)的至少第一部分和燃料流(28)混合以形成可燃混合物，并且在涡轮燃烧器(32)中燃烧所述可燃混合物以产生所述再循环低氧含量气体流(50)；
使用所述再循环低氧含量气体流(50)驱动涡轮(34)；
驱动流体连接到所述涡轮燃烧器(32)的涡轮压缩机(30)；
使用再循环回路(52)将所述再循环低氧含量气体流(50)从所述涡轮(34)再循环到所述涡轮压缩机(32)；以及
经由集成入口抽气热管道(44)将所述再循环低氧含量气体流(50)的至少第二部分从所述至少一个燃气涡轮组件抽到所述至少一个主空气压缩机(12)的输入处，所述集成入口抽气热管道(44)将所述至少一个燃气涡轮组件流体连接到所述至少一个主空气压缩机(12)的输入。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述集成入口抽气热管道(44)将所述再循环回路(52)中的至少一点流体连接到所述至少一个主空气压缩机(12)的输入。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括使所述再循环低氧含量气体流(50)通过热回收蒸汽发生器(36)，所述热回收蒸汽发生器(36)位于所述再循环回路(52)中且被构造成使用蒸汽涡轮和蒸汽发生器发电。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括使用第二流体通道(31)将所述再循环低氧含量气体流(50)的至少第三部分作为第二流从所述涡轮压缩机(30)输送到所述涡轮(34)，其中，所述第二流在冷却和密封所述涡轮之后被进一步输送到所述再循环回路(52)中。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括利用基本上化学计量的燃烧发电。
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