CN102979621A - 发电设备和操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电设备和操作方法，具体而言，一种发电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。各燃气涡轮组件均包括涡轮燃烧器(32)，用于将压缩的环境气体(26)与再循环的低氧气含量气流(50)及燃料流(28)混合，以形成可燃混合物，用于燃烧从而形成再循环的低氧气含量气流(50)。涡轮(34)被再循环的低氧气含量气流(50)驱动。再循环环路(52)容许再循环的低氧气含量气流(50)从涡轮(34)再循环到涡轮压缩机(30)。气流提取流(31)提取一部分再循环的低氧气含量气流(50)，以便传送至一氧化碳催化剂单元(102)。一部分压缩的环境气体(25)被引导至一氧化碳催化剂单元(102)。
Description
技术领域
本公开的主题一般地涉及发电设备的领域，且更具体地涉及操作化学计量型排气再循环涡轮系统的方法。各种类型的燃气涡轮系统是已知的，并且用于发电设备中的发电用途。典型地，燃气涡轮系统包括用于压缩空气流的涡轮压缩机以及将压缩空气与燃料结合并点燃混合物以产生排气的涡轮燃烧器。排气然后可通过涡轮进行膨胀，从而导致涡轮旋转，涡轮转而又可通过涡轮轴而连接在涡轮发电机上，以用于发电。燃气涡轮在燃烧过程中传统上使用过量的空气，以控制涡轮温度，并管理不期望的排放。这常导致排气流具有大量的过量氧气。
背景技术
因此，需要一种使用燃气涡轮系统的发电设备配置(power plant arrangement)，其可在没有带大量过量氧气的排气流的情况下进行操作。此外，对于该发电设备配置期望的将是提供选项来通过处理排气进一步减少排放物和/或回收二氧化碳流、氮气流和水流。
发明内容
一方面，提供了一种发电设备配置。该发电设备配置包括至少一个主空气压缩机和至少一个燃气涡轮组件，主空气压缩机用于将环境空气压缩成压缩的环境气体。各燃气涡轮组件均包括涡轮燃烧器，其流体地连接在主空气压缩机上，用于将压缩的环境气体与至少第一部分再循环的低氧气含量的气流以及燃料流混合起来，以形成可燃混合物，并用于燃烧可燃混合物，并形成再循环的低氧气含量流。燃气涡轮组件还包括连接在涡轮燃烧器和涡轮轴上的涡轮。涡轮设置为由来自涡轮燃烧器的再循环的低氧气含量气流所驱动。该组件还包括涡轮压缩机，其流体地连接在涡轮燃烧器上，并且连接在涡轮轴上，且设置为由此被驱动。该组件还包括再循环环路，其用于使再循环的低氧气含量气流从涡轮再循环至涡轮压缩机。该组件还包括再循环气流提取流，其用于从燃气涡轮组件提取至少第二部分再循环的低氧气含量气流，并将该至少第二部分再循环的低氧气含量气流传送至一氧化碳催化剂单元。至少第二部分压缩的环境气流从至少一个主空气压缩机被引导至该一氧化碳催化剂单元。
根据以上所述的发电设备配置，其中至少一个燃气涡轮组件还包括至少一个气体感测单元，该至少一个气体感测单元位于所述一氧化碳催化剂单元的上游或所述一氧化碳催化剂单元的下游或两者。
根据以上所述的发电设备配置，其中至少一个燃气涡轮组件还包括位于一氧化碳催化剂单元下游的高压余热蒸汽发生器。
根据以上所述的发电设备配置，其中该发电设备配置设置为用于从所述一氧化碳催化剂单元接收高压气流，以产生蒸汽，并且利用后催化剂蒸汽涡轮和后催化剂蒸汽发生器而产生额外的电力。
根据以上所述的发电设备配置，其中至少一个燃气涡轮组件还包括用于对所述至少第一部分压缩的环境气流进行进一步压缩的增压压缩机。
根据以上所述的发电设备配置，其中至少一个燃气涡轮组件还包括再循环环路中的余热蒸汽发生器，余热蒸汽发生器设置为从至少一个燃气涡轮组件接收再循环的低氧气含量气流，以便利用蒸汽涡轮和蒸汽发生器而产生电力。
根据以上所述的发电设备配置，其中至少一个燃气涡轮组件还包括辅助流路径，辅助流路径将至少第三部分再循环的低氧气含量气流作为辅助流而从涡轮压缩机传送至涡轮，并且在冷却和密封涡轮之后，将辅助流进一步传送至再循环环路。
根据以上所述的发电设备配置，其中发电设备设置为用于基本化学计量型燃烧和基本零排放的功率生产。
根据以上所述的发电设备配置，其中发电设备设置为将包含二氧化碳的高压气流传送至油井用于增强型油回收。
根据以上所述的发电设备配置，其中至少一个燃气涡轮组件还包括再循环环路中的再循环气流冷却器，再循环气流冷却器设置为将再循环的低氧气含量气流的温度降低至合适的温度以传送至涡轮压缩机。
另一方面，提供了一种用于操作发电设备的方法。该方法包括利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流，将压缩的环境气流传送到至少一个燃气涡轮组件的涡轮燃烧器，并将压缩的环境气流与至少第一部分再循环的低氧气含量气流及燃料流混合，以形成可燃混合物，并在涡轮燃烧器中燃烧该混合物，以产生再循环的低氧气含量气流。该方法还包括利用再循环的低氧气含量气流驱动涡轮，并驱动流体地连接在涡轮燃烧器上的涡轮压缩机。该方法还包括利用再循环环路使再循环的低氧气含量气流从涡轮再循环至涡轮压缩机，并利用再循环气流提取流而从燃气涡轮组件提取至少第二部分再循环的低氧气含量气流。该方法还包括将该至少第二部分再循环的低氧气含量气流传送至一氧化碳催化剂单元，并将来自至少一个主空气压缩机的至少第二部分压缩的环境气流添加至一氧化碳单元。另外，该方法包括利用一氧化碳催化剂单元产生包括一氧化碳的高压气流。
根据以上所述的方法，其特征在于，还包括在进入一氧化碳催化剂单元中之前利用第一气体感测单元分析再循环的低氧气含量气流的被提取部分的成分。
根据以上所述的方法，其特征在于，还包括在离开一氧化碳催化剂单元之后利用第二气体感测单元分析高压气流的成分。
根据以上所述的方法，其特征在于，还包括使高压气流从一氧化碳催化剂单元穿过高压余热蒸汽发生器，以产生蒸汽。
根据以上所述的方法，其特征在于，蒸汽用于利用后催化剂蒸汽涡轮和后催化剂蒸汽发生器而产生额外的电力。
根据以上所述的方法，其特征在于，至少一个燃气涡轮组件还包括增压压缩机，其用于在传送到涡轮燃烧器之前对至少第一部分压缩的环境气流进行进一步压缩。
根据以上所述的方法，其特征在于，还包括使再循环的低氧气含量气流穿过余热蒸汽发生器，余热蒸汽发生器定位在再循环环路中，并设置为利用蒸汽涡轮和蒸汽发生器而产生电力。
根据以上所述的方法，其特征在于，还包括通过辅助流路径将至少第三部分再循环的低氧气含量气流作为辅助流从涡轮压缩机传送至涡轮，并且在冷却和密封涡轮之后将辅助流进一步传送到再循环环路。
根据以上所述的方法，其特征在于，还包括操作发电设备，以便在再循环的低氧气含量气流中产生一氧化碳。
根据以上所述的方法，其特征在于，还包括利用基本化学计量型燃烧且在来自所述发电设备的排放物基本为零的条件下产生电力。
其它方面将在以下说明书中进行部分陈述，并且从说明书中将部分地变得清晰明了，或者可通过下述方面的实践而获悉。通过所附权利要求中特别指出的元件和组合将实现和获得下述优点。应该懂得，前面的总体描述和以下的详细描述都仅仅是示例性和解释性而非限制性的。
附图说明
当参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些以及其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中构件不一定是按比例绘制的，并且其中在所有附图中相应的标号表示相应的部件，其中：
图1是根据本发明一个实施例的示例性发电设备配置10的概略图。
图2是根据本发明一个实施例的示例性发电设备配置100的概略图，其中CO催化剂系统以简化的形式来显示。
图3是根据本发明一个实施例的示例性发电设备配置200的概略图。
图4是根据本发明一个实施例的示例性发电设备配置300的概略图，其中两个CO催化剂系统以简化的形式来显示。
部件列表：
8列间导管
10示例性发电设备配置
12主空气压缩机
20涡轮发电机
22涡轮轴
24增压压缩机
25第二部分压缩的环境气流
26第一部分压缩的环境气流
27辅助流路径
28燃料流
30涡轮压缩机
31再循环气流提取流
32涡轮燃烧器
33高压气流
34涡轮
36余热蒸汽发生器
40再循环气流冷却器
50再循环的低氧气含量气流
52再循环环路
60从涡轮发电机
62从涡轮轴
64从增压压缩机
65第四部分压缩的环境气流
66第三部分压缩的环境气流
67从辅助流路径
68从燃料流
70从涡轮压缩机
71从再循环气流提取流
72从涡轮燃烧器
73从高压气流
74从涡轮
76从余热蒸汽发生器
80从再循环气流冷却器
90从再循环的低氧气含量气流
92从再循环环路
100示例性发电设备配置
101气体感测单元
102一氧化碳催化剂单元
103第二气体感测单元
104高压余热蒸汽发生器
105工艺流
106从气体感测单元
107从一氧化碳催化剂单元
108第二从气体感测单元
109从高压余热蒸汽发生器
110从工艺流
200示例性发电设备配置
300示例性发电设备配置三个或更多。
具体实施方式
在以下说明书中，给出了许多具体细节，从而提供对实施例的透彻理解。这些实施例可在没有一个或更多具体细节的情况下，或通过其它方法、构件、材料等来实践。在其它情况下，没有显示或详细描述众所周知的结构、材料或操作，以避免使实施例方面变得模糊。
整个此说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着结合实施例所述的特殊的特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因而，短语“在某一实施例中”或“在一个实施例中”出现在整个说明书的各个地方并不一定都是参照相同的实施例。此外，在一个或更多实施例中可将特殊的特征、结构或特性以任何合适的方式组合起来。
发电工业中近些年来的需求已经使燃气涡轮的配置发展成为必要，其可构造为消耗空气工作流体中基本所有的氧气，从而产生基本无氧气的排放流。这些流可以更容易地适合于利用NOX催化剂进行排放物还原。另外，由于低的氧气浓度，这些流可以更好地适合于燃烧后的碳捕获解决方案。此外，基本无氧气的排放流可以更容易地适合于增强型油回收应用。
来自燃气涡轮的基本无氧气的排气可通过燃烧系统中的化学计量型燃烧来完成。也就是说，包含氧气的新鲜空气供应可与燃料流量相匹配，使得燃烧过程以基本化学计量型燃烧操作。
以下说明了甲烷和氧气的化学计量型燃烧反应：
化学计量型燃烧导致对于燃气涡轮发动机中所采用的材料和冷却技术而言可能过高的气体温度。为了降低那些高温，一部分燃气涡轮排气产物可被再循环回燃烧系统，以减弱燃烧温度。理想地，此稀释气体还应该是基本无氧气的，从而不会将额外的氧气引入到系统中，并因此减少了化学计量型燃烧的优点。利用化学计量型燃烧和再循环的排气的燃气涡轮应用被称为化学计量型排气再循环(SEGR)。
SEGR系统可使用直接供给至燃烧过程中的高压空气供应，从而为燃烧提供氧气。此空气可由辅助压缩机供应。实际上，辅助压缩机在SEGR燃气涡轮所需要的压力和流速下提供空气的能力可能不跨越系统所经受的负载和环境温度的所有操作范围而匹配。辅助压缩机可容许压缩机有时提供比燃气涡轮所需更多的空气。此外，辅助压缩机可设计成具备总是提供比燃气涡轮所需更多空气的能力。在一些情形中，可能需要将一些辅助压缩机所压缩的空气排出至大气。
如以下详细论述的那样，本发明的实施例可起作用来通过利用SEGR循环而最小化燃气涡轮发电设备系统中的排放，SEGR循环可使得能够进行用于发电的基本化学计量型燃烧反应。SEGR燃气涡轮可配置为以便提供低氧气含量的排放。此低氧气含量的排放可与NOX还原催化剂一起使用，以提供也可能无NOX污染物的排放流。
在一些实施例中，一部分压缩的环境气流可从主空气压缩机传送至一氧化碳催化剂单元，使得一氧化碳催化剂单元可提供二氧化碳流。在一些特定的实施例中，本技术可包括利用SEGR循环来提供低氧气含量的二氧化碳流和氮气流，它们可用于增强型油回收应用中。
发电设备配置
现在转到附图并首先参照图1，其显示了一种示例性发电设备配置10。该发电设备配置10可包括主空气压缩机12，其用于将环境空气压缩成至少第一部分压缩的环境气流26。此外，该发电设备配置10可包括涡轮燃烧器32，涡轮燃烧器32可流体地连接在主空气压缩机12上。涡轮燃烧器32可设置为从主空气压缩机12接收至少第一部分压缩的环境气流26，从涡轮压缩机30接收至少第一部分再循环的低氧气含量气流50，并接收燃料流28，从而形成可燃混合物，并且可使可燃混合物燃烧，从而产生再循环的低氧气含量气流50。
另外，发电设备配置10可包括定位在涡轮燃烧器32下游的涡轮34。涡轮34可设置为使再循环的低氧气含量气流50膨胀，并可通过涡轮轴22驱动外部负载例如涡轮发电机20以产生电力。如图1中所示，主空气压缩机12和涡轮压缩机30可通过涡轮轴22而被涡轮34产生的功率所驱动。
如图1中所示，在一些实施例中，涡轮轴22可以是“冷端驱动”构造，意味着涡轮轴22可连接在涡轮组件的压缩机端处的涡轮发电机20上。在其它实施例中，涡轮轴22可以是“热端驱动”构造，意味着涡轮轴22可连接在涡轮组件的涡轮端处的涡轮发电机20上。
如本文所用，术语“再循环的低氧气含量气流”指由涡轮燃烧器32中燃烧可燃混合物所产生的并流过再循环环路52的气流。在一些实施例中，术语“低氧气含量”指低于大约5 vol%，低于大约2 vol%或低于大约1 vol%的氧气含量。
如本文所用，术语“燃气涡轮组件”指除了主空气压缩机12之外所有列出的发电设备配置的构件。在一些实施例中，术语“燃气涡轮组件”可指除了主空气压缩机之外所有列出的发电设备配置的构件。
在一些实施例中，再循环的低氧气含量气流50可从涡轮34通过再循环环路52引导至用于产生蒸汽的余热蒸汽发生器36。蒸汽涡轮可进一步设置为利用来自余热蒸汽发生器36的蒸汽而产生额外的电力，并且蒸汽涡轮可连接在蒸汽发生器上。在一些实施例中，蒸汽涡轮可设置为连接在涡轮轴22上。再循环的低氧气含量气流50然后可被引导回再循环环路52中，并引导至再循环的气流冷却器40。在又其它的实施例中，再循环环路52可不包含余热蒸汽发生器36，并且再循环的低氧气含量气流50在离开涡轮34时可替代地被直接引入再循环的气流冷却器40。在一些实施例中，再循环环路52可不包括再循环的气流冷却器40。
再循环的气流冷却器40可结合到涡轮34下游任何地方的再循环环路52中。再循环的气流冷却器40可设置为将再循环的低氧气含量气流50的温度降低至合适的温度，以便在下游通过再循环环路52传送至涡轮压缩机30。在一些实施例中，合适的温度可低于大约66℃，低于大约49℃，或者低于大约45℃。
在实施例中，发电设备配置10可包括再循环气流提取流31，用于从燃气涡轮组件提取至少第二部分再循环的低氧气含量气流50，并将该至少第二部分再循环的低氧气含量气流50传送至一氧化碳催化剂单元102。在一些实施例中，再循环气流提取流31可与涡轮压缩机30的输出保持流体连通。在其它实施例中，再循环气流提取流31可附接在再循环环路52的任一点上。
在实施例中，可将至少第二部分压缩的环境气流25引导至一氧化碳催化剂单元102。该至少第二部分压缩的环境气流25可被一氧化碳催化剂单元102所使用，以便与至少第二部分再循环的低氧气含量气流50中的一氧化碳起反应，并因此可产生包含二氧化碳的高压气流33。在一些实施例中，高压气流33可被传送至高压余热蒸汽发生器104，高压余热蒸汽发生器104可定位在一氧化碳催化剂单元102的下游并与之保持流体连通。在接收高压气流33时，高压余热蒸汽发生器104可产生蒸汽，蒸汽转而又可用于利用后催化剂蒸汽涡轮和后催化剂蒸汽发生器而产生额外的电力。
在实施例中，气体感测单元101可流体地连接在再循环气流提取流31上。气体感测单元101可用于分析该至少第二部分再循环的低氧气含量气流50的含量。在一些实施例中，第二气体感测单元103可流体地连接在一氧化碳催化剂单元103的输出上。第二气体感测单元103可用于分析高压气流33的含量。通过在一氧化碳催化剂单元103的上游和下游都提供传感器，可以调整发电设备的参数，从而最小化涡轮燃烧器32所产生的一氧化碳，并且最大化由一氧化碳催化剂单元103所消耗的一氧化碳，同时保持包含一氧化碳的流，即基本无氧气的流，用于增强型油回收应用。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括辅助流路径27，其可将至少第三部分再循环的低氧气含量气流50作为辅助流从涡轮压缩机30传送至涡轮34。辅助流可用于冷却和密封涡轮34，包括涡轮34的单独部件，例如涡轮护罩、涡轮喷嘴、涡轮叶梢、涡轮轴承架外壳等等。在冷却和密封涡轮34及任何单独的涡轮构件之后，辅助流可被引导至涡轮34下游的再循环环路52中。
在一些实施例中，增压压缩机24可结合在主空气压缩机12的下游并与之保持流体连通，且位于涡轮燃烧器32的上游并与之保持流体连通。在传送到涡轮燃烧器32中之前，增压压缩机24可进一步压缩至少第一部分压缩的环境气流26。
在又其它实施例中，鼓风机可在再循环的气流冷却器40的上游或下游流体地连接在再循环环路52上。鼓风机可设置为在通过再循环环路52传送到涡轮压缩机30中之前升高再循环的低氧气含量气流50的压力。
在实施例中，主空气压缩机12还可包括可调节的入口导向叶片，以控制进入主空气压缩机12的空气流量。另外，涡轮压缩机30还可包括可调节的入口导向叶片，以控制进入涡轮压缩机30的空气流量。
在一些实施例中，发电设备配置10可包括连接在再循环环路52上的节气门。节气门可打开，以便将一部分再循环的低氧气含量气流50排出至大气。
图2是图1的发电设备配置10的一部分100的概略图。在此实施例中，再循环气流提取流31可与气体感测单元101保持流体连通，然后至少一部分再循环的低氧气含量气流50可被传送至一氧化碳催化剂单元102。至少第二部分压缩的环境气流25可被一氧化碳催化剂单元102用来与至少一部分再循环的低氧气含量气流50中的一氧化碳起反应，并因此可产生包括二氧化碳的高压气流33。高压气流33可流体地连接在第二气体感测单元103上，且然后可被传送至高压余热蒸汽发生器104。最后，可从高压余热蒸汽发生器104传送工艺流105，并可进一步用于增强型油回收应用。
如本文所用，术语“从”与次级、辅助或补充等词语是同义的。在以下实施例中，术语“从”指两个燃气涡轮组件中的第二个，但还可意味着与主燃气涡轮组件一起操作的任何补充的燃气涡轮组件，例如以下实施例中的第二燃气涡轮组件。
在一些实施例中，并且如图3中所示作为示例性发电设备配置200，上述燃气涡轮组件可通过列间(inter-train)导管8而进一步连接在从燃气涡轮组件上。主空气压缩机12可将环境空气压缩成至少第三部分压缩的环境气流66，其可被传送至从涡轮燃烧器72。从涡轮燃烧器72可设置为从主空气压缩机12接收至少第三部分压缩的环境气流66，从从涡轮压缩机70接收从再循环的低氧气含量气流90，以及从燃料流68，从而形成从可燃混合物，并燃烧该从可燃混合物，以产生从再循环的低氧气含量气流90。另外，从涡轮74可定位在从涡轮燃烧器72的下游。从涡轮74可设置为使从再循环的低氧气含量气流90膨胀，并可通过从涡轮轴62驱动外部负载，例如从涡轮发电机60以产生电力。
如图3中所示，在一些实施例中，从涡轮轴62可以是“冷端驱动”构造，意味着从涡轮轴62可连接在涡轮组件的压缩机端处的从涡轮发电机60上。在其它实施例中，从涡轮轴62可以是“热端驱动”构造，意味着从涡轮轴62可连接在涡轮组件的涡轮端处的从涡轮发电机60上。
如本文所用，术语“从再循环的低氧气含量气流”指由从涡轮燃烧器72中的从可燃混合物的燃烧所产生的并流过从再循环环路92的气流。在一些实施例中，术语“低氧气含量”指低于大约5 vol%，低于大约2 vol%或低于大约1 vol%的氧气含量。
在这个实施例中，从再循环的低氧气含量气流90可从从涡轮74通过从再循环环路92而引导至从余热蒸汽发生器76，以产生蒸汽。从蒸汽涡轮可进一步设置为利用来自从余热蒸汽发生器76的蒸汽而产生额外的电力，并且从蒸汽涡轮可连接在从蒸汽发生器上。在一些实施例中，从蒸汽涡轮可设置为连接到从涡轮轴62上。从再循环的低氧气含量气流90然后可被引导回从再循环环路92中，并引导至从再循环的气流冷却器80。在又其它实施例中，从再循环环路92可不包含从余热蒸汽发生器76，并且从再循环的低氧气含量气流90在离开从涡轮74时可替代地被直接引入到从再循环的气流冷却器80中。在一些实施例中，从再循环环路92可不包括从再循环的气流冷却器80。
从再循环的气流冷却器80可结合到从涡轮74下游任何地方的从再循环环路92中。从再循环的气流冷却器80可设置为将从再循环的低氧气含量气流90的温度降低至合适的温度，以便在下游通过从再循环环路92传送至从涡轮压缩机70中。在一些实施例中，合适的温度可低于大约66℃，低于大约49℃，或者低于大约45℃。
在一些实施例中，示例性发电设备配置200的从燃气涡轮组件可包括从再循环气流提取流71，其用于从从燃气涡轮组件提取至少第二部分从再循环的低氧气含量气流90。如图4中所示，从再循环气流提取流71可将至少第二部分从再循环的低氧气含量气流90传送至从一氧化碳催化剂单元107。现在返回图3，在此实施例中，从再循环气流提取流71可与从涡轮压缩机70的输出保持流体连通。在其它实施例中，从再循环气流提取流71可附接在从再循环环路92的任一点上。
如图4中所示，在此实施例中，至少第四部分压缩的环境气流65可被引导至从一氧化碳催化剂单元107。至少第四部分压缩的环境气流65可被从一氧化碳催化剂单元107所使用，以便与一氧化碳及至少第二部分从再循环的低氧气含量气流90反应，并因此可产生包含二氧化碳的从高压气流73。在一些实施例中，从高压气流73可被传送至从高压余热蒸汽发生器109，从高压余热蒸汽发生器109可定位在从一氧化碳催化剂单元107的下游并与之保持流体连通。在接收从高压气流73时，从高压余热蒸汽发生器109可产生蒸汽，蒸汽转而又可用于利用从后催化剂蒸汽涡轮和从后催化剂蒸汽发生器而产生额外的电力。
在一些实施例中，从气体感测单元106可与从再循环气流提取流71流体连通。从气体感测单元106可用于分析至少一部分从再循环的低氧气含量气流90的含量。在一些实施例中，第二从气体感测单元108可流体地连接在从一氧化碳催化剂单元107的输出上。第二从气体感测单元108可用于分析从高压气流73的含量。通过在从一氧化碳催化剂单元107的上游和下游都提供传感器，可以调整发电设备的参数，从而最小化从涡轮燃烧器72所产生的一氧化碳，并且最大化由从一氧化碳催化剂单元107所消耗的一氧化碳，同时保持包括一氧化碳的从流，即基本无氧气的从流，用于增强型油回收应用。最后，可从从高压余热蒸汽发生器110传送从工艺流109，并可进一步用于增强型油回收应用。
现在返回图3，在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括从辅助流路径67，其可将一部分从再循环的低氧气含量气流90作为从辅助流而从从涡轮压缩机70传送到从涡轮74。从辅助流可用于冷却和密封从涡轮74，包括从涡轮74的单独部件，例如涡轮护罩、涡轮喷嘴、涡轮叶梢、涡轮轴承架外壳等等。在冷却和密封从涡轮74及任何单独的涡轮构件之后，从辅助流可被引导至从涡轮74下游的从再循环环路92中。
在一些实施例中，从增压压缩机64可结合在主空气压缩机12的下游并与之保持流体连通，且位于从涡轮燃烧器72的上游并与之保持流体连通。在传送到从涡轮燃烧器72中之前，从增压压缩机64可进一步压缩至少第三部分压缩的环境气流66。
在又其它实施例中，从鼓风机可流体地连接在从再循环环路92上，位于从再循环的气流冷却器80的上游或下游。从鼓风机可设置为在通过从再循环环路92传送到从涡轮压缩机70中之前升高从再循环的低氧气含量气流90的压力。
在一个实施例中，从涡轮压缩机70还可包括可调节的入口导向叶片，以控制进入从涡轮压缩机70的空气流量。
在一些实施例中，发电设备配置200可包括连接在从再循环环路92上的从节气门78。从节气门78可打开，以便将一部分从再循环的低氧气含量气流90排出至大气。
在一些实施例中，发电设备配置包括一个燃气涡轮组件。在其它实施例中，发电设备配置包括两个或更多通过列间导管8而流体地连接的燃气涡轮组件。如本文所用，术语“列间导管”可指在两个或更多燃气涡轮组件和一个或更多主空气压缩机之间的流体连接。在又其它实施例中，发电设备配置包括三个或更多燃气涡轮组件和一个或更多额外的主空气压缩机，其中额外的主空气压缩机彼此且与燃气涡轮组件保持流体连通。在又其它实施例中，发电设备配置设置为用于基本化学计量型燃烧。在又其它实施例中，发电设备配置设置为用于基本零排放的功率生产。
在一些实施例中，燃料流28和/或从燃料流68可包括有机气体，包括但并不局限于甲烷、丙烷和/或丁烷。在又其它实施例中，燃料流28和/或从燃料流68可包括有机液体，包括但并不局限于甲醇和/或乙醇。在又其它实施例中，燃料流28和/或从燃料流68可包括从固体含碳材料例如煤获得的燃料源。
操作方法
在一个实施例中，提供了一种用于操作示例性发电设备配置10的方法，其中环境空气可利用主空气压缩机12进行压缩，以形成压缩的环境气流。压缩的环境气流可被传送到至少一个燃气涡轮组件。至少第一部分压缩的环境气流26可被传送至燃气涡轮组件。该至少第一部分压缩的环境气流26可被直接传送至涡轮燃烧器32。至少第一部分压缩的环境气流26然后可与至少第一部分再循环的低氧气含量气流50及燃料流28相混合，从而形成可燃混合物。可燃混合物可在涡轮燃烧器32中燃烧，从而产生再循环的低氧气含量气流50。
在一些实施例中，利用再循环的低氧气含量气流50可驱动涡轮34，从而导致涡轮34旋转。如本文所用，术语“利用再循环的低氧气含量气流驱动”意味着再循环的低氧气含量气流50在离开涡轮燃烧器32和在进入涡轮34中时膨胀，从而导致涡轮34旋转。
在一些实施例中，涡轮34的旋转可能造成涡轮轴22并且还造成涡轮压缩机30旋转。涡轮轴22可在涡轮发电机20中旋转，使得涡轮轴22的旋转可能造成涡轮发电机20产生电力。在此实施例中，涡轮压缩机30可流体地连接在涡轮燃烧器32上，使得涡轮压缩机30可将再循环的低氧气含量气流50压缩并传送至涡轮燃烧器32。
如图1中所示，在一些实施例中，涡轮轴22可以是“冷端驱动”构造，意味着涡轮轴22可连接在涡轮组件的压缩机端处的涡轮发电机20上。在其它实施例中，涡轮轴22可以是“热端驱动”构造，意味着涡轮轴22可连接在涡轮组件的涡轮端处的涡轮发电机20上。
在一些实施例中，再循环的低氧气含量气流50可从涡轮34通过再循环环路52引导至用于产生蒸汽的余热蒸汽发生器36。蒸汽涡轮可进一步设置为利用来自余热蒸汽发生器36的蒸汽而产生额外的电力，并且蒸汽涡轮可连接在蒸汽发生器上。在一些实施例中，蒸汽涡轮可设置为连接在涡轮轴22上。再循环的低氧气含量气流50然后可被引导回再循环环路52，并引导至再循环的气流冷却器40。在又其它实施例中，再循环环路52可不包含余热蒸汽发生器36，并且再循环的低氧气含量气流50在离开涡轮34时可替代地被直接引入到再循环的气流冷却器40中。在一些实施例中，再循环环路52可不包括再循环的气流冷却器40。
在一些实施例中，再循环的低氧气含量气流50可利用再循环环路52而从涡轮34的输出再循环到涡轮压缩机30的输入。在传送到涡轮压缩机30中之前，再循环的低氧气含量气流50可利用再循环的气流冷却器40而被冷却至合适温度。再循环的气流冷却器40可结合到涡轮34下游任何地方的再循环环路52中。在一些实施例中，合适温度可低于大约66℃，低于大约49℃，或者低于大约45℃。
在实施例中，通过再循环气流提取流31可从燃气涡轮组件提取至少第二部分再循环的低氧气含量气流50。在实施例中，至少第二部分再循环的低氧气含量气流50可被传送至一氧化碳催化剂单元102。在一些实施例中，再循环气流提取流31可与涡轮压缩机30的输出保持流体连通。在其它实施例中，再循环气流提取流31可附接在再循环环路52的任意点上。
在一些实施例中，可将至少第二部分压缩的环境气流25添加至一氧化碳催化剂单元102。至少第二部分压缩的环境气流25可被一氧化碳催化剂单元102所使用，以便与至少第二部分再循环的低氧气含量气流50中的一氧化碳起反应，并因此可产生包括二氧化碳的高压气流33。在一些实施例中，高压气流33可被传送至高压余热蒸汽发生器104，高压余热蒸汽发生器104可定位在一氧化碳催化剂单元102的下游并与之保持流体连通。在接收高压气流33时，高压余热蒸汽发生器104可产生蒸汽，蒸汽转而又可用于利用后催化剂蒸汽涡轮和后催化剂蒸汽发生器而产生额外的电力。
在一些实施例中，气体感测单元101可流体地连接至再循环气流提取流31。气体感测单元101可用于分析至少一部分再循环的低氧气含量气流50的含量。在一些实施例中，第二气体感测单元103可流体地连接在一氧化碳催化剂单元103的输出上。第二气体感测单元103可用于分析高压气流33的含量。通过在一氧化碳催化剂单元103的上游和下游都提供传感器，可以调整发电设备的参数，从而最小化涡轮燃烧器32所产生的一氧化碳，并且最大化由一氧化碳催化剂单元103所消耗的一氧化碳，同时保持包括一氧化碳的流，即基本无氧气的流，以用于增强型油回收应用。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括辅助流路径27，其可将至少第三部分再循环的低氧气含量气流50作为辅助流从涡轮压缩机30传送至涡轮34。辅助流可用于冷却和密封涡轮34，包括涡轮34的单独部件，例如涡轮护罩、涡轮喷嘴、涡轮叶梢、涡轮轴承架外壳等等。在冷却和密封涡轮34及任何单独的涡轮构件之后，辅助流可被引导至涡轮34下游的再循环环路52中。
在一些实施例中，至少第一部分压缩的环境气流26可被增压压缩机24进一步压缩。涡轮增压压缩机24可结合在主空气压缩机12的下游并与之保持流体连通，且位于涡轮燃烧器32的上游并与之保持流体连通。
在又其它实施例中，鼓风机可流体地连接在再循环环路52上，位于再循环的气流冷却器40的上游或下游。鼓风机可设置为增加再循环的低氧气含量气流50的压力，之后通过再循环环路52传送到涡轮压缩机30中。
在一些实施例中，主空气压缩机12还可包括可调节的入口导向叶片，以控制进入主空气压缩机12的空气流量。另外，涡轮压缩机30还可包括可调节的入口导向叶片，以控制进入涡轮压缩机30的空气流量。
在一些实施例中，示例性发电设备配置10可包括连接在再循环环路52上的节气门。节气门可打开，以便将一部分再循环的低氧气含量气流50排出至大气。
在一些实施例中，示例性发电设备配置10可利用一种方法进行操作，该方法产生电力，并在再循环的低氧气含量气流50中产生数量增加的一氧化碳。额外的一氧化碳可由上文所述的方法转换成额外的二氧化碳。
在又其它实施例中，示例性发电设备配置10可利用一种方法进行操作，该方法利用基本化学计量型燃烧产生电力且来自发电设备的排放物基本为零。
在其它实施例中，示例性发电设备配置200可利用一种方法进行操作，该方法产生电力。除了如上所述操作主燃气涡轮组件之外，在一些实施例中，提供了一种用于操作示例性发电设备配置200的方法，其中压缩的环境气流还可被进一步传送至从燃气涡轮组件。至少第三部分压缩的环境气流66可被传送至从燃气涡轮组件。至少第三部分压缩的环境气流66可被直接传送至从涡轮燃烧器72。至少第三部分压缩的环境气流66然后可与至少第一部分从再循环的低氧气含量气流90及从燃料流68混合，从而形成从可燃混合物。该从可燃混合物可在从涡轮燃烧器72中燃烧，从而产生从再循环的低氧气含量气流90。
在一些实施例中，利用从再循环的低氧气含量气流90可驱动从涡轮74，从而导致从涡轮74旋转。如本文所用，术语“利用再循环的低氧气含量气流驱动”意味着从再循环的低氧气含量气流90在离开从涡轮燃烧器72和在进入从涡轮74中时膨胀，从而导致从涡轮74旋转。
在一些实施例中，从涡轮74的旋转可能造成从涡轮轴62并且又造成从涡轮压缩机70旋转。从涡轮轴62可在从涡轮发电机60中旋转，使得从涡轮轴62的旋转可能造成从涡轮发电机60产生电力。在一些实施例中，从涡轮压缩机70可流体地连接在从涡轮燃烧器72上，使得从涡轮压缩机70可将从再循环的低氧气含量气流90压缩并传送至从涡轮燃烧器72。
如图3中所示，在一些实施例中，从涡轮轴62可以是“冷端驱动”构造，意味着从涡轮轴62可连接在涡轮组件的压缩机端处的从涡轮发电机60上。在其它实施例中，从涡轮轴62可以是“热端驱动”构造，意味着从涡轮轴62可连接在涡轮组件的涡轮端处的从涡轮发电机60上。
在一些实施例中，从再循环的低氧气含量气流90可从从涡轮74通过从再循环环路92而引导至从余热蒸汽发生器76，以用于产生蒸汽。从蒸汽涡轮可进一步设置为利用来自从余热蒸汽发生器76的蒸汽而产生额外的电力，并且从蒸汽涡轮可连接在从蒸汽发生器上。在一些实施例中，从蒸汽涡轮可设置为连接到从涡轮轴62上。从再循环的低氧气含量气流90然后可被引导回从再循环环路92中，并引导至从再循环的气流冷却器80。在又其它实施例中，从再循环环路92可不包含从余热蒸汽发生器76，并且从再循环的低氧气含量气流90在离开从涡轮74时可替代地被直接引入到从再循环的气流冷却器80中。在一些实施例中，从再循环环路92可不包括从再循环的气流冷却器80。
在一些实施例中，从再循环的低氧气含量气流90可利用从再循环环路92而从从涡轮74的输出再循环到从涡轮压缩机70的输入。在传送到从涡轮压缩机70之前，从再循环的低氧气含量气流90可利用从再循环的气流冷却器80而被冷却至合适温度。从再循环的气流冷却器80可结合到从涡轮74下游任何地方的从再循环环路92中。在一些实施例中，合适温度可低于大约66℃，低于大约49℃，或者低于大约45℃。
在一些实施例中，通过从再循环气流提取流71可从从燃气涡轮组件提取至少第二部分从再循环的低氧气含量气流90。在一些实施例中，至少第二部分从再循环的低氧气含量气流90可被传送至从一氧化碳催化剂单元107。在一些实施例中，从再循环气流提取流71可与从涡轮压缩机70的输出保持流体连通。在其它实施例中，从再循环气流提取流71可附接在从再循环环路92的任一点上。
现在转到图4，在一些实施例中，至少第四部分压缩的环境气流65可被添加至从一氧化碳催化剂单元107。至少第四部分压缩的环境气流65可被从一氧化碳催化剂单元107所使用，以便与至少第三部分从再循环的低氧气含量气流90中的一氧化碳起反应，并从而产生包含二氧化碳的从高压气流73。在一些实施例中，从高压气流73可被传送至从高压余热蒸汽发生器109，从高压余热蒸汽发生器109定位在从一氧化碳催化剂单元107的下游并与之保持流体连通。在接收从高压气流73时，从高压余热蒸汽发生器109可产生蒸汽，蒸汽转而又可用于利用从后催化剂蒸汽涡轮和从后催化剂蒸汽发生器而产生额外的电力。
在一些实施例中，从气体感测单元106可流体地连接至从再循环气流提取流71。从气体感测单元106可用于分析至少一部分从再循环的低氧气含量气流90的含量。在一些实施例中，第二从气体感测单元108可流体地连接在从一氧化碳催化剂单元107的输出上。第二从气体感测单元108可用于分析从高压气流73的含量。
在一些实施例中，燃气涡轮组件还可包括从辅助流路径67，从辅助流路径67可将至少第三部分从再循环的低氧气含量气流90作为从辅助流而从从涡轮压缩机70传送至从涡轮74。从辅助流可用于冷却和密封从涡轮74，包括从涡轮74的单独部件，例如涡轮护罩、涡轮喷嘴、涡轮叶梢、涡轮轴承架外壳等等。在冷却和密封从涡轮74及任何单独的涡轮构件之后，从辅助流可被引导至从涡轮74下游的从再循环环路92中。
在一些实施例中，至少第三部分压缩的环境气流66可被从增压压缩机64进一步压缩。从涡轮增压压缩机64可结合在主空气压缩机12的下游并与之保持流体连通，且位于从涡轮燃烧器72的上游并与之保持流体连通。
在又其它实施例中，从鼓风机可流体地连接在从再循环环路92上，位于从再循环的气流冷却器80的上游或下游。从鼓风机可设置为在通过从再循环环路92传送到从涡轮压缩机70中之前增加从再循环的低氧气含量气流90的压力。
在一些实施例中，从涡轮压缩机70还可包括可调节的入口导向叶片，以控制进入从涡轮压缩机70的空气流量。
在一些实施例中，从节气门可连接在从再循环环路92上。从节气门可打开，以便将一部分从再循环的低氧气含量气流90排出至大气。
在一些实施例中，用于操作发电设备配置的方法包括操作一个燃气涡轮组件。在其它实施例中，用于操作发电设备配置的方法包括操作通过列间导管8而流体地连接的两个或更多燃气涡轮组件。在又其它实施例中，用于操作发电设备配置的方法包括操作三个或更多燃气涡轮组件和一个或更多额外的主空气压缩机，其中额外的主空气压缩机彼此且与燃气涡轮组件保持流体连通。在又其它实施例中，用于操作发电设备配置的方法包括基本化学计量型燃烧。在又其它实施例中，用于操作发电设备配置的方法包括基本零排放的功率生产。
其它构造和操作方法通过以下美国专利申请来提供，包括授予Daniel Snook, Lisa Wichmann, Sam Draper, Noemie Dion Ouellet和Scott Rittenhouse(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Method of Operation”、授予Daniel Snook, Lisa Wichmann, Sam Draper, Noemie Dion Ouellet和 Scott Rittenhouse(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Method of Operation”、授予Daniel Snook, Lisa Wichmann, Sam Draper, Noemie Dion Ouellet和Scott Rittenhouse(2011年8月25日提交)的“Power Plant Start-Up Method”、授予Daniel Snook, Lisa Wichmann, Sam Draper和 Noemie Dion Ouellet(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Control Method”、授予Predrag Popovic(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Method of Operation”、授予Sam Draper和Kenneth Kohl(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Method of Operation”、授予Daniel Snook, Lisa Wichmann, Sam Draper和 Noemie Dion Ouellet(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Method of Use”、授予Sam Draper(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Method of Operation”、授予Lisa Wichmann(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Method of Operation”、以及授予Karl Dean Minto(2011年8月25日提交)的“Power Plant and Control Method”，这些发明公开通过引用而结合在本文中。
应该明白前述只涉及本发明的优选实施例，并且在不脱离以下权利要求和其等效物所限定的本发明的精神和范围内，本文可做出许多变化和修改。
Claims (10)
1. 一种发电设备配置，包括：
至少一个主空气压缩机(12)，其用于将环境空气压缩成压缩的环境气流(26)；和
至少一个燃气涡轮组件，其包括：
涡轮燃烧器(32)，其流体地连接在所述主空气压缩机(12)上，用于将至少第一部分压缩的环境气流(26)与至少第一部分再循环的低氧气含量气流(50)及燃料流(28)相混合，以形成可燃混合物，并用于燃烧所述可燃混合物，且形成所述再循环的低氧气含量气流(50)；
涡轮(34)，其连接在所述涡轮燃烧器(32)和所述涡轮轴(22)上，并设置为被来自所述涡轮燃烧器(32)的所述再循环的低氧气含量气流(50)所驱动；
涡轮压缩机(30)，其流体地连接在所述涡轮燃烧器(32)上，并且连接在所述涡轮轴(22)上，且设置为由此被驱动；
再循环环路(52)，其用于使所述再循环的低氧气含量气流(50)从所述涡轮(34)再循环到所述涡轮压缩机(30)；
再循环气流提取流(31)，其用于从所述至少一个燃气涡轮组件提取至少第二部分再循环的低氧气含量气流(50)；且
将所述至少第二部分再循环的低氧气含量气流(50)传送至一氧化碳催化剂单元(102)；
其中至少第二部分压缩的环境气流(25)被从所述至少一个主空气压缩机(12)引导至所述一氧化碳催化剂单元(102)。
2. 根据权利要求1所述的发电设备配置，其特征在于，所述至少一个燃气涡轮组件还包括至少一个气体感测单元(101,103)，所述至少一个气体感测单元(101,103)位于所述一氧化碳催化剂单元的上游或所述一氧化碳催化剂单元的下游。
3. 根据权利要求1所述的发电设备配置，其特征在于，所述至少一个燃气涡轮组件还包括辅助流路径(27)，所述辅助流路径(27)将至少第三部分再循环的低氧气含量气流(50)作为辅助流而从所述涡轮压缩机(30)传送至所述涡轮(34)，并且在冷却和密封所述涡轮(34)之后，将所述辅助流进一步传送至所述再循环环路(52)中。
4. 根据权利要求1所述的发电设备配置，其特征在于，所述发电设备设置为将包括二氧化碳的高压气流传送至油井用于增强型油回收。
5. 一种用于操作发电设备的方法，包括：
利用至少一个主空气压缩机(12)压缩环境空气，以形成压缩的环境气流(26)；
将至少第一部分压缩的环境气流(26)传送到至少一个燃气涡轮组件；
将所述至少第一部分压缩的环境气流(26)与至少第一部分再循环的低氧气含量气流(50)及燃料流(28)相混合，以形成可燃混合物，并在涡轮燃烧器(32)中燃烧所述混合物，从而产生再循环的低氧气含量气流(50)；
利用所述再循环的低氧气含量气流(50)驱动涡轮(34)；
驱动涡轮压缩机(30)，其流体地连接在所述涡轮燃烧器(32)上；
利用再循环环路(52)使所述再循环的低氧气含量气流(50)从所述涡轮(34)再循环到所述涡轮压缩机(30)；
利用再循环气流提取流(31)从所述燃气涡轮组件提取至少第二部分再循环的低氧气含量气流(50)；
将所述至少第二部分再循环的低氧气含量气流(50)传送至一氧化碳催化剂单元(102)；
将至少第二部分压缩的环境气流(25)从所述至少一个主空气压缩机(12)添加至所述一氧化碳催化剂单元(102)；且
利用所述一氧化碳催化剂单元(102)产生包括二氧化碳的高压气流(33)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在进入所述一氧化碳催化剂单元(102)中之前利用第一气体感测单元(101)分析所述再循环的低氧气含量气流(50)的被提取部分的成分。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在从所述一氧化碳催化剂单元(102)离开之后利用第二气体感测单元(103)分析所述高压气流(33)的成分。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括通过辅助流路径(33)将至少第三部分再循环的低氧气含量气流(50)作为辅助流而从所述涡轮压缩机(30)传送至所述涡轮(34)，并且在冷却和密封所述涡轮(34)之后将所述辅助流进一步传送到所述再循环环路(52)。
9. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括操作所述发电设备，以便在所述再循环的低氧气含量气流(50)中产生一氧化碳。
10. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括利用基本化学计量型燃烧且在来自所述发电设备的排放物基本为零的条件下产生电力。
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