CN103797228B - 结合入口压缩机氧化剂控制设备的低排放涡轮系统和与其相关的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于在低排放涡轮系统中控制氧化剂进料从而维持化学计量的或基本化学计量的燃烧条件的系统、方法和设备。在一个或更多实施例中，这样的控制通过确保氧化剂到燃烧室的恒定质量流率的输送的方法或系统而实现。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求提交于2011年3月22日标题为LOW EMISSION TURBINE SYSTEMSHAVING A MAIN AIR COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS AND METHODS RELATEDTHERETO的美国临时申请61/466384；以及提交于2011年9月30日标题为LOW EMISSIONTURBINE SYSTEMS INCORPORATING INLET COMPRESSOR OXIDANT CONTROL APPARATUS ANDMETHODS RELATED THERETO的美国临时申请61/542030的优先权，这两个申请都以其全部内容包括在此作为参考。
本申请涉及提交于2011年9月30日标题为SYSTEMS AND METHODS FOR CARBONDIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION TURBINE SYSTEMS的美国临时申请61/542036；提交于2011年9月30日标题为SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOWEMISSION TURBINE SYSTEMS的美国临时申请61/542037；提交于2011年9月30日标题为SYSTEMS AND METHODS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE IN LOW EMISSION COMBINEDTURBINE SYSTEMS的美国临时申请61/542039；提交于2011年9月30日标题为LOW EMISSIONPOWER GENERATION SYSTEMS AND METHODS INCORPORATING CARBON DIOXIDE SEPARATION的美国临时申请61/542041；提交于2011年3月22日标题为METHODS OF VARYING LOWEMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATEDTHERETO的美国临时申请61/466381；提交于2011年9月30日标题为METHODS OF VARYINGLOW EMISSION TURBINE GAS RECYCLE CIRCUITS AND SYSTEMS AND APPARATUS RELATEDTHERETO的美国临时申请61/542035；提交于2011年3月22日标题为METHODS FORCONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION ON A FIXED GEOMETRY GAS TURBINE SYSTEMAND APPARATUS AND SYSTEMS RELATED THERETO的美国临时申请61/466385；提交于2011年9月30日标题为SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING STOICHIOMETRIC COMBUSTION INLOW EMISSION TURBINE SYSTEMS的美国临时申请61/542031；这些申请都以其全部内容包括在此作为参考。
技术领域
本公开的实施例涉及低排放发电。更特别地，本公开的实施例涉及用于控制到低排放涡轮系统的燃烧室的氧化剂的供应从而实现并维持化学计量的或基本化学计量的燃烧条件的方法和设备。
背景技术
本部分意图介绍可以与本公开的示例性实施例关联的本领域的各个方面。该讨论被确信为帮助提供框架，从而促进更好地理解本公开的特定方面。因此，应理解应据此阅读本部分，而不必作为对现有技术的陈述。
许多产油国经历强劲的国内电力需求增长，并且在增加油回收（EOR）中具有改善从其储油层的油回收的兴趣。两种普通EOR技术包括用于储油层压力维持的氮（N2）喷射以及用于EOR的混相驱动（miscible flooding）的二氧化碳（CO2）喷射。还存在关于温室气体（GHG）排放的全球关注。总量管制和交易（cap-and-trade）政策的实施与该关注的组合在许多国家中使得减少CO2排放在这些国家和其中操作烃生产系统的公司中享有优先权。
降低CO2排放的一些途径包括使用溶剂例如胺的燃料脱碳或补充燃烧捕集。然而，这些解决方案都是昂贵的并且降低发电效率，导致较低的电力生产、增加的燃料需求和满足国内电力需求的增加的电力成本。特别地，氧、SOX和NOX组分的存在使得利用胺溶剂吸收非常成问题。另一途径是在组合循环中的增氧燃料气体涡轮（例如，其中捕集源自气体涡轮布雷顿循环的排气热，从而形成蒸汽并且在兰金循环中产生另外的电力）。然而，没有可以在这样的循环中操作的商业上可用的气体涡轮，并且生产高纯度氧所需要的电力显著降低了工艺 的总效率。
此外，由于关于全球气候变化和二氧化碳排放影响的日益增长的关注，重点已置于将源自发电厂的二氧化碳排放最小化上。气体涡轮联合循环发电厂是有效的并且具有与核电或煤炭发电技术比较的更低的成本。因为以下原因，从气体涡轮联合循环发电厂的排气捕集二氧化碳是非常昂贵的：（a）在排气器（exhaust stack）中二氧化碳的低浓度，（b）需要处理的气体的巨大体积，（c）排气流的低压，以及在排气流中存在的巨大量的氧。这些因素中的全部导致从联合循环电厂的二氧化碳捕集的高成本。
因此，仍具有对低排放、高效率发电和CO2捕集制造处理的充分需要。
发明内容
在本文中描述的联合循环发电厂中，在通常的天然气联合循环（NGCC）电厂中排出的源自低排放气体涡轮的排气取而代之地冷却并再循环到气体涡轮主压缩机入口。再循环排气而不是过量的压缩新鲜空气用来将燃烧产物在膨胀器中冷却到材料限制。本设备、系统和方法使低排放涡轮能够在大范围的环境条件上维持优选燃烧方式，例如化学计量燃烧。通过将化学计量燃烧与排气再循环组合，在再循环气体中CO2的浓度提高，同时最小化过量O2的存在，这两者都使得CO2回收更容易。在一个或更多实施例中，在此描述的低排放涡轮系统采用空气作为氧化剂。
本发明涉及用于在低排放涡轮系统中控制氧化物进料以便维持化学剂量的或基本化学计量的燃烧条件的系统、方法和设备。在一个或更多实施例中，这样的控制通过确保氧化剂到燃烧室的恒定质量流率的输送的方法或系统实现。示例包括但不限于用于冷冻氧化剂进料从而维持恒温（并因此维持密度和体积）、使用带有可变频率驱动的鼓风机以维持氧化剂进料的恒定密度，以及在入口压缩机上使用入口导向叶片从而维持到燃烧室的氧化剂进料的恒定体积的方法和系统。
附图说明
本公开的前述和其他优点可以在浏览了以下实施例的非限制性示例的具体实施方式和附图后变得显然，其中：
图1示出用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统。
图2示出用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中氧化剂进料在进入入口压缩机之前被冷冻。
图3示出用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中带有可变频率驱动的鼓风机用来维持到入口压缩机的氧化剂进料的密度。
图4示出用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，该集成系统在入口压缩机上结合入口导向叶片和泄料阀（blowdown valve）。
具体实施方式
在以下具体实施方式部分中，关于优选实施例描述本公开的具体实施例。然而，就以下说明专用于本公开的特定实施例或特定用途来说，这意图仅用于示例性目的并且仅提供示例性实施例的描述。因此，本公开不限于在下面描述的具体实施例，而是其包括落入所附权利要求的真实精神和范围内的全部替换、修改和等价物。
本文使用的各种术语在下面定义。就在权利要求中使用的术语没有在下面定义来说，其应被给予如在至少一部印刷出版物或已公布的专利中反映的相关领域技术人员给予该术语的最广泛定义。
如在此使用的，术语“天然气”涉及从原油井（伴生气）和/或从地下含气层（非伴生气）获得的多组分气体。天然气的成分和压力可以显著变化。通常的天然气流含有作为主要组分的甲烷（CH4），即大于50mol%的天然气流是甲烷。天然气流也可以含有乙烷（C2H6）、更高分子量的烃（例如C3-C20烃）、一种或更多酸性气体（例如硫化氢）或其任意组合。天然气也可以含有较少量的杂质，例如水、氮、硫化铁、蜡、原油或其任何组合。
如在此使用的，术语“化学计量燃烧”指代燃烧反应，该燃烧反应具有包含燃料和氧化剂的大量反应物以及通过燃烧反应物形成的大量产物，其中反应物的全部容量被用来形成所述产物。如在此使用的， 术语“基本化学计量燃烧”指代具有范围从约0.9：1到约1.1：1或更优选从约0.95：1到约1.05：1的当量比的燃烧反应。除非特别指出，否则本文使用的术语“化学计量的”意思是包括化学计量的和基本化学计量的条件。
如在此使用的，术语“流”指代大量流体，但是该术语流的使用通常意味着大量移动流体（例如具有速度或质量流率）。然而，术语“流”不必是速度、质量流率或用于包围该流的特定类型的导管。
目前公开的系统和处理的实施例可以用来为增加油回收（EOR）或封存（sequestration）应用生产超低排放电力和CO2。根据在此公开的实施例，空气和燃料的混合物可以化学计量地燃烧并同时与再循环排气流混合。一般包括燃烧产物例如CO2的再循环排气流可以用作稀释剂，从而控制或以其他方式缓和进入随后的膨胀器的化学计量的燃烧气体和烟道气体的温度。
在近化学计量条件的燃烧（或“稍富的”燃烧）可以证明有利于消除过量氧去除的成本。通过冷却烟道气体并将水从流中冷凝出来，可以产生相对高含量的CO2流。当再循环排气的一部分可以在闭式布雷顿循环中用于温度缓和时，剩余净化流可以用于EOR应用，并且可以在极少或没有SOX、NOX或CO2被排放到大气的情况下生产电力。例如，净化流可以在适于排出富氮气体的CO2分离器中处理，该富氮气体可以随后在气体膨胀器中膨胀，从而生成另外的机械功率。在此公开的系统使得以更经济高效的水平进行电力生产和另外CO2的制造或获取。然而为避免从化学计量条件偏离，供应到燃烧室的氧化剂的量必须精密控制。本发明提供用于实现这样控制的系统和方法。
在一个或更多实施例中，本发明涉及包含入口压缩机、气体涡轮系统和排气再循环系统的集成系统。气体涡轮系统包含配置为在存在压缩的再循环流的情况下燃烧一种或更多种氧化剂和一种或更多种燃料的燃烧室。入口压缩机压缩一种或更多种氧化剂并将压缩的氧化剂流引导到燃烧室，其中用于燃烧的反应条件是化学计量的或基本化学计量的。燃烧室将第一排放流引导到膨胀器，从而生成排气流并且至少部分驱动主压缩机，并且该主压缩机压缩排气流并由此生成压缩的再循环流。
在一个或更多实施例中，所述系统进一步包含一个或更多冷却装置，其配置为在一种或更多种氧化剂被引入到入口压缩机之前将该一种或更多种氧化剂冷却。例如，氧化剂可以冷却到低于环境空气温度至少约5℉或至少约10℉，或至少约15℉，或至少约20℉，或至少约25℉，或至少约30℉，或至少约35℉，或至少约40℉的温度。在相同或其他实施例中，在进入冷却装置的氧化剂和离开冷却装置的氧化剂之间的温差是至少约5℉，或至少约10℉，或至少约15℉，或至少约20℉，或至少约25℉，或至少约30℉，或至少约35℉，或至少约40℉。在一个或更多实施例中，冷却装置可以是一个或更多热交换器、机械制冷单元、直接接触冷却器、调温冷却器或相似装置及其组合。另外，冷却装置可以采用适合于这样的应用的任何已知的冷却流体，例如冷冻的水或海水，或制冷剂例如非卤化碳氢化合物、碳氟化合物、氢氟碳化合物、氯氟烃、氢化含氯氟烃、无水氨、丙烷、二氧化碳、丙烯等。在某些实施例中，所述系统可以进一步包含分离器，该分离器配置为从冷却装置接收冷却的氧化剂，并且在氧化剂流被引入到入口压缩机之前从氧化剂流移除任何水滴。所述分离器可以是适合于意图的用途的任何装置，例如叶片组、网垫或其他除雾装置。
在相同或其他实施例中，本发明的集成系统可以包含鼓风机，该鼓风机配置为在一种或更多种氧化剂被引入到入口压缩机之前提高该一种或更多种氧化剂的压力。在某些实施例中，鼓风机可以由可变频率驱动器控制。
在本发明的进一步实施例中，入口压缩机包含入口导向叶片。入口导向叶片可以是静止的或可调节的。在一个或更多实施例中，入口导向叶片是可调节的。在相同或其他实施例中，入口压缩机可以进一步包含配置为从入口压缩机释放过量氧化剂的排出流。排出流可以结合阀或配置为允许排出流的流量变化的其他装置，例如泄料阀。
在一个或更多实施例中，本发明还提供了用于发电的方法。该方法包含在入口压缩机中压缩一种或更多种氧化剂，从而形成压缩的氧化剂；在存在压缩的再循环排气的情况下并且在化学计量的或基本化学计量的条件下，在燃烧室中燃烧压缩的氧化剂和至少一种燃料，由此生成排放流；在膨胀器中将排放流膨胀，从而至少部分驱动主压缩 机并生成排气流；以及将排气流引导到排气再循环系统。主压缩机压缩排气流并且由此生成压缩的再循环流。
在一个或更多实施例中，本发明的方法进一步包含在将一种或更多种氧化剂引入到入口压缩机之前用冷却装置冷却该一种或更多种氧化剂。例如，氧化剂可以冷却到低于环境空气温度至少约5℉，或至少约10℉，或至少约15℉，或至少约20℉，或至少约25℉，或至少约30℉，或至少约35℉，或至少约40℉的温度。在相同或其他实施例中，在进入冷却装置的氧化剂和离开冷却装置的氧化剂之间的温差是至少约5℉，或至少约10℉，或至少约15℉，或至少约20℉，或至少约25℉，或至少约30℉，或至少约35℉，或至少约40℉。在相同或其他实施例中，本发明的方法进一步包含从冷却装置接收冷却的氧化剂，并且在氧化剂被引入到入口压缩机之前在分离器中从冷却的氧化剂去除水滴。
在一个或更多实施例中，本发明的方法进一步包含在将一种或更多种氧化剂引入到入口压缩机之前使用鼓风机提高该氧化剂的压力。鼓风机可以由可变频率驱动器控制。
在一个或更多实施例中，入口压缩机可以包含入口导向叶片。在相同或其他实施例中，本发明的方法可以进一步包含从入口压缩机排出过量氧化剂，例如由包含泄料阀的排出流排出。
现在参考附图，本发明的各种实施例可以参考在图1中示出的基本情况而被最好地理解。图1说明了配置为提供改进的补充燃烧CO2捕集处理的发电系统100。在至少一个实施例中，发电系统100可以包括可以表征为闭式布雷顿循环的气体涡轮系统102。在一个实施例中，气体涡轮系统102可以具有第一或主压缩机104，其通过共用轴108或其他机械、电气或其他动力耦接来耦接到膨胀器106，由此允许由膨胀器106生成的机械能的一部分驱动压缩机104。膨胀器106也可以为其他用途例如向第二或入口压缩机118供电而生成动力。气体涡轮系统102可以是标准气体涡轮，其中主压缩机104和膨胀器106分别形成标准气体涡轮的压缩机和膨胀器端。然而，在其他实施例中，主压缩机104和膨胀器106可以是在系统102中的个体化部件。
气体涡轮系统102也可以包括配置为将与压缩的氧化剂114混合 的燃料流112燃烧的燃烧室110。在一个或更多实施例中，燃料流112可以包括任何合适的烃气体或液体，例如天然气、甲烷、石脑油、丁烷、丙烷、合成气、柴油、煤油、航空燃料、煤炭衍生燃料、生物燃料、含氧烃原料或其组合。压缩的氧化剂114可以得自流体耦合到燃烧室110并且适于压缩进料氧化剂120的第二或入口压缩机118。尽管本发明在此假设进料氧化剂120是环境空气，但氧化剂可以包含任何合适的含氧气体，例如空气、富氧空气或其组合。
如在下面更详细描述的，燃烧室110也可以接收包括烟道气体的压缩的再循环流144，该烟道气体主要具有CO2和氮组分。压缩的再循环流144可以得自主压缩机104，并且适于帮助促进压缩的氧化剂114和燃料112的燃烧，并且也提高工作流体中的CO2浓度。在压缩的再循环流144存在的情况下，被引导到膨胀器106入口的排放流116可以作为燃料流112和压缩的氧化剂114的燃烧产物生成。在至少一个实施例中，燃料流112可以主要是天然气，由此生成包含蒸发的水、CO2、氮、氮氧化物（NOX）和氧化硫（SOX）的体积部分的排放物116。在一些实施例中，由于燃烧平衡限制，因此小部分的未燃烧的燃料112或其他化合物也可以存在于排放物116中。当排放流116通过膨胀器106膨胀时，其生成机械动力，从而驱动主压缩机104或其他设施，并且还产生具有增高的CO2含量的排气流122。
发电系统100也可以包括排气再循环（EGR）系统124。尽管在附图中说明的EGR系统124结合了各种设备，但说明的配置仅是代表性的，并且将排气122再循环回到主压缩机从而实现本文陈述的目标的任何系统都可以被使用。在一个或更多实施例中，EGR系统124可以包括热回收蒸汽发生器（HRSG）126或相似装置。排气流122可以发送到HRSG126以便生成蒸汽130的流和冷却的排气132。蒸汽130可以任选地发送到蒸汽气体涡轮（未示出），从而生成另外的电力。在这样的配置中，HRSG126和蒸汽气体涡轮的组合可以表征为闭式兰金循环。与气体涡轮系统102联合，HRSG126和蒸汽气体涡轮可以形成联合循环发电厂（例如天然气联合循环（NGCC）电厂）的部分。
在一个或更多实施例中，离开HRSG126的冷却的排气132可以被发送到配置为降低冷却的排气132的温度并生成冷却的再循环气流 140的至少一个冷却单元134。在一个或更多实施例中，冷却单元134在此被认为是直接接触冷却器（DCC），但可以是任何合适的冷却装置，例如直接接触冷却器、调温冷却器、机械制冷单元或其组合。冷却单元134也可以配置为经水滴流（未示出）去除冷凝的水的一部分。在一个或更多实施例中，冷却的排气流132可以被引导到流体耦合到冷却单元134的鼓风机或增压压缩机142。在这样的实施例中，压缩的排气流136离开鼓风机142并且被引导到冷却单元134。
鼓风机142可以配置为在冷却的排气流132被引入主压缩机104之前提高该冷却的排气流132的压力。在一个或更多实施例中，鼓风机142提高了冷却的排气流132的总密度，由此将增加的质量流率的相同体积流引导到主压缩机104。因为主压缩机104通常是体积流量受限的，由此引导更多质量流通过主压缩机104可以导致来自主压缩机104的更高的排放压力，因此转换成膨胀器106两端的更高的压力比。膨胀器106两端生成的更高的压力比可以允许更高的入口温度，并因此允许膨胀器106功率和效率的提高。由于富CO2排放物116一般维持较高的特定热容，因此这可以证明是有利的。因此，冷却单元134和鼓风机142在结合时可以每个均适于最优化或改善气体涡轮系统102的操作。
主压缩机104可以配置为将从EGR系统124接收的冷却的再循环气流140压缩到额定高于燃烧室110压力的压力，由此生成压缩的再循环流144。在至少一个实施例中，净化流146可以从压缩的再循环流144捕集并随后在CO2分离器或其他设备（未示出）中处理，从而获取CO2。已分离的CO2可以用于销售，在需要CO2的其他处理中使用和/或为增加油回收（EOR）、封存或其他目的而压缩并注入地下储油层。
EGR系统124如在此描述地可以被实施以在发电系统100的工作流体中实现更高的CO2浓度，由此允许用于随后的封存、压力维持或EOR应用的更有效的CO2分离。例如，在此公开的实施例可以将烟道气体排气流中的CO2的浓度有效提高到约10wt%（重量百分比）或更高。为实现该目的，燃烧室110适于按化学计量燃烧引入的燃料112和压缩的氧化剂114的混合物。为缓和化学计量燃烧的温度从而符合膨胀器106入口温度和部件冷却需求，来自压缩的再循环流144的排 气的一部分可以被注入燃烧室110中作为稀释剂。因此，本公开的实施例可以从工作流体中基本消除任何过量的氧，同时增加其CO2成分。这样，排气流122可以具有小于约3.0vol%（体积百分比）的氧，或小于约1.0vol%的氧，或小于约0.1vol%的氧，或者甚至小于约0.001vol%的氧。
在本文未示出的一些实施例中，高压蒸汽也可以在燃烧室中代替再循环的排气或除再循环的排气之外被用作稀释剂。在这样的实施例中，蒸汽的添加降低了EGR系统中的功率和尺寸需求（或一并消除了EGR系统），但需要水再循环回路的添加。
另外，在本文未示出的进一步实施例中，到燃烧室的压缩的氧化剂进料可以包含氩。例如，氧化剂可以包含从约0.1vol%到约5.0vol%的氩，或从约1.0vol%到约4.5vol%的氩，或从约2.0vol%到约4.0vol%的氩，或从约2.5vol%到约3.5vol%的氩，或约3.0vol%的氩。如本领域技术人员将认识到的，将氩结合到压缩的氧化剂进料可以需要在主压缩机和燃烧室之间添加交叉式交换器或相似装置，该交叉式交换器或相似装置配置为从再循环流去除过量的CO2，并在用于燃烧的适当温度下将氩返回到燃烧室。
图2到图4说明了对在图1中示出的参考系统100的修改，该修改意图允许在馈送到燃烧室110的氧化剂的量上的更精确的控制。在氧化剂进料上的增大的控制允许无关于在系统中或在外界环境中任何地方的变化的化学计量燃烧条件的恒定维持。
现在参考图2，其示出了实施并描述为系统200的图1的发电系统100的可替换的实施例。这样，图2可以参考图1被最好地理解。在图2的系统200中，进料氧化剂120在被馈送到入口压缩机118之前冷冻。离开入口压缩机118的氧化剂的质量主要由进入入口压缩机118的氧化剂进料的密度确定。由于固定的入口几何构形，因此入口压缩机118一般拉动固定体积的气体。通过控制氧化剂进料120的温度，其密度可以受控制，这进而意味着在恒定体积下，氧化剂进料的质量流率也受控制。当到燃烧室110的氧化剂进料120的质量流率恒定时，化学计量条件可以更容易地维持。如在图2中所示，氧化剂进料120在入口压缩机118上游的热交换器210中冷冻。氧化剂进料120的冷却由 在流214中提供的制冷剂完成。尽管在此示出了采用制冷剂的热交换器，但任何类型的冷却装置均可以用来将氧化剂冷却到希望温度。例如，冷却的其他方法包括使用冷冻的水或海水作为冷却流体的一个或更多热交换器、机械制冷单元、直接接触冷却器、调温冷却器及其组合。另外，可以采用适合于意图的用途的任何已知的制冷剂，例如非卤化的碳氢化合物、碳氟化合物、氢氟碳化合物、氯氟烃、氢化含氯氟烃、无水氨、丙烷、二氧化碳、丙烯等。进一步地，尽管在图2中示出了一个热交换器210，但两个或更多热交换器或其他冷却装置可以被采用（未示出），特别是与多级压缩机的结合。在这样的实施例中，可以希望的是在压缩机的每级之间结合一个或更多个冷却装置。
在本发明的一个或更多实施例中，离开热交换器210的冷冻的氧化剂进料120可以任选地被引导到分离器212，从而去除可以在其中夹带的任何冷凝的水滴。分离器212可以是适合于水滴去除的任何装置，例如叶片组、网垫或其他除雾装置。氧化剂进料流120从分离器212被引导到入口压缩机118，并且系统200的剩余部分以与先前描述的图1的系统100相同的方式操作。
现在参考图3，其示出了实施并描述为系统300的图1的发电系统100的可替换的配置。这样，图3可以参考图1被最好地理解。在图3的系统300中，进料氧化剂120的压力在被馈送到入口压缩机118之前由鼓风机310增压。离开鼓风机310的加压的氧化剂进料312的压力和因此密度通过与鼓风机310结合使用的可变频率驱动器314维持在恒定水平。这样，鼓风机310提供取决于进料氧化剂120的条件的变化的压缩程度，以便实现加压的氧化剂进料312的希望的恒定密度。例如，在温暖日子或当氧化剂进料120以其他方式处于比较高的温度时，可变频率驱动器314可以被调整使得鼓风机310比在寒冷日子或当氧化剂进料120处于比较低的温度时提供更多压缩。可变频率驱动器314可以人工或自动调整。对于本领域技术人员明显的是，可以需要传感器或其他装置（未示出），从而监控氧化剂进料120的变化条件和性质，使得可变频率驱动器可以相应地被调整。在离开鼓风机310后，加压的氧化剂进料312被引导到入口压缩机118，并且系统300的剩余部分以与先前描述的图1的系统100相同的方式操作。
现在参考图4，其示出了实施并描述为系统400的图1的发电系统100的可替换的配置。这样，图4可以参考图1被最好地理解。在图4的系统400中，入口导向叶片410被添加到入口压缩机118的第一级，从而控制通过入口压缩机118的氧化剂的质量流率。入口导向叶片410可以是静止的或可变的，但优选是可变的，使得它们可以经调整引起氧化剂进料120的变化。入口导向叶片410允许通过入口压缩机118的质量流率的粗略控制，并且入口压缩机118的工作点应经设计使得入口导向叶片410的控制准确度的下端向燃烧室110提供充足空气。例如，如果入口导向叶片精确到2%以内，那么2%的另外的氧化剂应被压缩。在一个或更多实施例中，在氧化剂流量上的精细控制可以通过结合源自压缩机的排出流412来运用，其采用泄料阀414从而在压缩的氧化剂114被馈送到燃烧室110之前，如存在任何过量氧化剂，则将该过量氧化剂排出。在这样的实施例中，过量氧化剂可以在小于入口压缩机118的排放压力的压力下被任选地排出。系统400的剩余部分以与先前描述的图1的系统100相同的方式操作。尽管排出流412和泄料阀414与入口导向叶片410结合使用以提供最大量的控制是优选的，但在一个或更多可替换的实施例中，排出流412和泄料阀414均可以任选地代替入口导向叶片在入口压缩机118中被用作流量控制的唯一方法。
除在上面描述并由图2到图4说明的实施例之外，用于控制氧化剂到燃烧室的供应从而维持化学计量燃烧条件的另外的系统和方法也在此考虑，并且一个或更多这样的选项可以分离地实施或与先前描述的实施例中的一个或更多组合实施。例如，以相似于上面关于图2描述的方式，氧化剂进料可以被加热而不是被冷却以维持恒定密度。在相同或其他实施例中，在系统内的进气孔可以具有可变的几何构形，从而调整空气流量。在进一步的实施例中，带有任选的旁路控制的一个或更多排放冷却器可以用来控制离开入口压缩机并进入燃烧室的氧化剂进料的温度。
在一个或更多另外的实施例中，所述系统可以经设计在氧稍富的情况下运行，因此可以适应环境空气密度的降低。在这样的设计中，当环境空气更密集时，管道燃烧、催化剂或其他相似选项可以是从所述系统去除过量氧所必须的。
在相同或其他实施例中，可变驱动可以用相似于在图3中描述的方 式遍及所述系统而采用。例如，可变驱动器可以与EGR鼓风机142结合使用或在入口压缩机118自身上使用。在一个或更多实施例中，蒸汽驱动器可以用来操作入口压缩机118，使得压缩机的速度可以变化，因此容许压缩机的直接控制。
尽管本公开可能易受各种修改和替换形式的影响，但在上面讨论的示例性实施例仅作为示例示出。在此描述的任何实施例的任何特征或配置可以与任何其他实施例组合或与多个其他实施例组合（就可行性来说），并且全部这样的组合均意图在本发明的范围内。此外，应理解本公开不意图限于在此公开的特定实施例。事实上，本公开包括落入所附权利要求的真实精神和范围内的全部替换、修改和等价物。
Claims (24)
1.一种用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，包括：
气体涡轮系统，所述气体涡轮系统包括配置为在存在压缩的再循环流的情况下燃烧一种或更多种氧化剂和一种或更多种燃料的燃烧室，其中所述燃烧室将第一排放流引导到膨胀器，从而生成排气流并且至少部分地驱动主压缩机；
入口压缩机，所述入口压缩机配置为压缩所述一种或更多种氧化剂并将压缩的氧化剂流引导到所述燃烧室；
排气再循环系统，其中所述主压缩机压缩所述排气流并由此生成所述压缩的再循环流；
其中在所述燃烧室中的反应条件是化学计量的或基本化学计量的；以及
控制系统，所述控制系统配置为通过变更所述一种或更多种氧化剂的一种或更多种性质而控制所述一种或更多种氧化剂进入所述入口压缩机的流率，以便在所述燃烧室中维持所述化学计量的或基本化学计量的反应条件。
2.根据权利要求1所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述控制系统包括一个或更多冷却装置，所述一个或更多冷却装置配置为在所述一种或更多种氧化剂被引入到所述入口压缩机之前冷却所述一种或更多种氧化剂。
3.根据权利要求2所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述一种或更多种氧化剂被冷却到比环境条件低至少20℉的温度。
4.根据权利要求2所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，进一步包括分离器，所述分离器配置为从所述一个或更多冷却装置接收冷却的氧化剂，并且在所述冷却的氧化剂被引入到所述入口压缩机之前从所述冷却的氧化剂去除水滴。
5.根据权利要求2所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述一个或更多冷却装置是使用制冷剂作为冷却流体的热交换器。
6.根据权利要求1所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述控制系统包括鼓风机，所述鼓风机配置为在所述一种或更多种氧化剂被引入到所述入口压缩机之前提高所述一种或更多种氧化剂的压力。
7.根据权利要求6所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述鼓风机由可变频率驱动器控制。
8.根据权利要求1所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述控制系统包括入口导向叶片。
9.根据权利要求8所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述入口压缩机进一步包括配置为允许排出流的流量变化的阀，所述排出流配置为从所述入口压缩机释放过量氧化剂。
10.根据权利要求9所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述阀配置为以小于所述入口压缩机的排放压力的压力从所述入口压缩机释放过量氧化剂。
11.根据权利要求1所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，其中所述压缩的再循环流包括补充或代替所述排气流的蒸汽冷却剂。
12.根据权利要求11所述的用于低排放发电和增加的CO2回收的集成系统，进一步包括水再循环回路，从而提供所述蒸汽冷却剂。
13.一种发电的方法，包括：
在入口压缩机中压缩一种或更多种氧化剂，从而形成压缩的氧化剂；
在存在压缩的再循环排气的情况下，在燃烧室中燃烧所述压缩的氧化剂和至少一种燃料，由此生成排放流；
在膨胀器中将所述排放流膨胀，从而生成排气流并至少部分地驱动主压缩机；
将所述排气流引导到排气再循环系统，其中所述主压缩机压缩所述排气流并且由此生成压缩的再循环流；
其中在所述燃烧室中的反应条件是化学计量的或基本化学计量的；以及
通过变更所述一种或更多种氧化剂的一种或更多种性质而控制所述一种或更多种氧化剂进入所述入口压缩机的流率，以便在所述燃烧室中维持所述化学计量的或基本化学计量的反应条件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述控制包括在将所述一种或更多种氧化剂引入到所述入口压缩机之前，在冷却装置中冷却所述一种或更多种氧化剂。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述一种或更多种氧化剂被冷却到比环境条件低至少20℉的温度。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述控制包括从所述冷却装置接收冷却的氧化剂，并且在将所述一种或更多种氧化剂引入到所述入口压缩机之前在分离器中从冷却的氧化剂去除水滴。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述冷却装置是使用制冷剂作为冷却流体的热交换器。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述控制包括在将所述一种或更多种氧化剂引入到所述入口压缩机之前使用鼓风机提高所述一种或更多种氧化剂的压力。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述鼓风机由可变频率驱动器控制。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述入口压缩机包括入口导向叶片。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括将过量氧化剂从所述入口压缩机排出。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述过量氧化剂以小于所述入口压缩机的排放压力的压力从所述入口压缩机排出。
23.根据权利要求13所述的方法，进一步包括向所述压缩的再循环流添加蒸汽冷却剂，从而补充或代替所述排气流。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括水再循环回路，从而提供所述蒸汽冷却剂。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170322 Termination date: 20200305 |