CN104956151B - 燃气涡轮燃烧室控制系统 - Google Patents

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Abstract

燃气涡轮系统，其包括控制器(118)，其配置为接收与用于在涡轮燃烧室(160)中燃烧的燃料(70)相关的燃料组成信息；接收与用于在涡轮燃烧室(160)中燃烧的氧化剂(68)相关的氧化剂组成信息；接收与至涡轮燃烧室(160)的氧化剂流动相关的氧化剂流动信息；至少基于燃料组成信息和氧化剂组成信息确定化学计量的燃料‑对‑氧化剂比；并且产生用于输入到燃料流动控制系统的控制信号，该燃料流动控制系统配置为基于氧化剂流动信息、目标当量比和化学计量的燃料‑对‑氧化剂比控制至涡轮燃烧室(160)的燃料流动以能够在涡轮燃烧室内在排气稀释剂的存在下在目标当量比下燃烧。

Description

燃气涡轮燃烧室控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年10月29日提交的题目为“GAS TURBINE COMBUSTOR CONTROLSYSTEM”的美国非临时专利申请号14/066,551，2012年12月28日提交的题目为“GASTURBINE COMBUSTOR CONTROL SYSTEM”的美国临时专利申请号61/747,194，2012年11月2日提交的题目为“SYSTEM AND METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION IN A STOICHIOMETRICEXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM”的美国临时专利申请号61/722,118，2012年11月2日提交的题目为“SYSTEM AND METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION WITHFUEL-DILUENT MIXING IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINESYSTEM”的美国临时专利申请号61/722,115，2012年11月2日提交的题目为“SYSTEM ANDMETHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION WITH OXIDENT-DILUENT MIXING IN ASTOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM”的美国临时专利申请号61/722,114以及2012年11月2日提交的题目为“SYSTEM AND METHOD FOR LOADCONTROL WITH DIFFUSION COMBUSTION IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GASRECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM”的美国临时专利申请号61/722,111的优先权和权益，所有这些出于所有目的通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本文所公开的主题涉及燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机在各种各样的应用中使用，例如发电、航空器以及多种机械装置。燃气涡轮发动机通常在燃烧室部分中燃烧燃料与氧化剂(例如，空气)以产生热的燃烧产物，其然后驱动涡轮部分的一个或多个涡轮级(stage)。依次地，涡轮部分驱动压缩机部分的一个或多个压缩机级，从而压缩氧化剂以连同燃料一起进气到燃烧室部分中。再一次地，燃料和氧化剂在燃烧室部分中混合，并且然后燃烧以产生热的燃烧产物。通常地，燃烧产物的性质，例如燃烧产物中特定气体的相对水平(例如，氮氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2))可被在燃烧过程中使用的燃料与氧化剂的比率影响。不幸地，某些比率可导致燃烧产物中过量水平的氧，其可能是对燃气涡轮系统以及下游组件有害的。
发明内容
以下总结了与最初要求保护主题的范围相称的某些实施方式。这些实施方式不意欲限制要求保护的发明的范围，而是这些实施方式仅意欲提供本发明可能形式的简要概括。事实上，本公开可包括可与以下阐明的实施方式类似或者不同的多种形式。
在一个实施方式中，燃气涡轮系统包括：控制器，其具有：共同存储一组或多组指令的一个或多个有形的、非临时性的、机器可读的介质；和配置为执行该一组或多组指令的一个或多个处理设备以：接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的燃料相关的燃料组成信息；接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的氧化剂相关的氧化剂组成信息；接收与至涡轮燃烧室的氧化剂流动相关的氧化剂流动信息；至少基于燃料组成信息和氧化剂组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比(FORST)；产生用于输入至燃料流动控制系统的控制信号——所述燃料流动控制系统被配置为基于氧化剂流动信息、目标当量比以及FORST控制至涡轮燃烧室的燃料流动，以能够在排气稀释剂的存在下在目标当量比下燃烧。
在另一个实施方式中，燃气涡轮系统包括配置为在排气稀释剂的存在下在目标当量比下燃烧燃料和氧化剂以产生燃烧产物的涡轮燃烧室；配置为在氧化剂流动速率下传输氧化剂至涡轮燃烧室的氧化剂路径；配置为在燃料流动速率下传输燃料至涡轮燃烧室的燃料路径，其中燃料路径包含配置为响应于一个或多个控制信号调节燃料流动速率的燃料流动控制系统；并且控制器可通信地连接至流动控制系统，其中控制器包括：共同存储一组或多组指令的一个或多个有形的、非临时性的、机器可读的介质；以及配置为执行一组或多组指令以向燃料流动控制系统提供一个或多个控制信号的一个或多个处理设备，其中一个或多个控制信号控制至燃烧室的燃料流动速率以能够在涡轮燃烧室中在目标当量比下燃烧，其中一个或多个控制信号包含反馈分量和前馈分量。
在进一步的实施方式中，提供共同存储通过一个或多个处理设备可执行的一组或多组指令的一个或多个非临时性的、机器可读的介质以：接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的燃料相关的燃料组成信息；接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的氧化剂相关的氧化剂组成信息；接收与至涡轮燃烧室的氧化剂流动相关的氧化剂流动信息；至少基于燃料组成信息和氧化剂组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比(FORST)；使用FORST和目标当量比确定参考燃料-对-氧化剂比(FORREF)；并且产生用于输入至燃料流动控制系统的控制信号——该燃料流动控制系统配置为基于氧化剂流动信息和FORREF控制至涡轮燃烧室的燃料流动，以能够在涡轮燃烧室内在再循环排气的存在下在燃料和氧化剂之间的目标当量比下燃烧。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，在附图中相同字符表示相同构件，其中：
图1是系统的实施方式的图表，该系统具有连接到烃生产系统的基于涡轮的服务系统；
图2是图1的系统的实施方式的图表，进一步图解了控制系统和联合的循环系统；
图3是图1和2的系统的实施方式的图表，进一步图解了燃气涡轮发动机、排气供应系统和排气处理系统的细节；
图4是用于运行图1-3的系统的过程的实施方式的流程图；
图5是图1-3的系统的实施方式的图表，进一步图解了控制系统、燃料分析系统和配置为确定涉及系统的过程流的组成和流动信息的各种传感器的细节；
图6是确定用于运行图5的当量比控制系统的控制输入的过程的实施方式的流程图；
图7是确定用于运行图5的当量比控制系统的控制输入的过程的实施方式的流程图；
图8是确定用于运行图5的当量比控制系统的控制输入的过程的实施方式；以及
图9是使用与在图1-3和5的燃气涡轮系统的运行期间产生的排气相关的测量值和模拟值的组合确定测量的当量比的过程的实施方式。
具体实施方式
以下将描述本公开的一个或多个具体的实施方式。为了提供这些实施方式的简明描述，在说明书中可以不描述实际实施的所有特征。应当理解的是，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实施具体的决定(implementation-specific decision)以达到开发者的具体目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，其可以在不同的实施之间变化。此外，应当理解的是，这种开发努力可能是复杂的并耗时的，但是对于具有此公开益处的那些普通技术仍然将是设计、制作和制造的常规任务。
当引入本发明各种实施方式的要素时，冠词“一(a)”、“一(an)”“该(the)”和“所述(said)”意欲表示存在一个或多个要素。术语“包含(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”意欲包括并且表示除了所列出的要素还可存在另外的要素。
如以下详细讨论的，公开的实施方式通常涉及带有排气再循环(EGR)的燃气涡轮系统，并且尤其涉及使用EGR的燃气涡轮系统的化学计量的运行。例如，燃气涡轮系统可配置为沿着排气再循环路径再循环排气，连同至少一些再循环排气化学计量地燃烧燃料和氧化剂，并且捕获排气以用在多种目标系统。另外，在其下进行燃料和氧化剂的燃烧的化学计量比可基于前馈和反馈机制二者控制。在某些实施方式中，前馈机制可基于燃料和氧化剂的组成、燃料和/或氧化剂至燃气涡轮系统的当前流动速率以及期望的化学计量的燃料-对-空气比。在一些实施方式中，反馈机制可基于再循环排气的测量的组成。控制系统可利用前馈机制、反馈机制或其组合以控制至燃气涡轮系统的燃料和/或氧化剂流动，以实现排气的期望组成，例如实现排气中较高水平的二氧化碳(CO2)。
除控制燃料和/或氧化剂流动之外，排气的再循环连同化学计量的燃烧可有助于增加排气中CO2的浓度水平，其可以然后被后处理以分离并纯化CO2和氮气(N2)，用于多种目标系统中。燃气涡轮系统也可以沿着排气再循环路径使用各种排气处理(例如，热回收、催化剂反应等)，从而增加CO2的浓度水平，减少其他排放物(例如，一氧化碳、氮氧化物、氧气以及未燃尽的烃)的浓度水平，并且增加能量回收(例如，用热回收单元)。
图1是系统10的实施方式的图表，该系统10具有与基于涡轮的服务系统14相关联的烃生产系统12。如以下进一步详细讨论的，基于涡轮的服务系统14的各种实施方式配置为提供多种服务——例如电力、机械动力以及流体(例如，排气)——至烃生产系统12以促进油和/或气的生产或回收。在图解的实施方式中，烃生产系统12包括油/气提取系统16和提高采收率法采油(EOR)系统18，其被连接到地下储层20(例如，油、气或烃储层)。油/气提取系统16包括连接到油/气井26的多种地表装置22，例如采油树(Christmas tree)或生产树24。而且，井26可包括延伸穿过在土地32中的钻孔30至地下储层20的一个或多个管28。树24包括一个或多个阀、节流器、隔离套、防喷器和各种流动控制设备，其调节压力，并且控制到地下储层20以及自地下储层20的流动。虽然树24通常用于控制采出液(例如，油或气)自地下储层20流出，但EOR系统18通过将一种或多种流体注入到地下储层20可增加油或气的生产。
因此，EOR系统18可包括流体注入系统34，其具有延伸穿过土地32中的孔38到地下储层20的一个或多个管36。例如，EOR系统18可发送一种或多种流体40——例如气体、蒸汽、水、化学制品或其任意结合——到流体注入系统34。例如，如以下进一步详细讨论的，EOR系统18可连接到基于涡轮的服务系统14，以便系统14发送排气42(例如，基本上或者完全不含氧气)至EOR系统18，以用作注入流体40。流体注入系统34发送流体40(例如，排气42)穿过一个或多个管36到地下储层20，如箭头44所示。注入流体40穿过在远离油/气井26的管28的偏移距离46处的管36进入地下储层20。因此，如箭头50所示，注入流体40转移位于地下储层20中的油/气48并驱动油/气48向上穿过烃生产系统12的一个或多个管28。如以下进一步详细讨论的，注入流体40可包括源于基于涡轮的服务系统14的排气42，该基于涡轮的服务系统14能够现场产生烃生产系统12需要的排气42。换句话说，基于涡轮的系统14可同时产生一种或多种服务(例如，电力、机械动力、蒸汽、水(例如，淡化水)和排气(例如，基本上不含氧气))用于由烃生产系统12使用，从而减少或消除这种服务对外部资源的依赖。
在图解的实施方式中，基于涡轮的服务系统14包括化学计量的排气再循环(SEGR)燃气涡轮系统52和排气(EG)处理系统54。燃气涡轮系统52可配置为以化学计量的燃烧运行模式(例如，化学计量的控制模式)和非-化学计量的燃烧运行模式(例如，非-化学计量的控制模式)运行，例如贫燃料控制模式或富燃料控制模式。在化学计量的控制模式中，燃烧通常在基本上化学计量比的燃料和氧化剂中产生，从而导致基本上化学计量的燃烧。特别地，化学计量的燃烧通常包括在燃烧反应中消耗基本上所有的燃料和氧化剂，以便燃烧产物基本上或完全不含有未燃尽的燃料和氧化剂。化学计量的燃烧的一个量度是当量比，或phi(φ)，其是实际燃料/氧化剂比相对于化学计量的燃料/氧化剂比的比率。大于1.0的当量比导致燃料和氧化剂的富燃料燃烧，反之小于1.0的当量比导致燃料和氧化剂的贫燃料燃烧。相反，1.0的当量比导致即不富燃料也不贫燃料的燃烧，从而在燃烧反应中基本上消耗所有的燃料和氧化剂。在公开的实施方式的上下文中，术语化学计量或基本上化学计量可指大约0.95至大约1.05的当量比。然而，公开的实施方式也可包括1.0加或减0.01、0.02、0.03、0.04、0.05或者更多的当量比。再一次地，在基于涡轮的服务系统14中燃料和氧化剂的化学计量的燃烧可导致基本上无未燃尽的燃料或氧化剂剩余的燃烧产物或排气(例如，42)。例如，排气42可具有按体积小于百分之1、2、3、4或5的氧化剂(例如，氧气)、未燃尽的燃料或烃(例如，HCs)、氮氧化物(例如，NOX)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOX)、氢气以及其他不完全燃烧的产物。通过进一步的实例，排气42可具有小于按体积大约每百万份之10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000份(ppmv)的氧化剂(例如，氧气)、未燃尽的燃料或烃(例如，HCs)、氮氧化物(例如，NOX)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOX)、氢气以及其他不完全燃烧的产物。然而，公开的实施方式也可在排气42中产生其他范围的残留燃料、氧化剂以及其他排放水平。如本文所使用的，术语排放物、排放水平和排放目标可指某些燃烧产物(例如，NOX、CO、SOX、O2、N2、H2、HCs等)的浓度水平，其可以存在于再循环气流、排出的气流(例如，排放到大气中)以及用在各种目标系统(例如，烃生产系统12)的气流中。
虽然在不同的实施方式中SEGR燃气涡轮系统52和EG处理系统54可包括多种组件，但图解的EG处理系统54包括热回收蒸汽发生器(HRSG)56和排气再循环(EGR)系统58，其接收并处理源于SEGR燃气涡轮系统52的排气60。HRSG 56可包括一个或多个热交换器、冷凝器以及多种热回收装置，其共同起作用以将热从排气60传送至水流，从而产生蒸汽62。蒸汽62可用在一个或多个蒸汽涡轮、EOR系统18或烃生产系统12的任何其他部分中。例如，HRSG 56可产生低压、中压和/或高压蒸汽62，其可选择性地应用于低压、中压和高压蒸汽涡轮级或者EOR系统18的不同应用中。除了蒸汽62之外，处理的水64——例如淡化水——可通过HRSG56、EGR系统58和/或EG处理系统54或SEGR燃气涡轮系统52的另外部分产生。处理的水64(例如，淡化水)在水缺乏区域——例如内陆或者沙漠地区——可以是特别有用的。处理的水64可以至少部分地由于在SEGR燃气涡轮系统52中大体积的驱动燃料燃烧的空气而产生。虽然蒸汽62和水64的现场产生在许多应用中(包括烃生产系统12)可以是有益的，但排气42、60的现场产生对于EOR系统18可以是特别有益的，这是由于其低氧含量、高压以及源自SEGR燃气涡轮系统52的热。因此，HRSG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分可输出或者再循环排气66到SEGR燃气涡轮系统52中，同时也发送排气42到EOR系统18，供烃生产系统12使用。同样地，排气42可直接从SEGR燃气涡轮系统52(即，无需通过EG处理系统54)提取，以用在烃生产系统12的EOR系统18中。
EG处理系统54的EGR系统58处理排气再循环。例如，EGR系统58包括一个或多个管道、阀、鼓风机、排气处理系统(例如，过滤器、颗粒去除单元、气体分离单元、气体纯化单元、热交换器、热回收单元、水分去除单元、催化剂单元、化学制品注入单元或其任意组合)和控制元件以沿着从SEGR燃气涡轮系统52的输出(例如，排出的排气60)至输入(例如，进气的排气66)的排气循环路径再循环排气。在图解的实施方式中SEGR燃气涡轮系统52进气该排气66到具有一个或多个压缩机的压缩机部分中，从而压缩排气66，以连同氧化剂68和一种或多种燃料70的进气在燃烧室部分中使用。氧化剂68可包括环境空气、纯氧气、富氧空气、氧气减少的空气、氧气-氮气混合物或者促进燃料70燃烧的任何合适的氧化剂。燃料70可包括一种或多种气体燃料、液体燃料或其任意组合。例如，燃料70可包括天然气、液化天然气(LNG)、合成气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、煤油、柴油燃料、乙醇、甲醇、生物燃料或其任意组合。
SEGR燃气涡轮系统52在燃烧室部分中混合并燃烧排气66、氧化剂68以及燃料70，从而产生热的燃烧气或排气60以驱动涡轮部分中的一个或多个涡轮级。在某些实施方式中，在燃烧室部分中的每个燃烧室包括一个或多个预混合燃料喷嘴、一个或多个扩散燃料喷嘴或其任意组合。例如，每个预混合燃料喷嘴可配置为在燃料喷嘴中内部地和/或部分地在燃料喷嘴上游混合氧化剂68和燃料70，从而将氧化剂-燃料混合物从燃料喷嘴注入到燃烧区用于预混合的燃烧(例如，预混合的火焰)。通过进一步的实例，每个扩散燃料喷嘴可配置为在燃料喷嘴内隔离氧化剂68和燃料70的流，从而从燃料喷嘴分别注入氧化剂68和燃料70到燃烧区中用于扩散燃烧(例如，扩散火焰)。特别地，扩散燃料喷嘴提供的扩散燃烧延迟氧化剂68和燃料70的混合直到初始燃烧点，即，火焰区域。在使用扩散燃料喷嘴的实施方式中，扩散火焰可提供增加的火焰稳定性，这是因为扩散火焰通常在氧化剂68和燃料70的分离的流之间化学计量点处(即，当氧化剂68和燃料70混合时)形成。在某些实施方式中，一种或多种稀释剂(例如，排气60、蒸汽、氮气或者另一惰性气体)可以在扩散燃料喷嘴或者在预混合燃料喷嘴中与氧化剂68、燃料70或二者预混合。另外，一种或多种稀释剂(例如，排气60、蒸汽、氮气或者另一惰性气体)可以在每个燃烧室内的燃烧点处或者从其下游注入到燃烧室。这些稀释剂的使用可帮助调节火焰(例如，预混合火焰或者扩散火焰)，从而帮助减少NOX排放物，例如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。不管火焰的类型如何，燃烧产生热的燃烧气体或排气60以驱动一个或多个涡轮级。当每个涡轮级被排气60驱动时，SEGR燃气涡轮系统52产生机械动力72和/或电力74(例如，通过发电机)。系统52也输出排气60，并且可进一步输出水64。再一次地，水64可以是处理的水，例如淡化水，其在现场或现场外的多种应用中可以是有用的。
排气提取也通过SEGR燃气涡轮系统52使用一个或多个提取点76提供。例如，图解的实施方式包括具有排气(EG)提取系统80和排气(EG)处理系统82的排气(EG)供应系统78，其接收来自提取点76的排气42、处理排气42并且然后供应或者分配排气42至各种目标系统。目标系统可包括EOR系统18和/或其他系统，例如管线86、储罐88或碳封存(sequestration)系统90。EG提取系统80可包括一个或多个管道、阀、控制元件和流分离物，其促进排气42与氧化剂68、燃料70以及其他污染物的隔离，同时也控制提取的排气42的温度、压力以及流动速率。EG处理系统82可包括一个或多个热交换器(例如，热回收单元例如热回收蒸汽发生器、冷凝器、冷却器或加热器)、催化剂系统(例如，氧化催化剂系统)、颗粒和/或水去除系统(例如，气体脱水单元、惯性分离器、聚结过滤器、不透水过滤器以及其他过滤器)、化学制品注入系统、基于溶剂的处理系统(例如，吸收器、闪蒸罐等)、碳捕获系统、气体分离系统、气体纯化系统、和/或一个基于溶剂的处理系统、排气压缩机、其任意组合。EG处理系统82的这些子系统能够控制温度、压力、流动速率、水分含量(例如，水去除的量)、颗粒含量(例如，颗粒去除的量)以及气体组成(例如，CO2、N2等的百分比)。
通过EG处理系统82的一个或多个子系统处理提取的排气42，这依赖于目标系统。例如，EG处理系统82可引导全部或部分排气42穿过碳捕获系统、气体分离系统、气体纯化系统和/或基于溶剂的处理系统，其被控制以分离和纯化含碳气体(例如，二氧化碳)92和/或氮气(N2)94以在多种目标系统中使用。例如，EG处理系统82的实施方式可进行气体分离和纯化以生成排气42的多个不同流95，例如第一流96、第二流97和第三流98。第一流96可具有富含二氧化碳和/或贫乏氮气(例如，富CO2贫N2流)的第一组成。第二流97可具有含有中等浓度水平的二氧化碳和/或氮气(例如，中等浓度CO2、N2流)的第二组成。第三流98可具有贫乏二氧化碳和/或富含氮气(例如，贫CO2富N2流)的第三组成。每个流95(例如，96、97和98)可包括气体脱水单元、过滤器、气体压缩机或其任意组合以促进流95向目标系统的传输。在某些实施方式中，富CO2贫N2流96可具有按体积计大于大约百分之70、75、80、85、90、95、96、97、98或99的CO2纯度或浓度水平以及按体积计小于大约百分之1、2、3、4、5、10、15、20、25或30的N2纯度或浓度水平。与之相比，贫CO2富N2流98可具有按体积计小于大约百分之1、2、3、4、5、10、15、20、25或30的CO2纯度或浓度水平以及按体积计大于大约百分之70、75、80、85、90、95、96、97、98或99的N2纯度或浓度水平。中等浓度CO2、N2流97可具有按体积计在大约百分之30至70、35至65、40至60、或45至55之间的CO2纯度或浓度水平和/或N2纯度或浓度水平。虽然前述的范围仅仅是非限制性的实例，但富CO2贫N2流96和贫CO2富N2流98可特别良好地适合于供EOR系统18以及其他系统84使用。然而，任何这些富含、贫乏或中等浓度CO2流95可以单独或者以多种组合供EOR系统18以及其他系统84使用。例如，EOR系统18和其他系统84(例如，管线86、储罐88和碳封存系统90)每个可接收一个或多个富CO2贫N2流96、一个或多个贫CO2富N2流98、一个或多个中等浓度CO2、N2流97以及一个或多个未处理的排气42流(即，绕过EG处理系统82)。
EG提取系统80沿着压缩机部分、燃烧室部分和/或涡轮部分在一个或多个提取点76处提取排气42，以便排气42可以在合适的温度和压力下在EOR系统18和其他系统84中使用。EG提取系统80和/或EG处理系统82也可以向EG处理系统54或从EG处理系统54循环流体流(例如，排气42)。例如，穿过EG处理系统54的一部分排气42可以通过EG提取系统80提取，以在EOR系统18和其他系统84中使用。在某些实施方式中，EG供应系统78和EG处理系统54可以是彼此独立或整体的，并且从而可以使用独立的或者共同的子系统。例如，EG处理系统82可以被EG供应系统78和EG处理系统54二者使用。从EG处理系统54提取的排气42可经历多级气体处理，例如EG处理系统54中一个或多个级的气体处理，接着EG处理系统82中一个或多个另外级的气体处理。
由于基本上化学计量的燃烧和/或EG处理系统54中的气体处理，在每个提取点76，提取的排气42可基本上不含氧化剂68和燃料70(例如，未燃尽的燃料或烃)。而且，取决于目标系统，提取的排气42可在EG供应系统78的EG处理系统82经历进一步处理，从而进一步减少任何残留氧化剂68、燃料70或其他不期望的燃烧产物。例如，在EG处理系统82中处理前或处理后，提取的排气42可具有按体积计小于百分之1、2、3、4或5的氧化剂(例如，氧气)、未燃尽的燃料或烃(例如，HCs)、氮氧化物(例如，NOX)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOX)、氢气以及其他不完全燃烧的产物。通过进一步的实例，在EG处理系统82中处理前或者处理后，提取的排气42可具有按体积计小于大约每百万份之10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000份(ppmv)的氧化剂(例如，氧气)、未燃尽的燃料或烃(例如，HCs)、氮氧化物(例如，NOX)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOX)、氢气以及其他不完全燃烧的产物。因而，排气42特别良好地适合于供EOR系统18使用。
涡轮系统52的EGR运行具体地能够在许多位置76处实现排气提取。例如，系统52的压缩机部分可用于压缩无任何氧化剂68的排气66(即，仅压缩排气66)，以便在氧化剂68和燃料70进入之前可从压缩机部分和/或燃烧室部分提取基本上不含氧气的排气42。提取点76可位于在相邻压缩机级之间的级间口(interstage port)处，在沿着压缩机排出套管的口处，在燃烧室部分中沿着每个燃烧室的口处，或其任意组合。在某些实施方式中，排气66可不与氧化剂68和燃料70混合直到其到达燃烧室部分中每个燃烧室的首端部(head end)和/或燃料喷嘴。而且，一个或多个流分离器(例如，壁、间隔物、挡板或类似物)可用于将氧化剂68和燃料70与提取点76隔离。用这些流分离器，提取点76可沿着燃烧室部分中每个燃烧室的壁直接布置。
一旦排气66、氧化剂68和燃料70流过首端部(例如，穿过燃料喷嘴)到每个燃烧室的燃烧部分(例如，燃烧腔)中，SEGR燃气涡轮系统52被控制以提供排气66、氧化剂68和燃料70的基本上化学计量的燃烧。例如，系统52可维持大约0.95至大约1.05的当量比。因此，在每个燃烧室中排气66、氧化剂68和燃料70混合物的燃烧产物基本上不含氧气和未燃尽的燃料。因而，燃烧产物(或排气)可从SEGR燃气涡轮系统52的涡轮部分提取，以用作发送至EOR系统18的排气42。沿着涡轮部分，提取点76可位于任何涡轮级，例如在相邻涡轮级之间的级间口。因而，使用任何前述的提取点76，基于涡轮的服务系统14可产生、提取并传输排气42至烃生产系统12(例如，EOR系统18)，以用于从地下储层20生产油/气48。
图2是图1的系统10的实施方式的图表，其图解了连接到基于涡轮的服务系统14和烃生产系统12的控制系统100。在图解的实施方式中，基于涡轮的服务系统14包括联合的循环系统102，该联合的循环系统102包括作为顶部循环的SEGR燃气涡轮系统52、作为底部循环的蒸汽涡轮104以及HRSG 56，用于从排气60回收热量以产生用于驱动蒸汽涡轮104的蒸汽62。再一次地，SEGR燃气涡轮系统52接收、混合并化学计量地燃烧排气66、氧化剂68以及燃料70(例如，预混合和/或扩散火焰)，从而生成排气60、机械动力72、电力74和/或水64。例如，SEGR燃气涡轮系统52可驱动一个或多个负载或机械装置106，例如发电机、氧化剂压缩机(例如，主空气压缩机)、齿轮箱、泵、烃生产系统12的装置或其任意组合。在一些实施方式中，机械装置106可包括与SEGR燃气涡轮系统52串联的其他驱动器，例如电动机或蒸汽涡轮(例如，蒸汽涡轮104)。因此，由SEGR燃气涡轮系统52(以及任何另外的驱动器)驱动的机械装置106的输出可包括机械动力72和电力74。机械动力72和/或电力74可现场用于为烃生产系统12提供动力，电力74可分配到电网或其任意组合。机械装置106的输出也可包括用于进气到SEGR燃气涡轮系统52的燃烧部分中的压缩的流体，例如压缩的氧化剂68(例如，空气或氧气)。这些输出(例如，排气60、机械动力72、电力74和/或水64)的每个可被认为是基于涡轮的服务系统14的服务。
SEGR燃气涡轮系统52产生排气42、60，其可以是基本上不含氧气的，并且发送该排气42、60到EG处理系统54和/或EG供应系统78。EG供应系统78可处理并传输排气42(例如，流95)至烃生产系统12和/或其他系统84。如以上所讨论的，EG处理系统54可包括HRSG56和EGR系统58。HRSG 56可包括一个或多个热交换器、冷凝器以及多种热回收装置，其可用于从排气60回收或者传送热量至水108以产生用于驱动蒸汽涡轮104的蒸汽62。与SEGR燃气涡轮系统52类似，蒸汽涡轮104可驱动一个或多个负载或机械装置106，从而产生机械动力72和电力74。在图解的实施方式中，SEGR燃气涡轮系统52和蒸汽涡轮104串联排列以驱动相同的机械装置106。然而，在其他的实施方式中，SEGR燃气涡轮系统52和蒸汽涡轮104可分开地驱动不同的机械装置106以独立地产生机械动力72和/或电力74。当蒸汽涡轮104被来自HRSG 56的蒸汽62驱动时，蒸汽62的温度和压力逐渐减小。因此，蒸汽涡轮104再循环使用的蒸汽62和/或水108回到HRSG 56，用于通过从排气60热回收产生另外的蒸汽。除了产生蒸汽，HRSG56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另外部分可产生水64、供烃生产系统12使用的排气42、和用作输入到SEGR燃气涡轮系统52的排气66。例如，水64可以是处理的水64，例如淡化水，用于其他应用中。淡化水在低可用水地区可以是特别有用的。关于排气60，EG处理系统54的实施方式可配置为再循环排气60穿过EGR系统58，伴随或不伴随使排气60穿过HRSG 56。
在图解的实施方式中，SEGR燃气涡轮系统52具有排气再循环路径110，其从系统52的排气出口延伸至排气入口。沿着路径110，排气60穿过EG处理系统54，在图解的实施方式中其包括HRSG 56和EGR系统58。EGR系统58可包括沿着路径110串联和/或平行排列的一个或多个管道、阀、鼓风机、气体处理系统(例如，过滤器、颗粒去除单元、气体分离单元、气体纯化单元、热交换器、热回收单元例如热回收蒸汽发生器、水分去除单元、催化剂单元、化学制品注入单元或其任意组合)。换句话说，EGR系统58可包括沿着在系统52的排气出口和排气入口之间的排气再循环路径110的任意的流动控制组件、压力控制组件、温度控制组件、水分控制组件和气体组成控制组件。因此，在沿着路径110具有HRSG 56的实施方式中，HRSG56可被认为是EGR系统58的组件。然而，在某些实施方式中，HRSG 56可沿着独立于排气再循环路径110的排气路径布置。不管HRSG 56沿着单独路径或者沿着与EGR系统58的共同路径，HRSG 56和EGR系统58进气该排气60并且输出再循环排气66、排气42——用于供EG供应系统78使用(例如，用于烃生产系统12和/或其他系统84)、或者排气的另外输出。再一次地，SEGR燃气涡轮系统52进气、混合并化学计量地燃烧排气66、氧化剂68以及燃料70(例如，预混合的和/或扩散火焰)以产生基本上不含氧气并且不含燃料的排气60，用于分配到EG处理系统54、烃生产系统12或其他系统84。
如以上参考图1所提出的，烃生产系统12可包括多种装置以促进通过油/气井26从地下储层20回收或者生产油/气48。例如，烃生产系统12可包括具有流体注入系统34的EOR系统18。在图解的实施方式中，流体注入系统34包括排气注入EOR系统112和蒸汽注入EOR系统114。虽然流体注入系统34可从各种来源接收流体，但图解的实施方式可从基于涡轮的服务系统14接收排气42和蒸汽62。由基于涡轮的服务系统14产生的排气42和/或蒸汽62也可被发送至烃生产系统12，以用在其他油/气系统116中。
排气42和/或蒸汽62的数量、质量和流动可由控制系统100控制。控制系统100可完全专门用于基于涡轮的服务系统14，或者控制系统100也可任选地提供对于烃生产系统12和/或其他系统84的控制(或者至少提供数据以促进控制)。在图解的实施方式中，控制系统100包括具有处理器120、存储器122、蒸汽涡轮控制元件124、SEGR燃气涡轮系统控制元件126以及机械装置控制元件128的控制器118。处理器120可包括单一处理器或者两个或多个冗余处理器，例如三重冗余处理器用于控制基于涡轮的服务系统14。存储器122可包括易失和/或非易失存储器。例如，存储器122可包括一个或多个硬盘、闪存、只读存储器、随机存取存储器或其任意组合。控制元件124、126和128可包括软件和/或硬件控制元件。例如，控制元件124、126和128可包括存储在存储器122上并且处理器120可执行的多个指令或代码。控制元件124配置为控制蒸汽涡轮104的运行，SEGR燃气涡轮系统控制元件126配置为控制系统52，以及机械装置控制元件128配置为控制机械装置106。因而，控制器118(例如，控制元件124、126和128)可配置为协调基于涡轮的服务系统14的多种子系统以向烃生产系统12提供排气42的合适流。
在控制系统100的某些实施方式中，在附图中所图解或者本文所描述的每个元件(例如，系统、子系统和组件)包括(例如，直接在这种元件内、上游或者下游)一个或多个工业控制部件，例如传感器和控制设备，其连同控制器118通过工业控制网络彼此可通信地连接。例如，与每个元件相关联的控制设备可包括专门的设备控制器(例如，包括处理器、存储器和控制指令)、一个或多个致动器、阀、开关和工业控制装置，该工业控制装置能够控制基于传感器反馈130控制来自控制器118的控制信号，控制来自使用者的控制信号或其任意组合。因而，本文所述的任意的控制功能可用由控制器118、与每个元件相关联的专门设备控制器或其组合存储和/或可执行的控制指令实施。
为了促进这种控制功能，控制系统100包括一个或多个传感器，其遍及系统10分布，以获得传感器反馈130，以用于执行多种控制元件，例如，控制元件124、126和128。例如，传感器反馈130可以从遍及SEGR燃气涡轮系统52、机械装置106、EG处理系统54、蒸汽涡轮104、烃生产系统12或者遍及基于涡轮的服务系统14或烃生产系统12的任何其他组件分布的传感器获得。例如，传感器反馈130可包括温度反馈、压力反馈、流动速率反馈、火焰温度反馈、燃烧动力学反馈、进气氧化剂组成反馈、进气燃料组成反馈、排气组成反馈、机械动力72的输出水平、电力74的输出水平、排气42、60的输出数量、水64的输出数量或质量、或其任意组合。例如，传感器反馈130可包括排气42、60的组成以促进在SEGR燃气涡轮系统52中的化学计量燃烧。例如，传感器反馈130可包括来自沿着氧化剂68的氧化剂供应路径的一个或多个进气氧化剂传感器、沿着燃料70的燃料供应路径的一个或多个进气燃料传感器、以及沿着排气再循环路径110和/或在SEGR燃气涡轮系统52内布置的一个或多个排气排放物传感器的反馈。进气氧化剂传感器、进气燃料传感器以及排气排放物传感器可包括温度传感器、压力传感器、流动速率传感器以及组成传感器。排放传物感器可包括用于氮氧化物(例如，NOX传感器)、碳氧化物(例如，CO传感器和CO2传感器)、硫氧化物(例如，SOX传感器)、氢气(例如，H2传感器)、氧气(例如，O2传感器)、未燃尽烃(例如，HC传感器)、或者其他不完全燃烧产物、或其任意组合的传感器。使用该反馈130，控制系统100可调节(例如，增大、减小或者维持)排气66、氧化剂68和/或燃料70进入SEGR燃气涡轮系统52(以及其他运行参数)的进气流动以维持当量比在合适的范围内，例如，在大约0.95至大约1.05之间、在大约0.95至大约1.0之间、在大约1.0至大约1.05之间、或者基本上在1.0。例如，控制系统100可分析反馈130以监控排气排放物(例如，氮氧化物、碳氧化物例如CO和CO2、硫氧化物、氢气、氧气、未燃尽的烃以及其他不完全燃烧产物的浓度水平)和/或确定当量比，并且然后控制一个或多个组件以调节排气排放物(例如，排气42中的浓度水平)和/或当量比。控制的组件可包括参考附图图解和描述的任意组件，其包括但不限于，沿着用于氧化剂68、燃料70和排气66的供应路径的阀；EG处理系统54中的氧化剂压缩机、燃料泵或任意组件；SEGR燃气涡轮系统52的任意组件，或其任意组合。控制的组件可调节(例如，增大、减小或者维持)在SEGR燃气涡轮系统52内燃烧的氧化剂68、燃料70和排气66的流动速率、温度、压力或百分比(例如，当量比)。控制的组件也可包括一个或多个气体处理系统，例如催化剂单元(例如，氧化催化剂单元)、用于催化剂单元的供应品(例如，氧化燃料、热、电等)、气体纯化和/或分离单元(例如，基于溶剂的分离器、吸收器、闪蒸罐等)以及过滤单元。气体处理系统可帮助减少沿着排气再循环路径110、通气路径(例如，排放到大气中)或至EG供应系统78的提取路径的多种排气排放物。
在某些实施方式中，控制系统100可分析反馈130并控制一个或多个组件以维持或者减小排放物水平(例如，在排气42、60、95中的浓度水平)至目标范围，例如按体积计小于大约每百万份之10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、5000或10000份(ppmv)。对于每种排气排放物，这些目标范围可以是相同或者不同的，例如，氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、氢气、氧气、未燃尽的烃以及其他不完全燃烧产物的浓度水平。例如，取决于当量比，控制系统100可选择性地控制氧化剂(例如，氧气)的排气排放物(例如，浓度水平)在小于大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750或1000ppmv的目标范围内；一氧化碳(CO)的排气排放物(例如，浓度水平)在小于大约20、50、100、200、500、1000、2500或5000ppmv的目标范围内，以及氮氧化物(NOX)的排气排放物(例如，浓度水平)在小于大约50、100、200、300、400或500ppmv的目标范围内。在用基本上化学计量的当量比运行的某些实施方式中，控制系统100可选择性地控制氧化剂(例如，氧气)的排气排放物(例如，浓度水平)在小于大约10、20、30、40、50、60、70、80、90或100ppmv的目标范围内；以及一氧化碳(CO)的排气排放物(例如，浓度水平)在小于大约500、1000、2000、3000、4000或5000ppmv的目标范围内。在用贫燃料当量比(例如，在大约0.95至1.0之间)运行的某些实施方式中，控制系统100可选择性地控制氧化剂(例如，氧气)的排气排放物(例如，浓度水平)在小于大约500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400或1500ppmv的目标范围内；一氧化碳(CO)的排气排放物(例如，浓度水平)在小于大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150或200ppmv的目标范围内，以及氮氧化物(例如，NOX)的排气排放物(例如，浓度水平)在小于大约50、100、150、200、250、300、350或400ppmv的目标范围内。前述的目标范围仅仅是实例，并且不意欲限制公开的实施方式的范围。
控制系统100也可连接到本地界面132和远程界面134。例如，本地界面132可包括在基于涡轮的服务系统14和/或烃生产系统12处现场布置的计算机工作站。与之相反，远程界面134可包括基于涡轮的服务系统14和烃生产系统12的现场外布置的计算机工作站，例如通过互联网连接。这些界面132和134促进监控并控制基于涡轮的服务系统14，例如通过传感器反馈130的一个或多个图形显示、运行参数等等。
再一次地，如以上所述，控制器118包括多种控制元件124、126和128以促进控制基于涡轮的服务系统14。蒸汽涡轮控制元件124可接收传感器反馈130以及输出控制命令来促进蒸汽涡轮104的运行。例如，蒸汽涡轮控制元件124可接收来自HRSG 56、机械装置106、沿着蒸汽62的路径的温度和压力传感器、沿着水108的路径的温度和压力传感器以及指示机械动力72和电力74的多种传感器的传感器反馈130。同样地，SEGR燃气涡轮系统控制元件126可接收来自沿着SEGR燃气涡轮系统52、机械装置106、EG处理系统54、或其任意组合布置的一个或多个传感器的传感器反馈130。例如，可从布置在SEGR燃气涡轮系统52内或外部的温度传感器、压力传感器、间隙传感器、振动传感器、火焰传感器、燃料组成传感器、排气组成传感器或其任意组合获得传感器反馈130。最后，机械装置控制元件128可接收来自与机械动力72和电力74相关联的多种传感器以及布置在机械装置106内的传感器的传感器反馈130。这些控制元件124、126和128的每个使用传感器反馈130以改进基于涡轮的服务系统14的运行。
在图解的实施方式中，SEGR燃气涡轮系统控制元件126可执行指令以控制EG处理系统54、EG供应系统78、烃生产系统12和/或其他系统84中排气42、60、95的数量和质量。例如，SEGR燃气涡轮系统控制元件126可维持排气60中氧化剂(例如，氧气)和/或未燃尽的燃料的水平低于适合于排气注入EOR系统112使用的阈值。在某些实施方式中，阈值水平可以按排气42、60的体积计小于百分之1、2、3、4或5的氧化剂(例如，氧气)和/或未燃尽的燃料；或者氧化剂(例如，氧气)和/或未燃尽的燃料(以及其他排气排放物)的阈值水平中可以是在排气42、60中按体积计小于大约每百万份之10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000份(ppmv)。通过进一步实例，为了达到这些低水平的氧化剂(例如、氧气)和/或未燃尽的燃料，SEGR燃气涡轮系统控制元件126可维持用于在SEGR燃气涡轮系统52中燃烧的当量比在大约0.95和大约1.05之间。SEGR燃气涡轮系统控制元件126也可以控制EG提取系统80和EG处理系统82以对于排气注入EOR系统112、管线86、储罐88以及碳封存系统90维持排气42、60、95的温度、压力、流动速率以及气体组成在合适的范围内。如以上所讨论的，可以控制EG处理系统82以纯化和/或分离排气42成为一个或多个气流95，例如富CO2贫N2流96、中等浓度CO2、N2流97以及贫CO2富N2流98。除了用于排气42、60和95的控制元件之外，控制元件124、126和128可执行一个或多个指令以维持机械动力72在合适的功率范围内，或者维持电力74在合适的频率或功率范围内。
图3是系统10的实施方式的图表，进一步图解供烃生产系统12和/或其他系统84使用的SEGR燃气涡轮系统52的细节。在图解的实施方式中，SEGR燃气涡轮系统52包括连接到EG处理系统54的燃气涡轮发动机150。图解的燃气涡轮发动机150包括压缩机部分152、燃烧室部分154以及膨胀器部分或涡轮部分156。压缩机部分152包括一个或多个排气压缩机或压缩机级158，例如以串联排列布置的1至20级的旋转压缩机叶片。同样地，燃烧室部分154包括一个或多个燃烧室160，例如轴向围绕SEGR燃气涡轮系统52的旋转轴162分布的1至20个燃烧室160。而且，每个燃烧室160可包括配置为注入排气66、氧化剂68和/或燃料70的一个或多个燃料喷嘴164。例如，每个燃烧室160的首端部166可容纳1、2、3、4、5、6或更多的燃料喷嘴164，其可注入排气66、氧化剂68和/或燃料70的流或混合物到燃烧室160的燃烧部分168(例如，燃烧腔)中。
燃料喷嘴164可包括预混合燃料喷嘴164(例如，配置为预混合氧化剂68和燃料70用于产生氧化剂/燃料预混合火焰)和/或扩散燃料喷嘴164(例如，配置为注入氧化剂68和燃料70的单独流用于产生氧化剂/燃料扩散火焰)的任意组合。预混合燃料喷嘴164的实施方式可包括漩涡叶片、混合室或其他部件以在注入并在燃烧腔168中燃烧之前在喷嘴164中内部地混合氧化剂68和燃料70。预混合燃料喷嘴164也可接收至少一些部分混合的氧化剂68和燃料70。在某些实施方式中，每个扩散燃料喷嘴164可隔离氧化剂68和燃料70的流直到注入点，同时也隔离一种或多种稀释剂(例如，排气66、蒸汽、氮气或者另外的惰性气体)的流直到注入点。在其他的实施方式中，每个扩散燃料喷嘴164可隔离氧化剂68和燃料70的流直到注入点，同时在注入点之前将一种或多种稀释剂(例如，排气66、蒸汽、氮气或者另外的惰性气体)与氧化剂68和/或燃料70部分混合。另外，一种或多种稀释剂(例如，排气66、蒸汽、氮气或另外的惰性气体)可在燃烧区处或从其下游注入到燃烧室(例如，到热的燃烧产物)，从而有助于降低热的燃烧产物的温度并减少NOX(例如，NO和NO2)的排放。不管燃料喷嘴164的类型如何，可以控制SEGR燃气涡轮系统52以提供氧化剂68和燃料70基本上化学计量的燃烧。
在使用扩散燃料喷嘴164的扩散燃烧实施方式中，燃料70和氧化剂68通常不在扩散火焰上游混合，而是燃料70和氧化剂68在火焰表面处混合并直接反应和/或火焰表面存在于在燃料70和氧化剂68之间混合的位置处。特别地，燃料70和氧化剂68分开地接近火焰表面(或者扩散边界/界面)，并且然后沿着火焰表面(或扩散边界/界面)扩散(例如，通过分子和粘性扩散)以产生扩散火焰。值得注意的是，沿着该火焰表面(或扩散边界/界面)燃料70和氧化剂68可以处于基本上化学计量比，其可以导致沿着该火焰表面的更高的火焰温度(例如，峰值火焰温度)。与贫燃料或富燃料的燃料/氧化剂比相比，化学计量的燃料/氧化剂比通常导致更高的火焰温度(例如，峰值火焰温度)。结果，扩散火焰可以比预混合火焰基本上更稳定，这是因为燃料70和氧化剂68的扩散有助于沿着火焰表面维持化学计量比(以及更高的温度)。虽然更高的火焰温度也可导致更多的排气排放物，例如NOX排放物，但公开的实施方式使用一种或多种稀释剂以帮助控制温度和排放物同时还避免燃料70和氧化剂68的任何预混合。例如，公开的实施方式可与燃料70和氧化剂68分开地引入一种或多种稀释剂(例如，在燃烧点之后和/或扩散火焰的下游)，从而有助于降低温度并减少由扩散火焰产生的排放物(例如，NOX排放物)。
如图解的，在运行中，压缩机部分152接收并压缩来自EG处理系统54的排气66，并输出压缩的排气170至燃烧室部分154中的每个燃烧室160。当在每个燃烧室160内燃料60、氧化剂68和排气170燃烧时，另外的排气或燃烧产物172(即，燃烧气)被发送到涡轮部分156。与压缩机部分152类似，涡轮部分156包括一个或多个涡轮或涡轮级174，其可包括一系列的旋转涡轮叶片。然后这些涡轮叶片被在燃烧室部分154中产生的燃烧产物172驱动，从而驱动连接到机械装置106的轴176旋转。再一次地，机械装置106可包括连接到SEGR燃气涡轮系统52任一端的多种装置，例如连接到涡轮部分156的机械装置106、178和/或连接到压缩机部分152的机械装置106、180。在某些实施方式中，机械装置106、178、180可包括一个或多个发电机、用于氧化剂68的氧化剂压缩机、用于燃料70的燃料泵、齿轮箱或连接到SEGR燃气涡轮系统52的另外的驱动器(例如，蒸汽涡轮104、电动机等)。下面参考表1更详细地讨论非限制性的实例。如图解的，涡轮部分156输出排气60沿着从涡轮部分156的排气出口182至排气入口184的排气再循环路径110再循环进入压缩机部分152。如以上详细讨论地，沿着排气再循环路径110，排气60穿过EG处理系统54(例如，HRSG 56和/或EGR系统58)。
再一次地，在燃烧室部分154中的每个燃烧室160接收、混合并化学计量地燃烧压缩的排气170、氧化剂68和燃料70以产生另外的排气或燃烧产物172来驱动涡轮部分156。在某些实施方式中，氧化剂68被氧化剂压缩系统186例如具有一个或多个氧化剂压缩机(MOCs)的主氧化剂压缩(MOC)系统(例如，主空气压缩(MAC)系统)压缩。氧化剂压缩系统186包括连接到驱动器190的氧化剂压缩机188。例如，驱动器190可包括电动机、燃烧发动机或其任意组合。在某些实施方式中，驱动器190可以是涡轮发动机，例如燃气涡轮发动机150。因此，氧化剂压缩系统186可以是机械装置106的整体部分。换句话说，压缩机188可被由燃气涡轮发动机150的轴176供应的机械动力72直接或间接地驱动。在这类实施方式中，可以不包括驱动器190，因为压缩机188依赖于自涡轮发动机150的动力输出。然而，在使用超过一个氧化剂压缩机的某些实施方式中，第一氧化剂压缩机(例如，低压(LP)氧化剂压缩机)可以被驱动器190驱动而轴176驱动第二氧化剂压缩机(例如，高压(HP)氧化剂压缩机)，反之亦然。例如，在另外的实施方式中，HP MOC被驱动器190驱动并且LP氧化剂压缩机被轴176驱动。在图解的实施方式中，氧化剂压缩系统186与机械装置106分开。在这些实施方式的每个中，压缩系统186压缩并供应氧化剂68至燃料喷嘴164和燃烧室160。因此，机械装置106、178、180的一些或所有可配置为增加压缩系统186(例如，压缩机188和/或另外的压缩机)的运行效率。
由元件编号106A、106B、106C、106D、106E和106F所指示的机械装置106的各种组件可沿着轴176的线路和/或平行于轴176的线路以一个或多个串联排列、平行排列或者串联和平行排列的任意组合布置。例如，机械装置106、178、180(例如，106A至106F)可包括下列以任意顺序的任意的串联和/或平行排列：一个或多个齿轮箱(例如，平行轴，行星齿轮箱)、一个或多个压缩机(例如，氧化剂压缩机、增压压缩机例如EG增压压缩机)、一个或多个发电单元(例如，发电机)、一个或多个驱动器(例如，蒸汽涡轮发动机、电动机)、热交换单元(例如，直接或间接热交换器)、离合器或其任意组合。压缩机可包括每个具有一个或多个压缩级的轴向压缩机、径向或离心压缩机、或其任意组合。关于热交换器，直接热交换器可包括喷淋式冷却器(例如，喷淋式中间冷却器)，其将液体喷雾注入到气流(例如，氧化剂流)用于气流的直接冷却。间接热交换器可包括分开第一和第二流——例如流体流(例如，氧化剂流)与冷却液流(例如，水、空气、制冷剂或任何其他液体或气体冷却液)分开——的至少一个壁(例如，壳管式热交换器)，其中冷却液流传送来自流体流的热量而无需任何直接接触。间接热交换器的实例包括中间冷却器热交换器和热回收单元，例如热回收蒸汽发生器。热交换器也可包括加热器。如以下更详细讨论地，如表1所阐述的非限制性实例所指示的，这些机械装置组件的每个可以以多种组合使用。
通常，机械装置106、178、180可配置为通过例如调节系统186中一个或多个氧化剂压缩机的运行速度，通过冷却促进氧化剂68的压缩，和/或提取过剩的动力来提高压缩系统186的效率。公开的实施方式意欲包括机械装置106、178、180中串联和平行排列的前述组件的任何和所有排布，其中一个、超过一个、所有或者没有组件从轴176获得动力。如以下所图解的，表1描绘了接近压缩机和涡轮部分152、156布置的和/或连接到压缩机和涡轮部分152、156的机械装置106、178、180的一些非限制性的排列实例。
表1
如以上表1中图解的，冷却单元表示为CLR，离合器表示为CLU，驱动器由DRV表示，齿轮箱表示为GBX，发生器由GEN表示，加热单元由HTR表示，主氧化剂压缩机单元由MOC表示，低压和高压的变形分别表示为LP MOC和HP MOC，并且蒸汽发生器单元表示为STGN。虽然表1朝向压缩机部分152或涡轮部分156按顺序图解了机械装置106、178、180，但表1也意欲覆盖机械装置106、178、180的相反顺序。在表1中，包括两个或多个组件的任意单元意欲覆盖组件的平行排列。表1不意欲排除机械装置106、178、180的任何未图解的排布。机械装置106、178、180的这些组件可以能够反馈控制输送到燃气涡轮发动机150的氧化剂68的温度、压力和流动速率。如以下更详细讨论的，氧化剂68和燃料70可在专门选择以促进隔离和提取无任何降低排气170质量的氧化剂68和燃料70的压缩排气170的位置处供应到燃气涡轮发动机150。
如图3中图解的，EG供应系统78布置在燃气涡轮发动机150和目标系统(例如，烃生产系统12和其他系统84)之间。特别地，EG供应系统78(例如，EG提取系统(EGES)80)可在沿着压缩机部分152、燃烧室部分154和/或涡轮部分156的一个或多个提取点76处连接到燃气涡轮发动机150。例如，提取点76可位于相邻的压缩机级之间，例如在压缩机级之间的2、3、4、5、6、7、8、9或10级间提取点76。这些级间提取点76的每个提供不同温度和压力的提取的排气42。类似地，提取点76可位于相邻的涡轮级之间，例如在涡轮级之间的2、3、4、5、6、7、8、9或10级间提取点76。这些级间提取点76的每个提供不同温度和压力的提取的排气42。通过进一步的实例，提取点76可位于遍及燃烧室部分154的多个位置处，其可提供不同的温度、压力、流动速率和气体组成。这些提取点76的每个可包括EG提取管道、一个或多个阀、传感器和控制元件，其可用于选择性地控制提取的排气42向EG供应系统78的流动。
由EG供应系统78分配的提取的排气具有适合用于目标系统(例如，烃生产系统12和其他系统84)的控制的组成。例如，在这些提取点76的每个处，排气170可基本上与氧化剂68和燃料70的注入点(或流)隔离。换句话说，EG供应系统78可具体地设计为从燃气涡轮发动机150提取排气170而无任何添加的氧化剂68或燃料70。而且，鉴于每个燃烧室160中的化学计量的燃烧，提取的排气42可基本上不含氧气和燃料。EG供应系统78可直接或间接地发送提取的排气42到烃生产系统12和/或其他系统84以用在个多种过程中，例如提高采收率法采油、碳封存、存储、或运输到现场外位置。然而，在某些实施方式中，EG供应系统78包括EG处理系统(EGTS)82用于在供目标系统使用之前进一步处理排气42。例如，EG处理系统82可纯化和/或分开排气42为一个或多个流95，例如富CO2贫N2流96、中等浓度CO2、N2流97和贫CO2富N2流98。这些处理的排气流95可单独地或以任意组合供烃生产系统12和其他系统84(例如，管线86、储罐88和碳封存系统90)使用。
与在EG供应系统78中进行的排气处理类似地，EG处理系统54可包括多个排气(EG)处理组件192，例如由元件编号194、196、198、200、202、204、206、208和210所指示的。这些EG处理组件192(例如，194至210)可沿着排气再循环路径110以一个或多个串联排列、平行排列或串联和平行排列的任意组合布置。例如，EG处理组件192(例如，194至210)可包括下列以任意顺序的任意串联和/或平行排列：一个或多个热交换器(例如，热回收单元例如热回收蒸汽发生器、冷凝器、冷却器或加热器)、催化剂系统(例如，氧化催化剂系统)、颗粒和/或水去除系统(例如，惯性分离器、聚结过滤器、不透水过滤器和其他过滤器)、化学制品注入系统、基于溶剂的处理系统(例如，吸收器、闪蒸罐等)、碳捕获系统、气体分离系统、气体纯化系统和/或一个基于溶剂的处理系统或其任意组合。在某些实施方式中，催化剂系统可包括氧化催化剂、一氧化碳还原催化剂、氮氧化物还原催化剂、氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化铂、氧化钯、氧化钴、或混合的金属氧化物、或其组合。公开的实施方式意欲包括以串联或平行排列的前述组件192的任何以及所有排布。如以下所图解的，表2描绘了沿着排气再循环路径110组件192的一些非限制性的排列实例。
表2
如以上表2中所图解的，催化剂单元由CU表示，氧化催化剂单元由OCU表示，增压鼓风机由BB表示，热交换器由HX表示，热回收单元由HRU表示，热回收蒸汽发生器由HRSG表示，冷凝器由COND表示，蒸汽涡轮由ST表示，颗粒去除单元由PRU表示，水分去除单元由MRU表示，过滤器由FIL表示，聚结过滤器由CFIL表示，不透水过滤器由WFIL表示、惯性分离器由INER表示和稀释剂供应系统(例如，蒸汽、氮气或其他惰性气体)由DIL表示。虽然表2从涡轮部分156的排气出口182向压缩机部分152的排气入口184按顺序图解了组件192，但表2也意欲覆盖图解的组件192的相反顺序。在表2中，包括两个或多个组件的任意单元意欲覆盖带有组件、平行排列的组件、或其任意组合的整体单元。而且，在表2的上下文中，HRU、HRSG和COND是HE的实例；HRSG是HRU的实例；COND、WFIL和CFIL是WRU的实例；INER、FIL、WFIL和CFIL是PRU的实例；和WFIL和CFIL是FIL的实例。再一次地，表2不意欲排除组件192的任何未图解的排布。在某些实施方式中，图解的组件192(例如，194至210)可以部分或完全地整合在HRSG 56、EGR系统58或其任意组合内。这些EG处理组件192可以能够反馈控制温度、压力、流动速率和气体组成，同时也从排气60去除水分和颗粒。而且，处理的排气60可在一个或多个提取点76处提取以在EG供应系统78中使用和/或再循环至压缩机部分152的排气入口184。
当处理的、再循环排气66穿过压缩机部分152时，SEGR燃气涡轮系统52可沿着一个或多个线路212(例如、泄放(bleed)管道或旁路管道)泄放出一部分压缩的排气。每个线路212可发送排气到一个或多个热交换器214(例如，冷却单元)，从而冷却排气用于再循环回到SEGR燃气涡轮系统52。例如，在穿过热交换器214后，一部分冷却的排气可沿着线路212发送至涡轮部分156，用于冷却和/或密封涡轮套管、涡轮防护罩、轴承和其他组件。在这类实施方式中，SEGR燃气涡轮系统52不为冷却和/或密封目的发送任何氧化剂68(或其他潜在污染物)穿过涡轮部分156，并且从而冷却的排气的任何泄露不会污染流经并驱动涡轮部分156的涡轮级的热的燃烧产物(例如，工作排气)。通过进一步的实例，在经过热交换器214之后，一部分冷却的排气可沿着线路216(例如，返回管道)发送到压缩机部分152的上游压缩机级，从而提高压缩机部分152的压缩效率。在这类实施方式中，热交换器214可配置作为用于压缩机部分152的级间冷却单元。以这种方式，冷却的排气有助于提高SEGR燃气涡轮系统52的运行效率，同时地有助于维持排气的纯度(例如，基本上不含氧化剂和燃料)。
图4是在图1-3中图解的系统10的运行过程220的实施方式的流程图。在某些实施方式中，过程220可以是计算机实施的过程，其访问存储在存储器122中的一个或多个指令并在图2中所显示的控制器118的处理器120上执行指令。例如，过程220中的每个步骤可包括参考图2所述的控制系统100的控制器可执行的指令。
过程220通过引发图1-3的SEGR燃气涡轮系统52的启动模式开始，如方框222所指示的。例如，启动模式可包括逐步升温SEGR燃气涡轮系统52以维持热梯度、振动和间隙(例如，在旋转和固定构件之间)在可接受的阈值内。例如，在启动模式222期间，过程220可开始供应压缩的氧化剂68至燃烧室部分154的燃烧室160和燃料喷嘴164，如方框224所指示的。在某些实施方式中，压缩的氧化剂可包括压缩的空气、氧气、富氧空气、氧气减少的空气、氧气-氮气混合物或其任意组合。例如，氧化剂68可被图3中图解的氧化剂压缩系统186压缩。在启动模式222期间，过程220也可开始供应燃料至燃烧室160和燃料喷嘴16，如方框226所指示的。在启动模式222期间，过程220也开始供应排气(可用的)至燃烧室160和燃料喷嘴164，如方框228所指示的。例如，燃料喷嘴164可生产一个或多个扩散火焰、预混合火焰、或扩散和预混合火焰的组合。在启动模式222期间，由燃气涡轮发动机156产生的排气60在数量和/或质量上可以是不足的或者不稳定的。因此，在启动模式期间，过程220可从一个或多个存储单元(例如，存罐88)、管线86、其他SEGR燃气涡轮系统52或其他排气源供应排气66。
然后过程220可以在燃烧室160中燃烧压缩的氧化剂、燃料和排气的混合物以产生热的燃烧气172，如方框所230所指示的。特别地，过程220可由图2的控制系统100控制以促进在燃烧室部分154的燃烧室160中混合物的化学计量燃烧(例如，化学计量的扩散燃烧，预混合燃烧或二者)。然而，在启动模式222期间，维持混合物的化学计量燃烧(并且从而低水平的氧化剂和未燃尽的燃料可存在于热的燃烧气172中)可能是特别困难的。结果，在启动模式222中，热的燃烧气172可具有比在以下更详细描述的稳态模式期间更大量的残留氧化剂68和/或燃料70。为此原因，过程220可执行一个或多个控制指令以在启动模式期间减少或者消除热的燃烧气172中的残留氧化剂68和/或燃料70。
然后过程220用热的燃烧气172驱动涡轮部分156，如方框232所指示的。例如，热的燃烧气172可驱动布置在涡轮部分156中的一个或多个涡轮级174。在涡轮部分156的下游，过程220可处理来自最后涡轮级174的排气60，如方框234所指示的。例如，排气处理234可包括过滤、任何残留氧化剂68和/或燃料70的催化反应、化学处理、用HRSG 56热回收等等。过程220也可再循环至少一些排气60回到SEGR燃气涡轮系统52的压缩机部分152，如方框236所指示的。例如，如图1-3所图解的，排气再循环236可包括穿过具有EG处理系统54的排气再循环路径110的通道。
依次地，如方框238所指示的，再循环排气66可在压缩机部分152中压缩。例如，SEGR燃气涡轮系统52可在压缩机部分152的一个或多个压缩机级158中顺序地压缩再循环排气66。随后，如方框228所指示的，压缩的排气170可被供应至燃烧室160和燃料喷嘴164。然后可重复步骤230、232、234、236和238，直到过程220最终转变为稳态模式，如方框240所指示的。在转换240后，过程220可继续进行步骤224至238，但也可以通过EG供应系统78开始提取排气42，如方框242所指示的。例如，如图3中所指示的，可以从沿着压缩机部分152、燃烧室部分154和涡轮部分156的一个或多个提取点76提取排气42。依次地，过程220可从EG供应系统78向烃生产系统12供应提取的排气42，如方框244所指示的。然后，烃生产系统12可将排气42注入到地面32，用于提高采收率法采油，如方框246所指示的。例如，提取的排气42可被图1-3中图解的EOR系统18的排气注入EOR系统112使用。
如以上所提到的，在燃料70和氧化剂68之间维持化学计量的燃烧(或在预定的化学计量比下燃烧)可能是特别困难的。例如，燃料70和氧化剂68的组成的变化、燃料70和氧化剂68的流动速率的变化或其他这类变化可导致非化学计量的燃烧或者偏离设定值的化学计量比下的燃烧。再一次地，这可在热的燃烧气172中导致残留氧化剂68和/或燃料，其在某些下游过程中可能是不期望的。
如以上所阐明的，根据本实施方式，在进行过程220中，控制系统100可执行一个或多个控制程序以能够在燃烧室160中在期望的燃料/氧化剂化学计量比下燃烧。在一个控制程序中，控制系统100可接收关于氧化剂68和/或燃料70的流动速率和/或组成的信息，并且控制系统100可基于所有或部分该信息利用前馈控制调节燃料70和/或氧化剂68至燃烧室160的流动。
在另一个控制程序中，控制系统100可接收关于排气60、66的流动速率和/或组成的信息，并且控制系统100可基于所有或部分该信息利用反馈控制调节燃料70和/或氧化剂68至燃烧室160的流动。在这些实施方式的某些中，控制系统100可利用基于模型的分析来确定反馈控制。
以上所述的控制程序可以一起使用。即，在某些实施方式中，控制系统100可利用前馈控制和反馈控制二者。图5中概略地图解了控制系统100的一个实施方式以及适合用于进行这种控制程序的相关分析部件的实例。特别地，图5描绘了基于涡轮的服务系统14的实施方式，其具有燃气涡轮发动机150、EG供应系统78、EG处理系统54以及具有控制器118和许多感测部件的当量比控制系统260，这些感测部件将在以下详细讨论。
通常，当量比控制系统260配置为控制氧化剂68和/或燃料70的流动以能够在燃烧室160中氧化剂68和燃料70的化学计量的燃烧或在预定当量比(例如，大约0.95至1.05或大约1.0)下燃烧以提供基本上化学计量的燃烧。例如，响应于与燃料70的流动、氧化剂68的流动以及在燃烧室160内的运行条件相关的信息，当量比控制系统260可调节沿着燃料供应路径262燃料70的流动、沿着氧化剂供应路径264氧化剂68的流动、或其组合。与运行条件相关的信息可包括指示燃烧室160中燃烧动力学的数据，例如在燃烧室160内燃烧的实际燃料-对-氧化剂比。响应于此信息，当量比控制系统260，以及更具体地控制器118，可调节沿着燃料70和/或氧化剂68各自的供应路径262、264的燃料70和/或氧化剂68的流动之一或二者，以朝向预定的当量比或者燃料-对-氧化剂比(例如，化学计量的燃料-对-氧化剂比)——其可用作设定点——移动动力学。再一次地，由控制器118进行的程序可包括前馈机制或反馈机制之一或二者。在其中二者用于控制的实施方式中，控制可被认为具有反馈分量和前馈分量。可利用前馈分量建立沿着燃料供应路径262的燃料70的基线或粗略的流动速率，而通过考虑漂移或其他流量变化可利用反馈分量细化(refine)燃料70的流动速率。另外地或可选地，根据这些机制可调节氧化剂68的流动速率。
根据本公开，由控制器118进行的控制的前馈分量通过分析至少燃料组成和氧化剂组成，并且在某些实施方式中，除了组成信息之外，燃料70和/或氧化剂68的流动速率、环境温度、湿度等等实现，其可被间歇地、以规则的间隔或基本上连续地提供至控制器118。因此，如所描绘的，当量比控制系统260包括配置为测量或以其他方式确定沿着燃料供应路径262流动的燃料70的流动速率的燃料流量计266。如所描绘的，燃料流量计266可沿着燃料供应路径262定位，或者可接收代表沿着燃料供应路径262流动的燃料70的燃料70的滑流。类似地，当量比控制系统260包括氧化剂流量计268，其配置为测量或以其他方式确定沿着氧化剂供应路径264流动的氧化剂68的流动速率。如所描绘的，氧化剂流量计268可沿着氧化剂供应路径264定位，或者可接收代表沿着氧化剂供应路径264的流动的氧化剂68的氧化剂68的滑流。
燃料流量计266和氧化剂流量计268可独立地包括一个或多个任意合适类型的流量分析设备，其包括但不限于热质量流量计、科里奥利质量流量计、质量流量控制器、旋转活塞流量计、齿轮流量计(gear meter)、文丘里流量计、孔板流量计、道尔管流量计(dalltube meter)、皮托管流量计、多孔压力探头流量计、锥式流量计(cone meter)、光学流量计、电磁流量计或超声波流量计。如所图解的，燃料流量计266和氧化剂流量计268可通信地连接到控制器118，并且可提供间歇地、以规则的间隔或基本上连续地提供指示燃料70和氧化剂68各自流动速率的反馈，或者可提供实际流动速率值。例如，在其中燃料流量计266和/或氧化剂流量计268是基于压力的流量计的实施方式中，控制器118可接收压力数据，并且可基于接收的压力数据确定流动速率。因此，在某些实施方式中，控制器118可包括存储在存储器122上用于对原始数据进行计算以确定它们相关联的流动速率的代码。在其他的实施方式中，控制器118可从燃料流量计266和/或氧化剂流量计268接收实际流动速率，并且可根据以下讨论的算法/程序使用此数据。
如以上所述的，控制器118也利用组成信息来产生前馈分量。根据实施方式，燃料分析系统270可确定与燃料70相关的组成信息。例如，燃料分析系统270可确定在燃料70内可燃烧组分的浓度或相对含量，该可燃烧组分可包括但不限于CO、H2和甲烷(CH4)。因此，燃料分析系统270可包括能够分离、检测和/或分析这些组分的一个或多个分析部件。例如，燃料分析系统270可包括气相色谱、红外光谱仪、紫外/可见光光谱仪、荧光计、质谱仪、核磁共振(NMR)光谱仪、电子自旋共振(ESR)光谱仪、原子吸收单元等等的任意一个或组合。在一些实施方式中，燃料分析系统270可包括CO传感器、H2传感器、CH4传感器或类似传感器。
虽然燃料分析系统270可合适地定位在沿着燃料供应路径262的任意点处，但在图解的实施方式中，燃料分析系统270配置为接收来自燃料供应路径26的燃料70的滑流272。即，在图解的实施方式中，沿着从燃料供应路径262偏向燃料分析系统270的路径提供滑流272。在运行期间，燃料分析系统270分析燃料70的例如CO、H2和CH4浓度，并且间歇地、以规则的间隔或基本上连续地发送燃料组成信息至控制器118。在其他实施方式中，燃料分析系统270可间歇地、以规则的间隔或基本上连续地提供原始数据(例如，探测器信号)至控制器118，其可包括用于分析数据的代码。
控制器118也利用氧化剂组成信息以确定前馈分量。如以上所述的，氧化剂68将通常包括压缩的环境空气、压缩的富氧空气、压缩的贫氧空气、氧气或类似的氧化剂流。因为通常在燃烧过程期间利用的氧化剂包括氧气(O2)，如所图解的，当量比控制系统270包括沿着氧化剂供应路径264布置的氧传感器274。氧传感器274可包括能够测量/检测氧化剂68的流中的氧气量的任何合适的传感器。这些传感器包括，但不限于，基于氧化锆的、基于电化学的、基于红外的、基于超声波的以及基于激光的氧传感器。氧传感器274可通信地连接到控制器118以间歇地、以规则的间隔或基本上连续地提供指示流经氧化剂供应路径264的氧化剂68中O2量的反馈。在某些实施方式中，可假定或估计氧化剂68中O2量，量的假定或估计依赖于氧化剂68的来源(例如，环境空气、富氧或贫氧空气)。
虽然图解为仅具有一个燃料分析系统270和一个氧传感器274，但当量比控制系统260可具有每个多于一个，例如每个2个、3个、4个、5个或更多个。事实上，目前考虑了任何数量的这类传感器。而且，燃料分析系统270和氧传感器274的定位不限于它们图解的位置。例如，燃料分析系统270可定位在沿着燃料供应路径262的任意点处，并且氧传感器274可定位在沿着氧化剂供应路径264的任意点处。进一步地，如以上所述的，在某些实施方式中，氧传感器274可以不沿着氧化剂供应路径264定位并且接收氧化剂68的滑流进行分析。
再一次地，由控制器118进行的控制动作的前馈分量可导致调节沿着燃料供应路径262的燃料70的流动速率和/或调节沿着氧化剂供应路径264的氧化剂68的流动速率。因此，除了以上所讨论的感测部件之外，控制器118也可通信地连接到燃料流动控制系统276和氧化剂流动控制系统278。如所图解的，燃料流动控制系统276至少包括燃料流动控制阀280和燃料流动控制阀致动器282。燃料流动控制阀280沿着燃料供应路径262布置，并且配置为沿着燃料供应路径262停止、开始、减少或增加燃料70的流动，这依赖于其相对于燃料供应路径262的位置。燃料流动控制阀280的位置由燃料流动控制阀致动器282调节，该燃料流动控制阀致动器282可以是伺服电机或类似的动力设备(例如，步进电机)。在这种实施方式中，燃料流动控制阀致动器282可包括伺服定位系统，例如本地处理设备，其配置为从控制器118接收控制信号，并且，作为控制信号的结果，因此引起燃料流动控制阀致动器282启动燃料流动控制阀280。在其他的实施方式中，例如当燃料流动控制系统276不处理数据或者基于控制信号确定适当的伺服定位，控制器118可确定适当的伺服定位并且可发送适当的控制信号至流动控制阀致动器282以调节其位置。事实上，在某些实施方式中，控制器118可包括一个或多个伺服定位模块，其每个配置为提供适当的信号至本文公开的流动控制系统以调节它们各自的位置以达到期望的流动水平。
类似地，如所图解的，氧化剂流动控制系统278包括氧化剂流动控制阀284和氧化剂流动控制阀致动器286。氧化剂流动控制阀284沿着氧化剂供应路径264布置，并且配置为调节沿着氧化剂供应路径264的氧化剂68的流动，这依赖于其相对于氧化剂供应路径264的位置。氧化剂流动控制阀284的位置由氧化剂流动控制阀致动器286调节，该氧化剂流动控制阀致动器286可以是伺服电机或类似的动力设备。在这种实施方式中，氧化剂流动控制阀致动器286可包括伺服定位系统，例如本地处理设备，其配置为从控制器118接收控制信号并且，作为控制信号的结果，因此引起氧化剂流动控制阀致动器286启动氧化剂流动控制阀284。在其他实施方式中，例如当氧化剂流动控制系统278不处理数据或基于控制信号确定适当的伺服定位时，控制器118可确定适当的伺服定位，并且可发送适当的控制信号至氧化剂控制阀致动器286以调节其位置。
再一次地，控制器118接收以上所述的信息(例如，间歇地、以规则的间隔或基本上连续地)，其包括燃料组成和流动信息、氧化剂组成和流动信息、环境条件(例如，温度、湿度)、关于燃料70和/或氧化剂68的温度信息、或其任意组合以产生控制的前馈分量来调节燃料70和/或氧化剂68至燃烧室160的流动。例如，如果燃料组成改变(例如，由于用于产生燃料的燃料反馈的变化)，如果氧化剂流动改变(例如，由于主氧化剂压缩机中的运行可变性)等等，控制器118可发送控制信号至燃料流动控制系统276和氧化剂流动控制系统278的任一个或两者以调节燃料70和氧化剂68的流动。然而，如以上所述的，除了这种前馈控制之外，控制器118也可进行反馈控制，其中作为指示在燃烧室160内发生的燃烧过程的反馈的结果，控制器118调节至燃烧室160的燃料和/或氧化剂流动的任一个或两者。
例如，如所描绘的，当量比控制系统260也包括沿着排气再循环路径110布置的排气氧传感器288，其可包括穿过压缩机部分152、燃烧室部分154、涡轮部分156(图3)和EG处理系统54的流动路径。排气氧传感器288配置为确定在排气60内的氧气量(例如，质量浓度、体积浓度和/或摩尔浓度)，并且可通信地连接到控制器118以便提供该组成信息至控制器118。虽然图解为沿着排气再循环路径110布置，但排气氧传感器288或另外的排气氧传感器可不沿着排气再循环路径110定位，但是可从排气再循环路径110接收排气60的滑流，以确定排气60中的氧气量。而且，一个或多个排气氧传感器可定位在一个或多个提取点76处(图3)。事实上，在一些实施方式中，可能期望感测提供至压缩机部分152的排气60的排气组成，因为排气60的组成可影响燃烧动力学和燃烧产物。
与排气60相关的组成信息不限于排气60的氧气含量。相反，与排气60相关的组成信息可包括与CO、H2、CH4、NOx、水或排气60内其他组分相关的信息。因此，当量比控制系统260可包括能够检测O2、CO、CO2、H2、CH4、水、NOx或类似的燃烧/部分燃烧产物的任意一个传感器或传感器组合。另外，因为可能期望提供与这些潜在的燃烧产物相关的精确信息，传感器(例如，排气氧传感器288)可沿着在涡轮部分156和EG处理系统52之间的排气再循环路径110定位，例如在排气60穿过催化剂处理之前，其中某些组分(例如，CO、H2、O2、NOx)可以从排气60去除。
如以下详细讨论的，控制器118可利用获得的与排气60相关的组成信息，并且可产生控制的反馈分量用于在适当的时候调节穿过燃料供应路径262的燃料70的流动和/或沿着氧化剂供应路径264的氧化剂68的流动，以调节燃料70对氧化剂68的比率，例如以达到化学计量的燃烧。另外地或可选地，控制器118可利用基于模型的控制，其中传感器的输出用作模型的输入，其产生用于控制器118的输入。实例模型包括基于物理的模型、计算流体动力学(CFD)模型或有限元分析(FEA)模型。模型也可包括人工智能(AI)模型，例如专家系统(例如，正向链专家系统、逆向链专家系统)、神经网络、模糊逻辑系统、状态向量机(SVMs)、归纳推理系统、贝叶斯推理系统、或其组合。
在某些实施方式中，控制器118可维持氧化剂流动在预定速率下以不达到化学计量的燃烧，但控制在燃气涡轮发动机150上的负载。另一方面，控制器118可调节燃料70的流动以维持期望的当量比。例如，因为可通过变化多种压缩机组件(例如，入口导向叶片)控制氧化剂流动，由这些组件对改变氧化剂流动的响应可以是相对缓慢的(例如，在3和5秒之间)。这可能不适合用于响应组成中的快速变化。然而，燃料70的流动可以通过以以下详细讨论的方式移动流动控制阀更快速地调节。事实上，调节燃料70的流动可更快速地处理(address)氧化剂68和/或燃料70的组成的各种改变，和/或氧化剂68流动的改变。虽然至少由于这些原因，仅改变燃料70的流动以维持化学计量的燃烧可以是期望的，但本公开不限于这种运行。换句话说，除了或者代替调节燃料流动，还可以改变氧化剂68的流动以维持化学计量的燃烧，或者在目标当量比下的燃烧。
如以上所述的，控制器118配置为使用前馈控制分量、反馈控制分量或其组合分别控制沿着燃料供应路径262和/或氧化剂供应路径264的燃料70和/或氧化剂68的流动。特别地，如以上针对图2所讨论的，控制器118包括处理器120和存储器122，其中处理器120可包括一个或多个处理设备，并且存储器122可包括一个或多个有形的、非临时性的、机器可读的介质，其共同存储处理器120可执行的指令(例如，程序)以进行本文所述的分析和控制动作。在实施方式中，可进行一组或多组指令以产生前馈控制分量、反馈控制分量或其组合。
图6图解了前馈控制算法320的实施方式的流程图，其中使用燃料和氧化剂组成和/或流动信息控制沿着燃料供应路径262(图5)的燃料70的流动。具体地，如所图解的，前馈控制算法320开始于燃料组成输入322和氧化剂组成输入324。燃料组成输入322可包括信息例如燃料70的多种可燃烧组分(例如，CO、H2、CH4)的浓度，并且，如关于图5所讨论的，可通过燃料分析系统270提供至控制器118。
氧传感器274可供应氧化剂组成输入324至控制器118，或者使用者可通过本地或远程界面132、134(图2)输入氧化剂68的来源(例如，环境空气、富氧空气、贫氧空气或氧气)至控制器118。因此，在实施方式中，氧气组成输入324可包括氧化剂68中O2的浓度、氧化剂68中O2的分压、沿着氧化剂供应路径264的O2的流动速率、或者氧化剂68中O2的这些或类似测量的任意组合。本文所讨论的浓度信息也可以按照质量每单位体积、质量每单位流量、摩尔浓度(摩尔每单位体积)或其他类似的度量标准提供。
使用燃料和氧化剂组成输入322、324，处理器120执行一组或多组指令以进行第一计算326，如图6中指示为CALC-1的，以确定第一输出328。第一输出328可以是适合用于给定的燃料供应(例如，燃料70的具体来源，其影响燃料70的组成)的化学计量燃烧的燃料-对-氧化剂比，或者基于燃料70和氧化剂68的组成以及燃料70和氧化剂68的流动的当量比。在其中第一输出328为适合用于燃料70和氧化剂68的化学计量燃烧的燃料-对-氧化剂比的实施方式中，这在本文指示为FORST。
前馈控制算法320也利用输入当量比330，指示为φREF，其代表设定点当量比。换句话说，φREF330代表控制器118的目标。因此，在其中期望化学计量燃烧的实施方式中，φREF330可以在大约0.95和1.05之间，以便控制器118的目标是使得在燃烧室160内产生的燃烧产物基本上不含O2，在EG处理系统54(图2)中使用一种或多种催化剂将残留量转化为其他形式(例如，还原的)。
φREF330和第一输出328(例如，FORST)经历第二计算332，指示为CALC-2的，其中确定第二输出334。在一个实施方式中，处理器120可执行一组或多组指令以通过——例如φREF 330乘以FORST——确定第二输出334。因此，第二输出328可以是期望的目标或参考燃料-对-氧化剂比(指示为FORREF的)。换句话说，在一些实施方式中，CALC-2332可以是乘法步骤。
使用第二输出334和氧化剂流量值336(例如，从图5的氧化剂流量计274获得的氧化剂68的流动速率)，控制器进行第三计算338，指示为CALC-3，其可以是前馈计算，以确定燃料流量参考值340(例如，期望的或参考的燃料流量)。在一个实施方式中，第三计算338可包括氧化剂流量值336乘以第二输出334(FORREF)，以确定适当的燃料流量值(例如，燃料70的流动速率)用于化学计量的燃烧或用于在期望的当量比下的燃烧(由φREF330确定)。
如图6中描绘的，提供燃料流量参考值340至燃料系统342以确定燃料流动控制阀280(图5)的适当定位。燃料系统342确定可通过控制器118的伺服定位控制模块进行，或者可以是燃料流动控制系统276的一部分(例如，在图5的燃料流动控制阀致动器282上实施)。
根据本实施方式，前馈控制算法320可被认为是其中基于输入控制燃料流动的前馈控制机制，该输入不与算法320试图控制的过程相关。换句话说，算法320不接收指示燃烧室160中的燃烧是否在期望的当量比下的反馈。相反，算法320简单地基于独立于燃烧过程的信息确定燃料流量参考值340。再一次地，可以利用这种前馈控制建立沿着燃料供应路径262的燃料70的基线或粗略流动。
如以上所述的，虽然可利用前馈控制建立这种流动，可利用反馈控制细化燃料70的流动以考虑燃料70和/或氧化剂68的各自流动中的测量缺陷或漂移或其他变化。因此，本实施方式也提供组合的控制算法360的实施方式，如图7中图解为图表的，其中前馈控制与反馈控制组合(虽然可以使用任一个或二者)。
如以上所述的，组合的控制算法360包括前馈算法部分362和反馈算法部分364。如图解的，前馈算法部分362大体对应于图6中描绘的前馈控制算法320，除了通过第三计算338产生的燃料流量参考值340被代替称为前馈分量366。在一些实施方式中，前馈分量366可经历第一增益367，其可配置为由在0和1之间的因子调节前馈分量366(即，第一增益367可以将前馈分量366乘以0和1之间的任意值)。以这种方式，在确定算法360的总体输出中，可以利用前馈分量366的全部值(在增益值1)，或可以根本不使用前馈分量366(在增益值0)。
组合的控制算法360的反馈部分364包括φREF330的使用，如以上所述的，其可被认为是被预编程到控制器118中或者以其他方式由使用者输入到控制器118中的目标值。反馈部分364也使用测量的当量比368，图7中指示为φM，并且可基于由排气氧传感器288和/或其他传感器(例如，CO传感器、CH4传感器、H2传感器)获得的O2浓度信息产生。在某些实施方式中，控制器118可基于来自这些传感器的任意一个或组合的传感器输出计算φM 368。例如，控制器118可利用排气60中O2的检测量和与该量相关联的相关燃料-对-氧化剂比和/或当量比之间的表格关系来确定φM368。在其他实施方式中，如以下相对于图8详细讨论的，控制器118可利用一个或多个排放模型，例如关联测量的O2水平与适当的燃料-对-氧化剂比和/或适当的当量比的模型来确定φM368。在仍然其他的实施方式中，O2传感器288的输出可以用定位在或接近用于处理排气42的一种或多种催化剂的温度传感器的一个或多个输出取代，或者除了定位在或接近用于处理排气42的一种或多种催化剂的温度传感器的一个或多个输出之外被使用。例如，一个或多个温度传感器可以与在EG处理系统54内的CO催化剂相关联，并且检测的温度中的上升可以与排气42中CO增加的水平相关联(由于增加的催化剂活性)。因此，在催化剂处理的温度可以与排气42中CO水平相关联，其可用于确定燃料-对-空气比和/或φM368。
更具体地，反馈部分364进行反馈操作370，其包括确定偏差372或误差。偏差372可大体相应于φREF330(例如，对于当量比的设定点值)和φM(例如，对于当量比的过程值)之间的差异。换句话说，反馈操作370确定处理结果以何种程度与预定或期望的结果不同。在一个实施方式中，反馈操作370可包括从φREF减去φM，其中对于偏差372的负值可指示过程(例如，燃烧的过程)富(rich)运转(在燃料70中)，并且对于偏差372的正值可指示过程在贫(lean)运转。因此，如以下所详细讨论的，对于偏差372的负值可导致负反馈输入，其中燃料70的流动减小，并且对于偏差372的正值可导致正反馈输入，其中燃料70的流动增加。
使用偏差372，可进行任何数量的反馈控制操作。例如，如图解的，偏差372用作用于比例-积分(PI)控制或调节计算374以产生反馈控制分量376(例如，由反馈部分364产生的燃料流量值)的输入。虽然控制或调节计算描绘为包括PI控制或调节计算，但可以使用包括但不限于比例-积分-微分(PID)控制计算的其他这类计算。PI或PID控制计算通常产生燃料流量值，该燃料流量值具有与偏差372成比例的分量、偏差372随着时间的积分的分量、以及在某些实施方式中，偏差372随着时间的微分的分量。因此，应当理解的是，可以在离散间隔或时间段计算偏差372，其中基本上连续地、间歇地或以规则的间隔计算/确定/测量φM368以便偏差372可随着时间积分/微分。
不丧失一般性，应当注意的是，方框370、372、374可被代表反馈控制算法的其他实施方式的其他计算代替，其包括但不限于：自动调谐PID算法、状态变量或状态反馈控制器、状态观测器或估计器、卡尔曼滤波器、相平面、无差拍和开关或继电器式控制器。
已经以上述方式确定反馈分量376和前馈分量366二者，处理器120执行一组或多组指令以进行组合操作378，其中前馈分量366和反馈分量376被组合。组合操作378可包括使用前馈分量366和反馈分量376乘、除、加、减、平均、或任何其他数学运算。如以上所述的，可以利用第一增益367在其所有值和无值之间——即，在全部贡献于算法360的输出和对算法360的输出无贡献之间的所有值——估算(scale)前馈分量366。类似地，反馈分量376可由第二增益377估算，该第二增益377配置为通过在0和1之间的因子调节反馈分量376(即，第二增益377可以将前馈分量366乘以在0和1之间的任意值)。以这种方式，在确定算法360总体输出中可利用反馈分量376的所有值(在增益值1)，或者可以根本不利用反馈分量376(在增益值0)。因而，在一些实施方式中，组合操作378可代表前馈和反馈分量366、376的按比例混合。可以使用混合这两个分量的任何方式。因而，在一些实施方式中，算法360能够仅使用前馈控制、仅使用反馈控制、或使用其组合。
在一个实施方式中，组合操作378可包括将前馈分量366和反馈分量376相加(或者分别由第一和第二增益367、377产生的它们的比例值)。通过非限制性的实例的方式，在其中前馈分量366是代表燃料流量增加的大的正数(例如，由于燃料70中低浓度的CO)，但是反馈分量376是代表燃料流量减小的小负数(例如，由于燃烧动力学、流量的微小变化)的实施方式中，反馈分量376可修整前馈分量366，以便在组合操作378中产生的燃料流量参考值380(例如，控制信号)考虑燃料70和氧化剂68的流动速率和流组成，并且也考虑测量误差、过程可变性、实际燃烧动力学等。在确定燃料流量参考值380之后，其被提供给如以上所述的燃料系统342用于沿着燃料供应路径262的燃料70流动的适当控制。
虽然以上公开的实施方式通常涉及控制燃料70，但应当注意的是，它们可类似地应用至氧化剂68。例如，在某些实施方式中，上述那些的类似动作可应用到氧化剂68同时保持燃料70在基本上恒定的流动速率下流动，或同时根据化学计量燃烧不相关的其他处理目标调节燃料70的流动。因此，在某些实施方式中，前馈分量366可为沿着氧化剂供应路径264的氧化剂68建立基线流动速率，而反馈分量376细化氧化剂流动速率并校正流动速率在流动、组成或类似因子中的漂移和其他变化。
而且，虽然反馈部分364描绘φM 368为来自一个或多个传感器、被输入到组合控制算法360，在其他的实施方式中，如图8中所描绘的，φM368可通过使用一个或多个基于模型的程序产生。特别地，图8是图解组合的控制算法390的实施方式的过程图，其中反馈部分364使用λ传感器(例如，沿着排气路径放置的氧传感器)以产生λ传感器输出392(例如，排气氧传感器288的输出)和可沿着排气再循环路径110定位的多个排放物传感器的一个或多个输出394(图2、5)。再一次地，这种排放物传感器可包括另外的氧传感器、CO传感器、H2传感器或类似传感器。如以上所述的，关于图7，在其他的实施方式中，排放物传感器输出394和/或λ传感器输出392可以被定位在或接近用于处理排气42的一种或多种催化剂的温度传感器的一个或多个输出代替，或者除了定位在或接近用于处理排气42的一种或多种催化剂的温度传感器的一个或多个输出之外被使用。例如，一个或多个温度传感器可与在EG处理系统54内的CO催化剂相关联，测定温度的上升可与排气42中CO增加的水平相关联。因此，催化剂处理的温度可与排气42中的CO水平相关，其可用于根据以下所描述的过程确定φM 368。
如所描绘的，在排气42中的排放物传感器输出394提供至一个或多个排放物模型396，该排放物传感器输出394可以是表示CO、H2、O2或其他排放物的量的传感器数据。在一般意义上，排放物模型396可结合与检测的CO、H2、O2的量相关的数据至φ(即，当前或测量的当量比)，其能够宽频带感测，并且在某些实施方式中相比于单独仅使用O2、CO和/或H2传感器更精确地确定φ。排放物模型396可实施为存储在控制器118的存储器122上的代码，其中处理器120执行存储的代码，其可包括具有一组或多组指令的建模模块以运行本文所公开的建模。
根据本实施方式，一个或多个排放物模型396可以是能够关联排放物传感器输出394与φ的任何合适类型的模型。通过非限制性实例的方式，排放物模型396可包括基于物理的模型、计算流体动力学(CFD)模型或有限元分析(FEA)模型。模型也可包括人工智能(AI)模型，例如专家系统(例如，正向链专家系统、逆向链专家系统)、神经网络、模糊逻辑系统、状态向量机(SVMs)、归纳推理系统、贝叶斯推理系统或其组合。
另外地或可选地，排放物模型396也可包括统计模型，例如回归分析模型、数据挖掘模型(例如，聚类模型、分类模型、关联模型)等等。例如，聚类技术可以在以某种方式“类似”的数据中发现组或者结构。分类技术可分类数据点为某些组的成员，例如，传感器输出提供φ可以比期望的更大或更小的指示。回归分析可用于找到能够在某一误差范围内模拟未来趋势的函数。关联技术可用于找到各变量之间的关系。事实上，任何或所有的这类模型是目前考虑的并且在本公开的范围内。
一个或多个排放物模型396可提供模型输出398，在一个实施方式中其可包括基于排放物模型396和排放物传感器输出394的φM的估计(例如，模拟)值(例如，估计的当量比)、估计的燃料-对-氧化剂比、或二者。在其他的实施方式中，模型输出398可提供加权因子或其他修正因子，其配置为修正多个排放物传感器输出的数据，控制器118使用该数据以确定φM。例如，在这类实施方式中，模型输出398可以是加权因子，其加权λ传感器输出392(例如，指示排气42中O2浓度的传感器输出)以考虑其他感测的变量，例如CO浓度、H2浓度或类似的。在仍然其他的实施方式中，模型输出398可包括燃料-对-氧化剂比、φM、或二者的潜在值的列表，并且基于λ传感器输出392，控制器118可以为燃料-对-氧化剂比和/或φM选择适当值。
因此，控制器118的处理器120可执行存储在存储器122上的一组或多组指令以实现选择逻辑400。选择逻辑400可基于λ传感器输出392和模型输出398在φM的多个值之间选择(例如，φM值的表格)，或者可以在由排放物模型396输出的φM值和由分析λ传感器输出392产生的φM值之间选择。在任一情况下，选择逻辑400为φM368选择适当的值，其以以上对于图7的算法360所讨论的相同方式在算法390中使用以产生反馈分量376。
图9是描绘该方式的实施方式的图表，排放物模型396以该方式利用排放物传感器输出394来修正或以其他方式影响选择逻辑400为φM 368选择适当值。特别地，如图解的，一个或多个排放物模型396接收CO排放物传感器输出410和O2传感器输出412。在图解的实施方式中，如由图形的插图414所图解的，排放物模型396使输出410、412与φ的具体值相关联。如由插图414所描绘的，排放物模型396可识别与排气42内的CO相关的浓度或其他值416，并且可识别与排气42内的O2相关的浓度或其他值418。排放物模型396也可使具体值416、418与φ的值相关联，其被描绘为插图414中的线420。如在插图414中所描绘的，值416、418彼此依赖。即，当O2值418增加时，CO值416减小，反之亦然。排放物模型396因此能够使用一个(O2、CO或H2)、两个(O2和CO、O2和H2或CO和H2)、三个(O2、CO和H2)值、或者更多，以识别合适的φM的值。再一次地，如以上所讨论的，排放物模型396提供模型输出398至选择逻辑400，其可在模型输出398和λ传感器输出392之间选择，可基于模型输出398修正λ传感器输出392，或者可基于λ传感器输出392修正模型输出398以确定φM368的适当值。
应当注意的是，本文所讨论的所有控制算法可类似地利用以控制沿着氧化剂供应路径264的氧化剂68的流动。在其中控制氧化剂流动的一些实施方式中，可以使用空气-对-燃料比(AFR)而不是使用燃料-对-氧化剂比，并且可以使用空气-燃料当量比(λ)而不是使用燃料-空气当量比(φ)，其中φ＝λ-1。
补充描述
本实施方式提供用于控制氧化剂和/或燃料流动以在排气再循环燃气涡轮发动机中在预定的比率下燃烧(例如，化学计量的燃烧)的系统和方法。应当注意的是，可以以任何合适的组合利用以上所描述的部件的任意一个或组合。事实上，这类组合的所有排布目前都被考虑。通过实例的方式，提供以下条款作为本公开的进一步描述：实施方式1.燃气涡轮系统，其包括：控制器，其包括共同存储一组或多组指令的一个或多个有形的、非临时性的、机器可读的介质；以及一个或多个处理设备，其配置为执行一组或多组指令以：接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的燃料相关的燃料组成信息；接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的氧化剂相关的氧化剂组成信息；接收与至涡轮燃烧室的氧化剂的流动相关的氧化剂流动信息；至少基于燃料组成信息和氧化剂组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比(FORST)；产生用于输入到燃料流动控制系统的控制信号，该燃料流动控制系统配置为基于氧化剂流动信息、目标当量比和FORST控制至涡轮燃烧室的燃料的流动，以使得能够在排气稀释剂存在下在目标当量比下燃烧。
实施方式2.实施方式1的燃气涡轮系统，其包括：配置为传输氧化剂流动至涡轮燃烧室的氧化剂流动路径，和沿着氧化剂流动路径布置的氧传感器，其中氧传感器可通信地连接到控制器，并且氧传感器配置为确定氧化剂组成信息。
实施方式3.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中氧化剂组成信息包含氧化剂中氧气的浓度。
实施方式4.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其包括沿着氧化剂流动路径布置的氧化剂流量计，其中氧化剂流量计可通信地连接到控制器，并且氧化剂流量计配置为确定氧化剂流动信息。
实施方式5.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中氧化剂流动信息包含到涡轮燃烧室的氧化剂流动的流动速率。
实施方式6.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其包括：配置为传输燃料流动至涡轮燃烧室的燃料流动路径；以及配置为从燃料流动路径接收燃料的滑流的燃料分析系统，其中燃料分析系统可通信地连接到控制器，并且燃料分析系统配置为确定燃料组成信息。
实施方式7.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中燃料分析系统包含气相色谱、燃料分析器、红外光谱仪、紫外/可见光光谱仪、或其任意组合。
实施方式8.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以使用FORST和目标当量比确定参考燃料-对-氧化剂比(FORREF)，并且使用FORREF以产生前馈分量，其中前馈分量包含用于输入到燃料流动控制系统的控制信号的至少一部分。
实施方式9.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中前馈分量配置为建立至涡轮燃烧室的燃料流动的基线流动速率。
实施方式10.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中前馈分量经由通过将氧化剂流动信息乘以FORREF执行一组或多组指令产生。
实施方式11.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其包括燃料流动控制系统，其中燃料流动控制系统沿着燃料流动路径布置，并且燃料流动控制系统包含至少一个燃料流动控制阀，其中至少一个燃料流动控制阀配置为响应于控制信号调节其位置。
实施方式12.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其包括：排气流动路径，其配置为流动从燃烧产物产生的排气，该燃烧产物由在涡轮燃烧室内燃料和氧化剂的燃烧产生，其中排气流动路径包含：涡轮，其配置为从燃烧产物提取功(work)以驱动燃气涡轮系统的轴并且产生排气；燃气涡轮系统的轴驱动的排气压缩机，其中压缩机配置为压缩来自涡轮的排气以产生在涡轮燃烧室内使用的排气稀释剂；以及沿着在涡轮和排气压缩机之间的排气流动路径布置的一个或多个排气传感器，其中一个或多个排气传感器可通信地连接到控制器，并且一个或多个排气传感器配置为确定与排气相关的排气组成信息；并且其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以使用排气组成信息和目标当量比产生反馈分量，并且反馈分量包含用于输入到燃料流动控制系统的控制信号的至少一部分。
实施方式13.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中排气组成信息包含排气的氧气浓度、燃料浓度、燃料-对-氧化剂比、当量比或其任意组合。
实施方式14.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中反馈控制分量经由通过使用目标当量比作为设定点以及排气的测量的当量比作为过程值，进行比例积分(PI)控制算法或比例积分微分(PID)控制算法，执行一组或多组指令产生。
实施方式15.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中排气的测量的当量比经由通过将排气组成信息与考虑氧气水平、一氧化碳水平、氢气水平或其任意组合的排放物模型比较执行一组或多组指令产生。
实施方式16.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中反馈分量配置为调节至涡轮燃烧室的燃料流动以考虑在燃料至涡轮燃烧室的流动速率中的漂移和变化。
实施方式17.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中一个或多个排气传感器包含λ传感器、一氧化碳传感器、氢气传感器、湿度传感器、或其任意组合。
实施方式18.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中目标当量比是燃料对氧化剂中的氧气1.0加或减0.01、0.02、0.03、0.04或0.05。
实施方式19.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其包括：涡轮燃烧室，其中涡轮燃烧室配置为接收氧化剂流动、燃料流动和排气稀释剂；以及连接到涡轮燃烧室的排气提取流动路径，其中排气提取流动路径配置为从涡轮燃烧室流动至少一部分排气稀释剂作为提取的排气至下游过程。
实施方式20.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中下游过程包含提高采收率法采油(EOR)系统。
实施方式21.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以响应于氧化剂流动控制燃料流动以能够在目标当量比下燃烧。
实施方式22.燃气涡轮系统，其包括：涡轮燃烧室，其配置为在排气稀释剂存在下在目标当量比下燃烧燃料和氧化剂以产生燃烧产物；氧化剂路径，其配置为在氧化剂流动速率下传输氧化剂至涡轮燃烧室；燃料路径，其配置为在燃料流动速率下传输燃料至涡轮燃烧室，其中燃料路径包含燃料流动控制系统，其配置为响应于一个或多个控制信号调节燃料流动速率；以及控制器，其可通信地连接到流动控制系统；其中控制器包含：共同地存储一组或多组指令的一个或多个非临时性的、机器可读的介质；以及一个或多个处理设备，其配置为执行一组或多组指令以提供一个或多个控制信号至燃料流动控制系统，其中一个或多个控制信号控制至燃烧室的燃料流动速率以能够在涡轮燃烧室中在目标当量比下燃烧，其中一个或多个控制信号包含反馈分量和前馈分量。
实施方式23.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以至少基于燃料组成、氧化剂组成和氧化剂流动速率确定前馈分量。
实施方式24.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以确定前馈分量，这通过：基于与氧化剂相关的氧化剂组成信息和与燃料相关的燃料组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比(FORST)；基于FORST和目标当量比确定参考燃料-对-氧化剂比(FORREF)；并且使用FORREF和氧化剂流动速率产生前馈分量。
实施方式25.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中前馈分量配置为建立至涡轮燃烧室的燃料流动的基线流动速率。
实施方式26.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其包括配置为从燃料路径接收燃料的滑流的燃料分析系统，其中燃料分析系统配置为确定燃料组成信息。
实施方式27.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中燃料分析系统包含气相色谱、燃料分析器、红外光谱仪、紫外/可见光光谱仪、或其任意组合。
实施方式28.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以确定反馈分量，这通过：基于目标当量比和排气稀释剂的测量的当量比确定偏差；并且通过使用偏差作为输入运行比例积分(PI)或比例积分微分(PID)控制算法产生反馈分量。
实施方式29.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其包括排气流动路径，其配置为流动从燃烧产物产生的排气，该燃烧产物在涡轮燃烧室内产生，其中排气流动路径包含：涡轮，其配置为从燃烧产物提取功以驱动燃气涡轮系统的轴并产生排气；由燃气涡轮系统的轴驱动的排气压缩机，其中压缩机配置为压缩来自涡轮的排气以产生排气稀释剂；以及沿着在涡轮和排气压缩机之间的排气流动路径布置的一个或多个排气传感器，其中一个或多个排气传感器可通信地连接到控制器，并且一个或多个排气传感器配置为确定与排气相关的排气组成信息；并且其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以从排气组成信息确定排气的测量的当量比。
实施方式30.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中排气组成信息包含排气的氧气浓度、燃料浓度、燃料-对-氧化剂比、或其任意组合。
实施方式31.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中排气稀释剂的测量的当量比经由通过将排气组成信息与考虑氧气水平、一氧化碳水平、氢气水平或其任意组合的排放物模型比较执行一组或多组指令产生。
实施方式32.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中反馈分量配置为调节至涡轮燃烧室的燃料流动以考虑燃料流动速率中的漂移和变化。
实施方式33.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中一个或多个排气传感器包含λ传感器、一氧化碳传感器、氢气传感器、湿度传感器、或其任意组合。
实施方式34.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中目标当量比是燃料对氧化剂中氧气1.0加或减0.01、0.02、0.03、0.04或0.05。
实施方式35.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其包括连接到涡轮燃烧室的排气提取流动路径，其中排气提取流动路径配置为从涡轮燃烧室流动至少一部分排气稀释剂作为提取的排气到下游过程。
实施方式36.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中下游过程包含提高采收率法采油(EOR)系统。
实施方式37.任意前述实施方式的燃气涡轮系统，其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以响应于氧化剂流动速率控制燃料流动速率以能够在目标当量比下燃烧。
实施方式38.共同存储一组或多组指令的一个或多个非临时性的、机器可读的介质，该一组或多组指令可被一个或多个处理设备执行以：接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的燃料相关的燃料组成信息；接收与用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的氧化剂相关的氧化剂组成信息；接收与至涡轮燃烧室的氧化剂的流动相关的氧化剂流动信息；至少基于燃料组成信息和氧化剂组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比(FORST)；使用FORST和目标当量比确定参考燃料-对-氧化剂比(FORREF)；并产生用于输入到配置为基于氧化剂流动信息和FORREF控制至涡燃烧室的燃料流动的燃料流动控制系统的控制信号，以能够在燃烧涡轮燃烧室内在再循环排气的存在下在燃料和氧化剂之间的目标当量比下燃烧。
实施方式39.任意前述实施方式的介质，其中氧化剂组成信息包含氧化剂中氧气的浓度。
实施方式40.任意前述实施方式的介质，其中氧化剂流动信息包含至涡轮燃烧室的氧化剂流动的流动速率。
实施方式41.任意前述实施方式的介质，其中一组或多组指令可被一个或多个处理设备执行以使用氧化剂流动信息和FORREF产生前馈分量，并且前馈分量包含用于输入到燃料流动控制系统的控制信号的至少一部分。
实施方式42.任意前述实施方式的介质，其中前馈分量配置为建立至涡轮燃烧室的燃料流动的基线流动速率。
实施方式43.任意前述实施方式的介质，其中前馈分量经由通过氧化剂流动信息乘以FORREF执行一组或多组指令产生。
实施方式44.任意前述实施方式的介质，其中一个或多个处理设备配置为执行一组或多组指令以使用与再循环排气相关的排气组成信息和目标当量比产生反馈分量，并且反馈分量包含用于输入到燃料流动控制系统的控制信号的至少一部分。
实施方式45.任意前述实施方式的介质，其中排气组成信息包含排气的氧气浓度、燃料浓度、燃料-对-氧化剂比、或其任意组合。
实施方式46.任意前述实施方式的介质，其中反馈控制分量经由通过使用目标当量比作为设定点以及再循环排气的测量的当量比作为过程值，进行比例积分(PI)控制算法或比例积分微分(PID)控制算法，执行一组或多组指令产生。
实施方式47.任意前述实施方式的介质，其中再循环排气的测量的当量比经由通过将排气组成信息与考虑氧气水平、一氧化碳水平、氢气水平或其任意组合的排放物模型比较执行一组或多组指令产生。
实施方式48.任意前述实施方式的介质，其中反馈分量配置为调节至涡轮燃烧室的燃料流动以考虑燃料至涡轮燃烧室的流动速率中的漂移和变化。
实施方式49.任意前述实施方式的介质，其中目标当量比是燃料对氧化剂中的氧气1.0加或减0.01、0.02、0.03、0.04或0.05。
实施方式50.任意前述实施方式的介质或系统，其中在涡轮燃烧室中的燃烧产生的燃烧产物中基本上不具有未燃尽的燃料或氧化剂剩余。
实施方式51.任意前述实施方式的介质系统，其中在涡轮燃烧室中的燃烧产生的燃烧产物具有按体积计小于大约百万份之10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000份(ppmv)的氧化剂、未燃尽的燃料、氮氧化物(例如，NOX)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOX)、氢气以及其他不完全燃烧产物。
虽然本文仅图解和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解的是，所附的权利要求意欲覆盖落在本发明的真实精神内的所有这类修改和改变。

Claims (18)

1.燃气涡轮系统，其包括：
控制器，其包含；
共同存储一组或多组指令的一个或多个有形的、非临时性的、机器可读的介质；和
一个或多个处理设备，其配置为执行所述一组或多组指令以：
接收与用于在所述燃气涡轮系统的涡轮燃烧室中燃烧的燃料相关的燃料组成信息；
接收与用于在所述燃气涡轮系统的所述涡轮燃烧室中燃烧的氧化剂相关的氧化剂组成信息；
接收与至所述涡轮燃烧室的所述氧化剂的流动相关的氧化剂流动信息；
至少基于所述燃料组成信息和所述氧化剂组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比(FORST)；并且
产生用于输入到燃料流动控制系统的控制信号，所述燃料流动控制系统配置为使用前馈分量和反馈分量二者控制至所述涡轮燃烧室的所述燃料的流动以能够在排气稀释剂的存在下在目标当量比下燃烧，其中所述前馈分量包括所述氧化剂流动信息、目标当量比和FORST，并且其中所述反馈分量包括与由来自所述涡轮燃烧室的燃烧产物产生的排气相关的排气组成信息和所述目标当量比；
由所述燃气涡轮系统的轴驱动的排气压缩机，其中所述排气压缩机配置为仅接收和压缩由来自所述涡轮燃烧室的燃烧产物产生的所述排气以形成所述排气稀释剂，并且引导所述排气稀释剂至所述涡轮燃烧室；和
沿着在所述排气压缩机的上游的排气流动路径布置的一个或多个排气传感器，其中所述一个或多个排气传感器通信地连接到所述控制器，并且所述一个或多个排气传感器配置为确定与所述排气相关的排气组成信息。
2.权利要求1所述的燃气涡轮系统，其包括：
配置为传输所述氧化剂的所述流动至所述涡轮燃烧室的氧化剂流动路径；和
沿着所述氧化剂流动路径布置的氧传感器，其中所述氧传感器可通信地连接到所述控制器，并且所述氧传感器配置为确定所述氧化剂组成信息。
3.权利要求2所述的燃气涡轮系统，其包括沿着所述氧化剂流动路径布置的氧化剂流量计，其中所述氧化剂流量计可通信地连接到所述控制器，并且所述氧化剂流量计配置为确定所述氧化剂流动信息。
4.权利要求1所述的燃气涡轮系统，其包括：
配置为传输所述燃料的所述流动至所述涡轮燃烧室的燃料流动路径；和
配置为从所述燃料流动路径接收所述燃料的滑流的燃料分析系统，其中所述燃料分析系统可通信地连接到所述控制器，并且所述燃料分析系统配置为确定所述燃料组成信息。
5.权利要求4所述的燃气涡轮系统，其中所述一个或多个处理设备配置为执行所述一组或多组指令以使用FORST和所述目标当量比确定参考燃料-对-氧化剂比(FORREF)，并且使用FORREF以产生所述前馈分量，其中所述前馈分量配置为对所述燃料至所述涡轮燃烧室的流动建立基线流动速率，并且经由执行所述一组或多组指令通过所述氧化剂流动信息乘以FORREF产生。
6.权利要求5所述的燃气涡轮系统，其中所述燃料流动控制系统包含至少一个燃料流动控制阀，其中所述至少一个燃料流动控制阀的位置响应于所述控制信号进行调节。
7.权利要求1所述的燃气涡轮系统，其包括：
所述排气流动路径，其配置为流动从所述燃烧产物产生的所述排气，所述燃烧产物通过在所述涡轮燃烧室内所述燃料和氧化剂的燃烧产生，其中所述排气流动路径包含：
涡轮，其配置为从所述燃烧产物提取功以驱动所述燃气涡轮系统的所述轴；
所述排气压缩机；以及
所述一个或多个排气传感器。
8.权利要求1所述的燃气涡轮系统，其中所述排气组成信息包含所述排气的氧气浓度、燃料浓度、燃料-对-氧化剂比、当量比或其任意组合。
9.权利要求1所述的燃气涡轮系统，其中所述反馈分量经由通过使用所述目标当量比作为设定点以及所述排气的测量的当量比作为过程值，进行比例积分(PI)控制算法或比例积分微分(PID)控制算法，执行所述一组或多组指令产生。
10.权利要求9所述的燃气涡轮系统，其中所述排气的测量的当量比经由通过将所述排气组成信息与考虑氧气水平、一氧化碳水平、氢气水平、或其任意组合的排放物模型比较执行所述一组或多组指令产生。
11.权利要求1所述的燃气涡轮系统，其中所述反馈分量配置为调节至所述涡轮燃烧室的所述燃料的所述流动以考虑在所述燃料至所述涡轮燃烧室的所述流动的量中的漂移和变化。
12.权利要求1所述的燃气涡轮系统，其包括：
连接到所述涡轮燃烧室的排气提取流动路径，其中所述排气提取流动路径配置为从所述涡轮燃烧室流动所述排气稀释剂的至少一部分作为提取的排气至下游过程；
沿着所述排气提取流动路径布置的排气提取流量计，其中所述排气提取流量计可通信地连接到所述控制器，并且所述排气提取流量计配置为确定与从所述涡轮燃烧室所提取的排气相关的流动信息；以及
沿着所述排气提取流动路径布置的排气提取流动控制阀，其中所述排气提取流动控制阀可通信地连接到所述控制器，并且所述排气提取流动控制阀配置为至少部分地调节从所述涡轮燃烧室所提取的排气的量；和
其中所述涡轮燃烧室配置为接收所述氧化剂的所述流动、所述燃料的所述流动和所述排气稀释剂。
13.燃气涡轮系统，其包括：
涡轮燃烧室，其配置为在排气稀释剂的存在下在目标当量比下燃烧燃料和氧化剂以产生燃烧产物；
氧化剂路径，其配置为在氧化剂流动速率下传输所述氧化剂至所述涡轮燃烧室；
燃料路径，其配置为在燃料流动速率下传输所述燃料至所述涡轮燃烧室，其中所述燃料路径包含配置为响应于一个或多个控制信号调节所述燃料流动速率的燃料流动控制系统；
由所述燃气涡轮系统的轴驱动的排气压缩机，其中所述排气压缩机配置为仅接收和压缩由所述燃烧产物产生的排气以形成所述排气稀释剂，并且引导所述排气稀释剂至所述涡轮燃烧室；和
可通信地连接到所述燃料流动控制系统的控制器，其中所述控制器包含：
共同存储一组或多组指令的一个或多个非临时性的、机器可读的介质；和
一个或多个处理设备，其配置为执行所述一组或多组指令以提供所述一个或多个控制信号至所述燃料流动控制系统，其中所述一个或多个控制信号控制至所述燃烧室的所述燃料流动速率以能够在所述涡轮燃烧室在所述目标当量比下燃烧，其中所述一个或多个控制信号包含反馈分量和前馈分量；和
其中所述一个或多个处理设备配置为执行所述一组或多组指令以确定所述前馈分量，这通过：
基于与所述氧化剂相关的氧化剂组成信息和与所述燃料相关的燃料组成信息确定化学计量的燃料-对-氧化剂比(FORST)；
基于FORST和所述目标当量比确定参考燃料-对-氧化剂比(FORREF)；并且
使用FORREF和所述氧化剂流动速率产生所述前馈分量。
14.权利要求13所述的燃气涡轮系统，其包括：
排气流动路径，其配置为流动从所述燃烧产物产生的所述排气，所述燃烧产物在所述涡轮燃烧室内产生，其中所述排气流动路径包含：
涡轮，其配置为从所述燃烧产物提取功以驱动所述燃气涡轮系统的所述轴并产生所述排气；
所述排气压缩机；和
沿着在所述涡轮和所述排气压缩机之间的所述排气流动路径布置的一个或多个排气传感器，其中所述一个或多个排气传感器可通信地连接到所述控制器，并且所述一个或多个排气传感器配置为确定与所述排气相关的排气组成信息；并且
其中所述一个或多个处理设备配置为执行所述一组或多组指令以从所述排气组成信息确定所述排气的测量的当量比。
15.权利要求14所述的燃气涡轮系统，其中所述排气的所述测量的当量比经由通过将所述排气组成信息与考虑氧气水平、一氧化碳水平、氢气水平、或其任意组合的排放物模型比较执行所述一组或多组指令产生。
16.权利要求14所述的燃气涡轮系统，其中所述反馈分量配置为调节至所述涡轮燃烧室的所述燃料的量以考虑所述燃料流动速率中的漂移和变化。
17.权利要求13所述的燃气涡轮系统，其包含连接到所述涡轮燃烧室的排气提取流动路径，其中所述排气提取流动路径配置为从所述涡轮燃烧室流动所述排气的至少一部分作为提取的排气至提高采收率法采油(EOR)系统。
18.权利要求17所述的燃气涡轮系统，其包括：
沿着所述排气提取流动路径布置的排气提取流量计，其中所述排气提取流量计可通信地连接到所述控制器，并且所述排气提取流量计配置为确定与从所述涡轮燃烧室所提取的排气相关的流动信息；
沿着所述排气提取流动路径布置的排气提取流动控制阀，其中所述排气提取流动控制阀可通信地连接到所述控制器，并且所述排气提取流动控制阀配置为至少部分地调节从所述涡轮燃烧室所提取的排气的量。
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