CN106062340A - 用于燃气涡轮发动机的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括：燃气涡轮发动机，其被配置为燃烧氧化剂和燃料以生成排气；催化剂床，其被配置为处理来自燃气涡轮发动机的部分排气以生成经处理的排气；温差监测器，其被配置为监测催化剂床上游的部分排气的第一温度与催化剂床下游的经处理的排气的第二温度之间的温差；以及氧化剂‑燃料比率系统，其被配置为至少部分基于温差来调节参数以保持催化剂床的效力，从而保持目标当量比。

Description

用于燃气涡轮发动机的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年11月25日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR A GASTURBINE ENGINE”的美国非临时专利申请14/553,458的优先权和权益(该申请通过引用整体合并于此以用于各种目的)，并且要求于2013年12月04日提交的题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR A GAS TURBINE ENGINE”的美国临时专利申请61/911,912的优先权和权益(该申请通过引用整体合并于此以用于各种目的)。
技术领域
本公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于运转燃气涡轮发动机的系统和方法。
背景技术
燃气涡轮发动机的应用非常广泛，例如发电、航空器以及各种机械装置。燃气涡轮发动机通常在燃烧器部中燃烧燃料和氧化剂(例如，空气)以生成热燃烧产物，然后该产物驱动涡轮部中的一个或多个涡轮级。进而，涡轮部驱动压缩机部的一个或多个压缩机级。此外，在燃烧器部内燃料和氧化剂混合，然后燃烧以产生热燃烧产物。在某些条件下，使用反馈控制来运转燃气涡轮发动机以获得热燃烧产物的期望成分可能是有用的。另外，燃气涡轮发动机一般消耗大量作为氧化剂的空气，并输出相当大量的排气到大气中。换句话说，排气一般作为燃气涡轮运转的副产品被浪费。
发明内容
与原始要求保护的发明范围相称的某些实施例被总结如下。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，但是这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包括可类似于或异于下面阐述的实施例的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包含：被配置为燃烧氧化剂和燃料以生成排气的燃气涡轮发动机，被配置为处理来自燃气涡轮发动机的部分排气以生成经处理的排气的催化剂床，被配置为监测所述催化剂床上游的部分排气的第一温度与所述催化剂床下游的经处理的排气的第二温度之间的温差的温差监测器，以及被配置为至少部分基于温差来调节参数以保持催化剂床的效力从而保持目标当量比的氧化剂-燃料比率系统。
在第二实施例中，一种方法包含：在燃气涡轮发动机中燃烧氧化剂和燃料以生成排气，在催化剂床中处理来自燃气涡轮发动机的部分排气以生成经处理的排气，使用温差监测器监测催化剂床上游的部分排气的第一温度和催化剂床下游的经处理的排气的第二温度之间的温差，以及使用氧化剂-燃料比率系统来至少部分基于该温差来调节参数以保持催化剂床的效力，从而保持目标当量比。
在第三实施例中，一种系统包含控制器和一个或多个处理装置，该控制器包括一个或多个有形的非瞬态机器可读介质，该介质共同地储存一组或多组指令，所述处理装置被配置为执行一组或多组指令，用于：在燃气涡轮发动机中燃烧氧化剂和燃料以生成排气；在催化剂床中处理来自燃气涡轮发动机的部分排气以生成经处理的排气；使用温差监测器监测催化剂床上游的排气的入口温度和催化剂床下游的经处理的排气的出口温度之间的温差；将温差信号从温差监测器传送到控制系统；以及至少部分基于温差来调节参数以保持催化剂床的效力，从而保持目标当量比。
附图说明
当参照附图阅读下列具体实施方式时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更加容易理解，其中在整个附图中相同的符号表示相同的部件，其中：
图1是具有耦连到烃类生产系统的基于涡轮的服务系统的系统的实施例的示意图；
图2是图1的系统的实施例的示意图，其进一步示出控制系统和组合循环系统；
图3是图1和图2的系统的实施例的示意图，其进一步示出燃气涡轮发动机、排气供给系统和排气处理系统的细节；
图4是用于运转图1-3的系统的过程的实施例的流程图；
图5是具有一个催化剂床的燃气涡轮发动机系统的实施例的示意图；
图6是具有三个催化剂床的燃气涡轮发动机系统的实施例的示意图；
图7是具有五个催化剂床的燃气涡轮发动机系统的实施例的示意图；
图8是具有氧化剂喷射系统的催化剂床的实施例的透视图；以及
图9是催化剂床的温差和包括该催化剂床的燃气涡轮发动机系统的实施例的当量比之间的关系图。
具体实施方式
本发明的一个或多个具体实施例将在下面描述。为了努力提供这些实施例的简要描述，实际实施方式的所有特征可能没有在本说明书中描述。应认识到，在任何此类实际实施方式的开发中(例如在工程或设计项目中)，需要做出众多与实施方式相关的决定以实现具体目标，例如符合在不同实施方式中可能不同的系统相关约束和/或商业相关约束。而且，应认识到，这种努力可能是复杂和费时的，但是对受益于本公开的本领域普通技术人员来说承担设计、装配和制造仍然是例行工作。
本文公开了详细的示例性实施例。但是，本文公开的特定结构和功能细节仅仅代表描述示例性实施例的目的。然而，本发明的实施例可以体现为许多可替代的形式，并且不应被视为仅限于本文阐述的实施例。
因此，虽然示例性实施例能够具有各种修改和替换形式，但其实施例通过附图中的示例的方式示出并将在本文详细描述。然而，应当理解的是，本发明并不意图将示例性实施例局限于所公开的特定形式，而是相反，示例性实施例旨在覆盖落入本发明的范围内的所有修改、等价物和替代实施例。
本文所使用的术语仅用于描述某些实施例，并不是意图限制示例性实施例。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”也意图包括复数形式，除非上下文中明确指出不同含意。当用于本文时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
虽然术语第一、第二、主要、辅助等可以在本文中被用于描述各个元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如但不限于，第一元件可以被称为第二元件，以及同样，第二元件可以被称为第一元件，而不背离示例性实施例的范围。正如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个关联列出项目中的任意一个、全部及其组合。
本文可以使用某些术语，这仅为了方便读者而不被视为对本发明的范围的限制。例如，诸如“上面”、“下面”、“左侧”、“右侧”、“前面”、“后面”、“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“上游”、“下游”、“前部”、“后部”等词组仅描述在附图中示出的配置。事实上，本发明的实施例的一个或多个元件可以被取向在任何方向中，并且因此，所述术语应当被理解为包含这类变化，除非指出不同情况。
如下面所详细讨论的，所公开的实施例总体涉及带有排气再循环(EGR)的燃气涡轮系统，并且尤其是涉及使用EGR的燃气涡轮系统的化学计量运转。例如，燃气涡轮系统可以被配置为沿着排气再循环路径再循环排气，使燃料和氧化剂与至少某些再循环排气一起以化学计量燃烧，以及收集排气用于各个目标系统中。排气的再循环与化学计量燃烧一起可以帮助增加排气中的二氧化碳(CO2)的浓度水平，该排气然后可以被后处理以分离和纯化CO2和氮气(N2)以用于各个目标系统中。燃气涡轮系统还可以采用沿着排气再循环路径的各种排气处理(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、氮氧化物以及未燃烧烃类)的浓度水平，并增加能量回收(例如用热回收单元)。另外，燃气涡轮发动机可以被配置为使用扩散火焰(例如，使用扩散燃料喷嘴)、预混火焰(例如，使用预混燃料喷嘴)或其任意组合中的一个或多个来燃烧燃料和氧化剂。在某些实施例中，扩散火焰可以帮助将稳定性和运转维持在化学计量燃烧的某些限制内，其进而帮助增加CO2的生成。例如，当与使用预混火焰运转的燃气涡轮系统相比，使用扩散火焰运转的燃气涡轮系统可以实现更大量的EGR。进而，增加的EGR的量帮助增加CO2的生成。可能的目标系统包括管线、存储罐、碳封存系统和烃类生产系统，诸如强化油回收(EOR)系统。
公开的实施例提供了用于与具有EGR的燃气涡轮发动机一同使用的氧化剂-燃料比率系统的系统和方法。具体地，一种系统可以包括燃气涡轮发动机和催化剂床，该催化剂床被配置为处理来自排气涡轮发动机的排气以生成经处理的排气。此外，该系统可以包括温差监测器，该温差监测器被配置为监测排气的入口温度和经处理的排气的出口温度之间的温差。另外，该系统可以包括氧化剂-燃料比率系统，该氧化剂-燃料比率系统被配置为至少部分基于温差来调节氧化剂的氧化剂流速或燃料的燃料流速或其任意组合中的至少一个。例如，催化剂床可以被用于降低排气的一氧化碳、氧气、氢气、氮氧化物和/或未燃烧烃类的浓度。通过使用催化剂床降低排气中的这些气体的浓度，排气可以对于某些应用(例如强化油回收)更有用。此外，可以调控具有较高浓度的这些气体的排气到大气的排放。
通过至少部分基于催化剂床两端的温差来调节氧化剂流速、燃料流速或其任意组合中的至少一个，可以实现燃气涡轮发动机的改进运转。例如，氧化剂-燃料比率系统可以被用于将燃气涡轮发动机运行为化学计量排气再循环(SEGR)燃气涡轮发动机。如下面详细描述，氧化剂-燃料比率系统可以被用于在当量比值的某一范围内运转SEGR燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的当量比被限定为在实际燃料-氧化剂比到化学计量的燃料-氧化剂比之间的比率或化学计量的氧化剂-燃料比到实际氧化剂-燃料比之间的比率。如由温差监测器监测的催化剂床两端的温差可以提供SEGR燃气涡轮发动机正在运转时所处于的当量比的指标。因此，通过使用反馈控制，催化剂床两端的温差可以被用于调节SEGR燃气涡轮发动机的运转，以保持运转在期望的当量比值的范围内。例如，如果该催化剂床两端的温差指示SEGR燃气涡轮发动机的运转在期望的当量比值范围之外，则可以使用氧化剂-燃料比率系统来调节氧化剂流速、燃料流速或其任意组合中的至少一个，以获得期望的当量比。催化剂床两端的温差可以使氧化剂-燃料比率系统能够调节SEGR燃气涡轮发动机以便比当量比的其他指示更快和/或更精确地实现期望的当量比。
图1是具有与基于涡轮的服务系统14关联的烃类生产系统12的系统10的实施例的示意图。如下面进一步详细讨论的，基于涡轮的服务系统14的各种实施例被配置为向烃类生产系统12提供各种服务，例如电功率、机械功和流体(例如排气)以促进油和/或气的生产或回收。在图示的实施例中，烃类生产系统12包括油/气抽取系统16和强化油回收(EOR)系统18，二者耦连到地下储层20(例如油、气或烃类储层)。油/气抽取系统16包括各种地面设备22，例如耦连到油/气井26的圣诞树或生产树24。此外，井26可以包括通过地球32中的钻孔30延伸到地下储层20的一个或多个管件28。树24包括一个或多个阀门、扼流圈、隔离套筒、封井器/防喷器以及各种流量控制装置，其调节压力并且控制到地下储层20和来自地下储层20的流。虽然树24通常被用于控制从地下储层20流出的生产流体(例如油或气)的流动，但是EOR系统18可以通过将一种或多种流体喷射到地下储层20来增加油或气的生产。
因此，EOR系统18可以包括流体喷射系统34，该流体喷射系统34具有通过地球32中的孔38延伸到地下储层20的一个或多个管件36。例如，EOR系统18可以将一种或多种流体40例如气体、蒸汽、水、化学物质或其任何组合输送到流体喷射系统34中。例如，如下面所进一步详细讨论的，EOR系统18可以被耦连到基于涡轮的服务系统14，使得系统14将排气42(例如，基本没有氧气或完全没有氧气)输送到EOR系统18以用作喷射流体40。流体喷射系统34通过一个或多个管件36将流体40(例如排气42)输送到地下储层20中，如箭头44所示。喷射流体40通过与油/气井26的管件28间隔开一偏移距离46的管件36进入地下储层20。因此，喷射流体40使布置在地下储层20中的油/气48移位，并驱动油/气48向上通过烃类生产系统12的一个或多个管件28，如箭头50所示。如下面所进一步详细讨论的，喷射流体40可以包括源自基于涡轮的服务系统14的排气42，该基于涡轮的服务系统能够根据需要由烃类生产系统12在现场生成排气42。换句话说，基于涡轮的服务系统14可以同时生成供烃类生产系统12使用的一种或多种服务(例如电功率、机械功、蒸汽、水(例如淡化水)以及排气(例如基本没有氧气))，从而降低或消除这类服务对外部源的依赖。
在图示的实施例中，基于涡轮的服务系统14包括化学计量排气再循环(SEGR)燃气涡轮系统52和排气(EG)处理系统54。燃气涡轮系统52可以被配置为以化学计量燃烧运转模式(例如化学计量控制模式)和非化学计量燃烧运转模式(例如非化学计量控制模式)如稀燃料控制模式或富燃料控制模式运转。在化学计量控制模式中，燃烧通常以燃料和氧化剂的大致化学计量比发生，从而产生大致化学计量燃烧。特别地，化学计量燃烧通常包括在燃烧反应中消耗几乎全部的燃料和氧化剂，使得燃烧产物基本没有或完全没有未燃烧燃料和氧化剂。化学计量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燃料/氧化剂比的比。大于1.0的当量比导致燃料和氧化剂的富燃料燃烧，而小于1.0的当量比导致燃料和氧化剂的稀燃料燃烧。相反，1.0的当量比导致既不是富燃料又不是稀燃料的燃烧，从而在燃烧反应中基本消耗所有的燃料和氧化剂。在本公开实施例的背景下，术语化学计量或基本化学计量可以指大约0.95到大约1.05的当量比。然而，本公开的实施例也可以包括1.0加上或减去0.01、0.02、0.03、0.04、0.05或更多的当量比。再者，在基于涡轮的服务系统14中的燃料和氧化剂的化学计量燃烧可以导致基本没有剩余未燃烧燃料或氧化剂的燃烧产物或排气(例如42)。例如，排气42可以具有小于1％、2％、3％、4％或5％体积百分比的氧化剂(例如氧气)、未燃烧燃料或烃类(例如HC)、氮氧化物(例如NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如SOx)、氢气和其他未完全燃烧产物。通过进一步的示例，排气42可以具有小于大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000每百万份体积(ppmv)的氧化剂(例如氧气)、未燃烧燃料或烃类(例如HC)、氮氧化物(例如NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如SOx)、氢气和未完全燃烧的其他产物。然而，本公开实施例还可以在排气42中产生其他范围的残留燃料、氧化剂和其他排放物水平。如本文所使用的，术语排放物、排放物水平和排放物目标可以指某些燃烧产物(例如NOx、CO、SOx、O2、N2、H2、HC等)的浓度水平，所述燃烧产物可以存在于再循环气体流、排出的气体流(例如排放到大气中)以及用在各种目标系统(例如烃类生产系统12)中的气体流。
虽然不同实施例中的SEGR燃气涡轮系统52和EG处理系统54可以包括各种组件，但图示的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58，二者接收并处理源自SEGR燃气涡轮系统52的排气60。HRSG 56可以包括一个或多个热交换器、冷凝器和各种热回收设备，它们一起用于将热量从排气60传递至水流，由此产生蒸汽62。蒸汽62可以被用在一个或多个蒸汽涡轮、EOR系统18或烃类生产系统12的任何其他部分中。例如，HRSG 56可以生成低压、中压和/或高压蒸汽62，其可以被选择性应用于低压、中压和高压蒸汽涡轮级或EOR系统18的不同应用。除了蒸汽62之外，经处理的水64例如淡化水也可以由HRSG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分或SEGR燃气涡轮系统52生成。经处理的水64(例如淡化水)在例如内陆或沙漠地区等水短缺区域可能是特别有用的。经处理的水64可以至少部分由于驱动SEGR燃气涡轮系统52内的燃料燃烧的大体积空气而生成。虽然蒸汽62和水64的现场生成在许多应用(包括烃类生产系统12)中可以是特别有利的，但排气42、60的现场生成对EOR系统18来说可以是特别有利的，这是由于所述排气从SEGR燃气涡轮系统52获得低氧含量、高压和热。因此，HRSG56、EGR系统58和/或EG处理系统54的另一部分可以将排气66输出或再循环到SEGR燃气涡轮系统52中，同时还将排气42输送到EOR系统18以供烃类生产系统12使用。同样，可以从SEGR燃气涡轮系统52直接抽取排气42(即无需经过EG处理系统54)，以用于烃类生产系统12的EOR系统18中。
排气再循环由EGR处理系统54的EGR系统58来处理。例如，EGR系统58包括一个或多个导管、阀门、鼓风机、排气处理系统(例如过滤器、微粒去除单元、气体分离单元、气体净化单元、热交换器、热回收单元、湿气去除单元、催化剂单元、化学喷射单元或其任何组合)以及沿着从SEGR燃气涡轮系统52的输出端(例如释放的排气60)到输入端(例如进入的排气66)的排气再循环路径来再循环排气的控件。在图示的实施例中，SEGR燃气涡轮系统52将排气66吸入到具有一个或多个压缩机的压缩机部，从而压缩排气66以便与氧化剂68的进气和一种或多种燃料70一起在燃烧器部中使用。氧化剂68可以包括环境空气、纯氧、富氧空气、减氧空气、氧-氮混合物或有利于燃料70燃烧的任何合适的氧化剂。燃料70可以包括一种或多种气体燃料、液体燃料或其任何组合。例如，燃料70可以包括天然气、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、生物燃料或其任何组合。
SEGR燃气涡轮系统52在燃烧器部中混合并燃烧排气66、氧化剂68和燃料70，从而生成驱动涡轮部中的一个或多个涡轮级的热燃烧气体或排气60。在某些实施例中，燃烧器部中的每个燃烧器包括一个或多个预混燃料喷嘴、一个或多个扩散燃料喷嘴或其任何组合。例如，每个预混燃料喷嘴可以被配置为在燃料喷嘴内和/或部分地在该燃料喷嘴的上游内部混合氧化剂68和燃料70，从而将氧化剂-燃料混合物从燃料喷嘴喷射到用于预混合燃烧(例如，预混火焰)的燃烧区中。通过进一步的示例，每个扩散燃料喷嘴可以被配置为隔离燃料喷嘴内的氧化剂68与燃料70的流动，从而将氧化剂68和燃料70分离地从燃料喷嘴喷射到用于扩散燃烧(例如扩散火焰)的燃烧区中。特别地，由扩散燃料喷嘴提供的扩散燃烧延迟了氧化剂68与燃料70的混合，直到初始燃烧点即火焰区域。在采用扩散燃料喷嘴的实施例中，扩散火焰可以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与燃料70的分离的流之间的化学计量点处(即在氧化剂68与燃料70混合时)形成。在某些实施例中，一种或多种稀释剂(例如排气60、蒸汽、氮或其他惰性气体)可以在扩散燃料喷嘴或预混燃料喷嘴中与氧化剂68、燃料70或两者预混合。此外，一个或多个稀释剂(例如排气60、蒸汽、氮或其他惰性气体)可以在每个燃烧器内的燃烧点处或其下游被喷射到燃烧器中。使用这些稀释剂可以帮助调和火焰(例如预混火焰或扩散火焰)，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，燃烧均产生热燃烧气体或排气60以驱动一个或多个涡轮级。在每个涡轮级均由排气60驱动时，SEGR燃气涡轮系统52产生机械功72和/或电功率74(例如，经由发电机)。系统52还输出排气60，并且可以进一步输出水64。再者，水64可以是经处理的水，例如淡化水，这在各种现场应用或非现场应用中可能是有用的。
排气抽取还通过使用一个或多个抽取点76的SEGR燃气涡轮系统52而被提供。例如，图示的实施例包括具有排气(EG)抽取系统80和排气(EG)处理系统82的排气(EG)供给系统78，排气(EG)抽取系统80和排气(EG)处理系统82从抽取点76接收排气42，处理排气42，并接着向各个目标系统供给或分配排气42。所述目标系统可以包括EOR系统18和/或其他系统，例如管线86、储罐88或碳封存系统90。EG抽取系统80可以包括一个或多个导管、阀门、控件和流动分离装置，这有利于将排气42与氧化剂68、燃料70和其他污染物隔离，同时也控制所抽取的排气42的温度、压力和流速。EG处置系统82可以包括一个或多个热交换器(例如热回收单元，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)、微粒和/或水去除系统(例如气体脱水单元、惯性分离器、聚结过滤器、不可透水性过滤器以及其他过滤器)、化学喷射系统、基于溶剂的处理系统(例如吸收剂、闪蒸罐等)、碳收集系统、气体分离系统、气体净化系统和/或基于溶剂的处理系统、排气压缩机或其任何组合。EG处置系统82的这些子系统使得能够控制温度、压力、流速、湿气含量(例如水去除量)、微粒含量(例如微粒去除量)以及气体成分(例如CO2、N2等的百分比)。
基于目标系统，所抽取的排气42通过EG处置系统82的一个或多个子系统进行处理。例如，EG处置系统82可以引导全部或部分排气42通过碳采集系统、气体分离系统、气体净化系统和/或基于溶剂的处理系统，所述EG处置系统82被控制以分离和净化含碳气体(例如二氧化碳)92和/或氮气(N2)94以在各种目标系统中使用。例如，EG处置系统82的实施例可以执行气体分离和净化以产生排气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可以具有富二氧化碳和/或稀氮气的第一成分(例如富CO2稀N2流)。第二流97可以具有含有中等浓度水平的二氧化碳和/或氮气的第二成分(例如中等浓度CO2、N2流)。第三流98可以具有稀二氧化碳和/或富氮气的第三成分(例如稀CO2富N2流)。每个流95(例如96、97和98)可以包括气体脱水单元、过滤器、气体压缩机或其任何组合，以便促进将流95输送到目标系统。在某些实施例中，富CO2稀N2流96可以具有大于大约70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％体积百分比的CO2纯度或浓度水平，以及小于大约1％、2％、3％、4％、5％、10％、15％、20％、25％或30％体积百分比的N2纯度或浓度水平。相反，稀CO2富N2流98可以具有小于大约1％、2％、3％、4％、5％、10％、15％、20％、25％或30％体积百分比的CO2纯度或浓度水平，以及大于大约70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％体积百分比的N2纯度或浓度水平。中等浓度CO2、N2流97可以具有在大约30％到70％、35％到65％、40％到60％或45％到55％体积百分比之间的CO2纯度或浓度水平和/或N2纯度或浓度水平。虽然前述范围仅是非限制性示例，但富CO2稀N2流96和稀CO2富N2流98可以特别适用于EOR系统18和其他系统84。然而，这些富、稀或中等浓度CO2流95中的任意流可以单独地或以各种组合形式用于EOR系统18和其他系统84。例如，EOR系统18和其他系统84(例如管线86、储罐88以及碳封存系统90)中的每一个可以接收一个或多个富CO2稀N2流96、一个或多个稀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排气42流(即绕过EG处置系统82)。
EG抽取系统80在沿着压缩机部、燃烧器部和/或涡轮部的一个或多个抽取点76处抽取排气42，使得排气42可以以合适温度和压力用在EOR系统18和其他系统84中。EG抽取系统80和/或EG处置系统82还可以使流向EG处理系统54和流出EG处理系统54的流体(例如排气42)循环。例如，穿过EG处理系统54的一部分排气42可以被EG抽取系统80抽取以用于EOR系统18和其他系统84。在某些实施例中，EG供应系统78和EG处理系统54可以是彼此独立的或集成在一起，并因此可以使用独立的或共用的子系统。例如，EG处置系统82可以被EG供给系统78和EG处理系统54两者使用。从EG处理系统54抽取的排气42可以经历多个气体处置级，例如在EG处理系统54的一个或多个气体处置级，之后是EG处置系统82中的一个或多个附加气体处置级。
在每个抽取点76处，由于EG处理系统54中的基本化学计量燃烧和/或气体处置，所抽取的排气42可以基本没有氧化剂68和燃料70(例如未燃烧的燃料或烃类)。此外，基于目标系统，所抽取的排气42可以在EG供给系统78的EG处置系统82中经受进一步处置，从而进一步降低任何残留氧化剂68、燃料70或其他不期望的燃烧产物。例如，在EG处置系统82中进行处置之前或之后，所抽取的排气42可以具有小于1％、2％、3％、4％或5％体积百分比的氧化剂(例如氧气)、未燃烧燃料或烃类(例如HC)、氮氧化物(例如NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如SOx)、氢气和其他不完全燃烧产物。通过进一步的示例，在EG处置系统82中进行处置之前或之后，所抽取的排气42可以具有小于大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000每百万份体积(ppmv)的氧化剂(例如氧气)、未燃烧燃料或烃类(例如HC)、氮氧化物(例如NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如SOx)、氢气和不完全燃烧的其他产物。因此，排气42特别适用于EOR系统18。
涡轮系统52的EGR运转具体使得能够在多个位置76处抽取排气。例如，系统52的压缩机部可以用于压缩没有任何氧化剂68的排气66(即只压缩排气66)，使得可以在吸入氧化剂68和燃料70之前从压缩机部和/或燃烧器部抽取基本无氧的排气42。抽取点76可以被设置在相邻压缩机级之间的级间端口处、在沿着压缩机排放罩壳的端口处、在沿着燃烧器部中的每个燃烧器的端口处或其任何组合。在某些实施例中，排气66可以不与氧化剂68和燃料70混合，直到其达到燃烧器部中的每个燃烧器的盖端部分和/或燃料喷嘴。此外，一个或多个流动隔离器(例如壁、分隔器、挡板等)可以用于将氧化剂68和燃料70与抽取点76隔离开。通过这些流动隔离器，抽取点76可以直接沿着燃烧器部中每个燃烧器的壁布置。
一旦排气66、氧化剂68和燃料70流过所述盖端部分(例如通过燃料喷嘴)进入每个燃烧器的燃烧部分(例如燃烧室)中，则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的基本化学计量的燃烧。例如，系统52可以保持大约0.95到大约1.05的当量比。结果，在每个燃烧器中的排气66、氧化剂68和燃料70的混合物的燃烧产物基本没有氧气和未燃烧燃料。因此，可以从SEGR燃气涡轮系统52的涡轮部抽取该燃烧产物(或排气)以用作被输送到EOR系统18的排气42。沿着涡轮部，抽取点76可以被设置在任何涡轮级处，例如相邻涡轮级之间的级间端口。因此，使用任何前述抽取点76，基于涡轮的服务系统14可以生成、抽取和传送排气42到烃类生产系统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的实施例的示意图，其示出被耦连到基于涡轮的服务系统14和烃类生产系统12的控制系统100。在图示的实施例中，基于涡轮的服务系统14包括组合循环系统102，该组合循环系统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以及从排气60回收热量以生成用于驱动蒸汽涡轮104的蒸汽62的HRSG 56。再者，SEGR燃气涡轮系统52接收、混合并且按化学计量燃烧排气66、氧化剂68和燃料70(例如，预混火焰和/或扩散火焰)，从而产生排气60、机械功72、电功率74和/或水64。例如，SEGR燃气涡轮系统52可以驱动一个或多个负载或机器106，例如发电机、氧化剂压缩机(例如主空气压缩机)、齿轮箱、泵、烃类生产系统12的设备或其任何组合。在某些实施例中，机器106可以包括其他驱动器，例如与SEGR燃气涡轮系统52串联的电动马达或蒸汽涡轮(例如蒸汽涡轮104)。因此，由SEGR燃气涡轮系统52(以及任何附加驱动器)驱动的机器106的输出可以包括机械功72和电功率74。机械功72和/或电功率74可以现场用于对烃类生产系统12提供动力，电功率74可以被分配到电网，或其任何组合。机器106的输出还可以包括压缩流体，例如吸入到SEGR燃气涡轮系统52的燃烧部中的压缩氧化剂68(例如空气或氧气)。这些输出中的每一个(例如排气60、机械功72、电功率74和/或水64)可以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产生可能基本无氧的排气42、60，并且将这种排气42、60输送到EG处理系统54和/或EG供给系统78。EG供给系统78可以处置并传送排气42(例如流95)至烃类生产系统12和/或其他系统84。如上面所讨论的，EG处理系统54可以包括HRSG 56和EGR系统58。HRSG 56可以包括一个或多个热交换器、冷凝器和各种热回收设备，所述热回收设备可以被用于回收来自排气60的热量或将该热量传递给水108以生成用于驱动蒸汽涡轮104的蒸汽62。类似于SEGR燃气涡轮系统52，蒸汽涡轮104可以驱动一个或多个负载或机器106，由此生成机械功72和电功率74。在图示的实施例中，SEGR燃气涡轮系统52和蒸汽涡轮104被串联布置以驱动相同的机器106。然而，在其他实施例中，SEGR燃气涡轮系统52和蒸汽涡轮104可以分离地驱动不同的机器106，以便独立生成机械功72和/或电功率74。在蒸汽涡轮104由来自HRSG56的蒸汽62驱动时，蒸汽62的温度和压力逐渐降低。因此，蒸汽涡轮104将使用的蒸汽62和/或水108再循环回到HRSG 56中，以用于经由自排气60回收的热量生成额外的蒸汽。除了生成蒸汽之外，HRSG 56、EGR系统58和/或EG处理系统54的其他部分可以产生水64、用于烃类生产系统12的排气42以及用作SEGR燃气涡轮系统52的输入的排气66。例如，水64可以是经处理的水64，例如用于其他应用的淡化水。淡化水在低可用水量地区是特别有用的。关于排气60，EG处理系统54的实施例可以被配置为通过EGR系统58再循环排气60，其中排气60可以经过或不经过HRSG 56。
在图示的实施例中，SEGR燃气涡轮系统52具有排气再循环路径110，该排气再循环路径从系统52的排气出口延伸到排气入口。沿着路径110，排气60穿过EG处理系统54，在图示的实施例中，EG处理系统54包括HRSG 56和EGR系统58。EGR系统58可以包括沿着路径110串联和/或并联排列的一个或多个导管、阀门、鼓风机、气体处理系统(例如过滤器、微粒去除单元、气体分离单元、气体净化单元、热交换器、热回收单元如热回收蒸汽发生器、湿气去除单元、催化剂单元、化学喷射单元或其任何组合)。换句话说，EGR系统58可以包括沿着在系统52的排气出口与排气入口之间的排气再循环路径110的任何流量控制组件、压力控制组件、温度控制组件、湿气控制组件和气体成分控制组件。因此，在具有沿着路径110的HRSG56的实施例中，HRSG 56可以被认为是EGR系统58的组件。然而，在某些实施例中，HRSG 56可以沿着独立于排气再循环路径110的排气路径而布置。无论HRSG 56是沿着分离路径还是与EGR系统58共用的路径，HRSG 56和EGR系统58都吸入排气60并输出再循环排气66、用于EG供给系统78(例如用于烃类生产系统12和/或其他系统84)的排气42或者排气的其他输出。再者，SEGR燃气涡轮系统52吸入、混合并按化学计量燃烧排气66、氧化剂68和燃料70(例如预混火焰和/或扩散火焰)，以产生用于分配到EG处理系统54、烃类生产系统12或其他系统84的基本无氧且无燃料的排气60。
如上面参照图1所述，烃类生产系统12可以包括用于促进通过油/气井26从地下储层20回收或生产油/气48的各种设备。例如，烃类生产系统12可以包括具有流体喷射系统34的EOR系统18。在图示的实施例中，流体喷射系统34包括排气喷射EOR系统112和蒸汽喷射EOR系统114。虽然流体喷射系统34可以从各种来源接收流体，但图示的实施例可以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还可以被输送到烃类生产系统12以用于其他油/气系统116中。
排气42和/或蒸汽62的数量、质量和流量可以由控制系统100来控制。控制系统100可以完全专用于基于涡轮的服务系统14，或者控制系统100也可以可选地提供对烃类生产系统12和/或其他系统84的控制(或便于控制的至少一些数据)。在图示的实施例中，控制系统100包括控制器118，该控制器118具有处理器120、存储器122、蒸汽涡轮控件124、SEGR燃气涡轮系统控件126和机器控件128。处理器120可以包括单个处理器或者两个或更多个冗余处理器，例如用于控制基于涡轮的服务系统14的三重冗余处理器。存储器122可以包括易失性存储器和/或非易失性存储器。例如，存储器122可以包括一个或多个硬盘驱动器、闪存、只读存储器、随机存取存储器或其任何组合。该存储器122可以包括共同储存一组或多组指令的一个或多个有形的、非瞬态的机器可读介质。控件124、126和128可以包括软件和/或硬件控件。例如，控件124、126和128可以包括存储在存储器122中并可由处理器120执行的各种指令或代码，处理器120可以被配置为执行储存在存储器122上的一组或多组指令。控件124被配置为控制蒸汽涡轮104的运转，SEGR燃气涡轮系统控件126被配置为控制系统52，并且机器控件128被配置为控制机器106。因此，控制器118(例如控件124、126和128)可以被配置为协同基于涡轮的服务系统14的各个子系统，以向烃类生产系统12提供合适的排气流42。
在控制系统100的某些实施例中，在附图中示出或在本文描述的每个元件(例如系统、子系统和组件)包括(例如直接在这类元件内、在这类元件上游或下游)一个或多个工业控制特征件，例如传感器和控制装置，所述工业控制特征件基于工业控制网络与控制器118一起彼此通信地耦合。例如，与每个元件关联的控制装置可以包括专用装置控制器(例如，包括处理器、存储器和控制指令)、一个或多个致动器、阀门、开关和工业控制设备，其使得能够基于传感器反馈130、来自控制器118的控制信号、来自用户的控制信号或其任何组合进行控制。因此，本文描述的任何控制功能可以通过控制指令来实施，所述控制指令存储在控制器118、与每个元件关联的专用装置控制器或其组合中和/或可由控制器118、与每个元件关联的专用装置控制器或其组合执行。
为了促进这类控制功能，控制系统100包括遍布系统10分布的一个或多个传感器，以获得用于执行各种控件例如控件124、126和128的传感器反馈130。例如，传感器反馈130可以从传感器获得，所述传感器遍布SEGR燃气涡轮系统52、机器106、EG处理系统54、蒸汽涡轮104、烃类生产系统12分布，或遍布基于涡轮的服务系统14或烃类生产系统12的任何其他组件分布。例如，传感器反馈130可以包括温度反馈、压力反馈、流速反馈、火焰温度反馈、燃烧动力学反馈、吸入氧化剂成分反馈、吸入燃料成分反馈、排气成分反馈、机械功72的输出水平、电功率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何组合。例如，传感器反馈130可以包括排气42、60的成分，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可以包括来自沿着氧化剂68的氧化剂供给路径的一个或多个吸入氧化剂传感器、沿着燃料70的燃料供给路径的一个或多个吸入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。吸入氧化剂传感器、吸入燃料传感器和排气排放物传感器可以包括温度传感器、压力传感器、流速传感器和成分传感器。排放物传感器可以包括用于氮氧化物(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(例如H2传感器)、氧(例如O2传感器)、未燃烧烃类(例如HC传感器)或其他不完全燃烧产物或其任何组合的传感器。
使用这种反馈130，控制系统100可以调整(例如增加、减少或保持)排气66、氧化剂68和/或燃料70进入SEGR燃气涡轮系统52(除了其他操作参数以外)的进气流量，以保持当量比在合适范围内，例如在大约0.95到大约1.05之间、在大约0.95到大约1.0之间、在大约1.0到大约1.05之间或大致为1.0。例如，控制系统100可以分析反馈130以监测排气排放物(例如，氮氧化物、碳氧化物如CO和CO2、硫氧化物、氢气、氧气、未燃烧烃类和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整排气排放物(例如排气42的浓度水平)和/或当量比。受控组件可以包括参照附图示出和描述的任何组件，包括但不限于：沿着氧化剂68、燃料70和排气66的供给路径的阀门；氧化剂压缩机、燃料泵或EG处理系统54中的任何组件；SEGR燃气涡轮系统52的任何组件或其任何组合。受控组件可以调整(例如增加、减少或保持)在SEGR燃气涡轮系统52内燃烧的氧化剂68、燃料70和排气66的流速、温度、压力或百分比(例如当量比)。受控组件还可以包括一个或多个气体处置系统，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给(例如氧化燃料、热量、电力等)、气体净化和/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。气体处置系统可以帮助减少沿着排气再循环路径110、排气孔路径(例如排放到大气中)或至EG供给系统78的抽取路径的各种排气排放物。
在某些实施例中，控制系统100可以分析反馈130并控制一个或多个组件以保持或降低排放物水平(例如，排气42、60、95的浓度水平)至目标范围，例如每百万份体积(ppmv)小于大约10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、5000或10000份。针对每种排气排放物例如氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、氢气、氧气、未燃烧烃类和其他不完全燃烧产物的浓度水平，这些目标范围可以是相同或不同的。例如，根据当量比，控制系统100可以将氧化剂(例如氧气)的排气排放物(例如浓度水平)选择性地控制在小于大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750或1000ppmv的目标范围内；将一氧化碳(CO)的排气排放物选择性地控制在小于大约20、50、100、200、500、1000、2500或5000ppmv的目标范围内；并且将氮氧化物(NOx)的排气排放物选择性地控制在小于大约25、50、100、200、300、400或500ppmv的目标范围内。在以大致化学计量当量比运转的某些实施例中，控制系统100可以将氧化剂(例如氧气)的排气排放物(例如浓度水平)选择性地控制在小于大约10、20、30、40、50、60、70、80、90或100ppmv的目标范围内；并且将一氧化碳(CO)的排气排放物选择性地控制在小于大约500、1000、2000、3000、4000或5000ppmv的目标范围内。在以稀燃料当量比(例如在大约0.95到1.0之间)运转的某些实施例中，控制系统100可以将氧化剂(例如氧气)的排气排放物(例如浓度水平)选择性地控制在小于大约500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400或1500ppmv的目标范围内；将一氧化碳(CO)的排气排放物选择性地控制在小于大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150或200ppmv的目标范围内；并且将氮氧化物(例如NOx)的排气排放物选择性地控制在小于大约25、50、100、150、200、250、300、350或400ppmv的目标范围内。前述目标范围仅仅是示例，并不旨在限制所公开实施例的范围。
控制系统100还可以被耦连到本地接口132和远程接口134。例如，本地接口132可以包括现场布置在基于涡轮的服务系统14和/或烃类生产系统12处的计算机工作站。相反，远程接口134可以包括相对于基于涡轮的服务系统14和烃类生产系统12非现场布置的计算机工作站，例如通过互联网连接的计算机工作站。这些接口132和134例如通过传感器反馈130的一个或多个图形显示、运转参数等等来促进基于涡轮的服务系统14的监测和控制。
再者，如上所述，控制器118包括各种控件124、126和128，以促进基于涡轮的服务系统14的控制。蒸汽涡轮控件124可以接收传感器反馈130并输出促进蒸汽涡轮104运转的控制命令。例如，蒸汽涡轮控件124可以从HRSG 56、机器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功72和电功率74的各种传感器接收传感器反馈130。同样，SEGR燃气涡轮系统控件126可以从沿着SEGR燃气涡轮系统52、机器106、EG处理系统54或其任何组合布置的一个或多个传感器接收传感器反馈130。例如，传感器反馈130可以从布置在SEGR燃气涡轮系统52内部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、燃料成分传感器、排气成分传感器或其任何组合获得。最终，机器控件128可以从与机械功72和电功率74关联的各种传感器以及布置在机器106内的传感器接收传感器反馈130。这些控件124、126和128中的每个控件使用传感器反馈130来改善基于涡轮的服务系统14的运转。
在图示的实施例中，SEGR燃气涡轮系统控件126可以执行指令以控制在EG处理系统54、EG供给系统78、烃类生产系统12和/或其他系统84中的排气42、60、95的数量和质量。例如，SEGR燃气涡轮系统控件126可以将排气60中的氧化剂(例如氧气)和/或未燃烧燃料的水平保持为低于适合用于排气喷射EOR系统112的阈值。在某些实施例中，氧化剂(例如氧气)和/或未燃烧燃料的阈值水平可以小于排气42、60体积的1％、2％、3％、4％或5％；或者氧化剂(例如氧气)和/或未燃烧燃料(和其他排气排放物)的阈值水平可以是小于排气42、60的每百万份体积(ppmv)的大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000份。通过进一步实施例，为了实现氧化剂(例如氧气)和/或未燃烧燃料的这些低水平，SEGR燃气涡轮系统控件126可以将SEGR燃气涡轮系统52中的燃烧当量比保持在大约0.95与大约1.05之间。SEGR燃气涡轮系统控件126还可以控制EG抽取系统80和EG处置系统82以将排气42、60、95的温度、压力、流速和气体成分保持在适合用于排气喷射EOR系统112、管线86、储罐88和碳封存系统90的范围内。如上面所讨论的，EG处置系统82可以被控制以将排气42净化和/或分离成一种或多种气体流95，例如富CO2稀N2流96、中等浓度CO2、N2流97以及稀CO2富N2流98。除了控制排气42、60和95以外，控件124、126和128还可以执行一个或多个指令以将机械功72保持在合适的功率范围内，或将电功率74保持在合适的频率和功率范围内。
图3是系统10的实施例的示意图，其进一步说明了用于烃类生产系统12和/或其他系统84的SEGR燃气涡轮系统52的细节。在图示的实施例中，SEGR燃气涡轮系统52包括耦连到EG处理系统54的燃气涡轮发动机150。图示的燃气涡轮发动机150包括压缩机部152、燃烧器部154以及膨胀器部或涡轮部156。压缩机部152包括一个或多个排气压缩机或压缩机级158，例如以串联布置设置的1到20级可转动压缩机叶片。同样，燃烧器部154包括一个或多个燃烧器160，例如围绕SEGR燃气涡轮系统52的可转动轴162圆周分布的1到20个燃烧器160。而且，每个燃烧器160可以包括一个或多个燃料喷嘴164，其被配置为喷射排气66、氧化剂68和/或燃料70。例如，每个燃烧器160的盖端部166可以容纳1、2、3、4、5、6个或更多燃料喷嘴164，其可以将排气66、氧化剂68和/或燃料70的流或混合物喷射到燃烧器160的燃烧部168(例如燃烧室)中。
燃料喷嘴164可以包括预混燃料喷嘴164(例如，其被配置为预混合氧化剂68和燃料70以便生成氧化剂/燃料预混火焰)和/或扩散燃料喷嘴164(例如，其被配置为喷射氧化剂68和燃料70的分离流以便生成氧化剂/燃料扩散火焰)的任何组合。预混燃料喷嘴164的实施例可以包括旋流叶片、混合室或其他特征件，该旋流叶片、混合室或其他特征件在氧化剂68和燃料70喷射到燃烧器168中并在其中燃烧之前将氧化剂68和燃料70内部混合在喷嘴164内。预混燃料喷嘴164还可以接收至少一些部分混合的氧化剂68和燃料70。在某些实施例中，每个扩散燃料喷嘴164可以隔离氧化剂68与燃料70的流直到喷射点，同时也隔离一种或多种稀释剂(例如排气66、蒸汽、氮气或其他惰性气体)的流直到喷射点。在其他实施例中，每个扩散燃料喷嘴164可以隔离氧化剂68与燃料70的流直到喷射点，同时在喷射点之前部分混合一种或多种稀释剂(例如排气66、蒸汽、氮气或其他惰性气体)与氧化剂68和/或燃料70。此外，一种或多种稀释剂(例如排气66、蒸汽、氮气或其他惰性气体)可以在燃烧区域处或燃烧区域下游被喷射到燃烧器中(例如喷射到燃烧的热产物中)，从而帮助降低燃烧的热产物的温度并且减少NOx(例如NO和NO2)的排放。不管燃料喷嘴164的类型如何，SEGR燃气涡轮系统52都可以被控制以提供氧化剂68和燃料70的大致化学计量燃烧。
在使用扩散燃料喷嘴164的扩散燃烧实施例中，燃料70和氧化剂68通常不在扩散火焰的上游混合，而是燃料70和氧化剂68直接在火焰表面混合和反应，和/或火焰表面存在于燃料70与氧化剂68之间的混合位置处。特别地，燃料70和氧化剂68分离地靠近火焰表面(或扩散边界/界面)，并且然后沿着火焰表面(或扩散边界/界面)扩散(例如经由分子扩散和粘性扩散)以生成扩散火焰。值得注意的是，燃料70和氧化剂68可以沿着该火焰表面(或扩散边界/界面)处于大致化学计量比，这可以导致沿着这个火焰表面的更大的火焰温度(例如峰值火焰温度)。与稀燃料或富燃料的燃料/氧化剂比相比，该化学计量燃料/氧化剂比通常产生更大的火焰温度(例如峰值火焰温度)。结果，扩散火焰可以基本上比预混火焰更稳定，这是因为燃料70和氧化剂68的扩散有助于保持沿着火焰表面的化学计量比(以及更大的温度)。虽然更大的火焰温度也可以导致更大的排气排放物例如NOx排放物，但所公开的实施例使用一种或多种稀释剂来帮助控制温度和排放物，同时仍然避免燃料70和氧化剂68的任何预混合。例如，所公开的实施例可以引入(例如在燃烧点之后和/或扩散火焰的下游)与燃料70和氧化剂68分离的一种或多种稀释剂，从而帮助降低温度和减少由扩散火焰产生的排放物(例如NOx排放物)。
如图所示，在运转中，压缩机部152接收并压缩来自EG处理系统54的排气66，并将压缩后的排气170输出到燃烧器部154中的每个燃烧器160。在燃料60、氧化剂68和排气170在每个燃烧器160内燃烧后，附加排气或燃烧产物172(即燃烧气体)被输送到涡轮部156中。类似于压缩机部152，涡轮部156包括一个或多个涡轮或涡轮级174，其可以包括一系列可转动涡轮叶片。然后这些涡轮叶片由在燃烧器部154中生成的燃烧产物172驱动，由此驱动耦连到机器106的轴176的转动。再者，机器106可以包括耦连到SEGR燃气涡轮系统52的任一端的各种设备，例如耦连到涡轮部156的机器106、178和/或耦连到压缩机部152的机器106、180。在某些实施例中，机器106、178、180可以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、齿轮箱或耦连到SEGR燃气涡轮系统52的附加驱动器(例如蒸汽涡轮104、电动马达等)。非限制性示例在下面参照表格1进一步详细讨论。如图所示，涡轮部156输出排气60以沿着从涡轮部156的排气出口182到进入压缩机部152的排气入口184的排气再循环路径110再循环。如上面所详细讨论的，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)。
再者，燃烧器部154中的每个燃烧器160接收、混合并化学计量燃烧所压缩的排气170、氧化剂68和燃料70，以产生驱动涡轮部156的附加排气或燃烧产物172。在某些实施例中，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(MOC)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包括耦连到驱动器190的氧化剂压缩机188。例如，驱动器190可以包括电动马达、燃烧发动机或其任何组合。在某些实施例中，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可以是机器106的集成部分。换句话说，压缩机188可以被由燃气涡轮发动机150的轴176供给的机械功72直接或间接驱动。在这类实施例中，驱动器190可以被排除，这是因为压缩机188依赖来自涡轮发动机150的功率输出。然而，在采用多于一个氧化剂压缩机的某些实施例中，第一氧化剂压缩机(例如低压(LP)氧化剂压缩机)可以由驱动器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)，或反之亦然。例如，在另一个实施例中，HP MOC由驱动器190驱动，并且LP氧化剂压缩机由轴176驱动。在图示的实施例中，氧化剂压缩系统186与机器106是分离的。在这些实施例中的每个实施例中，压缩系统186压缩氧化剂68并将氧化剂68供应给燃料喷嘴164和燃烧器160。因此，机器106、178、180中的一些或全部可以被配置为增加压缩系统186(例如压缩机188和/或额外的压缩机)的运转效率。
由元件编号106A、106B、106C、106D、106E和106F所指示的机器106的各个组件可以沿着轴176的线路和/或平行于轴176的线路以一个或多个串联布置、并联布置或串联与并联布置的任何组合设置。例如，机器106、178、180(例如106A至106F)可以包括下列设备以任何次序的任何串联和/或并联布置：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、增压器压缩机如EG增压器压缩机)、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、电动马达)、热交换单元(例如直接或间接热交换器)、离合器或其任何组合。所述压缩机可以包括轴向压缩机、径向或离心压缩机或其任何组合，每种压缩机具有一个或多个压缩级。关于热交换器，直接热交换器可以包括喷淋冷却器(例如喷淋中间冷却器)，其将液体喷淋物喷射到气流(例如氧化剂流)中以便直接冷却气流。间接热交换器可以包括将第一流与第二流分离的至少一个壁(例如管壳式热交换器)，例如与冷却剂流(例如水、空气、致冷剂或任何其他液态或气体冷却剂)分离的流体流(例如氧化剂流)，其中冷却剂流在与流体流没有任何直接接触的情况下传递来自流体流的热量。间接热交换器的示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。热交换器还可以包括加热器。如下面进一步详细讨论的，这些机器组件中的每个组件可以被用在如表格1中阐述的非限制性示例所指示的各种组合中。
通常，机器106、178、180可以被配置为通过例如调整系统186中的一个或多个氧化剂压缩机的运转速度、通过冷却促进氧化剂68的压缩和/或抽取过剩功率，来增加压缩系统186的效率。所公开的实施例旨在包括在机器106、178、180中具有串联和并联布置的前述组件的任何和全部排列组合，其中所述组件中的一个、多于一个、全部组件或没有任何组件从轴176获得功率。如下面所示，表格1示出靠近压缩机和涡轮部152、156设置和/或耦连到压缩机和涡轮部152、156的机器106、178、180的布置的一些非限制性示例。
表格1
如上面表格1所示，冷却单元被表示为CLR，离合器被表示为CLU，驱动器被表示为DRV，齿轮箱被表示为GBX，发电机被表示为GEN，加热单元被表示为HTR，主氧化剂压缩机单元被表示为MOC，其中低压和高压变体被分别表示为LP MOC和HP MOC，并且蒸汽发生器单元被表示为STGN。虽然表格1示出了依次朝向压缩机部152或涡轮部156的机器106、178、180，但表格1也旨在覆盖机器106、178、180的相反次序。在表格1中，包括两个或更多个组件的任何单元旨在覆盖所述组件的并联布置。表格1并不旨在排除机器106、178、180的任何未示出的排列组合。机器106、178、180的这些组件可以使得能够对发送到燃气涡轮发动机150的氧化剂68的温度、压力和流速进行反馈控制。如下面所进一步详细讨论的，氧化剂68和燃料70可以在特别选择的位置处被供应给燃气涡轮发动机150以促进隔离和抽取压缩的排气170，而没有使排气170的质量劣化的任何氧化剂68或燃料70。
如图3所示，EG供给系统78被设置在燃气涡轮发动机150与目标系统(例如烃类生产系统12和其他系统84)之间。特别地，EG供给系统78(例如EG抽取系统(EGES)80)可以在沿着压缩机部152、燃烧器部154和/或涡轮部156的一个或多个抽取点76处被耦连到燃气涡轮发动机150。例如，抽取点76可以被设置在相邻压缩机级之间，例如在压缩机级之间的2、3、4、5、6、7、8、9或10个级间抽取点76。这些级间抽取点76中的每个抽取点提供被抽取的排气42的不同温度和压力。类似地，抽取点76可以被设置在相邻涡轮级之间，例如在涡轮级之间的2、3、4、5、6、7、8、9或10个级间抽取点76。这些级间抽取点76中的每个抽取点提供了被抽取的排气42的不同温度和压力。通过进一步的示例，抽取点76可以被设置在遍布燃烧器部154的多个位置处，其可以提供不同温度、压力、流速和气体成分。这些抽取点76中的每个抽取点可以包括EG抽取导管、一个或多个阀门、传感器以及控件，其可以被用于选择性地控制所抽取的排气42到EG供给系统78的流动。
通过EG供给系统78分配的被抽取的排气42具有适用于目标系统(例如烃类生产系统12和其他系统84)的受控成分。例如，在这些抽取点76中的每个抽取点处，排气170可以与氧化剂68和燃料70的喷射点(或流)充分隔离。换句话说，EG供给系统78可以被特别设计为在没有任何添加的氧化剂68或燃料70的情况下从燃气涡轮发动机150抽取排气170。此外，鉴于在每个燃烧器160中的化学计量燃烧，所抽取的排气42可以是基本没有氧气和燃料的。EG供给系统78可以将所抽取的排气42直接或间接输送到烃类生产系统12和/或其他系统84以用于各种处理，例如强化油回收、碳封存、存储或运输到非现场位置。然而，在某些实施例中，EG供给系统78包括在使用供目标系统之前用于进一步处置排气42的EG处置系统(EGTS)82。例如，EG处置系统82可以将排气42净化和/或分离为一种或多种流95，例如富CO2稀N2流96、中等浓度CO2、N2流97以及稀CO2富N2流98。这些经处置的排气流95可以被单独地或以任何组合方式用于烃类生产系统12和其他系统84(例如管线86、储罐88和碳封存系统90)。
类似于在EG供给系统78中执行的排气处置，EG处理系统54可以包括多个排气(EG)处置组件192，例如由元件编号194、196、198、200、202、204、206、208和210所指示的那些组件。这些EG处置组件192(例如194至210)可以沿着排气再循环路径110以一个或多个串联布置、并联布置或串联与并联布置的任何组合设置。例如，EG处置组件192(例如194至210)可以包括下列组件以任何次序的任何串联和/或并联布置：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)、微粒和/或水去除系统(例如惯性分离器、聚结过滤器、不透水过滤器以及其他过滤器)、化学喷射系统、基于溶剂的处置系统(例如吸收剂、闪蒸罐等)、碳收集系统、气体分离系统、气体净化系统和/或基于溶剂的处置系统或其任何组合。在某些实施例中，催化剂系统可以包括氧化催化剂、一氧化碳还原催化剂、氮氧化物还原催化剂、氧化铝、氧化锆、硅氧化物、钛氧化物、氧化铂、氧化钯、氧化钴或混合金属氧化物或其组合。所公开的实施例旨在包括前述组件192以串联和并联布置的任何和全部排列组合。如下面所示，表格2描述了沿着排气再循环路径110的组件192的布置的一些非限制性示例。
表格2
如上面表格2所示，催化剂单元被表示为CU，氧化催化剂单元被表示为OCU，增压器鼓风机被表示为BB，热交换器被表示为HX，热回收单元被表示为HRU，热回收蒸汽发生器被表示为HRSG，冷凝器被表示为COND，蒸汽涡轮被表示为ST，微粒去除单元被表示为PRU，湿气去除单元被表示为MRU，过滤器被表示为FIL，凝聚过滤器被表示为CFIL，不透水过滤器被表示为WFIL，惯性分离器被表示为INER，并且稀释剂供给系统(例如蒸汽、氮气或其他惰性气体)被表示为DIL。虽然表格2以从涡轮部156的排气出口182朝向压缩机部152的排气入口184的顺序示出组件192，但表格2也旨在覆盖所示出组件192的相反顺序。在表格2中，包括两个或更多个组件的任何单元旨在覆盖与所述组件的集成单元、所述组件的并联布置或其任何组合。此外，在表格2的背景下，HRU、HRSG和COND是HE的示例；HRSG是HRU的示例；COND、WFIL和CFIL是WRU的示例；INER、FIL、WFIL和CFIL是PRU的示例；并且WFIL和CFIL是FIL的示例。再者，表格2并不旨在排除组件192的任何未示出的排列组合。在某些实施例中，所示出的组件192(例如194至210)可以被部分或完全集成在HRSG 56、EGR系统58或其任何组合内。这些EG处置组件192可以使能实现温度、压力、流速和气体成分的反馈控制，同时也从排气60中去除湿气和微粒。此外，经处置的排气60可以在一个或多个抽取点76处被抽取以便在EG供给系统78中使用和/或被再循环到压缩机部152的排气入口184。
当经处置的再循环排气66穿过压缩机部152时，SEGR燃气涡轮系统52可以沿着一个或多个管线212(例如泄放导管或旁通导管)泄放一部分压缩的排气。每个管线212可以将排气输送到一个或多个热交换器214(例如冷却单元)，从而冷却排气以便将其再循环回到SEGR燃气涡轮系统52中。例如，在穿过热交换器214后，一部分被冷却的排气可以沿着管线212被输送到涡轮部156，以便冷却和/或密封涡轮壳体、涡轮外罩、轴承和其他组件。在这类实施例中，SEGR燃气涡轮系统52不输送任何氧化剂68(或其他潜在的污染物)通过涡轮部156以用于冷却和/或密封目的，并且因此，冷却的排气的任何泄漏将不会污染流过并驱动涡轮部156的涡轮级的热燃烧产物(例如工作排气)。通过进一步的示例，在穿过热交换器214之后，一部分冷却的排气可以沿着管线216(例如返回导管)被输送到压缩机部152的上游压缩机级，从而提高压缩机部152的压缩效率。在这类实施例中，热交换器214可以被配置为压缩机部152的级间冷却单元。以此方式，冷却的排气帮助增加SEGR燃气涡轮系统52的运转效率，同时帮助保持排气的纯度(例如基本没有氧化剂和燃料)。
图4是在图1-图3中示出的系统10的运转过程220的实施例的流程图。在某些实施例中，过程220可以是计算机实施的过程，其存取存储在存储器122上的一个或多个指令，并且在图2中示出的控制器118的处理器120上执行所述指令。例如，过程220中的每个步骤可以包括通过参照图2所描述的控制系统100的控制器118可执行的指令。
过程220可以开始于启动图1-3的SEGR燃气涡轮系统52的起动模式，如块222所指示的。例如，所述起动模式可以包括SEGR燃气涡轮系统52的逐步倾斜上升，以保持热梯度、振动和间隙(例如在旋转部件与静止部件之间)在可接受的阈值内。例如，在起动模式222期间，过程220可以开始供应经压缩的氧化剂68到燃烧器部154的燃烧器160和燃料喷嘴164，如块224所指示的。在某些实施例中，经压缩的氧化剂可以包括压缩空气、氧气、富氧空气、减氧空气、氧气-氮气混合物或其任何组合。例如，氧化剂68可以被图3中示出的氧化剂压缩系统186压缩。在起动模式222期间，过程220也可以开始向燃烧器160和燃料喷嘴164供应燃料，如块226所指示的。在起动模式222期间，过程220也可以开始供应排气(如果可用)到燃烧器160和燃料喷嘴164，如块228所指示的。例如，燃料喷嘴164可以产生一种或多种扩散火焰、预混火焰或扩散火焰与预混火焰的组合。在起动模式222期间，由燃气涡轮发动机156生成的排气60在数量和/或质量上可以是不足或不稳定的。因此，在起动模式期间，过程220可以从一个或多个存储单元(例如储罐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。
过程220然后可以在燃烧器160中燃烧经压缩的氧化剂、燃料和排气的混合物以产生热燃烧气体172，如块230所指示的。特别地，过程220可以由图2的控制系统100来控制，以促进燃烧器部154的燃烧器160中的混合物的化学计量燃烧(例如化学计量扩散燃烧、预混燃烧或两者)。然而，在起动模式222期间，可能特别难以保持混合物的化学计量燃烧(并且因此，热燃烧气体172中可能存在低水平的氧化剂和未燃烧燃料)。结果，在起动模式222期间，热燃烧气体172可能比在如下面所进一步详细讨论的稳定状态模式期间具有更大量的残留氧化剂68和/或燃料70。由于这个原因，过程220可以在起动模式期间执行一个或多个控制指令以减少或消除热燃烧气体172中的残留氧化剂68和/或燃料70。
过程220然后用热燃烧气体172驱动涡轮部156，如块232所指示的。例如，热燃烧气体172可以驱动被设置在涡轮部156内的一个或多个涡轮级174。在涡轮部156的下游，过程220可以处置来自最终涡轮级174的排气60，如块234所指示的。例如，排气处置234可以包括任何残留氧化剂68和/或燃料70的过滤、催化剂反应、化学处理、用HRSG 56进行热回收等。过程220还可以将至少一些排气60再循环回到SEGR燃气涡轮系统52的压缩机部152，如块236所指示的。例如，排气再循环236可以包括穿过具有EG处理系统54的排气再循环路径110，如图1-3所示。
进而，再循环排气66可以在压缩机部152中被压缩，如块238所指示的。例如，SEGR燃气涡轮系统52可以在压缩机部152的一个或多个压缩机级158中顺序压缩再循环排气66。结果，经压缩的排气170可以被供应给燃烧器160和燃料喷嘴164，如块228所指示的。然后可以重复步骤230、232、234、236和238，直到过程220最终过渡到稳态模式，如块240所指示的。在过渡240后，过程220可以继续执行步骤224至238，但是也可以开始经由EG供给系统78抽取排气42，如块242所指示的。例如，排气42可以从沿着压缩机部152、燃烧器部154和涡轮部156的一个或多个抽取点76被抽取，如图3所示。进而，过程220可以从EG供给系统78向烃类生产系统12供应所抽取的排气42，如块244所指示的。烃类生产系统12然后可以将排气42喷射到大地32中以用于强化油回收，如块246所指示的。例如，所抽取的排气42可以被如图1-3所示的EOR系统18的排气喷射EOR系统112使用。
图5是燃气涡轮发动机系统260的实施例的示意图，其可以共享上面详细描述的SEGR燃气涡轮系统52的某些组件。图5中与之前示图中所示的相同元件使用使用相同的附图标记来标示。在一个说明性实施例中，燃气涡轮发动机系统260包括氧化剂-燃料比率系统262，氧化剂-燃料比率系统262调节参数以保持催化剂床264的效力。例如，氧化剂-燃料比率系统262可以调节氧化剂68的氧化剂流速、燃料70的燃料流速、排气42、60的排气流速、再循环到燃气涡轮发动机150的排气66的再循环流速、催化剂床264的温度、催化剂床264的压力、到催化剂床264的稀释剂的稀释剂流速(或任何其他流)或其任意组合中的至少一个。如下面详细描述，氧化剂-燃料比率系统262可以包括各种设备，诸如但不限于：控制阀、泵、压缩机、鼓风机或其任意组合。如图5所示，燃气涡轮发动机150可以燃烧氧化剂68和燃料70以产生排气42或60。可以使用催化剂床264处理排气42、60以生成经处理的排气266。催化剂床264可以包括以上详细描述的催化剂的一种或多种，诸如但不限于：氧化催化剂、一氧化碳降低催化剂、氮氧化合物降低催化剂、氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化铂、氧化钯、氧化钴或混合金属氧化物或它们的组合。例如，催化剂床264可以包括一种或多种催化剂以降低排气42、60中的氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化合物、未燃烧烃类或其任意组合的浓度。也就是说，经处理的排气266中的此类气体的浓度可以比排气42、60中的这些气体的浓度小。经处理的排气266可以以与排气42、60类似的方式被使用。例如，经处理的排气266可以被转移到排气处理系统54、排气供应系统78、排气抽取系统80、排气处置系统82、另一个系统84、强化油回收系统18、油/气抽取系统16、烃类生产系统12，作为EGR被再循环到燃气涡轮发动机150或其任意组合。催化剂床264可以被设置在设备的一个或多个部件内，如下面详细描述。此外，在某些实施例中，可以彼此相对串联和/或并联地使用多个催化剂床264。例如，不同的催化剂床264可以被用于处理排气42、60的不同气流。
如图5所示，可以使用入口温度传感器268来指示流到催化剂床264的排气42、60(例如，催化剂床264上游的排气42、60)的入口温度。此外，可以使用出口温度传感器270指示由催化剂床264生成的经处理的排气266(例如，催化剂床264下游的经处理的排气266)的出口温度。在使用多个催化剂床264的情况下，入口传感器268可以测量多个催化剂床264之一的入口处的第一温度，并且出口传感器270可以测量多个催化剂床264之一的出口处的第二温度。温度传感器268和270可以使用用于指示温度的一项或多项技术。例如，温度传感器268和270可以利用热电偶、电阻温度装置(RTD)、红外传感器、双金属装置、温度计、状态变化传感器或硅二极管或其任意组合。每个温度传感器268和270可以生成发送到温差监测器274的温度信号272，该温差监测器274可以被用于确定催化剂床264两端的温差。在其他实施例中，温差监测器274可以具有单独的输入温度和输出温度感测部分(例如，探头)以确定催化剂床264两端的温差。如图5所示，温差监测器274可以生成发送到控制系统100的输入信号276。基于由输入信号276传达的温差信息，控制系统100可以生成发送到氧化剂-燃料比率系统262的输出信号278。具体地，控制系统100可以使用由温差监测器274传达的温差信息来使用氧化剂-燃料比率系统262调节氧化剂68的氧化剂流速或燃料70的燃料流速或其任意组合。在其他实施例中，控制系统100可以被用于保持燃气涡轮发动机系统260的运转，使得由温差监测器274指示的温差保持在一定范围内，诸如在大约0摄氏度到400摄氏度之间、100摄氏度到300摄氏度之间或150摄氏度到250摄氏度之间。催化剂床264超出这个范围的运转可能降低催化剂床264的有效性和/或超出催化剂床264的材料极限。
在某些实施例中，控制系统100可以使用温差监测器274和氧化剂-燃料比率系统262在期望的当量比值范围内运转燃气涡轮发动机150。例如，如上所述，燃气涡轮发动机150可以按化学计量运转，使得当量比在大约0.95到大约1.05之间。然而，公开的实施例也可以包括燃气涡轮发动机150以1.0加上或减去大约0.01、0.02、0.03、0.04、0.05或更多的当量比运转。虽然燃气涡轮发动机150可以在期望的当量比值范围内运转，但是在某些情况下，由燃气涡轮发动机150生成的排气42、60可能具有不期望的组分。例如，燃气涡轮发动机150超出正常条件的运转可能导致由不完全燃烧引起的较高浓度的氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化物和/或未燃烧烃类，其可以由催化剂床264两端的较高温差来指示。因此，温差监测器274可以被用于帮助指示催化剂床264在较高反应速率下运行以降低不完全燃烧的这些产物的浓度。在某些情况下，由到个体燃烧器160的氧化剂68和/或燃料70的流速差异引起的当量比的逐个燃烧器(combustor-to-combustor)或逐个罐体(can-to-can)变化可以导致在一些燃烧器中产生比其他情况更多的氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化物和/或未燃烧烃类。此外，个体燃烧器160的燃烧效率可能由于混合度不强(例如，氧化剂68和燃料70的不充分或不适当的混合)、短的存留时间、冷点和/或在个体燃烧器160内的不完全燃烧的其他原因而低于期望。因此，即使燃气涡轮发动机150的整体空燃比是化学计量的，燃烧器160也可能都排放较高水平的氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化物和/或未燃烧烃类。此外，燃烧部分168的磨损和撕裂也可能造成氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化物和/或未燃烧烃类的较高排放。对于上述每个原因，可能存在燃烧过程的局部或全局混合度不强，这导致在燃气涡轮发动机150内的燃烧过程中消耗少于所有可用的燃料70或所有可用的氧化剂68。例如，当当量比大于1(例如，富燃运转)时，一些氧化剂68可能仍存在于来自燃烧器160的排气42、60中，并且当当量比小于1(例如，贫燃运转)时，一些未燃烧烃类可能仍存在于排气42、60中。
如果进入燃烧器160的氧化剂68和燃料70的混合物处于平均化学计量，则可以使用催化剂床264完成燃烧过程以消除氧化剂和燃料两者。在以化学计量运转时，催化剂床264两端的温差可以被预期为是最大的。如果燃烧器160中的氧化剂68和燃料70的混合物是富燃料的(例如，当量比大于大约1)，则在催化剂床264中将较少供应氧化剂68，这可以被用于完成燃烧过程以消除可用的氧化剂68。也就是说，排气42、60中任何剩余的氧化剂68都在催化剂床264中与未燃烧烃类或燃料70一起燃烧，直到大部分或所有的氧化剂68被消耗。在另一方面，如果燃烧器160中的氧化剂69和燃料70的混合物是贫燃料的(例如，当量比小于大约1)，则在催化剂床264中将较少供应不完全燃烧的产物(例如，未燃烧的燃料70)，这可以被用于通过消除不完全燃烧的产物来完成燃烧过程。也就是说，排气42、60中任何剩余的未燃烧烃类都在催化剂床264中与氧化剂68一起燃烧，直到大部分或所有的未燃烧烃类被消耗。
随着燃气涡轮发动机150内的燃烧过程的当量比从化学计量移动更远(例如，进一步偏离等于大约1的当量比)，由剩余成分的催化燃烧释放的热量可能趋于降低并且催化剂床264两端的温升也可能减小。例如，当当量比大于1时，随着当量比进一步移动远离1(例如，增加)，剩余氧化剂68的量下降。因为随着当量比继续增加，存在较少的氧化剂68用于催化剂床264燃烧，催化剂床264两端的温差也将减小。类似地，当当量比小于1时，随着当量比进一步移动远离1(例如，减小)，剩余的未燃烧烃类的量下降。因为随着当量比继续减小，存在较少的未燃烧烃类用于催化剂床264燃烧，催化剂床264两端的温差也将减小。因此，由温差监测器274指示的温差可能下降。因此，如果催化剂床264两端的温差超出期望阈值，则燃气涡轮发动机150的当量比可以被调节为进一步远离大约1以降低该温差。催化剂床264的温差阈值可以基于各种条件来确定，诸如但不限于：材料限制、蒸汽生产问题或其他运转或设计约束。由温差监测器264测量的温差可以被用于调节燃气涡轮发动机150的当量比以控制催化剂床264的温差阈值、催化剂床264的出口温度阈值或其他与催化剂床264的温度相关的阈值或约束。
图6是具有三个催化剂床264的燃气涡轮发动机系统260的实施例的示意图。在一个说明性实施例中，氧化剂压缩机188可以包括一个或多个入口导流叶片290，入口导流叶片290被用于调节由氧化剂压缩机188抽取的氧化剂68的流速。具体地，增加入口导流叶片290的角度可以增加氧化剂60的流速，而减小入口导流叶片290的角度可以降低氧化剂68的流速。因此，入口导流叶片290和/或氧化剂压缩机188可以是氧化剂-燃料比率系统262的一部分。入口导流叶片290可以由导流叶片致动器292控制。如图6所示，导流叶片致动器292可以接受来自控制系统100的输出信号278。因此，至少部分基于一个或多个催化剂床264两端的温差，控制系统100可以经由导流叶片致动器292调节入口导流叶片290以调节氧化剂68的氧化剂流速。在进一步的实施例中，控制系统100可以使用其他技术来调节氧化剂68的流速，诸如但不限于：调节氧化剂压缩机188和/或其他氧化剂压缩机的转速、调节氧化剂压缩机188和/或其他氧化剂压缩机的入口或出口控制阀和/或调节来自氧化剂压缩机188和/或其他氧化剂压缩机的氧化剂68的再循环或吹出。
在一个说明性实施例中，燃料控制阀294可以被用于控制燃料70到燃烧器160的燃料流速。因此，燃料控制阀294也可以是氧化剂-燃料比率系统262的一部分。如图6所示，燃料控制阀294可以接收来自控制系统100的输出信号278。因此，至少部分基于一个或多个催化剂床264两端的温差，控制系统100可以使用燃料控制阀294来调节燃料70的燃料流速。
在一个说明性实施例中，排气60可以被用于HRSG 56以生成蒸汽。HRSG56可以包括HRSG催化剂床296。因此，在HRSG 56中生成蒸汽之前、之后和/或之中，HRSG催化剂床296可以被用于处理排气60。可以使用HRSG催化剂床温差监测器298来指示HRSG催化剂床296两端的温差。因此，HRSG催化剂床温差监测器298可以发送输出信号276到控制系统100。
在某些实施例中，来自HRSG 56的排气60可以穿行通过排气再循环路径110返回到燃气涡轮发动机150的燃烧器部分154。具体地，排气60可以穿行到排气再循环风机300，排气再循环风机300可以被用于增加排气60的压力。可以使用马达302驱动排气再循环风机300。在穿过排气再循环风机300之后，排气60可以穿过排气再循环冷却器304，排气再循环冷却器304可以被用于使用冷却剂(诸如但不限于水)来降低排气60的温度。例如，排气再循环冷却器304可以是使用冷却水来冷却排气60的间接热交换器。排气再循环风机300、马达302和排气再循环冷却器304可以是上述排气(EG)处理系统54的一部分。
在某些实施例中，一部分排气42可以被引导到产物调节器306，产物调节器306可以被用于在排气42被下游用户(诸如排气(EG)供应系统78)使用之前处置排气42。因此，产物调节器306可以是上述排气(EG)处置系统82的一部分。例如，产物调节器306可以包括一个或多个催化剂床264。在该说明性实施例中，产物调节器306包括第一产物调节器催化剂床308和第二产物调节器催化剂床310。在其他实施例中，产物调节器306可以包括三个、四个、五个或更多个催化剂床264。第一产物调节器催化剂床308可以包括第一产物调节器催化剂床温差监测器312并且第二产物调节器催化剂床310可以包括第二产物调节器催化剂床温差监测器314。每个温差监测器312和314可以生成发送到控制系统100的输入信号276。在某些实施例中，氧化剂传感器316可以被用于指示流出产物调节器306的排气42的氧化剂浓度。氧化剂传感器316也可以发送输入信号276给控制系统100。氧气传感器316可以被用于提供由产物调节器306生成的排气(例如，经处理的排气266)的氧气浓度的指示。因此，由氧气传感器316提供的氧气浓度的指示可以提供第一催化剂床308和第二催化剂床310的性能的反馈。此外，由氧气传感器316提供的氧气浓度的指示可以被用于估计与第一温差监测器312和第二温差监测器314相关的温差阈值。例如，如果由氧气传感器316指示的经处理的排气266的氧气浓度高于期望阈值，则与第一温差监测器312和/或第二温差监测器314相关的温差阈值可以被调节以降低经处理的排气266的氧气浓度。例如，在以大于1的当量比运行期间，催化剂床264可以具有上限温差阈值和下限温差阈值以建立期望的运转范围。如果经处理的排气266的氧气浓度高于期望值，则上限温差阈值和下限温差阈值中的一个或两者可以被降低，从而催化剂床264运转以燃烧更大量的氧化剂68。
在某些实施例中，控制系统100可以被配置为基于优先级方案(例如，分级系统)来运转燃气涡轮发动机系统260。例如，控制系统100可以至少部分基于如由HRSG温差监测器298指示的HRSG催化剂床296两端的第一温差将氧化剂68对燃料70的比率保持在第一范围内作为第一优先级，将HRSG催化剂床296两端的第一温差保持在第二范围内作为第二优先级，将如由第一温差监测器312指示的第一催化剂床308两端的第二温差保持在第三范围内作为第三优先级，并且将如由第二温差监测器314指示的第二催化剂床310两端的第三温差保持在第四范围内作为第四优先级。此类优先级方案可以被控制系统100使用以优化燃气涡轮发动机150的各种工况并且响应于控制系统100的各种控制器来解耦控制。在其他实施例中，控制系统100可以使用不同的优先级方案或其他解耦方法。
在该说明性实施例中，一个拉姆达(lambda)传感器或多个拉姆达传感器320可以被用于提供排气60的当量比的指示。因此，拉姆达传感器320可以将指示当量比的输入信号276提供给控制系统100。由拉姆达传感器320提供的当量比值可以被控制系统100使用来调整氧化剂68的氧化剂流速或燃料70的燃料流速或其任意组合，以实现燃气涡轮发动机150的基本化学计量的燃烧。此外，由拉姆达传感器320提供的当量比值可以被控制系统100使用来调整与温差监测器298、312和/或314中的一个或多个相关的温差阈值。例如，对于在大于1的当量比下的运转，温差阈值可以随着当量比进一步移动远离1而被降低。此外，控制系统100可以包括当量比的期望值或设定点。例如，当量比设定点可以被控制系统100调整到大约1.0001到1.1之间、1.001到1.05之间、1.01到1.04之间或1.02到1.03之间，以保持轻微的富燃料燃烧环境并且产生具有较低的氧化剂浓度、较低的NOx浓度和/或较低的NO2对NO的比率的排气42、60。可替代地，当量比设定点可以被控制系统100调整为在大约0.9到0.9999之间、0.95到0.999之间、0.96到0.99之间或0.97到0.98之间，以保持轻微的贫燃料燃烧环境并且以较高的氧气和/或NOx浓度为代价产生具有较低浓度的一氧化碳、氢气、氮氧化物或未燃烧烃类的排气42、60。可替代地，当量比设定点可以被控制系统100调整为大约1。
图7是包括一个或多个氧化剂喷射系统的燃气涡轮发动机系统260的实施例的示意图。具体地，产物调节器306可以包括产物调节器氧化剂喷射系统330，产物调节器氧化剂喷射系统330可以被用于喷射环境空气、纯净氧气、富氧空气、减氧空气、氧气-氮气混合物或有利于燃料70燃烧的任意合适的氧化剂。氧化剂喷射导管332将氧化剂68从氧化剂压缩机188传输到氧化剂喷射系统330。氧化剂控制阀334可以被用于调节到氧化剂喷射系统330的氧化剂68的流速。氧化剂控制阀334可以接收来自控制系统100的输出信号278。如图7所示，氧化剂喷射系统330被设置在第二产物调节器催化剂床310的上游。也就是说，氧化剂喷射系统330被设置在第一催化剂床308和第二催化剂床310之间。在NOx降低催化剂(例如，被选择用于降低排气42中的NOx的浓度的催化剂)被置于第一催化剂床308内的实施例中，氧化剂喷射系统330的使用可以有利于第一催化剂床308中的NOx的降低。在其他实施例中，氧化剂喷射系统330可以被设置在第一产物调节器催化剂床308的上游或第一产物调节器催化剂床308和第二产物调节器催化剂床310两者的上游。氧化剂喷射系统330可以包括一个或多个氧化剂喷射器331，用于将氧化剂68喷射到流过产物调节器306的排气42的气流中。由氧化剂喷射系统330喷射氧化剂68可以实现排气42中的一氧化碳和未燃烧烃类的增加的燃烧。在某些实施例中，由氧化剂喷射系统330添加氧化剂68可以实现一氧化碳和未燃烧烃类的完全燃烧。
在某些情况下，诸如在启动、停止或其他瞬间工况期间当排气42(例如，经处理的排气266)被排放到大气时，可能期望这种使用氧化剂喷射系统330从排气42降低和/或消除一氧化碳、未燃烧烃类和任意其他不期望的成分。通过从排放的排气42中降低和/或消除一氧化碳和未燃烧烃类，可以保持符合排放规定。在某些实施例中，产物调节器一氧化碳传感器336可以被用于提供来自产物调节器306的排气42中的一氧化碳的浓度的指示。一氧化碳传感器336可以将输入信号276发送到控制系统100以提供氧化剂喷射系统330的性能的指示。例如，如果由一氧化碳传感器336指示的一氧化碳的浓度高于一氧化碳阈值，则控制系统100可以打开氧化剂控制阀334以增加到氧化剂喷射系统330的氧化剂68的流速。类似地，如果由一氧化碳传感器336指示的一氧化碳浓度低于阈值，则控制系统100关闭氧化剂控制阀334以降低氧化剂喷射系统330消耗的氧化剂68。在其他实施例中，一氧化碳传感器336可以由对氢气、氮氧化物、未燃烧烃类和/或可以指示燃料70和氧化剂68的不完全燃烧的其他成分敏感的装置替换或增强。
在进一步的实施例中，其他喷射系统(例如，氧化燃料喷射系统)可以与上述氧化剂喷射系统330一起或代替氧化剂喷射系统330用于产物调节器306。这些喷射系统可以被用于在产物调节器306的一个或多个催化剂床上游喷射不同于氧化剂68的其他材料。在一个实施例中，氧化燃料喷射系统可以喷射氧化燃料，诸如但不限于氢气、一氧化碳、甲烷、天然气、燃料70、其他烃类燃料或其任意组合。在存在催化剂床的情况下，喷射的氧化燃料可以与排气42中的过量氧气反应，由此降低经处理的排气266中的氧气的浓度。控制系统100可以使用来自氧化剂传感器316的反馈(例如，输入信号276)来调节由喷射系统喷射的氧化燃料的量。例如，如果经处理的排气266中的氧气的量高于氧气阈值，则控制系统100可以将输出信号278发送到控制阀或与喷射系统相关的类似装置以增加喷射的氧化燃料的量。类似地，如果氧气阈值低于氧气阈值，则可以使用控制系统100降低喷射的氧化燃料的量。进一步地，控制系统100可以使用催化剂床两端的温差来调节喷射的氧化燃料的流速。
在某些实施例中，排放产物调节器350可以用于处置被正常排放到大气的排气42(例如，经处置的排气266)。例如，当不使用产物调节器306或其已经达到最大容量时，可以使用排放产物调节器350。排放产物调节器350可以包括第一排放产物调节器催化剂床352和第二排放产物调节器催化剂床354。在其他实施例中，排放产物调节器350可以包括额外的催化剂床。如图7所示，第一催化剂床352和第二催化剂床354可以以与产物调节器306的第一催化剂床308和第二催化剂床310类似的方式配置。此外，排放产物调节器350可以包括排放产物调节器氧化剂喷射系统356以将氧化剂68喷射到排放产物调节器350内。具体地，氧化剂68可以经由一个或多个氧化剂喷射器357被喷射到排气42中。氧化剂喷射系统356可以被设置在第一催化剂床352和第二催化剂床354其中之一或两者的上游。在一个说明性实施例中，氧化剂喷射系统356可以被设置在第二排放催化剂床354的上游。当排放产物调节器350与产物调节器306一起使用时，可以使用三通阀358来调节到氧化剂喷射系统330和356的氧化剂68的流速。三通阀358可以接收来自控制系统100的输出信号278。因此，三通阀358可以被用于将氧化剂68提供到产物调节器306和350其中之一、两者或均不提供。一氧化碳传感器360可以被用于以与产物调节器306的一氧化碳传感器336相似的方式来提供来自排放产物调节器350的排气42(例如，经处理的排气266)的一氧化碳浓度的指示。在某些实施例中，来自排放产物调节器350的排气42在排出到大气之前可以穿过能量回收膨胀器362(例如，涡轮或能量回收涡轮)。能量回收膨胀器362可以用于在排气42被排放到大气之前从排气42回收能量。
图8是催化剂床264的实施例的透视图。燃气涡轮发动机150的轴向方向由箭头380表示，径向方向由箭头382表示，并且周向方向由箭头384表示。这些方向都是相对于旋转轴线162而言的。氧化剂喷射导管386以距离388被设置在催化剂床264上游。如下所述，由氧化剂喷射导管386喷射氧化剂68可以被用于帮助确定燃气涡轮发动机150运转时所处于的当量比。如图8所示，氧化剂喷射导管386使氧化剂68能够进入流入催化剂床264内的排气42、60的气流。催化剂床热电偶390的阵列可以被直接设置在催化剂床264中并且在轴向380上处于氧化剂喷射导管386的出口391下游。因此，多个热电偶390可以被用于指示喷射的氧化剂68对催化剂床264内的温度的影响。具体地，可以确定催化剂床264的入口温度与由多个热电偶390指示的温度之间的温差值。例如，由入口温度传感器268或由温差监测器274的输入温度感测部分指示的温度可以被用于确定催化剂床264的入口温度。由多个热电偶390提供的信息可以被用于确定燃气涡轮发动机150是否以小于或大于大约1的当量比运转，如下面详细描述。
图9是燃气涡轮发动机系统260的温差和当量比之间的关系的曲线图400。在曲线图400中，x轴402表示当量比并且y轴404指示催化剂床264的温差。如图9所示，温差和当量比之间的关系遵循曲线406，曲线406在当量比值等于大约1处具有峰值408。也就是说，温差在大约为1的当量比处具有峰值408，并且曲线406在峰值408的任意一侧近似线性地降低。因此，对于给定的温差阈值，可以存在两个当量比，其中燃气涡轮发动机150可以以所述两个当量比运转。因此，可以使用图8中示出的氧化剂喷射导管386进行氧化剂68的喷射以确定燃气涡轮发动机150在化学计量运转的哪一侧运转。氧化剂喷射导管386被布置在足够远的上游处(例如，距离388)以在出口391周围的体积中提供氧化剂68和排气42、60的充分混合。多个热电偶390提供催化剂床264内或下游的温度的指示。因此，在出口391下游的催化剂床264两端的温差值可以在催化剂床264的入口温度和由多个热电偶390指示的温度之间确定。如果使用多个热电偶390确定的温差值大于整体催化剂床264的温差(例如，如由温差监测器274所指示)，则排气42、60有可能具有有限的氧气(oxygen-limited)并且因此，燃气涡轮发动机150以大于大约1的当量比运转(例如，富燃料运转)。然而，如果使用多个热电偶390确定的温差值小于整体催化剂床264的温差(例如，如由温差监测器274所指示)，则燃气涡轮发动机150有可能具有有限的一氧化碳(carbon monoxide-limited)，并且因此以小于大约1的当量比运转(例如，贫燃料运转)。在这种情况下，控制系统100可以被用于增加当量比的设定点，使得燃气涡轮发动机150以大于大约1的当量比运转(例如，富燃料运转)。虽然图8示出3×3阵列中的多个热电偶390，但在其他实施例中，可以使用多个热电偶390的其他配置和数量。此外，在其他实施例中，氧化剂68的多个喷射点可以与催化剂床264一起使用。
如上所述，燃气涡轮发动机系统260的某些实施例可以包括燃气涡轮发动机150和催化剂床264，其中燃气涡轮发动机150被配置为燃烧氧化剂60和燃料70以生成排气42、60，催化剂床264被配置为处理来自燃气涡轮发动机150的排气42、60以生成经处理的排气266。系统260也可以包括温差监测器274和氧化剂-燃料比率系统262，其中温差监测器274被配置为感测排气42、60的入口温度与经处理的排气266的出口温度之间的温差，氧化剂-燃料比率系统262被配置为至少部分基于该温差来调节氧化剂68的氧化剂流速或燃料70的燃料流速或其任意组合中的至少一个。由温差监测器274提供的温差可以提供排气42、60中的一氧化碳、氢气、氧气、氮氧化物、未燃烧烃类或其任意组合的浓度的更精确和/或更快的指示。因此，控制系统100可以使用氧化剂-燃料比率系统262来调节燃气涡轮发动机150的运转以实现期望的运转。此外，在某些实施例中，氧气喷射系统330、356可以被用于在催化剂床264上游喷射氧化剂68以降低排气42、60中的一氧化碳和/或未燃烧烃类的浓度。在进一步的实施例中，可以在催化剂床264的上游喷射氧化剂68并且多个热电偶390可以被用于提供燃气涡轮发动机150在化学计量运转的哪一侧运转的指示。控制系统100可以使用该信息来调节燃气涡轮发动机150的运转。此外，由氧化剂喷射系统330、356喷射氧化剂68可以帮助燃气涡轮发动机150在排放规定内运转。
附加描述
本发明的实施例提供用于燃气涡轮发动机的系统和方法。应当理解的是，可以以任意适当的组合形式利用上述任意一个特征或特征组合。事实上，目前可以预测这些组合的所有排列组合。通过示例的方式，提供以下条款来进一步描述本公开：
实施例1.一种系统，包含：燃气涡轮发动机，其被配置为燃烧氧化剂和燃料以生成排气；催化剂床，其被配置为处理来自燃气涡轮发动机的排气以生成经处理的排气；温差监测器，其被配置为监测排气的入口温度和经处理的排气的出口温度之间的温差；以及氧化剂-燃料比率系统，其被配置为至少部分基于所述温差来调节氧化剂的氧化剂流速或燃料的燃料流速或其任意组合中的至少一个。
实施例2.根据实施例1所述的系统，其中该氧化剂-燃料比率系统包含被配置为调节氧化剂流速的氧化剂压缩机。
实施例3.在任一前述实施例中限定的系统，其中该氧化剂-燃料比率系统包含被配置为调节氧化剂流速的氧化剂压缩机的入口导流叶片。
实施例4.在任一前述实施例中限定的系统，其中该氧化剂-燃料比率系统包含被配置为调节燃料流速的燃料控制阀。
实施例5.在任一前述实施例中限定的系统，其包含具有催化剂床的热回收蒸汽发生器(HRSG)，其中该HRSG被配置为使用排气或经处理的排气生成蒸汽。
实施例6.在任一前述实施例中限定的系统，其包含设置在排气鼓风机上游的热回收蒸汽发生器(HRSG)，其中该HRSG被配置为从来自涡轮的排气流生成蒸汽。
实施例7.在任一前述实施例中限定的系统，其中该产物调节器包含多个催化剂床。
实施例8.在任一前述实施例中限定的系统，其中多个催化剂床包含设置在第二催化剂床上游的第一催化剂床，其中该系统包括被配置为在第一催化剂床下游喷射催化剂床氧化剂的氧化剂喷射系统，并且其中该第一催化剂床包含被配置为降低排气中的NOx的浓度的NOx催化剂。
实施例9.在任一前述实施例中限定的系统，其包含被配置为在催化剂床上游喷射催化剂床氧化剂的氧化剂喷射系统。
实施例10.在任一前述实施例中限定的系统，其包含局部温差监测器，该局部温差监测器被配置为在催化剂床氧化剂的喷射点的下游监测排气的入口温度与经处理的排气的局部出口温度之间的局部温差，其中该氧化剂-燃料比率系统被配置为至少部分基于局部温差与温差的比较来调节氧化剂流速或燃料流速或其任意组合中的至少一个。
实施例11.在任一前述实施例中限定的系统，其包含设置在催化剂床下游的气体成分传感器，其中该气体成分传感器被配置为感测氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化物或未燃烧烃类或其任意组合中的至少一种的气体浓度，并且其中该氧化剂喷射系统被配置为至少部分基于该气体浓度来调节催化剂床氧化剂的催化剂床氧化剂流速。
实施例12.在任一前述实施例中限定的系统，其包含氧化剂压缩机，该氧化剂压缩机被配置为向燃气涡轮发动机提供氧化剂并且在催化剂床上游提供催化剂床氧化剂。
实施例13.在任一前述实施例中限定的系统，其包含被配置为感测排气的氧化剂-燃料比率的氧化剂-燃料传感器，其中该氧化剂-燃料比率系统被配置为至少部分基于该氧化剂-燃料比率来调节氧化剂的氧化剂流速或燃料的燃料流速或其任意组合中的至少一个。
实施例14.在任一前述实施例中限定的系统，其中该燃气涡轮发动机是化学计量排气再循环(SEGR)燃气涡轮发动机。
实施例15.在任一前述实施例中限定的系统，其包含耦连到燃气涡轮发动机的排气抽取系统，以及耦连到该排气抽取系统的烃类生产系统。
实施例16.一种方法，包含：在燃气涡轮发动机中燃烧氧化剂和燃料以生成排气；在催化剂床中处理来自燃气涡轮发动机的排气以生成经处理的排气；使用温差监测器监测排气的入口温度与经处理的排气的出口温度之间的温差；以及使用氧化剂-燃料比率系统至少部分基于该温差来调节氧化剂的氧化剂流速或燃料的燃料流速或其任意组合中的至少一个。
实施例17.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其包含使用氧化剂压缩机调节氧化剂流速。
实施例18.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其包含通过调节氧化剂压缩机的转速来调节氧化剂流速、使用氧化剂压缩机的入口导流叶片调节氧化剂流速、使用氧化剂压缩机的入口控制阀调节氧化剂流速、使用氧化剂压缩机的出口控制阀调节氧化剂流速、调节来自氧化剂压缩机的氧化剂的再循环或调节来自氧化剂压缩机的氧化剂的吹出或其任意组合中的至少一个。
实施例19.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其包含使用燃料控制阀调节燃料流速。
实施例20.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其包含在具有催化剂床的热回收蒸汽发生器(HRSG)中使用排气或经处理的排气生成蒸汽。
实施例21.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其包含使用氧化剂喷射系统在催化剂床上游喷射催化剂床氧化剂。
实施例22.在任一前述实施例中限定的方法或系统，使用局部温差监测器在催化剂床氧化剂的喷射点下游监测排气的入口温度与经处理的排气的局部出口温度之间的局部温差；并且至少部分基于局部温差与温差的比较来调节氧化剂的氧化剂流速或燃料的燃料流速或其任意组合中的至少一个。
实施例23.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其包含：使用气体成分传感器在催化剂床下游感测氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化物或未燃烧烃类或其任意组合中的至少一种的气体浓度；并且至少部分基于该气体浓度来调节催化剂床氧化剂流速。
实施例24.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其包含：使用氧化剂-燃料传感器感测排气的氧化剂-燃料比率；并且至少部分基于该氧化剂-燃料比率来调节氧化剂的氧化剂流速或燃料的燃料流速或其任意组合中的至少一个。
实施例25.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其中燃烧包含以化学计量燃烧混合物。
实施例26.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其包含抽取一部分经处理的排气，并且将该部分经处理的排气传送到烃类生产系统。
实施例27.一种系统，包含：控制器，其包括：一个或多个有形的非暂态机器可读的介质，该介质共同地储存一组或多组指令；以及一个或多个处理装置，该处理装置配置为执行实施一组或多组指令，用于：在燃气涡轮发动机中燃烧氧化剂和燃料以生成排气；在催化剂床中处理来自燃气涡轮发动机的排气以生成经处理的排气；使用温差监测器监测排气的入口温度与经处理的排气的出口温度之间的温差；将温差信号从温差监测器传送到控制系统；以及至少部分基于所述温差信号调节氧化剂对燃料的比率。
实施例28.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其中一个或多个处理装置被配置为执行一组或多组指令以将燃气涡轮发动机的氧化剂-燃料比率保持在大约1.0001至1.1之间。
实施例29.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其中一个或多个处理装置被配置为执行一组或多组指令以将温差保持在大约0摄氏度至40摄氏度之间。
实施例30.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其中一个或多个处理装置被配置为执行一组或多组指令以：在设置于热回收蒸汽发生器(HRSG)内的第一催化剂床中处理来自燃气涡轮发动机的排气以生成第一经处理的排气；使用第一温差监测器监测排气的入口温度与第一经处理的排气的第一出口温度之间的第一温差；在设置于产物调节器中的第二催化剂床中处理来自燃气涡轮发动机的排气以生成第二经处理的排气；使用第二温差监测器监测排气的入口温度与第二经处理的排气的第二出口温度之间的第二温差；在设置于产物调节器中的第二催化剂床上游的第三催化剂床中处理来自第二催化剂床的第二经处理的排气以生成第三经处理的排气；使用第三温差监测器监测第二经处理的排气的经处理的入口温度与第三经处理的排气的第三出口温度之间的第三温差；至少部分基于第一温差将氧化剂对燃料的比率保持在第一范围内作为第一优先级；将第一温差保持在第二范围内作为第二优先级；将第二温差保持在第三范围内作为第三优先级；并且将第三温差保持在第四范围内作为第四优先级。
实施例31.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其中一个或多个处理装置被配置为执行一组或多组指令以在设置于催化剂床上游的氧化剂喷射系统下游监测排气的入口温度与经处理的排气的局部出口温度之间的局部温差，并且至少部分基于局部温差与温差的比较来调节氧化剂流速或燃料流速或其任意组合中的至少一个。
实施例32.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其中一个或多个处理装置被配置为执行一组或多组指令以：使用气体成分传感器在设置于催化剂床上游的氧化剂喷射系统下游感测氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化物或未燃烧烃类或其任意组合中的至少一种的气体浓度；并且至少部分基于该气体浓度来调节催化剂床氧化剂流速。
实施例32.在任一前述实施例中限定的方法或系统，其中一个或多个处理装置被配置为执行一组或多组指令以：使用氧化剂-燃料传感器感测排气的氧化剂-燃料比率；并且至少部分基于该氧化剂-燃料比率来调节氧化剂的氧化剂流速或燃料的燃料流速或其任意组合中的至少一个。
本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员可想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同结构元件，则它们也在权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种系统，包含：
燃气涡轮发动机，其被配置为燃烧氧化剂和燃料以生成排气；
催化剂床，其被配置为处理来自所述燃气涡轮发动机的所述排气的至少一部分以生成经处理的排气；
温差监测器，其被配置为监测所述催化剂床上游的所述部分排气的第一温度与所述催化剂床下游的所述经处理的排气的第二温度之间的温差；以及
氧化剂-燃料比率系统，其被配置为至少部分基于所述温差来调节参数以保持所述催化剂床的效力，从而保持目标当量比。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述参数包含所述氧化剂的氧化剂流速、所述燃料的燃料流速、所述部分排气的排气流速、再循环到所述燃气涡轮发动机的排气的再循环流速、所述催化剂床的温度、所述催化剂床的压力或到所述催化剂床的稀释剂的稀释剂流速或其任意组合中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一温度在所述催化剂床的入口处被测量，而所述第二温度在所述催化剂床的出口处被测量。
4.根据权利要求1所述的系统，包含多个催化剂床，其中所述第一温度在所述多个催化剂床中的一个催化剂床的入口处被测量，而所述第二温度在所述多个催化剂床中的一个催化剂床的出口处被测量。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述氧化剂-燃料比率系统被配置为保持所述温差在大约0摄氏度到400摄氏度之间。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述氧化剂-燃料比率系统被配置为保持所述目标当量比在大约0.95到1.05之间。
7.根据权利要求1所述的系统，包含具有所述催化剂床的热回收蒸汽发生器即HRSG，其中所述HRSG被配置为使用所述部分排气或所述经处理的排气生成蒸汽。
8.根据权利要求1所述的系统，包含具有所述催化剂床的产物调节器，其中所述产物调节器被配置为处理所述部分排气。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述产物调节器包含多个催化剂床。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述多个催化剂床包含设置在第二催化剂床上游的第一催化剂床，其中所述系统包含被配置为在所述第一催化剂床的下游喷射催化剂床氧化剂的氧化剂喷射系统，并且其中所述第一催化剂床包含被配置为降低所述部分排气中的NOx的浓度的NOx催化剂。
11.根据权利要求1所述的系统，包含被配置为在所述催化剂床的上游喷射催化剂床氧化剂的氧化剂喷射系统，或者被配置为在所述催化剂床的上游喷射氧化燃料的氧化剂燃料喷射系统或其任意组合。
12.根据权利要求11所述的系统，包含被配置为在所述催化剂床氧化剂、所述氧化燃料或其任意组合的喷射点下游监测所述部分排气的所述第一温度与所述经处理的排气的局部出口温度之间的局部温差的局部温差监测器，其中所述氧化剂-燃料比率系统被配置为至少部分基于所述局部温差与所述温差的比较来调节所述氧化剂流速或所述燃料流速或其任意组合中的至少一个。
13.根据权利要求11所述的系统，包含设置在所述催化剂床下游的气体成分传感器，其中所述气体成分传感器被配置为感测氧气、一氧化碳、氢气、氮氧化合物或未燃烧烃类或其任意组合中的至少一种的气体浓度，并且其中所述氧化剂喷射系统被配置为至少部分基于所述气体浓度来调节所述催化剂床氧化剂的催化剂床氧化剂流速或所述氧化燃料的催化剂床燃料流速或其任意组合。
14.根据权利要求11所述的系统，包含被配置为将所述氧化剂提供到所述燃气涡轮发动机并将所述催化剂床氧化剂提供到所述催化剂床上游的氧化剂压缩机。
15.根据权利要求1所述的系统，包含被配置为感测所述排气的氧化剂-燃料比率的氧化剂-燃料传感器，其中所述氧化剂-燃料比率系统被配置为至少部分基于所述氧化剂-燃料比率来调节所述氧化剂的所述氧化剂流速或所述燃料的所述燃料流速或其任意组合中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃气涡轮发动机是化学计量排气再循环燃气涡轮发动机即SEGR燃气涡轮发动机。
17.根据权利要求16所述的系统，包含耦连到所述燃气涡轮发动机的排气抽取系统以及耦连到所述排气抽取系统的烃类生产系统。
18.一种方法，包含：
在燃气涡轮发动机中燃烧氧化剂和燃料以生成排气；
在催化剂床中处理来自所述燃气涡轮发动机的部分排气以生成经处理的排气；
使用温差监测器监测所述催化剂床上游的所述部分排气的第一温度和所述催化剂床下游的所述经处理的排气的第二温度之间的温差；以及
使用氧化剂-燃料比率系统至少部分基于所述温差来调节参数以保持所述催化剂床的效力，从而保持目标当量比。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述参数包含所述氧化剂的氧化剂流速、所述燃料的燃料流速、所述部分排气的排气流速、再循环到所述燃气涡轮发动机的排气的再循环流速、所述催化剂床的温度、所述催化剂床的压力或到所述催化剂床的稀释剂的稀释剂流速或其任意组合中的至少一个。
20.根据权利要求19所述的方法，包含使用氧化剂压缩机调节所述氧化剂流速、通过调节所述氧化剂压缩机的转速来调节所述氧化剂流速、使用所述氧化剂压缩机的入口导流叶片调节所述氧化剂流速、使用所述氧化剂压缩机的入口控制阀调节所述氧化剂流速、使用所述氧化剂压缩机的出口控制阀调节所述氧化剂流速、调节来自所述氧化剂压缩机的氧化剂的再循环或调节来自所述氧化剂压缩机的氧化剂的吹出或其任意组合中的至少一个。
21.根据权利要求18所述的方法，包含使用氧化剂喷射系统在所述催化剂床上游喷射催化剂床氧化剂，或者使用氧化剂燃料喷射系统在所述催化剂床上游喷射氧化燃料，或其任意组合。
22.根据权利要求21的方法，包含：
使用局部温差监测器在所述催化剂床氧化剂、所述氧化燃料或其任意组合的喷射点下游监测所述排气的所述入口温度与所述经处理的排气的局部出口温度之间的局部温差；以及
至少部分基于所述局部温差与所述温差的比较来调节所述氧化剂的所述氧化剂流速或所述燃料的所述燃料流速或其任意组合中的至少一个。
23.一种系统，包含：
控制器，其包括：
一个或多个有形的非暂态机器可读的介质，所述介质共同地储存一组或多组指令；以及
一个或多个处理装置，其被配置为执行所述一组或多组指令以用于：
在燃气涡轮发动机中燃烧氧化剂和燃料以生成排气；
在催化剂床中处理来自所述燃气涡轮发动机的部分排气以生成经处理的排气；
使用温差监测器监测所述催化剂床上游的所述排气的入口温度和所述催化剂床下游的所述经处理的排气的出口温度之间的温差；
将温差信号从所述温差监测器传送到控制系统；以及
至少部分基于所述温差来调节参数以保持所述催化剂床的效力，以便保持目标当量比。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述一个或多个处理装置被配置为执行所述一组或多组指令以用于：
在被配置为在所述催化剂床上游喷射催化剂床氧化剂或氧化燃料或其任意组合的喷射点下游监测所述部分排气的所述第一温度与所述经处理的排气的局部出口温度之间的局部温差，以及
至少部分基于所述局部温差与所述温差的比较来调节所述氧化剂流速或所述燃料流速或其任意组合中的至少一个。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述一个或多个处理装置被配置为执行所述一组或多组指令以便当所述局部温差大于所述温差时增加所述氧化剂流速、降低所述燃料流速或其任意组合，并且当所述温差大于所述局部温差时降低所述氧化剂流速、增加所述燃料流速或其任意组合。
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