CN106062341A - 燃气涡轮燃烧室诊断系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中,一种方法包括执行涡轮燃烧室诊断程序,该诊断程序包括:以基本稳态的燃烧来运行多个涡轮燃烧室中的第一涡轮燃烧室;调节第一涡轮燃烧室的运行参数,从而引起由第一涡轮燃烧室产生的所述燃烧产物的变化;识别多个传感器的第一分组的第一传感器响应,该多个传感器设置在流体耦连到涡轮燃烧室的涡轮之内或其下游,第一传感器响应表示燃烧产物的变化,并且其中第一分组包括一个或多个第一传感器;使传感器的第一分组与第一涡轮燃烧室相关;以及基于第一传感器响应来诊断多个传感器的第一分组、第一涡轮燃烧室或其组合的情况。

Description

燃气涡轮燃烧室诊断系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求标题为“GAS TURBINE COMBUSTOR DIAGNOSTIC SYSTEMAND METHOD”的美国非临时专利申请No.14/557,068以及标题为“GASTURBINE COMBUSTOR DIAGNOSTIC SYSTEM AND METHOD”的美国临时专利申请No.61/911,905的优先权和权益,上述两个申请通过引用被整体合并于此以用于所有目的。
技术领域
在此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室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。涡轮级,当由热燃烧产物驱动时,将旋转功率转移到轴。进而,旋转轴驱动压缩机部的一个或多个压缩机级,并且也可以驱动发电机以产生电能。
燃气涡轮发动机的燃烧室部通常包括多于一个燃烧室,其中每个燃烧室燃烧燃料/氧化剂混合物。但是,燃烧过程中的变化(例如由于燃料成分的变化、氧化剂成分的变化、燃烧室内存在的其他材料的性质的变化、燃烧室中产生的燃气的最终用途的变化或其任意组合)可能引起一个或多个燃烧室的一个或多个运行参数改变。因此,燃烧室运行可能就要经受进一步改进。
发明内容
与原始要求保护的主题的范围相称的某些实施例被概括如下。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围,而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,本公开可以包括可以类似于或异于下面阐述的实施例的多种形式。
在一个实施例中,一种系统包括燃气涡轮系统,其具有:涡轮燃烧系统,其具有多个涡轮燃烧室,每个所述涡轮燃烧室被配置为将燃料/氧化剂混合物燃烧以产生燃烧产物;涡轮,其由所述涡轮燃烧系统产生的所述燃烧产物来驱动;多个传感器,其被定位在所述涡轮燃烧系统的下游且被配置为监测所述燃烧产物的一个或多个参数;以及控制系统,其具有共同存储一组或多组指令的一个或多个非易失性机器可读介质,所述一组或多组指令可由处理器实施以执行涡轮燃烧系统诊断程序。所述诊断程序包括:调节所述多个涡轮燃烧室的第一涡轮燃烧室的运行参数,从而引起由所述第一涡轮燃烧室产生的所述燃烧产物的变化;识别所述多个传感器的一个或多个第一传感器的相应的传感器响应,所述第一传感器检测所述燃烧产物的变化;将所述相应的传感器响应和所述第一涡轮燃烧室关联;以及基于所述相应的传感器响应来诊断所述一个或多个第一传感器、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
在另一实施例中,一种方法包括执行涡轮燃烧室诊断程序。诊断程序包括以下动作:以基本稳态燃烧来运行多个涡轮燃烧室的第一涡轮燃烧室;调节所述第一涡轮燃烧室的运行参数以引起由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物的变化;识别多个传感器的第一分组的第一传感器响应,所述多个传感器被设置在流体耦连到所述涡轮燃烧室的涡轮之内或其下游,所述第一传感器响应表示所述燃烧产物的所述变化,并且其中所述第一分组包括一个或多个第一传感器;将传感器的所述第一分组与所述第一涡轮燃烧室关联;以及基于所述第一传感器响应来诊断所述多个传感器的所述第一分组、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
在另一实施例中,一种系统包括一个或多个非暂时的机器可读介质,其共同存储一组或多组指令,所述一组或多组指令可由处理器实施以执行涡轮燃烧系统诊断程序。所述诊断程序包括:以大约0.95与1.05之间的燃烧当量比来运行多个涡轮燃烧室的第一涡轮燃烧室;调节到所述第一涡轮燃烧室的燃料流、氧化剂流或其组合以使得由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物从第一燃烧产物变化为第二燃烧产物,所述第二燃烧产物不同于所述第一燃烧产物;识别检测所述第二燃烧产物的第一传感器的第一传感器响应;将所述第一传感器与所述第一涡轮燃烧室关联;以及基于所述第一传感器响应来诊断所述第一传感器、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
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的循环系统;
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是用于运行图1-图3的系统的过程的实施例的流程图;
图5是图1-3的系统的实施例的示意图,其进一步示出了配置为调节一个或多个涡轮燃烧室的燃烧参数的控制系统的细节;
图6是图5中沿着图5的线6-6的燃气涡轮的涡轮燃烧系统的实施例的示意图;
图7是运行化学计量的排气再循环燃气涡轮(SEGR GT)系统和监测涡轮燃烧室运行的过程的实施例的流程图;
图8是用于生成燃烧室/传感器映射以执行图5的系统上的诊断的方法的实施例的流程图;
图9是用于执行图5的涡轮燃烧室系统上的诊断的程序的实施例的流程图;
图10是作为λ的函数的宽带氧传感器响应和窄带氧传感器响应的组合的图形。
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,实际的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,在任何此类实际的实施方式的开发中(例如在工程或设计项目中),需要做出众多具体针对实施方式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代形式,但是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、等价物和可替代的实施例。
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义。当用于本文时,术语“包括”和/或“包含”指定存在所陈述的特征、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。这些术语仅被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”包括一个或多个相关联列出的项目中的任意一个、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”等词语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操作。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,使燃烧的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,以及捕集排气以用于各个目标系统中。除了控制燃料和/或氧化剂的流量之外,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CO2的浓度水平,该排气然后可以被后处理以分离和净化CO2和氮气(N2)以用于各个目标系统中。燃气涡轮系统也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)。
所公开的实施例也涉及可以在涡轮系统上执行的诊断程序,该涡轮系统具有将燃烧产物排放到涡轮部中的多个燃烧室。诊断程序可以利用通过将多个燃烧室中的一个的运行从稳态扰乱,以及通过监测来自定位在燃烧室下游的一个或多个传感器的响应所获得的信息。事实上,本实施例可以在并入燃气涡轮发动机(并且特别是燃气涡轮发动机以明确限定的燃料与氧化剂燃烧比来运行)的任意数量的系统中被实施。其中本技术可以被执行的系统的示例性实施例在下面关于图1-4被讨论,其中特别的实施方式在图5和图6中被描述。本实施例的多个方面(例如用于执行诊断程序的示例方法)在下面关于图7-9被讨论。
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、机械功率和流体(例如排气)以促进油和/或气体的生产或回收。在图示的实施例中,烃类生产系统12包括油/气体抽取系统16和强化油回收(EOR)系统18,二者耦连到地下储层20(例如油、气体或烃类储层)。油/气体抽取系统16包括各种地面设备22,例如耦连到油/气体井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,其调节压力和控制到地下储层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(例如油或气体)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中来增加油或气体的生产。
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例如燃气、蒸汽、水、化学物质或其任何组合输送到流体喷射系统34。例如,如下面进一步详细讨论的,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/气体井26的管件28间隔开偏移距离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/气体48移位,并驱动油/气体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14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、机械功率、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的燃烧。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。化学计量燃烧的一种量度是当量比或phi(),其是实际燃料/氧化剂的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)、氢气和其他未完全燃烧产物。然而,本公开的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)中的气体流中。
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,但是图示的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,HRSG 56、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、排气处置系统(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70一起在燃烧室部中使用。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在燃烧室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,燃烧室部中的每个燃烧室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)可以在每个燃烧室内的燃烧点处或其下游被喷射到燃烧室中。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产生机械功率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)处置系统82的排气(EG)供给系统78,排气(EG)抽取系统80和排气(EG)处置系统82从抽取点76接收排气42,处置排气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、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置。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/或基于溶剂的处置系统,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、燃烧室部和/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操作具体使得能够在多个方位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/或燃烧室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、在沿着燃烧室部中的每个燃烧室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,直到其达到燃烧室部中的每个燃烧室的盖端部分和/或燃料喷嘴。此外,一个或多个流动分离器(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。通过这些流动分离器,抽取点76可以直接沿着燃烧室部中每个燃烧室的壁布置。
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)进入每个燃烧室的燃烧室部(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,在每个燃烧室中的排气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/气体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、机械功率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率72和电功率74。机械功率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的燃烧室部中的压缩氧化剂68(例如空气或氧气)。这些输出中的每一个(例如排气60、机械功率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。如上面讨论,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,由此生成机械功率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率72和/或电功率74。在蒸汽涡轮104由来自HRSG 56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可以是特别有用的。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、气体处置系统(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HRSG 56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指出的,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/气体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/气体系统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。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。控件124被配置为控制蒸汽涡轮104的操作,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、与每个元件有关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、机械功率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)、未燃烧碳氢化合物(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(在其他操作参数之中)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、未燃烧碳氢化合物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、未燃烧碳氢化合物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,如上面指出,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率72和电功率74的各种传感器而接收传感器反馈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可以从与机械功率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的操作。
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。通过进一步示例,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。如上面讨论,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。除了用于排气42、60和95的控件以外,控件124、126和128还可以执行一个或多个指令以将机械功率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、燃烧室部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,燃烧室部154包括一个或多个燃烧室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个燃烧室160。而且,每个燃烧室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,每个燃烧室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室160的燃烧室部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喷射到燃烧室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室中(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之间的混合方位处。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/氧化剂的比相比,该化学计量燃料/氧化剂的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输出到燃烧室部154中的每个燃烧室160。在燃料60、氧化剂68和排气170在每个燃烧室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室部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,燃烧室部154中的每个燃烧室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供给的机械功率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和燃烧室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1
如上面表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1也旨在覆盖机器106、178、180的相反次序。在表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可以在特别选择的方位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、燃烧室部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室部154的多个方位处,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,鉴于在每个燃烧室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方位。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2
如上面表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2也旨在覆盖所示出组件192的相反顺序。在表2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集成单元、所述组件的并联布置或其任何组合。此外,在表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HRSG56、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1-3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到燃烧室部154的燃烧室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也可以开始向燃烧室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)到燃烧室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然后可以在燃烧室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,以促进燃烧室部154的燃烧室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的通道,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可以被供应给燃烧室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、燃烧室部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。
如上面指出,在由燃烧室160执行的某些燃烧过程(例如化学计量燃烧和/或以预定当量比燃烧)期间,成分、流速和/或燃料70和氧化剂68的比的变体可以出现且引起由燃烧室160产生的燃烧产物172的成分变化。附加地或替代地,燃烧室160的一个或多个组件(例如密封件、阀门)可能变为被磨损、可能损坏、可能破裂或者否则可能失效,使得由燃烧室160产生的燃烧产物可以具有不落入预定范围内的成分。例如,如果燃烧室160的密封件应变为被磨损或以其他方式失去其密封能力,则来自外部环境的空气可能泄漏到燃烧室160中,引起燃烧当量比偏离期望的设定点(例如由于额外的氧的存在)。在这类环境中,燃烧产物可以具有高于预定阈值的氧浓度。
类似状况也可以出现在其他燃烧参数上,例如压力设定点、燃烧温度设定点、排气浓度设定点以及至少部分取决于合适燃烧密封和运行的其他参数。不幸地,因为来自多个燃烧室160的燃烧产物被全部组合在涡轮部156内,所以很难确定哪个燃烧室160对不合规格燃烧产物负责。这些类型的偏差具体牵扯到其中期望保持燃烧产物在某一范围内的实施方式-例如当燃烧气体/排气从SEGR燃气涡轮系统52作为产物气体被输出以用于油回收中、再循环回到SEGR燃气涡轮系统52中以用于冷却、以用作燃烧稀释剂的实施方式或任何其他实施方式,其中不期望在排气60中具有未燃烧燃料和/或残留氧化剂。
根据本实施例,如上面阐述,在执行过程220中,控制系统100可以执行一个或多个控制程序以使在每个燃烧室160中能够以期望的燃料/氧化剂当量比进行燃烧。在某些控制程序中,控制系统100可以接收关于流速和/或氧化剂68和/或燃料70的成分的信息,并且控制系统100可以基于所有该信息或一部分该信息利用任意数量的控制算法,从而调节燃料70和/或氧化剂68到燃烧室160的流。
根据本实施例和如下面详细所述,在控制系统100检测到一个或多个燃烧室160不合规格(例如因为产物排气是不合规格的)运行、或在运行期间周期性地不合规格运行的实施例中,控制系统100也可以执行一个或多个诊断程序(例如存储在一个或多个有形的非易失性机器可读介质(诸如存储器122)上的程序)以识别(如果有的话)哪个燃烧室160以这种方式运行。图5描述了具有特征件的基于涡轮的服务系统14的实施例,该特征件能够检测、定位以及控制潜在燃烧室问题。
如上面关于图1-3阐述的,基于涡轮的服务系统14包括燃气涡轮系统150,燃气涡轮系统150产生随后在EG处理系统54中处置且作为产物气体被传送到EG供应系统78的排气60。燃气涡轮系统150也产生排气42,排气42从一个或多个抽取点76(例如燃烧室160、涡轮部156)取出且作为产物气体被提供给EG供应系统78。
总之,对应于在这类处置之前的排气的燃烧气体172,从燃烧室160传递且经由一系列流动路径260进入涡轮部156中。流动路径260可以在引入涡轮部156后是完全分离的,或一个或多个流动路径260可以在进入涡轮部156之前组合。虽然燃烧室部154可以包括任意数量的燃烧室160,但是在图示的实施例中,燃烧室部154包括第一燃烧室262(称为“COMBUSTOR N”),第二燃烧室264(称为“COMBUSTOR N+1”)以及第三燃烧室266(称为“COMBUSTORN+M”),其中“N”意为指定燃烧室部154的任一特定燃烧室160,“N+1”意为表示紧邻第一燃烧室262的燃烧室160,以及“N+M”意为表示在第一燃烧室262之后的第M个燃烧室。例如,在燃烧室160以通常环形布置被定位的实施例中,第一燃烧室262可以对应于在圆周方向268上的第一位置,第二燃烧室264可以对应于紧邻第一位置的第二位置,以及第三燃烧室266可以对应于沿着圆周方向268的第三位置、第四位置、第五位置、第六位置、第七位置或第八位置(或除了第一位置和第二位置之外的任一位置)。
在运行期间,控制系统100可以控制氧化剂68和燃料70到每个燃烧室160的流以使能够以特定当量比燃烧。例如,在基于涡轮的服务系统14以化学计量运行模式运行的实施例中,当量比可以是在燃料比氧化剂为大约0.95至1.05之间,例如大约1.0加上或减去0.01、0.02、0.03、0.04或0.05。氧化剂68的流可以至少部分通过控制氧化剂压缩系统186(图3)的运行参数(例如驱动器190(图3)的速度、(多个)主氧化剂压缩机188(图3)的压缩比、(多个)压缩机188的进口导流叶片位置等)来控制。在图示的实施例中,使用一系列氧化剂流量控制装置来控制氧化剂流,额外地或作为一种替代,还使用氧化剂压缩系统186的参数来控制氧化剂流。在图示的实施例中,这类装置包括沿着通向第一燃烧室262的第一氧化剂流动路径272定位的第一氧化剂流量控制装置270(例如流量控制阀)、沿着通向第二燃烧室264的第二氧化剂流动路径276定位的第二氧化剂流量控制装置274(例如流量控制阀)以及沿着通向第三燃烧室266的第三氧化剂流动路径280定位的第三氧化剂流量控制装置278(例如流量控制阀)。也可以沿着这些路径利用用于监测和/或控制氧化剂流的其他特征件,包括压缩机、泵、热交换器、流量计、温度计、压力计以及氧传感器等。
虽然氧化剂68和/或燃料70的流可以被控制以便保持期望的燃烧当量比,但是在某些实施例中,燃料70的流可以响应于氧化剂68的流的变化以保持期望的燃烧当量比,或反之亦然(例如反向控制也是可行的,其中氧化剂68响应于燃料70被调节)。例如,在一个实施例中,氧化剂流可以基于负载需求被调节,同时燃料流响应于氧化剂流的变化。在控制燃料70的流中,控制系统100可以接收关于燃料70的各种信息,包括由沿着通向燃料流控制系统286的燃料路径284被定位的一个或多个传感器282生成的反馈。一个或多个传感器282可以包括一个或多个任何合适类型的流量分析装置,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、旋转活塞计、齿轮计、文丘里计、孔板计、多尔管计、皮托管计、多孔压力探头计、圆锥计、光流量计、电磁流量计、超声波流量计、热电偶以及压力换能器等。
除了或代替接收有关沿着燃料路径284的燃料70的流的反馈之外,控制系统100也可以接收关于来自燃料分析系统288的燃料70的成分的反馈。燃料分析系统288可以确定关于燃料70的成分信息。例如,燃料分析系统288可以确定燃料70内可燃组分的浓度或相对量,其可以包括但不限于CO、H2、甲烷(CH4)或其任何组合。因此,燃料分析系统288可以包括能够分离、检测和/或分析这类组分的一个或多个分析特征件。例如,燃料分析系统288可以包括气相色谱仪、高效液相色谱仪、红外光谱仪、紫外线/可见光分光计、荧光计、质谱仪、核磁共振(NMR)光谱仪、电子自旋共振(ESR)光谱仪、原子吸收单元等中的任意一个或组合。在一些实施例中,燃料分析系统288可以包括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288可以在沿着燃料路径284的任一点处被适当地定位,但是在图示的实施例中,燃料分析系统288被配置为接收来自燃料路径284的燃料70的滑流(slip stream)290。也就是说,在图示的实施例中,滑流290沿着从燃料路径284分支的路径被提供到燃料分析系统288。在运行期间,燃料分析系统288分析燃料70(例如用于CO、H2、CH4浓度的燃料70)以及向控制系统100/控制器118间歇地、以固定的间隔或基本连续地发送燃料成分信息。在其他实施例中,燃料分析系统288可以向控制系统100/控制器118间歇地、以固定间隔或基本连续地提供原始数据(例如检测器信号),所述原始数据可以包括存储在用于分析数据的一个或多个有形的机器可读非暂时的介质上的代码。
至少部分基于从一个或多个传感器282和/或燃料分析系统288接收的反馈,控制系统100可以沿着第一燃料供给路径292将燃料70从燃料流控制系统286引导到第一燃烧室262,沿着第二燃料供给路径294将燃料70从燃料流控制系统286引导到第二燃烧室264以及沿着第三燃料供给路径296将燃料70从燃料流控制系统286引导到第三燃烧室266。需要指出,目前任何数量的这类流动路径和燃烧室160均是可预想的,例如在2与100之间、10与50之间、15与30之间等等。燃料流控制系统286可以包括任何数量的特征件,该特征件能够使控制系统100独立控制沿着每个燃料供给路径的燃料70的流量。也就是说,燃料流控制系统286能够使控制系统100独立控制燃料70到每个燃烧室60的流量。如下面详细讨论,这类独立控件不仅能够使燃料70被供给到每个燃烧室160,从而确保以预定当量比燃烧,而且也能够使本文描述的诊断程序被执行。
通过非限制性示例的方式,燃料流控制系统286可以包括一个或多个流量分配总管、增压器压缩机、增压器鼓风机、热交换器(例如直接和/或间接)、过滤器、洗涤器、催化剂、干燥器以及流量控制装置等中的任意一个或组合。附加地或可替代地,控制系统100可以与沿着各种燃料供给路径定位的一个或多个流量控制装置连通,从而能够调节燃料70到每个燃烧室160的流量。如所示,流量控制装置包括但不限于,沿着第一燃料供给路径292定位的第一燃料流量控制装置298、沿着第二燃料供给路径294定位的第二燃料流量控制装置300以及沿着第三燃料供给路径296定位的第三燃料流量控制装置302。通常,流量控制装置可以包括能够调节燃料70到每个相应的燃烧室160中的流量的任何流量调节装置,该流量包括无流量、满流量以及二者之间的任何流量。这类流量控制装置可以包括流量控制阀、增压器鼓风机、调节器以及压缩机等。进一步地,流量控制装置可以沿着其各自的燃料供给路径的任一点被定位。例如,流量控制装置可以沿着通向燃烧室160的各自入口的导管定位,或者可以在燃烧室160的各自入口处定位。在一些实施例中,燃料流量控制装置可以是燃料修正阀。因此,在一些实施例中,控制系统100可以调节一个或多个燃料水平修正阀,使得一个或多个燃烧室160内的燃烧是稀的或富的。根据本实施例和如下面进一步详细讨论的,一个或多个传感器可以产生表示稀或富燃烧的响应,从而能够使响应的关联回到特定燃烧室160,用于该特定燃烧室160的燃料水平的调节
如上所述,独立控制到每个燃烧室160的燃料流量和/或氧化剂流量能够使某些诊断在燃烧室160上被执行。根据本实施例,控制系统100可以分别调节燃料流和/或氧化剂流,从而调节每个燃烧室160内的燃烧参数,其导致燃烧产物172的一个或多个参数的变化。控制系统100可以监测在涡轮部156的一个或多个涡轮级174处的燃烧产物172的一个或多个参数的变化,并且可以关联特定燃烧室160的变化,用于特定燃烧室160的燃烧参数被改变。例如,燃烧室部154可以进入稳态,并且到第一燃烧室262的燃料流量和/或氧化剂流量可以被调节以改变由第一燃烧室262产生的燃烧产物172的性质,同时到第二燃烧室264和第三燃烧室266的流量被保持在稳态。因此,即便由所有燃烧室160产生的燃烧产物172均在任何检测设备的上游组合,但是由检测设备检测到的任何变化均可以被关联回到第一燃烧室262(即燃烧参数被改变的燃烧室160)。
具体地,具有一个或多个传感器306的传感器系统304可以用于这类检测,该传感器306能够检测涡轮部156内的燃烧产物172的一个或多个参数。传感器306可以被定位在涡轮燃烧室160下游(例如在涡轮部156上或在涡轮部156内),并且每个传感器306可以能够检测燃烧产物172的参数,该参数包括但不限于,燃烧产物172的成分信息、氧浓度、燃料浓度、稀释剂浓度、温度、压力、质量流速或这些或其他参数的任何组合。一个或多个传感器306因此可以包括CO传感器、CH4传感器、O2传感器(例如氧传感器(lambda sensor)、窄带加热型排气氧(HEGO)传感器、宽带通用型排气氧(UEGO)传感器)、压力传感器、温度传感器(例如热电偶)、流量计或其任何组合等。事实上,传感器306可以是能够感测燃烧产物、燃烧产物的属性或其组合的任何合适的类型和构造。如下面参照图10进一步详细讨论的,可以期望传感器306为UEGO传感器。
传感器306可以是定位在涡轮部156的壳体内的原位装置(即传感器接触工作流体),或者可以是包括一个或多个导管的异位装置,该一个或多个导管使特定传感器306流体耦连涡轮部156的包含工作流体的区域。也就是说,原位传感器可以被定位在涡轮部156的壳体内,同时异位传感器可以在壳体外部。
如所说明的,传感器306可以被定位在沿着轴向方向308的各个点处和在涡轮部156中的径向方向310上的任一点处。事实上,传感器306可以被定位为邻近涡轮级174(例如在涡轮级174之间)或被定位在涡轮级174处(例如附连到涡轮壳体,定位在壳体与旋转的涡轮叶片之间,集成到涡轮叶轮中)。为了便于本实施例的讨论,传感器306被描述为被定位在涡轮级174之间。从涡轮部156的前端移动到后端,传感器306包括被定位在第一涡轮级314之前的第一传感器312(或作为第一部存在的传感器组)、在第二涡轮级318之前的第二传感器316(或作为第二部存在的传感器组)、在第三涡轮级322之前的第三传感器320(或作为第三部存在的传感器组)、在第四涡轮级326之前的第四传感器324(或作为第四部存在的传感器组)以及在第四涡轮级326之后的第五传感器328(或作为第五部存在的传感器组)。
如下面详细讨论的,根据多个因素,每个传感器306和/或传感器阵列的响应(例如由每个传感器和/或传感器阵列产生的反馈)可以被关联到一个或多个燃烧室160的运行。这些因素可以包括但不限于,燃气涡轮系统150正在运行的特定负载点(例如80%负载、90%负载、100%负载)、传感器306或传感器阵列相对于燃烧室160的位置(例如在圆周方向268上、轴向方向308上和/或径向方向310上的方位)、传感器306或传感器阵列的尺寸(例如传感器306或传感器阵列覆盖的横截面积)、涡轮叶片的特定布置(例如由特定负载下的涡轮叶片生成的燃烧气体的漩涡)或其任何组合。
控制系统100和/或控制器118可以利用从传感器306的任意一个或组合获得的反馈(例如成分信息),并且在适当的时候可以调节燃料70通过燃料供给路径292、294、296的流量和/或氧化剂68沿着氧化剂供给路径272、276、280的流量,从而调节每个燃烧室160中燃料70与氧化剂68的比,例如从而实现以期望当量比(例如在大约0.95与1.05之间)燃烧。附加地或可替代地,控制器18可以利用基于模型的控制,其中传感器306的输出被用作生成控制器118的输入的模型的输入。示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。模型也可以包括人工智能(AI)模型,例如专家系统(例如正向链接专家系统、反向链接专家系统)、神经网络、模糊逻辑系统、状态向量机(SVM)、归纳推理系统、贝叶斯推理系统或其组合。
如所说明的,传感器306可以是传感器系统304的一部分,其可以进一步包括中央计算系统,该中央计算系统具有一个或多个处理器和一个或多个机器可读的非易失性有形介质,其中所述介质存储可由处理器执行的指令以收集由传感器306生成的反馈。在某些实施例中,传感器系统304可以预处理反馈(例如数字化反馈、多路复用/多路分配反馈)以便生成由控制系统100(例如控制器118)分析或以其他方式由控制系统100(例如控制器118)进一步处理的数据。在又进一步的实施例中,传感器306可以向控制器118或控制系统100的另一部分直接输送反馈。在这类实施例中,控制系统100的存储器122可以包括存储的指令(例如一组或多组指令),该存储的指令用于接收和分析反馈,并且用于执行上面指出的燃烧控制(例如当量比控制)和本文所述的诊断程序。例如,一组或多组存储的指令可以由处理器120可执行,从而通过将由一个或多个传感器306(或传感器阵列)生成的反馈关联到特定的一个燃烧室160的运行来确定每个燃烧室160中的燃料/氧化剂燃烧比。这类关联可以实现对每个燃烧室160内的燃烧动力学的更精确控制,其可以增强SEGR GT系统52产生作为下游使用的产物气体的排气(例如由EG供给系统78使用)的可靠性和可再现性。
事实上,在一些实施例中,控制系统100可以确定特定的一个燃烧室160在运行时生成燃烧产物,该燃烧产物由沿着涡轮部156或在涡轮部156内放置的传感器306的特定分组(例如一个或多个传感器306)进行感测。也就是说,在调节特定涡轮燃烧室160的一个或多个运行参数之后,控制系统100可以识别哪个传感器306或传感器306组记载了表示该调节的响应,并且在一些实施例中,可以识别一个传感器306或多个传感器306的位置。该位置可以是一个传感器306或多个传感器306的轴向位置、圆周位置、径向位置或其任何组合。
例如,在第一涡轮负载(例如100%负载)处,控制系统100可以确定第三传感器320(或传感器组)感测由第一燃烧室262生成的燃烧产物172。以此方式,控制系统100可以确定由在第一涡轮负载处的第一燃烧室262生成的燃烧产物172的漩涡信息,其中该漩涡信息包括与燃烧产物172通过涡轮部156的行进(例如流动方向)有关的信息,例如包括漩涡角度。类似地,在第一涡轮负载处,控制系统100可以确定第一传感器312(或传感器组)感测由第二燃烧室264生成的燃烧产物172。因此,通过识别第一传感器312相对于第二燃烧室264的位置而获得用于第二燃烧室264的漩涡信息。
如上所述,这类关联可以取决于各种因素,包括涡轮的负载设定(其影响涡轮级174的旋转速率)、涡轮部156中的温度/压力动力学等等。总之,涡轮负载设定的差别可以引起关于每个燃烧室160的漩涡信息(例如漩涡角度)的变化。参考回上面的示例,例如,在第二涡轮负载(例如90%负载)处,控制系统100可以确定第二传感器316(或传感器组)感测由第一燃烧室262生成的燃烧产物172,并且第四传感器324(或传感器组)感测由第二传感器264生成的燃烧产物172。
在一些实施例中,控制系统100可以将由传感器306生成的反馈通过以下方式关联到特定燃烧室160的运行,即通过保持所有燃烧室160处于稳态、调节特定燃烧室160的参数以及识别由一个或多个传感器306生成的反馈中的变化。例如,在这类实施例中,控制系统100可以执行其中燃烧室160全部运行为基本稳态的程序,并且可以通过使用例如燃料水平修正阀(例如阀298)来调节(例如增加)提供给第一燃烧室262的燃料70的量。类似地,提供给第一燃烧室262的氧化剂68的量可以被调节(例如被减少)。在任一情况中,引起在第一燃烧室262中的燃料/氧化剂的比的变化,其也改变由第一燃烧室262生成的燃烧产物172的成分。在本示例中,燃烧产物172可以包括未燃烧燃料70的增加的量。然而,同样预计到的是,第一燃烧室262中的燃料水平可以被降低(或氧化剂水平增加),在这种情况下,由第一燃烧室262生成的燃烧产物172具有增加量的氧化剂68。
传感器系统304和/或控制系统100然后可以监测由传感器306生成的反馈,从而识别哪个传感器306生成表示该变化的反馈。例如,参照上面的示例,在第一涡轮负载处,第三传感器320(或传感器组)可以记载由第一燃烧室262产生的燃烧产物172(例如增加浓度的未燃烧燃料)的成分的变化,同时其他传感器206(例如第一传感器312、第二传感器316)生成保持基本不变的反馈。控制系统100然后可以确定在第一负载处,可以使用第三传感器320(或传感器组)监测第一燃烧室262的运行。需要进一步指出,第三传感器320或传感器组可以表示在涡轮部156内的给定轴向位置处(例如特定涡轮级处)的特定圆周方位。也就是说,第三传感器320或传感器组感测第一燃烧室262的参数的变化,同时在相同轴向位置(例如特定涡轮级)处的其他圆周方位未感测到该变化,或感测到的非常小程度的变化,该变化的程度足够小到使得该变化落入可能特征为测量公差的程度内。
感测燃烧产物172变化的方式的这种差别可以关于图6被进一步认识,图6是沿着径向线6-6(即径向方向310且通过燃烧室部154)的视图。为了解释的目的,涡轮系统150的某些特征件未在图6中示出,包括涡轮部156的各种壳体和集气室、燃烧室160的各种特征件(例如阀门、控制管线、燃烧室)、涡轮叶片和叶轮等等。事实上,图6仅意图作为SEGR GT系统52的某些特征件的图解表示以便于解释目前的实施例。
如上所述,燃烧室部154包括“环管(can annular)”布置,其中燃烧室160(在一个示例中显示为8个燃烧室)被布置为圆周围绕涡轮系统150的轴176。虽然描述为每个燃烧室160均具有关于涡轮系统150的轴向方向308基本平行对准的其纵向轴线350,但是在一些实施例中,燃烧室160可以具有其他配置。例如,燃烧室160的纵向轴线350可以具有关于彼此且关于涡轮系统150的轴向方向308渐收敛/渐分离的关系。也就是说,燃烧室160的纵向轴线350可以关于轴向方向308成角度(例如在0°与90°之间,诸如在10°与60°之间或在20°与50°之间)。
如上所述,图示的燃烧室160包括以顺时针方式在圆周方向268上彼此伸展开的8个燃烧室。特别地,燃烧室160包括第一燃烧室262(例如第“N”个燃烧室)、第二燃烧室264(例如第“N+1”个燃烧室)、以及第三燃烧室266(例如剩余的“N+M”个燃烧室中的第一个燃烧室(N+2),包括第四燃烧室(N+3)352、第五燃烧室(N+4)354、第六燃烧室(N+5)356、第七燃烧室(N+6)358以及第八燃烧室(N+7)360)。类似地,检测由一个或多个燃烧室160产生的燃烧产物172的传感器306被示为包括定位在第一涡轮级314处(例如紧邻第一涡轮级314上游、紧邻其下游或在其内)的第一环形布置362,并且包括定位在第二涡轮级318处(例如紧邻第二涡轮级318上游、紧邻其下游或在其内)的第二环形布置364。描述的配置用于说明性目的,并且不意在排除其他配置,例如在第三涡轮部322处的第三环形布置(图5)、在第四涡轮部326(图5)处的第四环形布置等等。
如所示,第一环形布置362包括沿着涡轮部156的壳体366环形(例如沿圆周地)间隔开的一系列传感器306。需要指出,参照被概略描述为圆形元件的“传感器306”,可以包括在每个图示位置处的一个传感器,或占用由每个圆形元件的面积限定的区域的相同或不同类型(例如CO传感器与O2传感器)的多个传感器(例如传感器阵列)。记着这一点,为了便于说明,每个圆形元件在本文中将被称为“传感器”。
在运行期间,控制系统100可以利用若干控制方案370,以便使能在每个燃烧室160内以期望当量比燃烧。控制方案370可以被存储为一个或多个指令组(例如计算机算法),该指令组被配置为:当由处理装置和相关联的控制特征件(例如阀门、致动器)执行时,控制、监测以及诊断/校正燃烧室160的各种运行变量。控制方案370(在以下详细讨论)仅作为示例被提供,并且其可以在任何数量的装置、工作站、控制模块等上被实施。
通过非限制性示例的方式,如所示,控制方案370包括负载控制方案370,其被配置为监测和控制涡轮系统150的装载/卸载;燃烧控制方案374,其被配置为控制每个燃烧室160内的燃烧过程的一个或多个燃烧参数;以及系统诊断方案376,其被配置为连续地或间歇地执行诊断程序以监测和诊断燃烧过程的潜在问题;以及其他方案。每个控制方案370可以被存储在电路上(或者存储器122上),并且可以彼此集成(例如,集成为一个或多个应用的一部分)或可以彼此分离。在某些实施例中,控制方案370可以彼此结合地运行,其中每个方案370共用数据/信息、输入/输出等等。
在运行期间,例如,涡轮系统150可以接收表示目标负载的输入(例如,基于与燃气涡轮系统150同步的自电网的电力使用,和/或基于目标排气输出)。负载控制372可以基于目标负载确定用于涡轮系统150的各部分例如燃烧室部154的适当的运行参数。负载控制372可以向燃烧控制374提供某些燃烧参数目标(例如由燃烧室160提供的目标热量释放),燃烧控制374进而可以调节由一个或多个燃烧室160执行的燃烧过程的一个或多个运行参数。如所示,燃烧控制374可以包括用于燃料流量控制378、氧化剂流量控制380或其组合的程序。如上面讨论的,燃料流量控制378可以调节燃烧70到燃烧室160的流量(例如使用诸如298、300、302的燃料水平修正阀),同时氧化剂流量控制380可以调节氧化剂68到燃烧室160的流量(例如使用阀门270、274、278或诸如压缩机的其他流量调节机构)。燃料流量和/或氧化剂流量是否为被调节的参数可以取决于许多因素。例如,氧化剂流可以基于目标负载被调节,同时燃料流响应于氧化剂流量改变被调节以保持期望的燃烧当量比。如上所述,反向控制也可以发生,其中燃料流量跟随负载,并且氧化剂流量响应于燃料流量被控制。
当运行时,如上所述,每个燃烧室160由于燃烧过程而产生燃烧产物172。如由从第一燃烧室262释放的燃烧产物172所描述的,气态的燃烧产物172可以打旋,这是由于涡轮级的旋转运动,在本示例中为顺时针旋转运动(但是旋转运动可以改为是逆时针的)。在第一涡轮负载处(例如80%负载),燃烧产物172可以具有第一漩涡路径(如箭头172A描述)。漩涡路径可以包括围绕由轴176限定的轴线的多个回转、围绕由轴176限定的轴线的单个回转、或围绕由轴176限定的轴线的一部分回转,这是燃烧产物172在到达特定传感器306或传感器组(例如部分传感器)之前所经历的。
在第一涡轮负载处,燃烧产物可以由第一涡轮级314的第一传感器382来检测。因为漩涡路径172A导致燃烧产物172偏离第一燃烧室160的纵向轴线350,所以角度384形成在轴线350与第一传感器382的圆周位置之间。该角度384可以称为漩涡角度。
需要指出,根据燃烧产物172被感测的方式,燃烧产物172的漩涡可以是不同的。例如,成分传感器(例如CH4传感器、CO传感器、O2传感器)对于由特定燃烧室160产生的燃烧产物172可以具有一个漩涡角度,同时温度传感器对于相同燃烧产物172可以具有不同的漩涡角度。也就是说,气体成分漩涡角度可能不总是(但是有时会)匹配特定燃烧室的气体温度漩涡角度。
随着涡轮负载增加例如增加到100%的第二涡轮负载,燃烧产物172可以具有由涡轮级的增加的旋转速率引起的第二漩涡路径。该第二漩涡路径(其仅用于说明目的)如箭头172B来描述。在本实施例中,第一涡轮级314的第二传感器386可以检测燃烧产物172,表示第二漩涡角度388。每个燃烧室160可以分别具有第一涡轮负载处的第一漩涡角度和第二涡轮负载处的第二漩涡角度。事实上,与每个燃烧室160相关联的漩涡角度能够使控制系统100(和/或操作者)确定传感器阵列(例如在每个涡轮级处的传感器)中的哪个传感器306(或传感器集合)检测到来自特定燃烧室的燃烧产物172。在上面所述的示例中,例如,与在第一涡轮负载水平的第一燃烧室262相关联的第一漩涡角度384表示第一燃烧室262的燃烧产物172可以使用第一涡轮级314的第一传感器382来检测。
在某些实施例中,燃烧室160可以是间歇地点火或基本连续点火。因为燃烧室160将燃烧产物172排放到共用区(例如涡轮部156),所以来自燃烧室160的特定的一个燃烧室的燃烧产物172可能很难被识别。事实上,来自多个燃烧室160的燃烧产物172可以混合并且可以由共用传感器确定。然而,因为燃烧室160在共用区(例如涡轮部156)内的不同圆周方位处排放,所以来自不同燃烧室160的燃烧产物172可能未均等地影响每个传感器的响应。例如,在第一涡轮负载处,与由第三燃烧室266生成的燃烧产物172相比,来自第一燃烧室262的燃烧产物172可以对第一涡轮级314处的第一传感器382的响应具有更大贡献,第三燃烧室266可以具有引起燃烧产物172打旋远离第一传感器382的漩涡角度390。
因此,控制系统100可以利用传感器位置、漩涡角度以及每个燃烧室160之间的这种关系来监测由每个燃烧室160生成的燃烧产物172。例如,系统诊断376可以包括用于执行映射图392的程序,在映射图392中,每个燃烧室160的位置与特定传感器或传感器阵列方位相关。燃烧室/传感器映射图392可以考虑传感器160和传感器/传感器阵列的位置、传感器类型、感测的参数以及涡轮负荷等其他参数。
在某些状况中且在不同负载下,如上面阐述的,漩涡角度对于燃烧室160可能是未知的。因此,因为燃烧室160通常全部以相同燃烧参数运行(例如相同燃烧当量比),所以可能很难将特定传感器306关联到特定燃烧室160。根据本实施例,控制系统100可以利用燃烧控制374以调节特定燃烧室160的运行参数,从而识别哪个传感器306生成表示参数调节的响应。
例如,为了将第一燃烧室160映射到一个或多个传感器306,控制系统100可以调节燃料70到第一燃烧室306的流量(同时保持到其他燃烧室160的燃料流量基本相同),并且可以监测传感器306的响应,从而确定哪个传感器生成表示调节的燃料与氧化剂比的响应。通过示例的方式,燃料70到第一燃烧室262的流量可以增加,并且在第一涡轮级314处的第三传感器388可以记载所述调节(例如经由表示燃烧产物172中的高于预期的燃料与氧化剂比的反馈)。
可以对其他参数进行类似调节(例如第一燃烧室262的热量释放)。例如,燃料70与氧化剂68两者到第一燃烧室262的流量可以增加。虽然这不一定导致燃料与氧化剂比的变化,但是其可能导致第一燃烧室262中增加的燃烧量,其导致由第一燃烧室262释放的燃烧产物172比在进行调节之前更热。无论哪个传感器306记载了该温度变化,其均可以被关联(例如被映射)到第一燃烧室262。如上所述,温度映射可不必与成分映射(例如基于燃烧气体成分而映射)相同。本过程可以在不同负载下反复并且用于不同的燃烧室160,直到所有燃烧室160在不同负载处已经被映射。也就是说,映射过程在每个涡轮负载处产生将特定传感器306关联到特定燃烧室160的一系列燃烧室/传感器映射。
为了映射目的,目前预计到了运行参数的其他变化。例如,对于特定燃烧室,稀释剂成分可以被调节,从而确定哪个传感器306或传感器306组产生表示变化的响应。通过非限制性示例的方式,稀释剂的变化可以包括成分例如水、氮气、蒸汽等的浓度(例如分压)的增加。记载这种变化的(多个)传感器306然后可以被关联回被调节的燃烧室160。
控制系统100可以周期性地执行诊断程序以验证由传感器系统304生成的反馈被精确映射。在这类程序中,控制系统100可以执行如上所述的类似调节,并且可以将这样生成的反馈与现有的燃烧室/传感器映射进行比较。可以使用故障检测方案394执行比较(例如这些比较),其中所述比较的某些结果可以表示燃烧室部154、传感器系统304或SEGR GT系统52的其他部分或系统中的特定故障。
针对故障检测执行的比较可以包括但不限于,将以前映射的位置(例如来自现有燃烧室/传感器映射)与新位置反馈进行比较,将燃烧室参数的调节与传感器检测之间的时间(被称为延迟时间)与以前的延迟时间进行比较并且将测量的燃料与氧化剂比和以前的燃料与氧化剂比进行比较等等。基于所述比较,故障检测方案394可以能够识别潜在系统故障。在故障可以自动由控制系统100来校正/解决(例如经由阀门调节,针对特定燃烧室160使用不同的传感器306)的实施例中,控制系统100可以自动执行故障校正方案396。下面参照图9进一步详细地讨论可以由控制系统100执行的示例性故障指示和校正。
图7是描述方法400的处理流程图,其中控制系统100可以在开始处执行、在稳态运行期间或在运行SEGR GT系统52的任何其他时间段期间执行。特别地,方法400表示可以由控制系统100执行的一般处理流程,其中控制系统100将传感器响应映射到燃烧室,并且适当执行周期性诊断。通过非限制性示例的方式,方法400可以相应于如上讨论的负载控制372、燃烧控制374以及系统诊断方案376中执行的任意一个动作或动作的组合。
方法400包括将来自一个或多个传感器306(例如单个传感器306或传感器306的阵列)的反馈映射到燃烧室部154运行(框402)。如下面参照图8详细讨论的,根据框402的映射过程可以包括:当每个燃烧室106的运行被独立调节时,将传感器响应关联到每个燃烧室160。
在框402的动作之前、期间或之后,方法400进一步包括运行(404)SEGRGT系统52,例如以稳态或以能够使SEGR GT系统52上的负载被调节的方式。例如,SEGR GT系统52可以基于来自电网(例如市政当局的电网)的电功率需求、基于来自强化油回收应用的排气的需求或这些和其他这类应用的任一组合而被装载和卸载。例如,在SEGR GT系统52被同步到电网的实施例中,当电网“下垂”到低于某一水平时,系统52可以被装载(例如,SEGR GT系统52上的负载可以被增加)。
控制系统100可以例如周期性地或作为传感器反馈的结果确定(查询406)系统100是否应该执行诊断程序(例如系统诊断方案376)。例如,控制系统100可以基于来自一个或多个传感器306的反馈来确定排气66不在预定规范内(例如,超出期望的燃料与氧化剂比或不处于期望的温度和/或压力)。作为另一示例,控制系统100可以规律间隔(例如一天一次、一周一次、一月一次或任何其他间隔)执行诊断。
在控制系统100确定不需要诊断的实施例中,方法400根据框404继续运行SEGR GT系统。在其他实施例中,控制系统100可以确定一个或多个诊断程序应该被执行。在这类实施例中,方法400可以前进到执行(框408)燃烧室系统诊断。
根据本实施例和如下面的详细讨论,燃烧室系统诊断可以包括独立扰动一个燃烧室160的运行,同时剩余的燃烧室160被保持处于运行的相对稳态(例如稳定的燃烧当量比)。控制系统100可以监测哪个传感器检测到这种变化,并且可以作为该监测的结果而(例如向用户)提供某些类型的反馈。例如,关于被调节的特定燃烧室是否正常工作和/或以前映射到燃烧室160的传感器是否仍然是适当的,控制系统100可以向用户提供反馈或向随后由计算机实施的算法提供作为输入的反馈。框408的动作可以执行用于燃烧室部154中的一个燃烧室160、一些燃烧室160或所有燃烧室160的相同或类似功能。进一步地,根据框408执行的燃烧室系统诊断不限于本文公开的燃烧室诊断。事实上,根据框408执行的诊断可以包括除了其他程序之外的本文描述的燃烧室诊断程序。
响应于诊断程序期间生成的各种指示,方法400也可以包括适当地执行(框410)可校正动作。例如,如果燃烧室160生成具有超出给定规范的参数的燃烧产物172,则控制系统100可以调节到特定燃烧室160的燃料流量和/或氧化剂流量,或如果反馈指示具有与燃烧室相关的故障,则控制系统100可以停止运行一个或多个燃烧室160。控制系统100也可以向用户提供燃烧室部154需要服务的反馈。
类似地,如果一个或多个传感器306没有适当响应,则控制系统100可以停止使用未运行的传感器或不合规范的传感器,或可以根据传感器响应调节一个或多个传感器与特定燃烧室的相关性。控制系统100也可以向用户提供一个或多个传感器306可能需要替换的指示。
如上所述,控制系统100可以执行一个或多个燃烧室/传感器映射方案392例如以生成用于可以执行诊断的每个涡轮负载的燃烧室/传感器映射。所述映射可以被执行以用于任何数量的负载增量变化,例如2与1000之间的增量变化、5与500之间的增量变化、10与100之间的增量变化等等。图8是描述燃烧室/传感器映射方法420的处理流程图,以用于生成一个或多个燃烧室/传感器映射。
在图示的实施例中,方法420包括向控制系统100,并且特别是向执行方法420的一个或多个由计算机实施的程序/应用提供(框422)多个输入。多个输入可以包括相应的方位、尺寸、涡轮部156(或其他区域)内的传感器阵列的类型。所述输入也可以包括从燃料分析系统288生成的反馈(例如燃料流内的每个燃料成分的相对浓度(例如分压))、将被测试的涡轮负载点(例如以用于在一系列涡轮负载点处生成映射)、氧化剂流量信息(例如流速、压力、氧化剂成分信息)以及类似信息。在一个实施例中,可以期望燃料供给是稳定的,以便避免扰动燃烧过程,扰动燃烧过程可引起生成不可靠的反馈。
一旦控制系统100根据框422收集/接收输入,则方法420包括以燃烧的稳态(例如所有燃烧室的稳定的燃烧当量比、稳定的涡轮负载点)运行(框424)SEGR GT系统。事实上,可期望以该方式运行SEGR GT系统52,从而避免漩涡角度和其他相关流动参数的改变,该漩涡角度和其他相关流动参数将在方法420中的随后步骤处被计算且用于燃烧室/传感器关联。
方法420也可以包括验证(框426)传感器阵列温度在具体范围内。事实上,因为传感器响应可以至少部分取决于其运行温度,所以可以期望确保传感器306的温度保持基本不变。传感器温度可以被直接测量(例如经由热电偶、热敏电阻),或控制系统100可以监测表示其温度(或至少表示其温度是稳定的)的反馈,例如用于保持传感器306的温度的热交换流体的占空比。
一旦SEGR GT系统52以稳态运行,则对系统的扰动(例如对燃烧室部160的一个燃烧室160的扰动)可以被检测且关联回特定燃烧室160。因此,方法420包括调节(框428)一个燃烧室160(有时被称为燃烧室“筒(can)”)的参数直到获得一个或多个传感器306的响应的变化。为了讨论的目的,这被称为调节燃烧室筒“N”的运行参数,其中“N”表示任何特定的一个燃烧室160。在特定的一个燃烧室160被调节之后,如下面讨论的,当移动到燃烧室“N+1”即下一个燃烧室160时,方法420前进以执行本文描述的步骤。
可以被调节的运行参数不限于燃料流量或氧化剂流量。而是,任何运行参数当被调节时均可以导致燃烧产物172中可检测的变化(例如其相应温度、压力、流速、成分的变化)可以根据框428被调节。例如,可以调节燃烧室160的燃料流量、氧化剂流量、排气稀释剂流量、其他稀释剂流量(例如蒸汽喷射、水喷射、氮气喷射)、点火温度、点火速率以及其他。
一个或多个传感器306的响应可以被记录(框430)。例如,(多个)传感器306的输出(例如测量的燃料与氧化剂的比、温度、压力)可以被记录,以及运行参数被调节的时间与变化由(多个)传感器306检测到的时间之间的时间延迟可以被记录。
所述响应然后被关联(框432)回燃烧室筒“N”。例如,检测到变化的(多个)传感器306的位置可以被关联回燃烧室筒“N”的位置以在特定涡轮负载点处生成漩涡角度(例如漩涡角度384)。时间延迟(或“传输延迟”)也可以被关联到特定燃烧室160和(多个)传感器。
在框430和框432的动作期间或之后,控制系统100可以将燃烧室筒“N”返回(框434)到类似于剩余涡轮燃烧室160的运行状态(例如框424处的燃烧参数)。控制系统100也可以确定(查询326)映射过程是否已经被完成。例如,控制系统100可以确定期望数量的燃烧室160是否已经被映射到相应的传感器/传感器阵列,和/或是否已经为期望的涡轮负载点生成燃烧室/传感器映射(例如80%负载、90%负载、100%负载)。
在映射未完成的实施例中,方法420可以移动到燃烧室筒“N+1”,即燃烧室部154中的下一个燃烧室160(或该部中的任一其他燃烧室160)(框438)。例如,在燃烧室筒“N+1”为第一燃烧室262的实施例中,方法420可以前进到框438中的第二燃烧室264、或第三燃烧室266、第四燃烧室352或任一其他燃烧室160。
在映射完成的实施例中(例如在给定涡轮负载点处完成、或在所有涡轮负载点处完成),方法420前进到使用(框440)(多个)燃烧室/传感器映射以用于监测燃烧过程。如下面关于图9讨论的,这些映射可以被用于周期性地(例如在每个方案中周期性地或作为特定反馈的结果周期性地)监测和诊断燃烧室部154和/或传感器系统304的潜在问题。
图9描述了示出用于在涡轮部154和传感器系统304上执行诊断的方法450的实施例的处理流程图。如所示,方法450包括上面关于图8中的方法420所述的许多处理,包括向控制系统100提供合适的输入(框422)、以稳态(例如基本稳态,诸如在改变不多于0%至5%之间的燃烧当量比内)运行SEGR GR系统52(框424)、验证传感器温度(框426)、调节燃烧室筒“N”的参数(框428)以及记录变化的传感器响应的参数(框430)。
在方法450中,一旦针对特定燃烧室调节记录了传感器响应,则控制系统100将新记录的传感器响应与之前的传感器响应进行比较,该之前的传感器响应用于生成针对特定涡轮负载点的燃烧室/传感器映射,被称为针对所述响应的“预期值”。例如,控制系统100可以将新记录的传输延迟与预期的传输延迟进行比较,将该新记录的燃料与氧化剂的比与预期的燃料与氧化剂的比进行比较,将新记录的传感器位置与预期的传感器位置进行比较等等。在多个传感器响应的情况中,可以基于传感器分组、基于传感器组的各传感器或其任一组合而进行类似比较。而且,控制系统100也可以确定传感器响应是否均匀地横穿传感器组中的所有传感器。这类检测能够使控制系统100执行燃烧室诊断,同时也识别各传感器的潜在问题。如上面关于图6所述,这类比较可以由系统诊断方案376执行,并且特别是由包括故障检测394的程序执行。
基于所述比较,控制系统100可以确定(查询454)新记录的(多个)传感器响应是否如预期(例如在预期值的预定公差内)。在参数没有如预期的实施例中,方法450前进到指示(框456)潜在故障情况和/或适当执行可校正动作。再者,偏离预期值的特定性质可以提供关于潜在故障的性质的反馈,以及提供潜在故障可以被校正以用于诊断传感器306和/或涡轮燃烧室160的状况的方式。如下面所示,表3描述了基于由系统诊断376执行的比较以及产生的潜在故障校正的故障指示的一些非限制性示例。
表3
如上面表3中所示,根据框452执行的某些比较的结果当表示潜在故障时可以引起由控制系统100提供的各种指示。例如,所述指示可以是用户可感知的(例如听觉的、视觉的、触觉的),或者可以被提供为随后程序(例如用于故障校正396)的输入或其组合。如上所述,当燃料与氧化剂比为不是单个传感器(被列为“传感器L”)预期(例如在预期值的预定公差内)的被比较的参数时,控制系统100可以提供传感器的能力或响应中具有移位的指示。在一些实施例中,这类比较可以说明传感器的运行中随时间的预期移位(例如随着传感器慢慢地变得劣化)。事实上,基于该移位,控制系统100可以确定传感器的劣化水平。在这类实例中,控制系统100可以自动利用邻近故障传感器定位的传感器,以用于与燃烧室筒“N”相关的读数。
另一方面,在数个传感器未如燃料与氧化剂比的测量值所预期的进行响应的情况中,控制系统100可以提供具有多个传感器故障和/或燃烧室筒“N”中具有潜在故障(比如来自故障/破损密封的潜在漏气)或特定燃烧室的参数已经被简单改变的指示。在这类实施例中,控制系统100可以关闭燃烧室筒“N”的运行,或者可以向操作者提供燃烧室部154/传感器系统304可能需要服务的指示。在其他实施例中,控制系统100可以安排在未来时间(例如服务数据库内)的服务。在更进一步的实施例中,可以根据比较的结果调节燃烧室的运行。
因为某些类型的传感器在它们被劣化(例如恰在失效之前)时显示出增加的延迟,所以当传输延迟高于传感器“L”的上规范极限(USL)时,控制系统100可以提供传感器“L”处于劣化状态的指示。事实上,传输延迟可以与传感器的特定劣化水平相关。在传感器“L”超过USL的实施例中,控制系统100可以使用相邻传感器,以用于确定关于燃烧室筒“N”的燃料与氧化剂的比。
如果多个传感器的传输延迟高于其相应的USL,则控制系统100可以提供具有多个劣化的传感器和/或具有潜在燃烧室故障的指示。在这类实施例中,控制系统100可以关闭燃烧室筒“N”的运行,或可以向操作者提供燃烧室部154/传感器系统304可能需要服务的指示。
如表3中所示的另一示例,响应传感器的位置可能不是预期位置。也就是说,响应被预期的映射的传感器可能不对应于显示出响应的传感器。在这类实施例中,控制系统100可以提供在特定涡轮负载点处的燃烧室筒“N”的漩涡信息(例如漩涡角度)是不精确的指示,并且可以通过将校正应用到与在涡轮负载点处的传感器容器“N”相关联的漩涡信息而采取校正动作。
需要指出,上面提供的示例仅意为示例性的,且不意在限制由控制系统100监控和调节的参数的范围。事实上,根据本实施例,关于燃烧室运行的任意数量的参数可以被监控、被调节、被诊断、或被校正、或其任一组合。
在所有参数均如预期或在预期值的公差内(查询454的答案为“是”)的实施例中,方法450前进到如上面关于方法420所述的调节下一个燃烧室筒,燃烧室筒“N+1”。也就是说,在燃烧室筒“N”被诊断之后,方法450前进到调节下一个燃烧室筒(容器“N+1”)并且将与对燃烧室筒“N+1”的调节相关联的传感器响应与在生成燃烧室/传感器映射时所确定的燃烧室筒“N+1”的预期值进行比较。事实上,方法450可以恰当频率重复且用于燃烧室部154中的恰当数量的燃烧室160。
需要指出,执行上面讨论的燃烧室和传感器诊断的本方法可以得益于具体类型传感器的使用,并且特别是具体类型氧传感器的使用。例如,如上所述,在某些实施例中,燃气涡轮系统150可以在燃烧的化学计量条件下(例如以变化范围在0.95与1.05之间的当量比)运行。
如上面关于图6所述,可以期望的是:当燃气涡轮系统150在燃烧的化学计量条件下运行时,与窄带氧传感器截然相反,传感器306是宽带氧传感器。这可以参考图10的图示被进一步理解。特别地,图10是宽带氧传感器响应曲线462(例如UEGO传感器)与窄带氧传感器响应曲线464(例如HEGO传感器)的示例性组合的图形460。响应曲线462、464被绘制为作为λ468(空燃比)的函数的响应466,λ468(空燃比)是当量比的倒数,或。因此,λ是化学计量氧化剂/燃料比的比相对于实际氧化剂/燃料比的比。以此方式,大于1.0的λ导致燃料与氧化剂的稀燃料燃烧,然而小于1.0的λ导致燃料与氧化剂的富燃料燃烧。相反,1.0的λ导致既不是富燃料也不是稀燃料的燃烧,从而基本消耗燃烧反应中的所有燃料和氧化剂。需要指出,曲线462、464仅是示例,其被提出以便于讨论,并且不意在限制本公开的范围。
在宽带型氧传感器中,电子电路控制通过氧泵单元的泵流量,使得邻近扩散间隙或扩散间隙内的气体成分保持恒定的大约为1的λ。这由能斯特电池(Nernst cell)来测量。关于宽带传感器的运行,如果由宽带传感器感测的燃烧产物170为稀氧,则宽带传感器的氧泵单元被激活以将氧泵送离开传感器的扩散间隙。如果燃烧产物170为富氧,则流的方向为相反的,使得所述单元将氧泵送到扩散间隙中。流向泵和流出泵与燃烧产物170的氧浓度成比例。因此,宽带传感器的响应通常被提供为电流的水平,其一般以毫安测量。
如图10所示,对于λ大于1的值(例如正数),宽带氧传感器响应曲线462的泵送电流大于0,并且对于λ值小于1,宽带氧传感器响应曲线462的泵送电流小于0(例如负数)。进一步地,宽带氧传感器响应曲线462在λ值的宽范围内延伸,其中随着宽带氧传感器响应曲线462从泵送电流的负数区域移动到正数区域,泵送电流的响应是平缓的。因此,λ值的小变化可以导致宽带氧传感器的泵送电流的值的相对小的变化。
相反,窄带氧传感器(例如HEGO传感器)可以显示出靠近大约为1的λ值的泵送电流中的快速或大变化。事实上,如图10所示,窄带氧传感器响应曲线464类似于近似为1的λ值(化学计量允许)的区域中的步进函数。在本实施例的背景中,因为λ的值可以由控制系统100使用以保持燃气涡轮发动机150的化学计量运行,所以宽带氧传感器可以更好地适于能够控制SEGR燃气涡轮系统52。事实上,宽带氧传感器(例如UEGO传感器)可以提供更精确的氧浓度的值,同时窄带氧传感器可以用于仅指示特定浓度下的氧的存在或不存在。
进一步地,在本方法的背景中,横跨宽范围的λ值的相对平缓的响应可以在诊断期间获得较大程度的信息。例如,因为宽带氧传感器的响应可以比窄带氧传感器更精确(具体地处于化学计量情况或围绕化学计量情况),所以本公开的诊断程序可以附加地提供关于传感器劣化程度或一些其他系统故障的程度(例如密封泄漏的程度)的数据。因此,在上面所述的任何方法中,诊断程序也可以除了指示潜在故障情况的存在之外,还可以指示潜在故障情况的程度,并且也可以基于潜在故障情况的程度作出特定决定和采取特定类型的控制或校正动作。
例如,如果在诊断程序的过程期间,控制系统100确定在一个传感器306中具有潜在故障,则控制系统100也可以确定传感器的相应响应为不正确的程度(例如通过计算偏差,诸如与其他传感器306的平均响应的标准偏差,所述其他传感器也检测燃烧产物170的参数的变化)。与平均值的偏差(或其他类型的偏差)可以确定传感器306是否应被替代,或传感器306是否仍然能够被使用达特定时间量。可以为其他系统组件作出类似类型的决定,例如燃料和/或氧化剂供应管路内的密封件、涡轮燃烧室部154内的密封件等等。
虽然因为上面阐述的原因使用宽带氧传感器可以是期望的,但是需要指出,本公开也包含使用窄带氧传感器以执行本文所述的程序。因此,在传感器306为氧传感器的实施例中,传感器306可以全部为宽带传感器(例如UEGO传感器),可以全部为窄带传感器(例如HEGO传感器)或者可以为宽带传感器和窄带传感器的任意组合(例如仅UEGO传感器的区域、仅HEGO传感器的区域、具有成对的UEGO传感器与HEGO传感器的区域)。
附加描述
如上所述,本实施例提供了用于在燃气涡轮系统的涡轮燃烧室部上执行诊断的系统和方法。需要指出,上述特征的任意一个或其组合可以被用于任何合适的组合中。事实上,这类组合的所有变换组合目前均是可预想的。通过示例的方式,提供以下条款以作为本公开的进一步描述:
实施例1.一种系统,其包括:燃气涡轮系统,其包括:涡轮燃烧系统,其包括多个涡轮燃烧室,每个所述涡轮燃烧室被配置为燃烧燃料/氧化剂混合物以产生燃烧产物;涡轮,其由所述涡轮燃烧系统产生的所述燃烧产物来驱动;多个传感器,其被定位在所述涡轮燃烧系统的下游且被配置为监测所述燃烧产物的一个或多个参数;以及控制系统,其包括共同存储一组或多组指令的一个或多个非易失性机器可读介质,所述一组或多组指令可由处理器实施以执行涡轮燃烧系统诊断程序,所述诊断程序包括:调节所述多个涡轮燃烧室的第一涡轮燃烧室的运行参数,从而引起由所述第一涡轮燃烧室产生的所述燃烧产物的变化;识别所述多个传感器中的一个或多个第一传感器的相应的传感器响应,所述第一传感器检测所述燃烧产物的变化;使相应的传感器响应与所述第一涡轮燃烧室相关;以及基于所述相应的传感器响应来诊断所述一个或多个第一传感器、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
实施例2.根据实施例1所述的系统,其中所述涡轮燃烧系统诊断程序包括将相应的传感器响应与预期的传感器响应进行比较以诊断所述情况,并且其中如果所述相应的传感器响应和所述预期的传感器响应中的至少一个不在彼此预定公差内,则所述控制系统执行校正动作,提供用户可感知的指示或其组合。
实施例3.根据实施例1或实施例2所述的系统,其中调节所述多个涡轮燃烧室的所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数包括:通过调节燃料水平修正阀而调节所述第一涡轮燃烧室中的燃料/氧化剂的比,使得所述预期的传感器响应表示特定燃料/氧化剂的比,其中当所述一个或多个第一传感器的单个传感器的第一传感器响应不在所述特定燃料/氧化剂的比的所述预定公差内时,所述控制系统使用与单个传感器相邻的一个或多个第一传感器中的传感器以监测所述燃料/氧化剂的比,提供所述单个传感器的故障指示,或其组合。
实施例4.根据任一前述实施例所述的系统,其中调节所述多个涡轮燃烧室的所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数包括:通过调节燃料水平修正阀而调节所述第一涡轮燃烧室中的燃料/氧化剂的比,使得所述预期的传感器响应表示特定燃料/氧化剂的比,其中当所有的所述一个或多个第一传感器的所述相应的传感器响应不在所述特定燃料/氧化剂的比的所述预定公差内时,所述控制系统提供所述多个传感器的故障指示、提供所述第一涡轮燃烧室的故障指示、调节所述第一涡轮燃烧室的所述运行、或其任意组合。
实施例5.根据任一前述实施例所述的系统,其中将所述相应的传感器响应与所述预期的传感器响应进行比较包括:将具有所述相应的传感器响应的所述一个或多个第一传感器的实际的相应的位置与预期具有相应的传感器响应的传感器的预期的位置进行比较,并且其中当所述实际位置和所述预期位置不相同时,所述控制电路使用具有所述相应的传感器响应的所述传感器的实际位置。
实施例6.根据任一前述实施例所述的系统,其中所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:使用所述一个或多个第一传感器的所述实际位置以生成由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物的漩涡角度信息;以及将生成的漩涡角度信息与由所述第一涡轮燃烧室产生的所述燃烧产物的预期漩涡角度信息进行比较,并且其中当生成的漩涡角度信息指示当前漩涡角度不在所述预期漩涡角度的预定公差内时,所述控制系统诊断所述预期漩涡角度的不良匹配并且使用生成的漩涡角度信息更新所述预期的漩涡角度。
实施例7.根据任一前述实施例所述的系统,其中将所述相应的传感器响应与所述预期的传感器响应进行比较包括:将所述一个或多个第一传感器的第一延迟时间与预期延迟时间进行比较,所述延迟时间包括在对所述运行参数作出所述调节时的时间与在所述相应的传感器响应发生时的时间之间的延迟,并且所述预期的延迟时间包括在对所述运行参数作出所述调节时的时间与在所述相应的传感器响应发生时的时间之间的预期延迟。
实施例8.根据任一前述实施例所述的系统,其中当所述一个或多个第一传感器的单个传感器的所述延迟时间不在所述预期的延迟时间的预定公差内时,所述控制系统诊断所述单个传感器的劣化状态,并且利用相邻的传感器以监测由所述第一涡轮燃烧室产生的所述燃烧产物的所述一个或多个参数。
实施例9.根据任一前述实施例所述的系统,其中当所述一个或多个第一传感器中的至少一个传感器具有不在所述预期的传感器响应的所述预定公差内时,所述控制系统提供所述至少一个传感器处于劣化状态的指示,并且所述控制系统使用与所述至少一个传感器相邻的传感器来监测所述燃烧产物的所述一个或多个参数。
实施例10.根据任一前述实施例所述的系统,其中当所述一个或多个第一传感器的预定百分比具有不在所述预期的传感器响应的所述预定公差内的响应时,所述控制系统提供涡轮燃烧室故障指示、燃料供应故障指示、氧化剂供应故障指示或其任意组合。
实施例11.根据任一前述实施例所述的系统,其中当所述第一传感器响应在所述预期的响应的所述预定公差内时,所述涡轮燃烧室诊断程序将所述第一涡轮燃烧室的运行再次调节到正常运行,并且开始测试所述多个涡轮燃烧室的第二涡轮燃烧室。
实施例12.根据任一前述实施例所述的系统,其中正常运行包括:所述燃料/氧化剂混合物在存在排气稀释剂的情况下以预定当量比燃烧。
实施例13.根据任一前述实施例所述的系统,其中所述预定当量比在大约0.95与1.05之间,并且其中所述多个传感器中的传感器为宽带氧传感器。
实施例14.根据任一前述实施例所述的系统,其包括:排气压缩机,其由所述涡轮驱动,其中所述排气压缩机被配置为将由所述涡轮自所述燃烧产物生成的排气压缩并且将所述压缩排气供应到所述涡轮燃烧系统以作为排气稀释剂。
实施例15.根据任一前述实施例所述的系统,其包括:排气再循环(EGR)系统,其被配置为将所述排气沿着排气再循环路径从所述涡轮再循环到所述排气压缩机。
实施例16.一种方法,其包括:执行包括以下动作的涡轮燃烧室诊断程序:以基本稳态的燃烧运行多个涡轮燃烧室中的第一涡轮燃烧室;调节所述第一涡轮燃烧室的运行参数以引起由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物的变化;识别多个传感器的第一分组的第一传感器响应,所述多个传感器设置在流体耦连到所述涡轮燃烧室的涡轮之内或其下游,所述第一传感器响应表示所述燃烧产物的所述变化,并且其中所述第一分组包括一个或多个第一传感器;将传感器的所述第一分组与所述第一涡轮燃烧室相关;以及基于所述第一传感器响应来诊断所述多个传感器的所述第一分组、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
实施例17.根据实施例16所述的方法,其中调节所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数包括:调节压缩的排气稀释剂到所述第一涡轮燃烧室的流量以引起燃烧温度的变化。
实施例18.根据实施例16或实施例17所述的方法,其中调节所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数包括:调节燃料到所述第一涡轮燃烧室的流量或氧化剂到所述第一涡轮燃烧室的流量或其组合以引起所述第一涡轮燃烧室的燃烧当量比的变化。
实施例19.根据任一前述实施例所述的方法,其包括:确定传感器的所述第一分组是否对应于与所述第一涡轮燃烧室相关的传感器的预期分组。
实施例20.根据任一前述实施例所述的方法,其包括:如果传感器的所述预期分组和传感器的所述第一分组不匹配,则将传感器的所述预期分组去除相关。
实施例21.根据任一前述实施例所述的方法,其包括:如果传感器的所述预期分组和传感器的所述第一分组不匹配,则更新关联到所述第一涡轮燃烧室的漩涡角度信息。
实施例22.根据任一前述实施例所述的方法,其包括:确定所述第一传感器响应是否在预期的传感器响应的预定公差内。
实施例23.根据任一前述实施例所述的方法,其包括:当所述第一传感器响应表示第一燃烧当量比、所述预期的传感器响应表示第二燃烧当量比,以及所述第一燃烧当量比和所述第二燃烧当量比在所述预定公差内不匹配时,提供燃料与氧化剂的比的移位的指示。
实施例24.根据任一前述实施例所述的方法,其包括:调节所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数、附加运行参数或其组合,直到所述第一燃烧当量比和所述第二燃烧当量比在所述预定公差内匹配。
实施例25.根据任一前述实施例所述的方法,其中当所述第一传感器响应在所述预期的传感器响应的所述预定公差内时,所述涡轮燃烧室诊断程序将所述第一涡轮燃烧室的运行再次调节到基本稳态的燃烧,并且开始测试所述多个涡轮燃烧室的第二涡轮燃烧室。
实施例26.根据任一前述实施例所述的方法,其中识别所述第一传感器响应包括:识别所述运行参数的所述调节与所述第一传感器响应之间的第一时间延迟。
实施例27.根据任一前述实施例所述的方法,包括:确定所述第一时间延迟是否在预定的时间延迟范围内,以及当所述第一时间延迟不在所述预定的时间延迟范围内时,提供传感器故障指示。
实施例28.根据任一前述实施例所述的方法,其中识别所述多个传感器的所述第一分组的所述第一传感器响应包括:识别所述多个传感器的所述第一分组的方位,以及当所述第一分组包括多于一个传感器时,确定所述第一传感器响应是否均匀地横跨整个所述第一分组。
实施例29.根据任一前述实施例所述的方法,其包括:识别具有在所述第一传感器响应的预定范围之外的相应的传感器响应的所述多个传感器的所述第一分组的一个或多个传感器。
实施例30.根据任一前述实施例所述的方法,其中以基本稳态的燃烧运行所述多个涡轮燃烧室的所述第一涡轮燃烧室包括:以大约0.95与1.05之间的燃烧当量比来运行所述第一涡轮燃烧室,并且其中所述多个传感器中的每个传感器为宽带氧传感器。
实施例31.根据任一前述实施例所述的方法,其中以所述基本稳态的燃烧运行所述多个涡轮燃烧室的所述第一涡轮燃烧室包括:在存在从所述涡轮再循环的再循环排气的情况下,燃烧燃料/氧化剂混合物。
实施例32.一种系统,其包括:一个或多个有形机器可读介质,其共同存储一组或多组指令,所述一组或多组指令可由处理器实施以执行涡轮燃烧系统诊断程序,所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:以大约0.95与1.05之间的燃烧当量比来运行多个涡轮燃烧室中的第一涡轮燃烧室;调节到所述第一涡轮燃烧室的燃料的流量、氧化剂的流量或其组合以使得由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物从第一燃烧产物变化为第二燃烧产物,所述第二燃烧产物不同于所述第一燃烧产物;识别检测所述第二燃烧产物的第一传感器的第一传感器响应;使所述第一传感器与所述第一涡轮燃烧室相关;以及基于所述第一传感器响应来诊断所述第一传感器、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
实施例33.根据实施例32所述的系统,其中调节到所述第一涡轮燃烧室的燃料的流量、氧化剂的流量或其组合包括:增加所述燃料的流量,使得所述第二燃烧产物包括比所述第一燃烧产物所包含的更高浓度的未燃烧燃料。
实施例34.根据实施例32或实施例33所述的系统,其中所述第一传感器响应包括第一燃料与氧化剂的比,并且其中所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:将所述第一传感器响应的所述第一燃料与氧化剂的比与预期的响应的第二燃料与氧化剂的比进行比较。
实施例35.根据任一前述实施例所述的系统,其中当所述第一传感器为多个第一传感器中的一个,并且所述第一传感器响应没有落入预期的传感器响应的公差范围内时,所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:提供所述第一传感器的传感器故障指示,以及提供具有落入所述公差范围内的相应的响应的所述多个第一传感器的至少第二传感器,以用于监测由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物。
实施例36.根据任一前述实施例所述的系统,其中当所述第一传感器为多个第一传感器中的一个,并且预定数量的所述第一传感器具有不落入预期的传感器响应的公差范围内的相应的传感器响应时,所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:提供所述第一涡轮燃烧室的燃烧室故障指示。
虽然本文已经图示和描述了本发明的仅仅某些特征,但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此,应理解的是,所附权利要求意图覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。

Claims (26)

1.一种系统,其包括:
燃气涡轮系统,其包括:
涡轮燃烧系统,其包括多个涡轮燃烧室,每个所述涡轮燃烧室被配置为燃烧燃料/氧化剂混合物以产生燃烧产物;
涡轮,其由所述涡轮燃烧系统产生的所述燃烧产物来驱动;
多个传感器,其被定位在所述涡轮燃烧系统的下游并且被配置为监测所述燃烧产物中的一个或多个参数;以及
控制系统,其包括共同存储一组或多组指令的一个或多个非易失性机器可读介质,所述一组或多组指令可由处理器实施以执行涡轮燃烧系统诊断程序,所述诊断程序包括:
调节所述多个涡轮燃烧室中的第一涡轮燃烧室的运行参数,从而引起由所述第一涡轮燃烧室产生的所述燃烧产物的变化;
识别所述多个传感器中的一个或多个第一传感器的相应的传感器响应,所述第一传感器检测所述燃烧产物的变化;
使所述相应的传感器响应与所述第一涡轮燃烧室相关;以及
基于所述相应的传感器响应来诊断所述一个或多个第一传感器、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
2.根据权利要求1所述的系统,其中所述涡轮燃烧系统诊断程序包括将所述相应的传感器响应与预期的传感器响应进行比较以诊断所述情况,并且其中如果所述相应的传感器响应和所述预期的传感器响应中的至少一个不在彼此预定公差内,则所述控制系统执行校正动作、提供用户可感知的指示或其组合。
3.根据权利要求2所述的系统,其中调节所述多个涡轮燃烧室的所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数包括:通过调节燃料水平修正阀而调节所述第一涡轮燃烧室中的燃料/氧化剂的比,使得所述预期的传感器响应表示特定燃料/氧化剂的比,其中当所述一个或多个第一传感器的单个传感器的第一传感器响应不在所述特定燃料/氧化剂的比的所述预定公差内时,所述控制系统使用与所述单个传感器相邻的所述一个或多个第一传感器中的传感器以监测所述燃料/氧化剂的比,提供所述单个传感器的故障指示、或其组合。
4.根据权利要求2所述的系统,其中调节所述多个涡轮燃烧室的所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数包括:通过调节燃料水平修正阀而调节所述第一涡轮燃烧室中的燃料/氧化剂的比,使得所述预期的传感器响应表示特定燃料/氧化剂的比,其中当所有的所述一个或多个第一传感器的所述相应的传感器响应不在所述特定燃料/氧化剂的比的所述预定公差内时,所述控制系统提供所述多个传感器的故障指示、提供所述第一涡轮燃烧室的故障指示、调节所述第一涡轮燃烧室的所述运行、或其任意组合。
5.根据权利要求2所述的系统,其中将所述相应的传感器响应与所述预期的传感器响应进行比较包括:将具有所述相应的传感器响应的所述一个或多个第一传感器的实际的相应位置与预期具有所述相应的传感器响应的传感器的预期的位置进行比较,并且其中当所述实际的位置和所述预期的位置不相同时,所述控制电路使用具有所述相应的传感器响应的所述传感器的实际的位置。
6.根据权利要求5所述的系统,其中所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:
使用所述一个或多个第一传感器的所述实际的位置以生成由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物的漩涡角度信息;以及
将生成的所述漩涡角度信息与由所述第一涡轮燃烧室产生的所述燃烧产物的预期的漩涡角度信息进行比较,并且其中当生成的所述漩涡角度信息指示当前漩涡角度不在所述预期的漩涡角度的预定公差内时,所述控制系统诊断所述预期的漩涡角度的不良配合并且使用生成的所述漩涡角度信息更新所述预期的漩涡角度。
7.根据权利要求2所述的系统,其中将所述相应的传感器响应与所述预期的传感器响应进行比较包括:将所述一个或多个第一传感器的第一延迟时间与预期的延迟时间进行比较,所述延迟时间包括在对所述运行参数作出所述调节时的时间与在所述相应的传感器响应发生时的时间之间的延迟,并且所述预期的延迟时间包括在对所述运行参数作出所述调节时的时间与在所述相应的传感器响应发生时的时间之间的预期的延迟。
8.根据权利要求7所述的系统,其中当所述一个或多个第一传感器的单个传感器的所述延迟时间不在所述预期的延迟时间的预定公差内时,所述控制系统诊断所述单个传感器的劣化状态,并且利用相邻的传感器来监测由所述第一涡轮燃烧室产生的所述燃烧产物的所述一个或多个参数。
9.根据权利要求2所述的系统,其中当所述一个或多个第一传感器的至少一个传感器具有不在所述预期的传感器响应的所述预定公差内的响应时,所述控制系统提供所述至少一个传感器处于劣化状态的指示,并且所述控制系统使用与所述至少一个传感器相邻的传感器来监测所述燃烧产物的所述一个或多个参数。
10.根据权利要求2所述的系统,其中当所述一个或多个第一传感器的预定百分比具有不在所述预期的传感器响应的所述预定公差内的响应时,所述控制系统提供涡轮燃烧室故障指示、燃料供应故障指示、氧化剂供应故障指示或其任意组合,并且其中当所述第一传感器响应在所述预期的响应的所述预定公差内时,所述涡轮燃烧室诊断程序将所述第一涡轮燃烧室的运行再次调节到正常运行,并且开始测试所述多个涡轮燃烧室的第二涡轮燃烧室。
11.根据权利要求10所述的系统,其中正常运行包括:所述燃料/氧化剂混合物在存在排气稀释剂的情况下以预定当量比燃烧。
12.根据权利要求11所述的系统,其中所述预定当量比在大约0.95与1.05之间,并且其中所述多个传感器中的传感器为宽带氧传感器。
13.根据权利要求1所述的系统,其包括:
排气压缩机,其由所述涡轮驱动,其中所述排气压缩机被配置为将由所述涡轮自所述燃烧产物生成的排气压缩并且将压缩的所述排气供应到所述涡轮燃烧系统以作为排气稀释剂;以及
排气再循环系统即EGR系统,其被配置为将所述排气沿着排气再循环路径从所述涡轮再循环到所述排气压缩机。
14.一种方法,其包括:
执行包括以下动作的涡轮燃烧室诊断程序:
以基本稳态的燃烧运行多个涡轮燃烧室的第一涡轮燃烧室;
调节所述第一涡轮燃烧室的运行参数以引起由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物的变化;
识别多个传感器的第一分组的第一传感器响应,所述多个传感器设置在流体耦连到所述涡轮燃烧室的涡轮之内或该涡轮下游,所述第一传感器响应表示所述燃烧产物中的所述变化,并且其中所述第一分组包括一个或多个第一传感器;
使传感器的所述第一分组与所述第一涡轮燃烧室相关;以及
基于所述第一传感器响应来诊断所述多个传感器的所述第一分组、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
15.根据权利要求14所述的方法,其中调节所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数包括:调节压缩的排气稀释剂到所述第一涡轮燃烧室的流量以引起燃烧温度的变化,或调节燃料或氧化剂到所述第一涡轮燃烧室的流量以引起所述第一涡轮燃烧室的燃烧当量比的变化。
16.根据权利要求14所述的方法,其包括:
确定传感器的所述第一分组是否对应于与所述第一涡轮燃烧室相关的传感器的预期的分组;以及
如果传感器的所述预期的分组和传感器的所述第一分组不匹配,则将传感器的所述预期的分组去除相关,或如果传感器的所述预期的分组和传感器的所述第一分组不匹配,则更新与所述第一涡轮燃烧室相关的漩涡角度信息,或其组合。
17.根据权利要求14所述的方法,其包括:
确定所述第一传感器响应是否在预期的传感器响应的预定公差内;以及
当所述第一传感器响应表示第一燃烧当量比、所述预期的传感器响应表示第二燃烧当量比,并且所述第一燃烧当量比和所述第二燃烧当量比在所述预定公差内不匹配时,提供燃料与氧化剂的比移位的指示。
18.根据权利要求17所述的方法,其包括:调节所述第一涡轮燃烧室的所述运行参数、附加运行参数或其组合,直到所述所述第一燃烧当量比和所述第二燃烧当量比在所述预定公差内匹配。
19.根据权利要求14所述的方法,其中当所述第一传感器响应在所述预期的传感器响应的所述预定公差内时,所述涡轮燃烧室诊断程序将所述第一涡轮燃烧室的运行再次调节到所述基本稳态的燃烧,并且开始测试所述多个涡轮燃烧室的第二涡轮燃烧室。
20.根据权利要求14所述的方法,其中识别所述第一传感器响应包括:识别所述运行参数的所述调节与所述第一传感器响应之间的第一时间延迟,并且其中所述涡轮燃烧室诊断程序包括:确定所述第一时间延迟是否在预定时间延迟范围内,并且当所述第一时间延迟不在所述预定的时间延迟范围内时,提供传感器故障指示。
21.根据权利要求14所述的方法,其中识别所述多个传感器的所述第一分组的所述第一传感器响应包括:识别所述多个传感器的所述第一分组的方位,以及当所述第一分组包括多于一个传感器时,确定所述第一传感器响应是否均匀地横跨整个所述第一分组。
22.根据权利要求14所述的方法,其中以所述基本稳态的燃烧运行所述多个涡轮燃烧室的所述第一涡轮燃烧室包括:以大约0.95与1.05之间的燃烧当量比运行所述第一涡轮燃烧室,并且在存在从所述涡轮再循环的再循环排气的情况下,燃烧燃料/氧化剂混合物,并且其中所述多个传感器中的每个传感器均为宽带氧传感器。
23.一种系统,其包括:
一个或多个有形机器可读介质,其共同存储一组或多组指令,所述一组或多组指令可由处理器实施以执行涡轮燃烧系统诊断程序,所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:
以大约0.95与1.05之间的燃烧当量比来运行多个涡轮燃烧室中的第一涡轮燃烧室;
调节到所述第一涡轮燃烧室的燃料的流量、氧化剂的流量或其组合以使得由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物从第一燃烧产物变化为第二燃烧产物,所述第二燃烧产物不同于所述第一燃烧产物;
识别检测所述第二燃烧产物的第一传感器的第一传感器响应;
使所述第一传感器与所述第一涡轮燃烧室相关;以及
基于所述第一传感器响应来诊断所述第一传感器、所述第一涡轮燃烧室或其组合的情况。
24.根据权利要求23所述的系统,其中调节到所述第一涡轮燃烧室的燃料的流量、氧化剂的流量或其组合包括:增加所述燃料的所述流量,使得所述第二燃烧产物包括比所述第一燃烧产物所包含的更高浓度的未燃烧燃料,其中所述第一传感器响应包括第一燃料与氧化剂的比,并且其中所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:将所述第一传感器响应的所述第一燃料与氧化剂的比与预期的响应的第二燃料与氧化剂的比进行比较。
25.根据权利要求24所述的系统,其中当所述第一传感器为多个第一传感器中的一个,并且所述第一传感器响应没有落入预期的传感器响应的公差范围内时,所述涡轮燃烧系统诊断程序包括:提供所述第一传感器的传感器故障指示,并且提供具有落入所述公差范围内的相应的响应的所述多个第一传感器的至少第二传感器,以用于监测由所述第一涡轮燃烧室产生的燃烧产物。
26.根据权利要求24所述的系统,其中当所述第一传感器为多个第一传感器中的一个,并且预定数量的所述第一传感器具有未落入预期的传感器响应的公差范围内的相应的传感器响应时,所述涡轮燃烧系统诊断程序包括提供针对所述第一涡轮燃烧室的燃烧室故障指示。
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