CN110573799A - 用于操作燃气涡轮机的灵活燃料燃烧室的系统和方法 - Google Patents

用于操作燃气涡轮机的灵活燃料燃烧室的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于控制发电厂的一个或多个方面的系统和方法。更具体地，本公开涉及使用不同燃料化学性质的发电厂和发电方法。可以控制不同燃料混合物的燃烧，使得已定义的一组燃烧特性在一系列不同燃料化学性质中基本上恒定。

Description

用于操作燃气涡轮机的灵活燃料燃烧室的系统和方法
技术领域
本所公开的主题涉及用于操作发电系统的一个或多个部件的系统和方法。更具体地，本公开涉及使得可以在一组或多组条件下在同一燃烧室中燃烧不同类型的燃料的燃烧室的操作。
背景技术
随着对发电的需求增加，持续需要发电厂满足这种需要。由于市场需求，期望以最大的可能效率来实现这种发电；然而，对碳捕获的增长要求需要技术进步。例如，Allam等人的美国专利No.8596075使用再循环CO2流在氧-燃料燃烧系统中提供期望效率，其中，CO2在高压下捕获为较纯流，此处以引证的方式将该专利的公开并入。虽然许多已知发电系统被配置为燃烧特定类型的燃料(例如，天然气对合成气)，但可以通过在不需要对发电设施的必要部件(诸如所使用的燃烧室)显著改变的情况下允许用不同类型或不同源的燃料操作来进一步改善发电设施。因此，领域中仍然需要用于操作发电厂使得可以在没有对用于进行发电过程的基础设备显著改变的情况下使用不同燃料的另外手段。
发明内容
本公开提供了用于发电的系统和方法。更具体地，本公开提供了操作条件，凭借这些操作条件，发电系统可以在不需要对用于进行发电过程中的燃烧室的显著修改的情况下适应不同燃料。这可以提供显著的优点，因为可以在不需要发电系统的零件的关联交换的情况下按需切换不同的燃料。
可以在根据本公开的发电方法中使用的不同燃料源的特性(包括燃烧特性)可以显著不同。例如，天然气的燃料特性与合成气(“syngas”)的燃料特性显著不同。同样，天然气和合成气这两者的特性可以与基本上纯甲烷的特性显著不同。作为一个示例，天然气的热值比从煤气化炉取得的干燥合成气的热值高近似五倍。作为另一个示例，氢气在与天然气、基本上纯甲烷和/或合成气相比时具有显著不同的特性。因此，对于给定质量的各燃料，诸如火焰特性、递送到下游系统温度曲线的热能、废气情况以及废气成分的特性将显著变化。用于发电设施的燃烧室必须被设计为固定室，该固定室将依在内部燃烧的燃料的特性定制，以便优化燃烧室性能。由此可见，仅窄范围的燃料混合物可以与燃烧室设计条件(因此火焰和燃烧室出口条件)匹配并由此可耐受用于燃烧室中。进一步地，在该范围内的混合物仍然可能引起燃烧室内的扰动或必须紧密控制的火焰行为。
在一个或多个实施方式中，本公开提供了这样的系统和方法，使得即使在使用不同燃料类型和/或燃料混合物时也可以关于燃烧特性紧密控制发电厂。由此，在一些实施方式中，本发明可以涉及一种发电厂，该发电厂包括：燃烧室，该燃烧室被配置为接收燃料、氧化剂以及稀释剂，燃烧室适于燃烧不同燃料成分；涡轮；发电机；用于燃料的供应系统；用于氧化剂的供应系统；以及控制系统，该控制系统被配置为调节与燃料、氧化剂以及稀释剂中的一个或多个有关的一个或多个参数，使得对于所有不同燃料成分，将燃烧特性维持在已定义的一组操作参数内。在本系统中，控制系统对于实现必要系统性能可以是特别重要的。
在一个或多个实施方式中，本发明还可以涉及一种发电的方法，该方法包括以下步骤：向燃烧室递送氧化剂；向燃烧室递送稀释剂；向燃烧室递送燃料，燃料是在发电方法的过程中变化的材料的混合物；使来自燃烧室的燃烧产物流穿过涡轮，以发电；以及控制与燃料、氧化剂以及稀释剂中的一个或多个有关的一个或多个参数，使得对于形成燃料的材料的不同混合物，将燃烧特性维持在已定义的一组操作参数内。
在一些实施方式中，控制方法可以包括以下步骤：混合两种不同燃料，以使可能遭受成分波动的燃料中的一个的燃烧正规化。这种混合同样可以用于提供使用同一燃烧室的两种不同燃料的使用之间的平滑过渡。作为用于使波动合成气成分的燃烧正规化的非限制性示例，稀释后的天然气燃料或基本上纯CO2流可以用作调节合成气燃料的特性的调整因素，因此可以通过将稀释后的天然气燃料或CO2稀释剂流与合成气燃料以合适的混合比混合来将其正规化为接近预期燃料特性设计点。值得注意的，这在进入到燃烧室中的合成气经历波动或合成气成分由于来自不同气化系统而显著偏离设计点时可以特别有用。在一些实施方式中，将进入燃烧室的稀释剂的浓度维持为高于进入燃烧室的氧气和/或燃料的浓度可以是特别有用的。具有显著大于进入到燃烧室中的氧气流和/或燃料流的稀释剂流可以在同时允许燃料化学性质的扰动和/或变化的同时提供非常稳定的燃烧环境。
另外，可以维持燃烧室出口条件，而不管所使用的燃料的类型如何。这例如可以通过调整在扩散火焰区域部分的下游的稀释剂注入部分的流量来实现。可以通过调节该部分处的稀释剂注入的质量流量来维持出口温度。该部分中的稀释剂的质量流量还将显著大于燃料和氧化剂的组合流量。而且，通过保持稀释剂流量相对于进入到燃烧室中的氧气流和/或燃料流大，燃烧室离开成分对于各种燃料化学性质基本上稳定。
在一些实施方式中，本公开特别可以提供一种用于在发电过程中正规化燃烧的方法。在示例性实施方式中，方法可以包括以下步骤：向燃烧室提供可变燃料，可变燃料具有在发电过程的操作期间变化的成分；用氧化剂在燃烧室中燃烧可变燃料，以提供燃烧室排出流；使燃烧室排出流穿过涡轮，以发电；以及执行至少一个控制功能，使得至少一个燃烧特性(例如，离开燃烧室的燃烧室排出流的温度和质量流中的一个或两个)随着可变燃料的成分在发电过程的操作期间变化而变化不大于10％。在另外实施方式中，方法还可以关于以下陈述中的一个或多个来定义，这些陈述可以以任意数量和顺序组合。
可变燃料可以是合成气，并且合成气中的一氧化碳与氢气的比可以在发电过程的操作期间变化。
可变燃料可以是甲烷、一氧化碳以及氢气的混合物，并且甲烷、一氧化碳以及氢气之间的比可以在发电过程的操作期间变化。
氧化剂可以是氧气和稀释剂(例如，惰性气体、二氧化碳或水)的混合物。
氧化剂可以包括大约5质量％至大约50质量％氧气，氧化剂的剩余部分为稀释剂。
氧化剂可以包括大约15质量％至大约30质量％氧气，氧化剂的剩余部分为稀释剂。
至少一个控制功能可以包括随着可变燃料的成分在发电过程的操作期间变化而改变氧化剂中的氧气与二氧化碳的比。
至少一个控制功能可以包括随着可变燃料的成分在发电过程的操作期间变化而改变被输入到燃烧室的氧化剂的温度、被输入到燃烧室的可变燃料的温度、被输入到燃烧室的氧化剂的流量以及被输入到燃烧室的可变燃料的流量中的一个或多个。
被提供给燃烧室的可变燃料可以与具有基本上恒定成分的正规化燃料混合。
正规化燃料可以是天然气或基本上纯甲烷。
至少一个控制功能可以包括改变正规化燃料与在燃烧室中燃烧的可变燃料的比。
被提供给燃烧室的可变燃料可以与稀释剂混合。
稀释剂可以是惰性气体。
稀释剂可以是二氧化碳。
稀释剂可以是水。
至少一个控制功能可以包括改变稀释剂与在燃烧室中燃烧的可变燃料的比。
燃烧室可以配置有燃烧区域和稀释区域，其中，燃烧区域可以在稀释区域的上游，并且稀释区域可以在燃烧区域的下游，并且稀释剂可以在稀释区域中注入到燃烧室中。
燃烧区域的长度与稀释区域的长度的比可以为大约0.1至大约10、大约0.2至大约5或大约0.25至大约1.0。
至少一个控制功能可以包括：将在稀释区域中注入到燃烧室中的稀释剂的质量流量控制为大于被提供给燃烧室的可变燃料的质量流量；将在稀释区域中注入到燃烧室中的稀释剂的质量流量控制为大于被提供给燃烧室的氧化剂的质量流量；或者将在稀释区域中注入到燃烧室中的稀释剂的质量流量控制为大于被提供给燃烧室的可变燃料和被提供给燃烧室的氧化剂这两者的质量流量。
至少一个控制功能可以包括随着可变燃料的成分在发电过程的操作期间变化而改变在稀释区域中注入到燃烧室中的稀释剂的温度、流量以及化学性质中的一个或多个。
稀释剂可以是惰性气体。
稀释剂可以是二氧化碳。
稀释剂可以是水。
在一些实施方式中，本公开还可以涉及一种发电厂。例如，这种发电厂可以包括：燃烧室，该燃烧室被配置为接收氧化剂、稀释剂以及具有在发电厂的操作期间变化成分的可变燃料，燃烧室被配置为输出燃烧室排出流；涡轮；发电机；用于可变燃料的供应系统；用于氧化剂的供应系统；以及控制系统，该控制系统被配置为调节与可变燃料、氧化剂以及稀释剂中的一个或多个有关的一个或多个参数，使得至少一个燃烧特性(离开燃烧室的燃烧室排出流的温度和质量流中的一个或两个)随着可变燃料的成分在发电厂的操作期间变化而变化不大于10％。
附图说明
图1是根据本公开的实施方式的、发电厂及其关联的操作方法的图；以及
图2是根据本公开的实施方式的、适于使用的燃烧室的示意图。
具体实施方式
现在将在下文中参照本主题的示例性实施方式更完全地描述本主题。这些示例性实施方式被描述为使得本公开将彻底且完整，并且将向本领域技术人员完全传达主题的范围。实际上，主题可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于这里所阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式，使得本公开将满足适用的法律要求。如在说明书和权利要求中使用的，单数形式“一(a)”，“一个(an)”、“所述”包括复数指示对象，除非上下文明确另外规定。
本公开涉及适于控制发电厂的操作的系统和方法。由此可见，本公开还涉及包括各种元件(包括这种控制功能)的发电厂。美国专利No.8596075、美国专利No.8776532、美国专利No.8869889、美国专利No.8959887、美国专利No.8986002、美国专利No.9062608、美国专利No.9068743、美国专利No.9410481、美国专利No.9416728、美国专利公报No.2010/0300063、美国专利公报No.2012/0067054、美国专利公报No.2012/0237881、美国专利公报No.2013/0213049中描述了可以在根据本公开的发电厂(及其操作方法)中包括的元件的非限制性示例，此处以引证的方式将该公报的公开并入。
图1中例示了根据本公开的、用于进行发电过程的示例性发电厂100。如从中看到的，燃烧室120被配置为接收一种或多种燃料、氧化剂以及稀释剂。更具体地，气流101可以穿过空气分离单元102，以提供传递到燃烧室120的氧化剂流103。空气分离单元102可以包括提供期望压力的氧化剂的必要压缩设备，或者单独的压缩机可以串联设置在空气分离单元102与燃烧室120之间。在这种情况下，再循环二氧化碳流184的第一部分183a可以在压缩之前与氧化剂流103混合。第一燃料流107a和可选的第二燃料流107b可以穿过压缩机108，以形成传递到燃烧室120的压缩燃料流109。再循环的二氧化碳流184同样传递到燃烧室120，并且可以充当稀释剂流。在一些实施方式中，再循环二氧化碳流184的第一部分183a可以提取并与氧化剂流103组合，以形成具有如本文另外描述的O2/CO2比的稀释后氧化剂流。同样，在一些实施方式中，再循环二氧化碳流184的第二部分183b可以取出并与燃料流109组合，以形成具有如本文另外描述的燃料/CO2比的稀释后燃料流。虽然例示了单个压缩机108，但理解，可以使用多个压缩机，并且单独压缩机可以用于所使用的燃料流中的每一个。同样，虽然再循环二氧化碳流184的第二部分183b被示出为添加到燃料流109，但理解，稀释剂可以在压缩之前添加到燃料流中的一个或两个。另外，用于与燃料和氧化剂一起使用的稀释剂不限于再循环二氧化碳流184。相反，稀释剂可以从流155、165、171、177、182以及184中的任意一个或多个取得。
燃烧室排出流130穿过涡轮135，在涡轮中，该排出流膨胀，以在发电机136中发电。涡轮排出流137穿过热交换器140，在热交换器中，该排出流冷却，以形成流142，流142在冷却器144中进一步冷却至接近环境温度。冷却后的涡轮排出流146然后在水分离器150中处理，以提供水流152和基本上纯的二氧化碳流155，该二氧化碳流在压缩机160中压缩，以形成中间压缩流165。中间压缩流165在冷却器170中冷却，以增大二氧化碳的密度，并且形成增大密度的二氧化碳流171，该二氧化碳流在泵175中泵送至高压，以便输入到燃烧室120。二氧化碳产物流180可以从高压二氧化碳流177取出，以离开二氧化碳再循环流182，该再循环流穿过热交换器140返回，以针对涡轮排出流137加热。加热后的再循环二氧化碳流184然后返回到燃烧室120，以便用作稀释剂。
根据本公开的发电厂特别可以被配置用于发电过程的燃烧步骤的具体控制。由此可见，可以在发电厂100中包括控制器190，并且控制器可以被配置为提供实现一个或多个控制功能的一个或多个输出191，这些控制功能调节燃烧室120的操作，以适应可变燃料。输出191例如可以向有效调节一个或多个流的流动的发电厂100的一个或多个部件(诸如各种阀、泵等)提供指令。同样，控制器190可以诸如从传感器接收一个或多个输入192，该传感器可以提供与可变燃料的可变化学性质特别有关的数据，该数据可以用于确定何时应执行如这里描述的另外控制功能来调节一个或多个燃烧特性并维持基本上一致的燃烧曲线。
如这里使用的，“可变燃料”被理解为意指具有在发电过程的操作期间变化的成分的燃料。因为本公开使用可变燃料，所以不是必须在操作期间维持基本上恒定的燃料成分。相反，燃料的成分可以在不实质中断发电厂的操作的情况下变化。例如，在可变燃料是合成气的情况下，合成气中的一氧化碳与氢气的比可以变化。例如，合成气中的一氧化碳与氢气比可以在不需要显著中断过程的情况下且在不需要燃烧设备的变化的情况下在发电过程的操作期间从大约0.8变为大约3.0，从大约0.85变为大约2.8，或者从大约0.9变为大约2.6。作为另一个非限制性示例，可变燃料可以是甲烷、一氧化碳以及氢气的混合物，并且甲烷、一氧化碳以及氢气之间的比可以在不需要显著中断过程的情况下且在不需要燃烧设备的变化的情况下在发电过程的操作期间变化。同样，本所公开的配置允许燃料性质的显著变化。例如，如与微观成分(即，燃料的组分比)相对的，可变燃料可以在宏观成分(即，材料的化学组成)上变化。宏观成分的变化可以包括在使用合成气而不是使用天然气之间变化或在使用天然气而不是使用氢气之间变化。
本公开的优点可以通过执行对燃烧室的操作的已定义控制来实现。如上面所述，发电过程可以包括在存在稀释剂(优选地为CO2)的含量和氧化剂(优选地为基本上纯O2)的含量时在燃烧室中燃烧可变燃料。由此可见，可变燃料、稀释剂以及氧化剂全部三者将输入到燃烧室。优选地，可变燃料和氧化剂以基本上化学计量比输入(但可以提供在大约0.1摩尔％至大约5摩尔％、大约0.25摩尔％至大约4摩尔％、大约0.5摩尔％至大约3摩尔％或大约1摩尔％至大约2摩尔％范围内的过量氧化剂，以确保基本上完成输入到燃烧室的所有燃料的燃烧)。可变燃料、稀释剂以及氧化剂中的任意一个或多个可以以基本上纯状态(即，不与另外材料混合)输入到燃烧室。另选地，可变燃料、稀释剂和/或氧化剂可以以任意组合(即，可变燃料和稀释剂的混合物和/或稀释剂和氧化剂的混合物)输入到燃烧室。燃烧的一个或多个特性可以通过改变输入到燃烧室的流的一个或多个特性来控制。由此，尽管燃料化学性质变化，但可以在不需要对系统部件的显著变化的情况下使用遭受具有变化的燃料化学性质的可变燃料。
特别地，稀释剂的使用可以有益于控制燃烧过程的各种参数。稀释剂可以与可变燃料和/或正规化燃料、和/或氧化剂和/或燃烧产物混合。基本上纯的二氧化碳可以特别用作稀释剂。惰性气体可以用作稀释剂。水(例如，水蒸气)可以用作稀释剂。稀释剂可以是材料(例如，二氧化碳和水)的混合物。同一稀释剂可以用于与可变燃料、正规化燃料、氧化剂以及燃烧产物中的任意一个混合。另选地，两个或多个不同稀释剂可以用于与所提到的流中的任意一个混合。
在一个或多个实施方式中，在不需要重新配置燃烧室的情况下，尽管有可变燃料的化学性质的变化，但燃烧室排出流的压力、燃烧室排出流的温度以及燃烧室排出流的化学性质中的任意一个或多个可以控制为维持在已定义参数内。例如，燃烧室排出流可以具有在大约150巴到大约500巴、大约200巴到大约400巴或大约250巴到大约350巴的范围内的压力。燃烧室排出流的温度可以在大约700℃到大约1500℃、大约900℃到大约1400℃或大约1000℃到大约1300℃的范围内。
由此，在一些实施方式中，本公开可以提供用于在使用可变燃料的发电过程中正规化燃烧的方法。例如，这种方法可以包括以下步骤：向燃烧室提供可变燃料；用氧化剂在燃烧室中燃烧可变燃料，以提供燃烧室排出流；使燃烧室排出流穿过涡轮，以发电；以及执行至少一个控制功能，使得不管燃料的化学性质在发电过程的操作期间如何变化，但离开燃烧室的燃烧室排出流的一个或多个特性保持控制在已定义范围内。例如，在一些实施方式中，控制功能可以被配置为使得离开燃烧室的燃烧室排出流的温度随着可变燃料的成分在发电过程的操作期间变化而变化不大于40％、不大于20％、不大于15％、不大于10％、不大于8％、不大于6％、不大于4％、不大于2％或不大于1％。
在一些实施方式中，可以向可变燃料和/或氧化剂流添加稀释剂，来控制对于燃烧室的操作重要的其他参数。作为非限制性示例，可以通过改变稀释剂加入到燃料流的速率来改变通过燃料注入喷嘴的可变燃料的喷射速度。
根据图2所例示的燃烧室，控制燃烧并启用可变燃料的使用的能力是进一步明显的。在一个或多个实施方式中，不管由可变燃料的不同化学性质引起的燃烧特性的变化如何，可以使燃烧正规化。这例如可以通过调节一个或多个输入到燃烧室的流中的一个或多个特性来实现。由此可见，可以将单个燃烧室用于各种不同合成气成分的燃烧以及各种不同气体燃料(诸如天然气、基本上纯的甲烷、氢气等)的燃烧。燃烧的正规化例如可以基于燃料热值、火焰温度、燃烧压力、燃烧室离开温度、自燃烧室离开的质量流、涡轮入口流化学性质、涡轮速度以及其他这种变量中的任意一个或多个来量化。在一些实施方式中，例如，在燃烧室中实现的实际热值可由于如这里另外描述的正规化功能而与基于给定燃料化学性质的理论热值不同。在示例性实施方式中，可以对于燃烧室操作设置已定义热值范围，并且即使在发电过程的操作过程期间，可变燃料的实际热值可能增大至已定义热值范围以上和/或可变燃料的实际热值可能降至已定义热值范围以下，也可以维持已定义热值范围。具体地，尽管有可变燃料的燃料化学性质的变化，但正规化功能对于将燃烧室中的热值维持在预定值的40％内、20％内、15％内、10％内、5％内、2％内或1％内也可以是有效的。换言之，燃烧室中的所燃烧燃料的热值在发电过程的操作期间可以变化不多于上面所述的值。
在一些实施方式中，通过实现这里描述的正规化功能中的一个或多个可以将燃烧室中的火焰温度和/或燃烧室排出流离开温度维持在已定义范围内(该范围可以小于基于给定燃料化学性质所预期的范围或大于基于给定燃料化学性质将预期的范围)。在示例性实施方式中，可以对于燃烧室操作设置燃烧室中的已定义火焰温度和/或燃烧室排出流的已定义离开温度，并且即使将预期可变燃料的燃料化学性质的变化显著改变温度，也可以维持已定义温度。具体地，正规化功能可以有效地将将燃烧室中的已定义火焰温度和/或燃烧室排出流的已定义离开温度维持在已定义温度的40％内、20％内、15％内、10％内、5％内、2％内或1％内。换言之，燃烧室中的火焰温度和/或燃烧室排出流的离开温度在发电过程的操作期间可以变化不多于上面所述的值。
在一些实施方式中，可以通过执行这里描述的正规化功能中的一个或多个来将离开燃烧室的燃烧室排出流的质量流维持在已定义范围内。在示例性实施方式中，可以对于燃烧室操作设置离开燃烧室的燃烧室排出流的质量流量(或质量流范围)，并且即使将预期可变燃料的燃料化学性质的变化显著改变质量流，也可以维持已定义质量流量(或质量流范围)。具体地，正规化功能可以有效地将离开燃烧室的排出流的已定义质量流维持在已定义质量流的40％内、20％内、15％内、10％内、5％内、2％内或1％内。换言之，离开燃烧室的燃烧室排出流的质量流在发电过程的操作期间可以变化不多于上面所述的值。
在一个或多个实施方式中，输入到燃烧室220的可变燃料207a的变化特性可以通过与稀释剂283b混合来正规化，该稀释剂在优选实施方式中可以包括基本上纯的二氧化碳。稀释剂283b然后可以随着可变燃料207a的燃料化学性质在发电过程的操作期间变化而被控制为可以以一个或多个方式调节的正规化功能。控制该功能能够有效地使得通过燃烧与稀释剂283b混合的可变燃料207a在燃烧室220的燃烧区域221中生成的火焰基本上不变，而不管用于燃烧的可变燃料的实际化学性质如何。在一些实施方式中，通过使稀释剂与可变燃料混合给予的控制功能可以基于以下内容中的任意一个或多个：
在燃烧之前与可变燃料混合的稀释剂的稀释比：稀释比可以基于可变燃料在稀释时的实际热值变化。例如，当可变燃料的化学性质提供较低热值时，稀释比(即，所添加的稀释剂的量)可能低，并且当可变燃料的化学性质提供较高热值时，稀释比可能更高。这样，可以实现平均热值。在一些实施方式中，稀释剂与可变燃料的比可以为大约0.1至大约2、大约0.5至大约1.5或大约0.8至大约1.2。
在添加到可变燃料时的稀释剂的温度：稀释剂的温度可以用于例如控制燃烧室中的火焰温度。例如，当可变燃料的化学性质提供较低热值时，稀释剂可以以更高温度来提供，以便不人为降低火焰温度。然而，当可变燃料的化学性质提供较高热值时，稀释剂的温度可能更低，使得火焰温度不超过期望范围。在添加到可变燃料时的稀释剂的温度能够有效地改变可变燃料的整体温度，该温度本身可以是控制功能。
在添加到可变燃料时的稀释剂的流量：稀释剂到可变燃料的添加可以促进对可变燃料的种种变化。例如，可变燃料的热值可以如上面讨论的修改。进一步地，体积和质量流量可以影响所需要的可变燃料的总量(即，根据质量和热值)。这种流量同样可以影响穿过注入喷嘴的压力降低以及穿过喷嘴的燃料和喷射速度。用于稀释剂的添加流量还可以影响峰值火焰温度，该峰值火焰温度可以影响被形成的任意杂质(例如，NOx和/或SOx)的性质、发生的CO燃尽的程度、以及CO2分解速率。
在一个或多个实施方式中，由被输入到燃烧室220的可变燃料207a的变化化学性质引起的燃烧特性的变化可以通过控制被输入到燃烧室的氧化剂203来正规化。优选地，氧化剂是氧气和稀释剂(例如，惰性气体、二氧化碳或水)的混合物。如图2例示，氧气203的基本上纯的流与基本上纯的二氧化碳283a的流混合，以便输入到燃烧室220。在一些实施方式中，进入燃烧室220的氧化剂流可以包括大约5质量％至大约95质量％的氧气、大约5质量％至大约75质量％的氧气、大约5质量％至大约50质量％的氧气、大约10质量％至大约40质量％的氧气或大约15质量％至大约30质量％的氧气，剩余部分的氧化剂为稀释剂。在特定示例实施方式中，混合物可以为大约20质量％的O2和大约80质量％的CO2。在一些情况下，氧化剂中的稀释剂含量可以为对于燃烧质量控制、火焰形状控制以及火焰温度控制中的一个或多个的调整参数。一些实施方式中的稀释剂(例如，CO2)可以提供在燃料流和氧化剂流这两者中。由此可见，任何一流(或两个流)可以起确保用于低NOx生成的温和火焰温度的缓和剂的作用。在这种燃烧实施方式中，可以将大约1-2摩尔％的过量氧气提供到燃烧室中，以确保完全燃料燃尽。由此，在一些实施方式中，燃烧可以通过实现控制功能来正规化，该控制功能可以包括随着可变燃料的成分在发电过程的操作期间变化而改变氧化剂中的氧气与二氧化碳的比。
在另外实施方式中，随着可变燃料的燃料化学性质在发电过程的操作期间变化而正规化燃烧可以通过调节与燃料和氧化剂有关的另外参数来实现。在一些实施方式中，用于控制燃烧特性的控制功能可以包括改变输入到燃烧室的氧化剂的温度。因此，随着燃料化学性质变化，可以调节氧化剂温度来将一个或多个燃烧特性维持在已定义可接受范围内。在一些实施方式中，用于控制燃烧特性的控制功能可以包括改变输入到燃烧室的可变燃料的温度。因此，随着燃料化学性质变化，可以调节燃料温度来将一个或多个燃烧特性维持在已定义可接受范围内。在一些实施方式中，用于控制燃烧特性的控制功能可以包括改变输入到燃烧室的氧化剂的流量。因此，随着燃料化学性质变化，可以调节氧化剂流量来将一个或多个燃烧特性维持在已定义可接受范围内。在一些实施方式中，用于控制燃烧特性的控制功能可以包括改变输入到燃烧室的可变燃料的流量。因此，随着燃料化学性质变化，可以调节燃料流量来将一个或多个燃烧特性维持在已定义可接受范围内。
在一个或多个实施方式中，输入到燃烧室220的可变燃料207a的变化特性可以通过与具有已知基本上一致化学性质的另外燃料混合来正规化。具有已知基本上恒定或一致的化学性质的燃料作为“正规化燃料”的特征可以在于：它可以以足够的比与可变燃料混合，以稀释可变燃料的化学性质在发电过程的操作期间的变化的影响。例如，正规化燃料207b可以在燃料到燃烧室220中的注入的上游的某一点处与可变燃料207a混合。可以使用混合比、正规化燃料的温度以及如这里已经讨论的类似特性，使得正规化燃料207b可以作为正规化功能来控制，该正规化功能可以随着可变燃料207a的燃料化学性质在发电过程的操作期间变化而以一个或多个方式调节。控制该功能有效地使得通过燃烧组合燃料(可变燃料207a和正规化燃料207b)在燃烧室220的燃烧区域221中生成的火焰基本上不变，而不管用于燃烧的可变燃料的实际化学性质如何。在一些实施方式中，正规化燃料可以是天然气或基本上纯的甲烷。在其他实施方式中，正规化燃料可以是一氧化碳、氢气或具有基本上恒定或一致的化学性质的合成气成分。正规化燃料优选地将具有已知热值，使得在发电过程的操作期间可以随着可变燃料的燃料化学性质变化而改变正规化燃料与可变燃料的比，并由此维持基本上恒定燃烧特性。在一些实施方式中，正规化燃料与可变燃料的比可以为大约0.1至大约2、大约0.5至大约1.5或大约0.8至大约1.2。
虽然可以借助上述控制功能中的一个或多个实现燃烧的正规化，但还可以控制燃烧下游的发电过程。在一些实施方式中，这可以在燃烧室220内实现。例如，燃烧室220可以被配置为包括燃料和氧化剂混合且燃烧燃料的燃烧区域221和燃烧产物可能在离开燃烧室之前经受一个或多个变化的稀释区域222。如图2例示，燃烧区域221在稀释区域222的上游，并且稀释区域在燃烧区域的下游。稀释剂283c可以在稀释区域222中注入到燃烧室220中，以使与燃烧有关的一个或多个特性正规化。例如，稀释剂283c的量可以随着可变燃料207a的燃料化学性质在发电过程的操作期间变化而变化，以按需向燃烧废气提供冷却，以维持一致燃烧特性。被添加的稀释剂283c的量也可以随着可变燃料207a、氧化剂203以及正规化燃料207b(适用时)中的一个或多个的流量变化而变化。由此，被输入到稀释区域222的稀释剂283c可以用于作为用于正规化燃烧的手段补偿一个或多个另外流的流量的波动。
在一些实施方式中，稀释剂到燃烧室220的稀释区域222中的输入可以用作用于关于各种动作正规化发电过程中的燃烧的控制功能。在示例性实施方式中，将在稀释区域中注入到燃烧室中的稀释剂的质量流量控制为大于被提供给燃烧室的可变燃料的质量流量可以是有用的。在另外的示例性实施方式中，将在稀释区域中注入到燃烧室中的稀释剂的质量流量控制为大于被提供给燃烧室的氧化剂的质量流量可以是有用的。在其他示例性实施方式中，将在稀释区域中注入到燃烧室中的稀释剂的质量流量控制为大于被提供给燃烧室的可变燃料和被提供给燃烧室的氧化剂这两者的质量流量可以是有用的。在仍然另外的示例性实施方式中，随着可变燃料的成分在发电过程的操作期间变化而改变在稀释区域中注入到燃烧室中的稀释剂的温度可以是有用的。被注入到燃烧室的稀释区域中的稀释剂的质量流量可以随着基于燃料化学性质的变化以改变温度来进行必要的调节时而保持基本上恒定；然而，到稀释室中的稀释剂流量可以结合稀释剂的温度的变化而变化。在优选实施方式中，稀释剂283c可以为基本上纯的二氧化碳。然而，在另外实施方式中，可以使用不同的稀释剂或稀释剂的组合。在一些实施方式中，要添加到稀释区域的稀释剂的量可以取决于相对于燃烧区域的长度的稀释区域长度。例如，燃烧区域的长度与稀释区域的长度的比可以为大约0.25至1.5。
针对各种燃料化学性质维持基本上恒定的燃烧室输出的能力是重要的，因为它允许将单个涡轮用于发电系统中。通常，因为基于燃料化学性质的燃烧室输出的不同特性，燃料化学性质的变化可需要对涡轮改变。由此可见，发电厂必须使用多个涡轮(和通常为多个燃烧室)来适应不同的燃料化学性质。替代性地，具有单个燃烧室和/或单个涡轮的发电厂可能限于单个燃料化学性质的燃烧，这几乎没有化学性质波动的空间。由于针对各种不同燃料化学性质提供基本上恒定的燃烧室输出的、根据本公开的能力，可以用仅包括单个涡轮(和单个燃烧室)的发电系统进行发电方法。因此，尽管使用否则将预期使得操作条件超过预定操作参数中的一个或多个的不同燃料化学性质，但本方法有利地可以针对一系列燃料化学性质正规化燃烧特性，使得被设计为在已定义的一组操作参数下运行的发电系统和方法可以在参数组内成功允许。这是特别有利的，因为可以使用不同燃料化学性质甚至可以凭借通常具有较窄范围的可允许操作参数(诸如半闭环CO2循环)的系统和方法实现发电。因为可以通过执行控制参数中的一个或多个来使得各独立燃料混合物成分的性能基本上相同，所以可以减少针对这些混合物的燃烧特性和火焰的扰动。
本所公开的主题关于的领域中的技术人员将想到本主题的许多修改和其他实施方式，这具有在前面描述和关联附图中呈现的示教的益处。因此，要理解，本公开不限于这里描述的具体实施方式，并且修改或其他实施方式旨在被包括在所附权利要求的范围内。虽然这里采用具体术语，但它们仅是在一般和描述意义上使用，而不是用于限制的目的。

Claims (20)

1.一种用于在发电过程中正规化燃烧的方法，所述方法包括以下步骤：
向燃烧室提供可变燃料，所述可变燃料具有在所述发电过程的操作期间变化的成分；
用氧化剂在所述燃烧室中燃烧所述可变燃料，以提供燃烧室排出流；
使所述燃烧室排出流穿过涡轮以发电；以及
执行至少一个控制功能，使得离开所述燃烧室的所述燃烧室排出流的温度和质量流中的一个或两个随着所述可变燃料的所述成分在所述发电过程的操作期间变化而变化不大于10％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可变燃料是合成气，并且其中，所述合成气中的一氧化碳与氢气的比在所述发电过程的操作期间变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述可变燃料是甲烷、一氧化碳以及氢气的混合物，并且所述甲烷、一氧化碳以及氢气之间的比在所述发电过程的操作期间变化。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中，所述氧化剂是氧气和稀释剂的混合物。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述氧化剂包括大约5质量％至大约50质量％氧气，所述氧化剂的剩余部分为所述稀释剂。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述氧化剂包括大约15质量％至大约30质量％氧气，所述氧化剂的剩余部分为所述稀释剂。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个控制功能包括随着所述可变燃料的所述成分在所述发电过程的操作期间变化而改变所述氧化剂中的所述氧气与所述稀释剂的比。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其中，所述至少一个控制功能包括随着所述可变燃料的所述成分在所述发电过程的操作期间变化而改变被输入到所述燃烧室的所述氧化剂的温度、被输入到所述燃烧室的所述可变燃料的温度、被输入到所述燃烧室的所述氧化剂的流量以及被输入到所述燃烧室的所述可变燃料的流量中的一个或多个。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其中，被提供给所述燃烧室的所述可变燃料与具有基本上恒定成分的正规化燃料混合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述正规化燃料是天然气或基本上纯的甲烷。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个控制功能包括改变所述正规化燃料与在所述燃烧室中燃烧的所述可变燃料的比。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的方法，其中，被提供给所述燃烧室的所述可变燃料与稀释剂混合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述稀释剂是二氧化碳。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个控制功能包括改变所述稀释剂与在所述燃烧室中燃烧的所述可变燃料的比。
15.根据权利要求1至14中任意一项所述的方法，其中，所述燃烧室配置有燃烧区域和稀释区域，其中，所述燃烧区域在所述稀释区域的上游，并且所述稀释区域在所述燃烧区域的下游，并且其中稀释剂在所述稀释区域中注入到所述燃烧室中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述燃烧区域的长度与所述稀释区域的长度的比为大约0.25至1.0。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个控制功能包括：
将在所述稀释区域中注入到所述燃烧室中的所述稀释剂的质量流量控制为大于被提供给所述燃烧室的所述可变燃料的质量流量；
将在所述稀释区域中注入到所述燃烧室中的所述稀释剂的质量流量控制为大于被提供给所述燃烧室的所述氧化剂的质量流量；或者
将在所述稀释区域中注入到所述燃烧室中的所述稀释剂的质量流量控制为大于被提供给所述燃烧室的所述可变燃料和被提供给所述燃烧室的所述氧化剂这两者的质量流量。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个控制功能包括随着所述可变燃料的所述成分在所述发电过程的操作期间变化而改变在所述稀释区域中注入到所述燃烧室中的所述稀释剂的温度、流量以及化学性质中的一个或多个。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述稀释剂是二氧化碳。
20.一种发电厂，该发电厂包括：
燃烧室，该燃烧室被配置为接收氧化剂、稀释剂以及可变燃料，所述可变燃料具有在所述发电厂的操作期间变化的成分，所述燃烧室被配置为输出燃烧室排出流；
涡轮；
发电机；
用于所述可变燃料的供应系统；
用于所述氧化剂的供应系统；以及
控制系统，该控制系统被配置为调节与所述可变燃料、所述氧化剂以及所述稀释剂中的一个或多个有关的一个或多个参数，使得离开所述燃烧室的所述燃烧室排出流的温度和质量流中的一个或两个随着所述可变燃料的所述成分在所述发电厂的操作期间变化而变化不大于10％。
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