TW201721010A - 使化學計量燃燒最佳化的系統與方法 - Google Patents

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法蘭克林 密特利克
理查 杭汀頓
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艾克頌美孚上游研究公司
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Abstract

本發明提供用於使氣體渦輪系統運轉的更有效率技術。一個具體實施例中氣體渦輪系統包含氧化劑系統、燃料系統、控制系統及數個燃燒器，該等燃燒器被調適成接受及燃燒來自該氧化劑系統的氧化劑及來自該燃料系統的燃料以產生廢氣。該氣體渦輪系統也包括數個氧化劑流量調節裝置，該等氧化劑流量調節裝置各自關聯該等燃燒器中之一者運轉，其中氧化劑流量調節裝置係被組構成獨立地調整進入該關聯的燃燒器之氧化劑流速。廢氣感應器係與該控制系統連通。該廢氣感應器被調適成測量該廢氣的至少一個參數，且該控制系統係被組構成至少部分依據該廢氣感應器測到的參數獨立地調節各自氧化劑流量調節裝置。

Description

使化學計量燃燒最佳化的系統與方法 相關申請案之交互參照
本案主張於2010年8月6日申請，發明名稱SYSTEMS AND METHODS FOR OPTIMIZING STOICHIOMETRIC COMBUSTION的美國臨時專利申請案第61/371,523號之優先權，在此以引用的方式將其全文併入。
本揭示內容一般關於一種低排放發電系統。更特定言之，本揭示內容關於一種使氣體渦輪系統中的化學計量燃燒實質最佳化的系統與方法。
此段落意欲介紹此技藝的多個不同態樣，其可能與此技藝的示範具體實施例有關。咸信此討論能協助提供架構，以利對此技藝特定態樣的較佳理解。因此，咸應理解此段落應該從此觀點閱讀，且不一定放進先前技藝。
燃料於燃燒器內(例如，與氣體渦輪整合)燃燒可藉由監測廢氣溫度控制。滿載時，典型氣體渦輪調節被引進 多個燃燒器的燃料量以達到所欲的燃燒氣體或廢氣溫度。習用燃燒渦輪利用入口導葉控制被引進該燃燒器的氧化劑。部分負載時，被引進該燃燒器的氧化劑量縮減並再度控制所引進的燃料量以達到所欲的廢氣溫度。部分負載時，氣體渦輪效率滑落，是因為縮減氧化劑量的能力會受到入口導葉限制，該入口導葉僅能稍微縮減氧化劑的流量。此外，當該入口導葉位於其流動限制位置時，該氧化劑仍維持於恆定的較低流速。因為製造讓質量流動的動力需要較低的擴展器入口溫度，當該氣體渦輪於較低發電量時將接著使該氣體渦輪效率滑落。再者，現行的氧化劑注入控制裝置可能無法做到微量流速控制並可能帶來大壓降及對於該氧化劑流量的任何限制。利用這些氧化劑控制方法，可能會有於部分負載或減壓操作時吹洩不足的問題。
當目的在於捕獲來自廢氣的二氧化碳(CO2)時，控制被引進該燃燒器的氧化劑量可能是理想的。現今的二氧化碳捕獲技術由於幾個原因使其變得昂貴。一個原因是廢氣中的二氧化碳之低壓及低濃度。然而，可藉著在實質化學計量條件下操作該燃燒程序使該二氧化碳濃度自約4%被顯著提高至高於10%。此外，一部分廢氣可作為稀釋劑被再循環至該燃燒器以控制該廢氣溫度。而且，該廢氣中任何沒用過的氧可能成為被捕獲的二氧化碳的污染物，因此限制可用以捕獲二氧化碳的溶劑之類型。
在許多系統中，氧化劑流速可藉由更改運轉獨立氧化劑系統而被降低。例如，獨立氧化劑壓縮器可被減速至較 慢的運轉速度藉以提供降低的氧化劑流速。然而，壓縮器運轉速度的降低一般將使該壓縮器效率減降。此外，使該壓縮器減速可能使該氧化劑中，進入該燃燒器的壓力降低。相反地，若藉由該氣體渦輪的壓縮器段提供該氧化劑，降低該速度並非發電時可控制的變數。用以產生60循環電力的氣體渦輪一般於3600rpm運轉。類似地，為了產生50循環電力該氣體渦輪經常於3000rpm運轉。在習用氣體渦輪燃燒器運轉時氧化劑進入該燃燒器的流量可能無法保證有效控制，因為過量的氧化劑係用作為該燃燒艙中的冷卻劑以控制燃燒條件及廢氣溫度。已經有人進行數個研究以決定用以控制氣體渦輪的燃燒程序之技術。
例如，准予Willis等人的美國專利第6,332,313號揭示帶有供獨立燃燒區用的獨立帶閥空氣混合通道之燃燒艙。燃燒艙裝配件包括原、二次和三次燃料和空氣混合導管以分別供應燃料和空氣給原、二次和三次燃燒區各者。原、二次和三次燃料和空氣混合導管各者包括一對軸流旋流器，其係共軸佈置以使空氣依相反方向旋流，及燃料噴射器以將燃料共軸供應給分別的軸流旋流器。閥係被裝設成分別控制對該等原和二次燃料和空氣混合導管的空氣供應。有一個導管係佈置成將冷卻空氣和稀釋空氣供應給該燃燒艙。測量被供應給該等原、二次和三次燃料和空氣混合導管及該導管的空氣量。
Mittricker等人所申請的國際專利申請案公開第WO/2010/044958號揭示用於控制例如氣體渦輪系統中的 燃燒產物之方法與系統。有一個具體實施例包括具有加氧流的燃燒控制系統，該加氧流實質包含氧和CO2並具有一個氧對CO2比，接著混合該加氧流與燃燒燃料流並於燃燒器中燃燒以產生具有分別由溫度感應器和氧分析器偵測到的溫度和組成之燃燒產物流。利用該等感應器的數據控制該加氧和燃燒燃料流的流量和組成。該系統也可包括呈反饋佈置的帶有擴展器並具有一個負載之氣體渦輪及負載調節器。
Mittricker等人所申請的國際專利申請案公開第WO/2009/120779號揭示用於低排放發電和烴回收之系統與方法。有一個系統包括帶有低排放發電的統合壓力維持和混溶氾流系統。另一個系統利用熱氣體擴展器和外部燃燒器提供低排放發電的碳吸存提高油回收率(EOR)，或二氧化碳買賣。另一個系統利用氣體動力渦輪壓縮輸入壓縮器中的空氣並利用擴展器中的含二氧化碳氣體產生動力而提供低排放發電。
准予Paul的美國專利第4,858,428號揭示具備氣體渦輪總體最佳化循環的先進整合推進系統。Paul揭示帶有高和低壓積體迴路的氣體渦輪系統，該等積體迴路具有自該等迴路之一者擷取功的功率傳輸件，空氣和燃料加於各別迴路的量依據微處理器監測的功率需求而變。該渦輪系統具有低壓壓縮器及分段高壓壓縮器，該高壓壓縮器具有與其關聯的燃燒艙及高壓渦輪。有一個燃燒艙及低壓渦輪與該低壓壓縮器關聯，該低壓渦輪係利用該高壓渦輪分段以 額外接受該高壓渦輪擴展出來的氣體及利用微處理器以調整該渦輪系統中的壓縮器與渦輪組件之間的空氣和氣體流量。
准予Earnest的美國專利第4,271,664號揭示利用廢氣再循環的渦輪引擎。該引擎具有藉由開迴路布雷登循環(Brayton cycle)運轉的主動力渦輪。流至該主動力渦輪的空氣供應源係由閉迴路蘭金循環(Rankine cycle)的渦輪獨立驅動的壓縮器供給，該蘭金循環自該布雷登循環的廢氣衍生出熱能。在部分負載運轉時將一部分廢氣再循環至該壓縮器入口。
Hagen等人所申請的美國專利申請案公開第2009/0064653號揭示部分負載的燃燒循環。該部分負載方法控制稀釋劑流體、燃料流體和氧化劑流體於熱力學循環中使用稀釋劑遞送以將部分負載運轉時的渦輪入口溫度和熱效率提高至高於布雷登循環、流霧布雷登循環，或利用一些蒸氣遞送或利用最大蒸氣遞送的相關技藝部分負載操作之循環的渦輪入口溫度和熱效率。
儘管過去致力於控制該氧化劑流速已經提供氧化劑入口控制裝置，但是這樣的系統揭露的是一併控制所有燃燒器，而沒考慮燃燒器之間的差異。此外，該等系統微調該氧化劑流速的能力受限。
本技術的示範具體實施例提供氣體渦輪系統。該氣體 渦輪系統包括氧化劑系統、燃料系統、控制系統及多數個燃燒器，該等燃燒器被調適成接受及燃燒來自該氧化劑系統的氧化劑及來自該燃料系統的燃料以產生廢氣。氧化劑流量調節裝置關聯該等燃燒器中的每一者運轉。該氧化劑流量調節裝置係被組構成獨立地調整進入該關聯的燃燒器之氧化劑流速。有一個廢氣感應器與該控制系統連通。該廢氣感應器被調適成測量該廢氣的至少一個參數，且該控制系統係被組構成至少部分依據該廢氣感應器測到的參數獨立地調節該多數個氧化劑流量調節裝置中的各者。
該氧化劑可包括氧化劑及稀釋劑。稀釋劑供應源係供給該多數個燃燒器各者。氧化劑壓縮器可用以將壓縮氧化劑供給該多數個燃燒器。
該氧化劑流量調節裝置可包括流量控制閥。該氧化劑流量調節裝置可包括可調節的旋流器子裝配件。該可調節的旋流器子裝配件可包括位於流動套管周圍的環形控制裝配件以可控制地調整進入該流量套管的氧化劑流速。該環形控制裝配件包括關聯安裝環及致動器葉片運轉的多數個鉸接葉片。該多數個葉片被調適成藉由相對於該安裝葉片移動該致動器葉片於開啟位置與關閉位置及其間的位置之間做可控制地調節。
該氣體渦輪可包括多數個廢氣感應器，該多數個廢氣感應器被調適成與該控制系統一起作業以調整流至該多數個燃燒器各者的氧化劑流速以便將不同廢氣感應器處測到的參數之間的差異最小化。在該多數個燃燒器之至少一者 上的氧化劑流量調節裝置被調適成增進該氧化劑、該燃料、稀釋劑或其任何組合的混合。
燃燒器可包括稀釋劑入口及氧化劑入口，其中該氧化劑流量調節裝置係配置於該氧化劑入口。該氧化劑流量調節裝置係被組構成在該燃料被引進之前混合該氧化劑及該稀釋劑。
渦輪擴展器可被調適成接受該廢氣及產生電力。熱回收蒸氣產生器可被調適成接受來自該渦輪擴展器的廢氣及產生電力。稀釋劑壓縮器及廢氣再循環迴路可被調適成接受來自該擴展器的廢氣，其中該廢氣再循環迴路包括被調適成產生電力之熱回收蒸氣產生器及被調適成將冷卻廢氣供給該稀釋劑壓縮器之冷卻廢氣管道，及其中該稀釋劑壓縮器被調適成將經壓縮的稀釋劑供給該燃燒器。
廢氣抽出系統可被配置於該稀釋劑壓縮器與該燃燒器之間，其中該廢氣抽出系統可於提高壓力抽出稀釋劑。
另一個示範具體實施例提供一種控制氣體渦輪之方法。該方法包括將燃料供給在氣體渦輪上的多數個燃燒器，及將氧化劑供給該多數個燃燒器，其中為該多數個燃燒器各自獨立地調節氧化劑流速。於該多數個燃燒器中燃燒該燃料及該氧化劑以產生廢氣。測量該廢氣的參數及調節進入該多數個燃燒器各自的氧化劑流速以將該參數調整至目標調定點範圍以內。
該方法可包括在將該氧化劑供給該多數個燃燒器各者之前壓縮該氧化劑。一部分廢氣可被送返該多數個燃燒器 作為稀釋劑。該稀釋劑可在該稀釋劑進入該壓縮器之前以壓縮器加以壓縮。該壓縮器可運轉地耦合於被調適成接受該廢氣及從而產生電力的擴展器。
一部分廢氣可自配置於該壓縮器與該多數個燃燒器之各者之間的耦接件抽出，其中被抽出的廢氣量至少部分依據該參數。
另一個示範具體實施例提供一種非暫時性電腦可讀取媒體，該媒體包含經設定的代碼以指示處理器，將燃料供給在氣體渦輪上的多數個燃燒器，及將氧化劑供給該多數個燃燒器，其中為該多數個燃燒器各自獨立地調節氧化劑流速。該代碼也指示該處理器監視在該等燃燒器的火焰中產生之廢氣的參數，及調節進入該多數個燃燒器各自的氧化劑流速以將該參數控制於目標調定點範圍以內。該參數可為該廢氣中的氧濃度。該參數可為該廢氣中的一氧化碳濃度。
該非暫時性電腦可讀取媒體可包括表示旋流圖的資料結構。該代碼可被設定成指示該處理器比較關於多數個感應器的測量值與該資料結構以決定要調節該多數個燃燒器中的那一個。該代碼可被設定成指示該處理器自多數個廢氣感應器獲取測量值。該代碼可被設定成指示該處理器調整流至該多數個燃燒器各者的氧化劑流速以便將不同廢氣感應器處測到的參數之間的差異最小化。
100‧‧‧氣體渦輪系統
102‧‧‧氣體渦輪
104‧‧‧壓縮器
106‧‧‧渦輪擴展器
108‧‧‧單一轉軸
110‧‧‧燃燒器
112‧‧‧管道
114‧‧‧燃料源
116‧‧‧外部氧化劑來源
118‧‧‧再循環廢氣
120‧‧‧機械動力輸出
122‧‧‧擴展後的廢氣
200‧‧‧一部分燃燒器的圖形
202‧‧‧氧化劑
204‧‧‧可調節的氧化劑旋流器
206‧‧‧致動器環
208‧‧‧螺旋氣流
210‧‧‧燃料
212‧‧‧獨立流徑
214‧‧‧燃料的預熱流
216‧‧‧燃燒區
218‧‧‧火焰
302‧‧‧葉片
304‧‧‧氧化劑流
306‧‧‧喉孔
308‧‧‧喉部
400‧‧‧氣體渦輪系統
402‧‧‧氧化劑流量調節裝置
404‧‧‧致動器
406‧‧‧感應器
408‧‧‧擴展器廢氣段
410‧‧‧數據信號
412‧‧‧控制系統
414‧‧‧物流
416‧‧‧管道
418‧‧‧廢氣流
500‧‧‧氣體渦輪系統
502‧‧‧感應器
504‧‧‧信號
600‧‧‧氣體渦輪系統
602‧‧‧感應器
604‧‧‧廢氣管道
606‧‧‧信號
700‧‧‧氣體渦輪系統
702‧‧‧氧化劑流量調節閥
704‧‧‧氧化劑供應管道
706‧‧‧致動器
800‧‧‧氣體渦輪系統
802‧‧‧熱回收蒸氣產生器
804‧‧‧進水流
806‧‧‧蒸氣流
808‧‧‧冷卻廢氣流
900‧‧‧氣體渦輪系統
902‧‧‧感應器
904‧‧‧信號
1000‧‧‧氣體渦輪系統
1002‧‧‧感應器
1004‧‧‧信號
1100‧‧‧氣體渦輪系統
1102‧‧‧冷卻器
1104‧‧‧水流
1106‧‧‧熱水流
1108‧‧‧排出廢氣流
1200‧‧‧氣體渦輪系統
1202‧‧‧飽和廢氣
1204‧‧‧側流
1310‧‧‧氧濃度之線
1320‧‧‧一氧化碳濃度之線
1500‧‧‧工廠控制系統
1502‧‧‧處理器
1504‧‧‧匯流排
1506‧‧‧儲存系統
1508‧‧‧作業系統
1510‧‧‧渦輪控制系統
1512‧‧‧人機界面
1514‧‧‧顯示器
1516‧‧‧鍵盤
1518‧‧‧指位裝置
1520‧‧‧網路界面
1522‧‧‧網路
1524‧‧‧工廠界面
1526‧‧‧感應器
1528‧‧‧燃料流量控制元件
1530‧‧‧氧化劑流量控制元件
1532‧‧‧工廠系統
1584‧‧‧其他工廠界面
藉由參照上述詳細描述及後附圖式將使本技術的優點更易於理解，其中：第1圖為包括氣體渦輪的氣體渦輪系統之概圖；第2圖為例示燃燒器(如關於第1圖討論的燃燒器)的一部分之圖式；第3圖為關於第2圖討論的旋流器的圖式；第4圖為可用以個別調節流至多個燃燒器各自的氧化劑流量之氣體渦輪系統的概圖；第5圖為包括於該渦輪擴展器上的感應器之氣體渦輪系統的概圖；第6圖為包括於離開各燃燒器的廢氣管道上之感應器的氣體渦輪系統之概圖；第7圖為包括位於各燃燒器的氧化劑供應管道上之獨立氧化劑流量調節閥的氣體渦輪系統之概圖；第8圖為包括位於來自該擴展器廢氣段的廢氣流上之熱回收蒸氣產生器(HRSG)的氣體渦輪系統之概圖；第9圖為包括位於從該擴展器廢氣段至熱回收蒸氣產生器(HRSG)的廢氣流上之感應器的氣體渦輪系統之概圖；第10圖為包括位於來自該HRSG的冷卻廢氣流上之感應器的氣體渦輪系統之概圖；第11圖為包括位於來自該HRSG的冷卻廢氣流上之冷卻器的氣體渦輪系統之概圖；第12圖為多個以上討論的系統之合併特徵的氣體渦 輪系統之概圖；第13A和13B圖為顯示當量比(Φ)分別自0.75變化至1.25及自0.999至1.001時氧和一氧化碳的濃度之間的關係之模擬的繪圖；第14圖為根據感應器陣列的讀值偏置個別燃燒器的方法之方塊圖；及第15圖為可用以個別控制流至氣體渦輪中的多個燃燒器之氧化劑和燃料的工廠控制系統之方塊圖。
在下列細述段中，描述本技術的特定具體實施例。然而，只要下述說明是本技術的特定具體實施例或特定用途特有的，表示這只是為了達到示範的目的並僅提供示範具體實施例的描述。因此，該等技術並不限於下述的特定具體實施例，而是包括落於後附申請專利範圍的實際精神和範疇以內的所有替代例、修飾例及等效例。
首先，為了易於參照而說明本案中使用的特定措辭及其用於上下文中時的意義。只要以下未界定文中使用的措辭，應該給予相關技藝之士給予至少一個印刷刊物或公開專利所示的措辭之最廣義定義。此外，本技術並不受下示措辭的用法限制，因為所有等效例、同義字、新發展及合於相同或類似用途的措辭或技術均被視為在於本申請專利範圍的範疇以內。
“吸附劑”可用以萃取或隔離來自廢氣流的CO2。該 吸附劑可用於一組並聯床，當床中的吸附劑已經達到容量時可把該床換掉。自該流移除的床可接著被處理，例如被加熱，以脫附CO2。
本案中適用於CO2隔離的吸附劑具有在相關溫度範圍及組成範圍中的適度大工作容量、對於CO2優先於其他不欲構成成分(如N2和O2)的良好選擇性、良好動力學、高耐用性、良好相容性及適度低成本。有數種固相吸附劑為用於CO2捕捉的可能候選物。例如，分子篩為下述材料，其原子佈置於晶格或骨架中以致於存在大量互連的均勻尺寸細孔。該等細孔一般僅容許尺寸大約等於或小於該等細孔的分子。分子篩因此可用以依據相對該等細孔的分子尺寸吸附及分離或篩選分子。有一類分子篩為沸石。沸石為鋁的水合矽酸鹽且經常含有可交換的陽離子。沸石可為天然或人造。天然型包括菱沸石、斜發沸石、毛沸石、片沸石及絲光沸石，這裡舉的只是一些例子。包括，例如，A型、D型、L型、R型、S型、T型、X型、Y型、ZSM型、絲光沸石或斜發沸石的人造沸石也可使用。液相，或溶劑吸附系統，如建基於化學吸附者，也可使用。這些可包括建基於碳酸酯或胺類等的系統。
“物理吸收”意指藉由使該供料流於相對高壓(例如，約2.07至13.8MPa)通入優先吸附供料流的產物之液體而吸收氣態供料流的產物(如二氧化碳)。自該液體移除被吸收的產物耗乏之供料流。該產物可接著自該液體回收，如藉由降低越過該液體的壓力或藉由自該液體滌除 該產物。不像其他建基於溶劑的方法(如建基於胺類或碳酸酯類者)，二氧化碳吸收至該液體內並不涉及二氧化碳的化學反應。物理吸附法的實例為可自HONEYWELL有限公司的UOP LLC子公司取得之SELEXOLTM方法。
“碳隔離設備”為可將二氧化碳管制及隔離於貯藏室中的設備，像是，例如，藉由引進老或舊油和氣體儲層、不可採掘的煤層、深部含鹽層、玄武岩層、板岩層或挖好的隧道或洞穴。此外，隔離可結合其他被隔離氣體的用途，如提高自現行儲層進行三次石油回收時的烴生產量。
“複合循環電廠”同時使用蒸氣和氣體渦輪以發電。該氣體渦輪於開式布雷登循環中運轉，且該蒸氣渦輪於藉由氣體渦輪的熱產生動力的蘭金循環中運轉。這些複合循環氣體/蒸氣電廠一般具有比僅氣體或蒸氣電廠高的能量轉化率。複合循環電廠的效率可為至高50%至60%。較高的複合循環效率源於氣體渦輪與蒸氣渦輪組合的協同利用率。複合循環電廠典型上利用該氣體渦輪廢氣的熱以使水沸騰產生蒸氣。典型複合循環電廠中的煮器可稱為熱回收蒸氣產生器(HRSG)。利用產生的蒸氣以給予該複合循環電廠中的蒸氣渦輪動力。該氣體渦輪和蒸氣渦輪可用以單獨給予獨立產生器動力，或於替代例中，該蒸氣渦輪可與該氣體渦輪合併以經由共驅動軸連帶驅動單一產生器。
稀釋劑為用以降低供至氣體渦輪以使燃料燃燒的氧化劑濃度之氣體。該稀釋劑可為過量的氮、CO2、燃燒廢氣或任何其他氣體。在具體實施例中，稀釋劑也可提供冷卻 作用給燃燒器。
用於本文時，“壓縮器”包括任何類型被設計成提高工作流體壓力的裝置，並包括任一類型或類似或不同類型的組合之壓縮裝置。壓縮器也可包括與該壓縮器相關的輔助裝置(如馬達)及驅動系統等。該壓縮器可利用一或多個例如串聯之壓縮段。例示性壓縮器可包括，但不限於，正排量型(像是，例如，往復式和旋轉式壓縮器)及動態型(像是，例如，離心及軸流式壓縮器)。例如，壓縮器可為以下更詳細討論的氣體渦輪引擎之第一階段。
“控制系統”典型包含一或多個運用邏輯迴路的物理系統組件，該等邏輯迴路合力達成一組共同過程結果。在運轉氣體渦輪引擎時，將可達成特定廢氣組成和溫度的目的。該控制系統可被設計成在外部干擾、由於製造公差的物理分量之間變異及關於被控制輸出值的輸入設定值變化存在下可靠地控制物理系統組件。控制系統通常具有至少一個測量裝置，該測量裝置提供製程變數的讀值，該讀值可被饋於控制器，該控制器可接著提供控制信號給致動器，該致動器接著驅動作用在例如氧化劑流上的最終控制元件。該控制系統可被設計成於特定運轉條件範圍內保持穩定並避免振動。設計完好的控制系統會顯著降低人力介入的需求，即使在運轉過程的傾覆狀態時亦同。
“當量比”表示進入燃燒器的燃料對氧的質量比除以當該比率為化學計量時之燃料對氧的質量比。燃料對氧的完美燃燒形成CO2和水可能具有當量比1。太貧乏的混合 物(例如，氧比燃料多)將提供小於1的當量比，而太富足的混合物(例如，燃料比氧多)將提供大於1的當量比。
“燃料”包括多少種可與氧化劑一起燃燒以給予氣體渦輪動力的烴類。這樣的烴類可包括天然氣、處理過的天然氣、煤油、汽油或無論多少種其他天然或合成烴類都可以。
“氣體渦輪”引擎靠布雷登循環運轉。若使廢氣洩掉，則將此稱作開式布雷登循環，而使廢氣再循環將得到閉式布雷登循環。用於本文時，氣體渦輪典型包括壓縮器段、多個燃燒器及渦輪擴展器段。該壓縮器可用以壓縮氧化劑，使該氧化劑與燃料混合並引至該等燃燒器。該燃料和氧化劑的混合物接著被點燃以產生熱燃燒氣體。將等燃燒氣體引至該渦輪擴展器段，該渦輪擴展器段自該等燃燒氣體擷取能量以供給予該壓縮器動力，以及產生有用的功以給予負載物動力。在文中討論的具體實施例中，該氧化劑可藉由外部壓縮器供給該等燃燒器，該外部壓縮器可能有或沒有以機械方式連於該氣體渦輪引擎轉軸。此外，在多個具體實施例中，該壓縮器段可用以壓縮稀釋劑(如再循環廢氣)，該稀釋劑可被供於該等燃燒器作為冷卻劑。
“熱回收蒸氣產生器”或HRSG為自熱氣流回收熱的熱交換器或煮器。其製造可用於製程中或可用以驅動蒸氣渦輪的蒸氣。HRSG的常見應用為複合循環發電廠，其中將氣體渦輪的熱廢氣供至該HRSG以產生蒸氣，該蒸氣接 著驅動蒸氣渦輪。此組合比單獨氣體渦輪或蒸氣渦輪均能更有效率製造電力。
“烴”為一種有機化合物，其主要包括元素氫和碳，但是氮、硫、氧、金屬或無論多少種其他元素均可以小量存在。用於本文時，烴類一般表示粗天然氣中發現的組分，如CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3異構物、C4異構物及苯等。
“氧化劑”為可流入氣體渦輪引擎的燃燒器以使燃料燃燒之氣體混合物。用於本文時，該氧化劑可為氧混合無論多少種作為稀釋劑的其他氣體(包括CO2、N2、空氣及燃燒廢氣等)。
“感應器”表示可偵測，測定，監測，記錄或感測物理量的絕對值或變化的任何裝置。文中所述的感應器可用以測量多個物理量，包括溫度、壓力、O2濃度、CO濃度、CO2濃度、流速、聲波數據、振動數據、化學濃度、閥位置或任何其他物理數據。
“壓力”為該容積的壁上該氣體對於每單位面積施加的作用力。壓力可按每平方吋磅(psi)顯示。“大氣壓”表示空氣的局部壓力。“絕對壓力”(psia)表示大氣壓(於標準條件為14.7psia)加上表壓(psig)的總和。“表壓”(psig)表示計量錶測到的壓力，其僅表示超過局部大氣壓(即，0psig的表壓至14.7psia的絕對壓力)的壓力。“蒸氣壓”一詞具有通常之熱力學意義。關於密閉系統於特定壓力的純分量，該蒸氣壓分量基本上等 於該系統中的總壓力。
當引用材料的數量或量或其專指特徵時，“實質”表示足以提供該材料或特徵所欲提供的效果之量。允許的偏差精確度在一些案例中可取決於特定的上下文。
概觀
本發明的具體實施例提供用於個別控制於氣體渦輪引擎上的多個燃燒器之系統和方法。該控制可至少部分根據感應器(例如，位於廢氣擴展器上的環中)的測量結果。該等感應器可包括氧感應器、一氧化碳感應器及溫度感應器等。此外，不同類型感應器的組合可用以提供其他資訊。
該等感應器對於特定燃燒器可能沒有一對一的關係，但是可能會被特定燃燒器影響。多個不同感應器的反應可回溯關聯於特定燃燒器，例如，利用可建基於旋流圖的加減演算法。旋流圖涉及擴展器至燃燒器的廢氣流動模式，該等模式可歸因於該處的廢氣流量。
利用經個別控制的燃燒器可提高氣體渦輪引擎的燃燒效率，例如，使該燃燒更接近一對一當量比。這樣的效率改善可能降低廢氣中的O2和未被燃燒的烴類，並使自該廢氣捕獲CO2更有效率。這可能改善用於增進油回收以及用於隔離的渦輪捕獲CO2。
第1圖為包括氣體渦輪102的氣體渦輪系統100之概圖。該氣體渦輪102可具有在單一轉軸108上的壓縮器 104和渦輪擴展器106。該氣體渦輪102並不限於單一轉軸配置，也可使用多轉軸，轉軸之間一般有機械聯動件或傳動件。在具體實施例中，該氣體渦輪102也具有多個例如透過管道112將熱廢氣供至該擴展器的燃燒器110。例如，氣體渦輪102可具有2個、4個、6個、14個、18個或又更多個燃燒器110，取決於該氣體渦輪102的尺寸。
該等燃燒器110係用以燃燒燃料源114提供的燃料。氧化劑可自多個不同來源供給各自燃燒器110。例如，在具體實施例中，外部氧化劑來源116，如外部壓縮器，可提供氧化劑給該等燃燒器110。在具體實施例中，氧化劑或再循環廢氣118或其混合物可於該壓縮器104中壓縮並接著供給該等燃燒器110。在其他具體實施例中，如當外部氧化劑來源116係被提供時，該壓縮器104可用以僅壓縮該再循環廢氣，該廢氣可被供至該等燃燒器110以供冷卻及稀釋該氧化劑。
來自該等燃燒器110的廢氣於該渦輪擴展器106中擴展，產生機械能。該機械能可透過轉軸108給予該壓縮器104動力。另外，一部分機械能可自該氣體渦輪呈機械動力輸出120獲得，例如，以產生電力或給予氧化劑壓縮器動力。該擴展後的廢氣122可被洩掉、用於熱回收、再循環至該壓縮器104或按其組合應用。
在具體實施例中，該氧化劑可個別計量至各自燃燒器110以控制該燃燒器110中的當量比。熟於此藝之士顯而易見化學計量燃燒(例如，於當量比1)比非化學計量燃 燒熱。因此，過量氧化劑或附加的不可燃氣體(如再循環廢氣)均可被添加以冷卻該引擎，防止超高熱損及該等燃燒器110或該渦輪擴展器106。再循環廢氣122之應用提供的另一個優點是該廢氣缺氧，使其成為增進油回收的較佳材料。另外，個別地調節流至各自燃燒器110的氧化劑(例如，如關於第2和3圖討論的)可補償該等燃燒器110之間的差異，改善該氣體渦輪102的總體效率。傳至各自燃燒器110的混合物參數之控制將另外關聯第13A、13B及14圖討論。
第2圖為例示一部分燃燒器的圖200，如關於第1圖討論的燃燒器110。很清楚的是這僅為燃燒器110之一實例，因為有許多其他選項可利用。如該圖形200所示，氧化劑202可被供入可調節的氧化劑旋流器204。該旋流器204可藉由移動致動器環206開得更寬或部分關閉，如另外關聯第3圖討論的。該旋流器204創造螺旋氣流208，該螺旋氣流208可增進例如氧化劑流中的空氣與再循環廢氣，或氧化劑與燃料的混合。燃料210可穿過獨立流徑212，例如，沿著該螺旋氣流208的外側注入，該螺旋氣流208加熱該燃料210，增進燃燒。該燃料210的注射並不限於獨立流徑212，因為該燃料210無論於多少個位置注入都可以。例如，燃料的預熱流214可注入該旋流器204中心的下方，與該螺旋流徑208中的氧化劑202混合。該燃料210在進入燃燒區216之前與該氧化劑202混合，其中該燃料210與氧化劑202於火焰218中耗掉。甲 烷於空氣中的化學計量燃燒之絕對火焰溫度為約1960℃且甲烷於氧中的化學計量燃燒為約2800℃。因此，冷卻可能必須降低損及該裝備的機會。因此，在具體實施例中，稀釋劑可被加於氧化劑202以達到冷卻的目的，因為該稀釋劑係注入該可調節的氧化劑旋流器204。在具體實施例中，該稀釋劑可為再循環廢氣、氮或其他不會參與燃燒過程的氣體。
第3圖為旋流器204的繪圖，如關於第2圖所討論的。該旋流器204具有多個葉片302，該等葉片302穿過各自葉片302之間的喉孔306引導氧化劑流304。致動器環206可用以調節該等喉孔306的尺寸。例如，當該致動器環變換角度時，該等葉片302會開啟或關閉，調節進入該喉部308的氧化劑流304。各燃燒器110(第1圖)中可包括可調節的旋流器204以調整供至該燃燒器110的氧化劑量。第4圖顯示可使用旋流器204調節流至各自燃燒器110的氧化劑量之系統。
流至燃燒器的氧化劑之個別控制
第4圖為可用以個別調節流至多個燃燒器110各者的氧化劑流量之氣體渦輪系統400的概圖。引用的單元如一般關於第1圖討論的。該系統400利用氧化劑流量調節裝置402，如以上討論的旋流器204，及各燃燒器110中的混合段。致動器404可用以調節該氧化劑流量調節裝置402。
該氣體渦輪102的擴展器廢氣段408中可放置多個感應器406，例如5個、10個、15個、20個、25個、30個或更多個，該擴展器廢氣段408周圍的環中可放置多個感應器406。多個感應器406可藉由該氣體渦輪102的尺寸決定。該等感應器406可為文中討論的任何類型，包括氧感應器、一氧化碳感應器及溫度感應器等。氧感應器的實例可包括λ及/或寬波帶氧化鋯的氧感應器、氧化鈦感應器、鍍鋅型、紅外線型或其任何組合。溫度感應器的實例可包括熱電耦、電阻性溫度裝置、紅外線感應器或其任何組合。一氧化碳感應器的實例可包括氧化物為底質的膜感應器如錫酸鋇及/或二氧化鈦。例如，一氧化碳感應器可包括以鉑活化的二氧化鈦及以鑭安定化的二氧化鈦等。感應器406的選擇可藉由回應時間加以控制，因為該系統的即時控制需要測量。該等感應器406也可包括不同類型感應器406的組合。該等感應器406把數據信號410傳送給控制系統412。
該控制系統412可為更大系統(如分散控制系統(DCS)、可程式的邏輯控制器(PLC)、直接數位控制器(DDC)或任何其他適當控制系統)的一部分。另外，該控制系統412可自動調節參數，或可提供關於該氣體渦輪102的資訊給手動進行調節的運算器。以下另外關聯第14圖討論該控制系統412。
咸瞭解第4圖所示的氣體渦輪系統400，及其他圖式中描述的類似氣體渦輪系統，已經被簡化成有助於說明本 技術的多個不同具體實施例。因此，在本技術的具體實施例中，該氧化劑系統116和該燃料系統114二者，以及該等氣體渦輪系統本身，可包括沒顯示的多個裝置。這樣的裝置可包括流量表(如孔口流量表)、質量流量表、超音波流量表及文氏管流量表等。其他裝置可包括閥，如開關管道的活塞馬達閥(PMV)及馬達閥(如膜板馬達閥(DMV)及球閥等)以調整流速。另外，在所示的單元以外之具體實施例中可利用壓縮器、儲槽、熱交換器及感應器。
在第4圖所示的具體實施例中，該壓縮器104可用以壓縮某物流414，如再循環廢氣流。壓縮之後，該流414可自管道416注入該燃燒器110的混合段。該流414不限於純再循環流，因為該注入流416可提供該氧化劑給該燃燒器110。來自該擴展器廢氣段408的廢氣流418可用以提供該再循環流，如以下另外關聯第12圖討論的。該等感應器406並不限於該擴展器廢氣段408，而是無論在其他幾個位置都可以。例如，該等感應器406可被配置於該擴展器廢氣段408周圍的多個環中。另外，該等感應器406可按感應器406的類型劃分於多個環中，例如，利用一個環中的氧分析器及另一個環中的溫度感應器。熟於此藝之士顯而易見無論多少種適當佈置都可以使用。此外，或代替該廢氣擴展器中的感應器406，感應器也可被配置於該氣體渦輪102的其他部分中，如關於第5及6圖討論的。
第5圖為包括於該渦輪擴展器106上的感應器502之氣體渦輪系統500的概圖。引用的單元如以上關於第1和4圖所述。該渦輪擴展器106上的感應器502將信號504傳回該控制系統412，該信號504可用以對各燃燒器110或所有燃燒器110作出調節決定。無論多少種物理測量都可藉由該擴展器106進行，例如，該等感應器106可用以測量溫度、壓力、CO濃度、O2濃度及振動等。另外，多個感應器502可用以測量這些參數的組合。把感應器502安置於該渦輪擴展器106上可提高各感應器502對於個別燃燒器106中的條件之相依性，改善控制演算法的效率。這可被進一步增進，如關於第6圖討論的。
第6圖為包括於離開各燃燒器110的廢氣管道604上之感應器602的氣體渦輪系統600之概圖。引用的單元如以上關於第1和4圖所述。在此具體實施例中，信號606自個別燃燒器110專有的感應器602返回該控制系統412，其使得各燃燒器110的控制系統412中能實施指定的控制演算法。如先前討論的，該感應器602可測量溫度、壓力、CO濃度、O2濃度或其任何組合等。此感應器602佈置可與安置於該擴展器廢氣段408中或其他位置中的感應器406結合，以提供各燃燒器110的專有控制數據及該氣體渦輪102的總體控制數據。在具體實施例中也可使用其他技術以獲得其他優於各燃燒器110中的燃燒製程之控制，如關於第7圖討論的。
第7圖為包括位於各燃燒器110的氧化劑供應管道 704上之獨立氧化劑流量調節閥702的氣體渦輪系統700之概圖。用於本文時，該氧化劑流量調節閥702可為任何被設計成控制穿過管道的氣體流動之可變式幾何形系統。引用的單元如以上關於第1、4和6圖所述。致動器706可被該控制系統412應用以透過該氧化劑流量調節閥702調節氧化劑流速。該氧化劑流量調節閥702可與該氧化劑流量調節裝置402一起運轉以調整氧化劑流量，提供該燃燒器110中的燃燒過程更緊密的控制。另外，在具體實施例中，氧化劑流量調節閥702可與該燃燒器110的廢氣管道604上之感應器602(第6圖)聯合以提供其他控制。
在具體實施例中，該氣體渦輪102可用以提供用於多個應用的動力、CO2、熱能或其任何組合。例如，該廢氣的熱可被回收，如關於第8圖討論的。
廢氣的能量回收及再循環
第8圖為包括位於來自該擴展器廢氣段408的廢氣流418上之熱回收蒸氣產生器(HRSG)802的氣體渦輪系統800之概圖。引用的單元如以上關於第1和4圖所述。該廢氣流418中的廢氣可包括，但不限於，燃料、氧、一氧化碳、二氧化碳、氫、氮、氮氧化物、氬、水、蒸氣或其任何組合。該廢氣流418可具有介於約430℃至約725℃的溫度及約101kPa至約110kPa的壓力。
在該概圖800所示的具體實施例中，燃燒產生的熱可用以煮沸進水流804以產生蒸氣流806，該蒸氣流806也 可能被過度加熱。該蒸氣流806可被用於，例如蘭金循環中以使蒸氣渦輪產生機械動力，或提供公用設施蒸氣，或兼備二者。該蒸氣渦輪的機械動力可用以產生電力，運轉壓縮器等。該系統800不限於HRSG 802，任何類型的熱回收單元(HRU)均可使用。例如，該熱可於熱交換器中被回收以提供熱水或其他被加熱的流體。另外，建基於有機工作流體(ORC)的蘭金循環可用以藉由將其轉化成機械能而回收熱能。
冷卻廢氣流808可接著用於其他用途，如提供再循環廢氣給物流414，如以下討論的。多個不同感應器可被加於該系統以監測及控制該蒸氣產生程序，如關於第9和10圖討論的。
第9圖為包括位於從該擴展器廢氣段408至熱回收蒸氣產生器(HRSG)802的廢氣流418上之感應器902的氣體渦輪系統900之概圖。引用的單元如以上關於第1、4和8圖所述。信號904由該感應器902供給該控制系統412。該感應器902可為溫度感應器、壓力感應器或先前討論的任何感應器。另外，該感應器902可為單一感應器或一組感應器，並可被組構成提供用於控制所有燃燒器110的資訊以調節該氣體渦輪102的廢氣流418之溫度以控制該HRSG 802。在具體實施例中，該感應器902可與任何先前討論的感應器佈置結合，例如，如關於第4、5和6圖所示。該HRSG 802和氣體渦輪102的控制可被其他位置的感應器進一步增進，如關於第10圖討論的。
第10圖為包括位於來自該HRSG 802的冷卻廢氣流808上之感應器902的氣體渦輪系統1000之概圖。引用的單元如以上關於第1、4和8圖所述。信號1004由該感應器1002供給該控制系統412。該感應器1002可為溫度感應器、壓力感應器或先前討論的任何感應器。另外，該感應器1002可為單一感應器或一組感應器，並可被組構成提供用於控制所有燃燒器110的資訊以調節該氣體渦輪102的廢氣流418之溫度。該信號1004可被該控制系統412應用以測定該HRSG 802獲取的熱量相對於該冷卻廢氣流808中失去的熱量。在具體實施例中，該感應器1002可與任何先前討論的感應器佈置結合，例如，如關於第4、5、6和8圖所示。來自該HRSG 802的冷卻廢氣流808中之熱可能太高而無法用於下游單元。因此冷卻劑可用以移除過量的熱，如關於第11圖討論的。
第11圖為包括位於來自該HRSG 802的冷卻廢氣流808上之冷卻器1102的氣體渦輪系統1100之概圖。引用的單元如以上關於第1、4、8和10圖所述。該冷卻器1102可為非接觸式熱交換器，或多個其他類型者。例如，在一個具體實施例中，該冷卻器1102可為逆流直接接觸式熱交換器，其中水流1104於容器頂部引進，而該冷卻廢氣流808於容器底部引進。當水接觸該熱廢氣時，水藉由蒸發及熱交換將該物流冷卻。熱水流1106自該容器底部移除，並可在呈水流1104再循環之前被冷卻。排出廢氣流1108同時被冷卻並飽含水蒸氣，並可用作為再 循環流，例如物流414，如關於第12圖討論的。
第12圖為合併多個以上討論的系統特徵的氣體渦輪系統1200之概圖。引用的單元如以上關於第1、4、8和11圖所述。在此具體實施例中，來自該冷卻器1102的飽和廢氣1202可被再循環至該壓縮器104的入口。壓縮之後，該飽和廢氣1202可作為物流416被供至該燃燒器110以協助冷卻該燃燒器110。一部分物流416可作為擷取側流1204轉移至用於其他用途的處理系統。該處理系統可以將該側流1204中的CO2純化，如藉由任何CO和O2的轉化或移除，以供注入烴儲槽增進油回收。其他轉移氣體的用途可包括碳隔離。在此應用中，為了處理可將該側流1204直接注入地下岩層。
流至燃燒器的當量比之個別控制
以上討論的氣體渦輪系統可用以個別及一整組控制各自燃燒器110的燃燒過程。如先前提及的，該控制之一目標可為均衡燃料和氧的當量比。這可被進行以將廢氣流中的CO濃度所示的未燃燒或部分燃燒之烴最小化，並將該廢氣流中沒耗掉的氧最小化。另外就第13圖討論當量比。
第13A和13B圖為顯示當量比(Φ)分別自0.75變化至1.25及自0.999至1.001時氧和一氧化碳的濃度之間的關係之模擬的繪圖。當該當量比為約1.0時可達成最高效率。線1310顯示氧濃度對當量比的函數關係，線1320顯 示一氧化碳濃度對當量比的函數關係。該當量比(Φ)等於(莫耳%燃料/莫耳%氧)實際/(莫耳%燃料/莫耳%氧)化學計量。該莫耳%燃料等於F燃料/(F氧+F燃料)，其中F燃料等於燃料的莫耳流量比及F氧等於氧的莫耳流量比。
該莫耳%氧等於F氧/(F氧+F燃料)，其中F氧等於氧的莫耳流量比及F燃料等於燃料的莫耳流量比。氧的莫耳流量比取決於該氧化劑混合物中的氧對稀釋劑之比例，並可計算成F氧/(F氧+F稀釋劑)。用於本文時，該氧化劑的流速可計算成F氧=(F氧+F稀釋劑)。
當該當量比(Φ)來到低於1或高於1時，廢氣中的氧和二氧化碳之莫耳分率或濃度將會改變。例如，當該當量比(Φ)來到低於1時，氧的莫耳分率將從當量比(Φ)為約1之約1ppm(即，約1.0x10-6的氧莫耳分率)迅速提高至當量比(Φ)為約0.999之約100ppm(即，約1.0x10-4的氧莫耳分率)。類似地，當該當量比(Φ)來到高於1時，一氧化碳的莫耳分率將從當量比(Φ)為約0.9995之約1ppm(即，約1.0x10-6的一氧化碳莫耳分率)迅速提高至當量比(Φ)為約1.001之高於約100ppm(即，約1.0x10-4的一氧化碳莫耳分率)。
至少部分依據該等感應器(如感應器406(第4圖)、502(第5圖)或602(第6圖))獲得的數據，流至各自燃燒器110的氧化劑116量及/或燃料114量可被調節成製造具有所欲組成的廢氣流418。例如，監測該擴展器廢氣段408的廢氣中之氧及/或一氧化碳濃度時， 該渦輪擴展器106或該廢氣管道604使被引進各自燃燒器110的氧化劑116和燃料114之個別調節能被控制，使得該燃料的燃燒係於該燃燒器110中於預定範圍的當量比(Φ)內進行。這可用以製造具有下述氧和一氧化碳的合併濃度之廢氣流418：低於約3莫耳%，低於約2.5莫耳%，低於約2莫耳%，低於約1.5莫耳%，低於約1莫耳%，或低於約0.5莫耳%。再者，該廢氣流418可能具有低於約4,000ppm，低於約2,000ppm，低於約1,000ppm，低於約500ppm，低於約250ppm，或低於約100ppm之合併的氧和一氧化碳。
各自燃燒器110中之所欲或預定範圍的當量比(Φ)可被計算或輸入，以進行該燃料114的燃燒，製造含所欲量的氧及/或一氧化碳之混合廢氣流418。例如，各自燃燒器110中的當量比(Φ)可保持於約0.85至約1.15的預定範圍，以製造具有氧和一氧化碳的合併濃度介於約0.5莫耳%、約0.8莫耳%、約1莫耳%的低值至約1.5莫耳%、約1.8莫耳%、約2莫耳%或約2.2莫耳%的高值之廢氣流418。在另一個實例中，各自燃燒器110中的當量比(Φ)可被保持於約0.85至約1.15的範圍，以製造具有氧和一氧化碳的合併濃度低於約2莫耳%、低於約1.9莫耳%、低於約1.7莫耳%、低於約1.4莫耳%、低於約1.2莫耳%或低於約1莫耳%之廢氣流418。在又另一個實例中，各自燃燒器110中的當量比(Φ)可被保持於約0.96至約1.04的範圍，以製造具有氧和一氧化碳的合併濃度低於約 4,000ppm、低於約3,000ppm、低於約2,000ppm、低於約1,000ppm、低於約500ppm、低於約250ppm或低於約100ppm之廢氣流418。
顯著的是該等燃燒器110不一定有相同的調定點，或甚至於相同範圍。在本技術的具體實施例中，各自燃燒器110可使用不同或偏置調定點以考量構造、性能或運轉的差異。這可避免不同燃燒器110的不同運轉特徵造成廢氣流418被不可接受程度的氧或一氧化碳污染之情況。
因此，在本技術的具體實施例中，使用兩種用於運轉該氣體渦輪102的方法。在第一個方法中，整組燃燒器110當作單一實體運轉，例如，在開始時及回應全面調定點調節，如速度或功率變化。在第二個方法中，個別燃燒器110可單獨偏置，例如，以補償磨損及製造等的差異。
用於運轉整組燃燒器110之一方法可包括最初(即開始時)於大於1的當量比將該燃料114和氧引進該氧化劑116。例如，開始時該當量比(Φ)可介於約1.0001、約1.0005、約1.001、約1.05或約1.1的低值至約1.1、約1.2、約1.3、約1.4或約1.5的高值。在另一個實例中，該當量比(Φ)可介於約1.0001至約1.1、約1.0005至約1.01、約1.0007至約1.005或約1.01至約1.1。為了全面調節，該廢氣流418中的氧及/或一氧化碳之濃度可經由該等感應器406、502或902測定或估量。該廢氣流418中的擴展廢氣最初可具有高濃度的一氧化碳(例如，高於約1,000ppm或高於約10,000ppm)及低濃度的氧(例 如，低於約10ppm或低於約1ppm)。
用於運轉整組燃燒器110之另一方法可包括最初(即開始時)於小於1的當量比將該燃料114和氧引進該氧化劑116。例如，開始時該當量比(Φ)可介於約0.5、約0.6、約0.7、約0.8或約0.9的低值至約0.95、約0.98、約0.99、約0.999的高值。在另一個實例中，該當量比(Φ)可介於約0.9至約0.999、約0.95至約0.99、約0.96至約0.99或約0.97至約0.99。該廢氣流418中的擴展廢氣最初應該具有高濃度的氧(例如，高於約1,000ppm或高於約10,000ppm)及低濃度的一氧化碳(例如，低於約10ppm或低於約1ppm)。
例如，當該廢氣中的氧濃度從小於約1ppm提高至大於約100ppm、約1,000ppm、約1莫耳%、約2莫耳%、約3莫耳%或約4莫耳%時，運算器、該控制系統412或二者均可改變以達到低於1的當量比(Φ)。在一或多個具體實施例中，經由氧化劑116的氧及燃料114之量可保持固定或實質固定以提供具有稍低於1(例如，約0.99)的當量比(Φ)之燃燒過程。經由氧化劑116的氧之量可被減降及/或及燃料114之量可被提高並接著保持於固定或實質固定量以提供具有落在預定範圍內的當量比(Φ)。例如，當該廢氣流418中的氧濃度自低於約1ppm提高至約1,000ppm、約0.5莫耳%、約2莫耳%或約4莫耳%時，相對於最初偵測到該廢氣中的氧增加時經由該氧化劑116引進的氧量，經由該氧化劑116引進的氧量 會降低介於約0.01%、約0.02%、約0.03%或約0.04%的低值至約1%、約2%、約3%或約5%的高值。在另一個實例中，當該廢氣流418中的氧濃度自低於約1ppm提高至約1,000ppm或更多時，相對於偵測到該廢氣中的氧增加時經由該氧化劑116引進的氧量，經由該氧化劑116引進的氧量會降低約0.01%至約2%、約0.03%至約1%或約0.05%至約0.5%。在又另一個實例中，當氧濃度自低於約1ppm提高至約1,000ppm或更多時，相對於偵測到該廢氣中的氧增加時引進的燃料114量，該燃料114的量會降低約0.01%、約0.02%、約0.03%或約0.04%的低值至約1%、約2%、約3%或約5%的高值。
在運轉該氣體渦輪系統102的期間，當該氣體渦輪系統102發生一或多個可能改變或變化該廢氣流418的當量比(Φ)之變動或其任何組合時，該當量比(Φ)可經由該等感應器406、502或602在連續基礎之上、於周期性時間間隔、於不規則或非周期性時間間隔監測。例如，可能發生於該氣體渦輪系統102而改變或變化該當量比(Φ)的變動可包括該燃料組成的變動、該氧化劑組成的變動或其組合。由此，該氧及/或一氧化碳的濃度，例如，可被監測，並可做到對於該氧化劑116及/或燃料114的量之調節以控制該廢氣流418中的氧及/或一氧化碳之量。
在至少一個具體實施例中，降低該當量比(Φ)可於遞增步驟、非遞增步驟、連續方式或其任何組合中進行。例如，該氧化劑116及/或燃料114的量可被調節使得該 當量比(Φ)被每次調節固定量或實質固定量的氧化劑116及/或燃料114改變，例如，約0.001、約0.01或約0.05。在另一個實例中，該氧化劑116及/或燃料114的量可被連續變化使得該當量比連續改變。較佳為變化該氧化劑116及/或燃料114的量，並進行燃燒歷經足以製造實質一致組成的廢氣之時期，迄時該氧化劑116及/或燃料114的量可被調節以於介於約0.00001、約0.0001或約0.0005的低值至約0.001、約0.01或約0.05的高值之量中變動該當量比(Φ)。等該廢氣流418達成實質一致的氧濃度之後，該氧化劑116及/或燃料114的濃度能再被調節使得該當量比(Φ)變動。該廢氣流418中的氧及/或一氧化碳之量可被監測，且該氧化劑116及/或燃料114的量可被反覆調節直到該廢氣流418具有，例如，低於約2莫耳%或低於約1.5莫耳%或低於約1莫耳%的氧及一氧化碳合併濃度。
該等燃燒器110可於連續基礎上運轉，使得該廢氣流418具有低於2莫耳%、低於1莫耳%、低於0.5莫耳%或低於約0.1莫耳%的氧及一氧化碳合併濃度。在另一個實例中，於該等燃燒器110中進行燃燒的期間，該廢氣流418可於該氣體渦輪102運轉期間的約50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或約95%具有低於2莫耳%或低於約1莫耳%的氧及一氧化碳合併濃度。換句話說，關於於該等燃燒器110中進行燃燒的大部分期間，該廢氣流418可具有低於約2莫耳%、低於約1 莫耳%、低於約0.5莫耳%或低於約0.1莫耳%的氧及一氧化碳合併濃度。
一旦設好該氣體渦輪102的總體控制，第二個方法就可決定個別燃燒器110需要的偏置。例如，參照第4圖，根據該擴展器廢氣段408中的感應器406之數據信號410，個別燃燒器110各自的氧化劑流量調節裝置402可藉由該控制系統412調節使該等感應器406的測值保持於或接近所欲的調定點。各自感應器406的測值可求出數個計算值。這些可包括，例如，可用以對該n個燃燒器110中的所有氧化劑流量調節裝置402完成類似的調節之平均值，如關於第一個方法討論的。
此外，例如，以二或多個感應器406的測值差數為基礎算出來的多個不同差值，可用以對一或多個燃燒器110上的氧化劑流量調節裝置402完成偏置調節，以將該等感應器406的測值之間的差數最小化。該控制系統412也可直接調節該氧化劑系統116，如藉由調節壓縮器入口導葉(IGV)或速度控制以立刻變動，例如，流至所有燃燒器110的等氧化劑流速。另外，該控制系統412可對於流至所有燃燒器110的燃料114完成類似的調節，該調節係依據，例如，為該氣體渦輪102選擇的速度。至於該氧化劑，流至各燃燒器110的燃料供應可被個別偏置以控制燃燒的當量比。這將關於第15圖進一步加以討論。
第14圖為根據感應器406陣列的讀值偏置個別燃燒器110的方法1400之方塊圖。其可假設該氣體渦輪102 已經在此方法1400開始之前起動，及所有燃燒器110基本上均使用相同混合物或在先前的作業點。該方法1400開始於該等感應器406或502獲得讀值的方塊1402。於方塊1404，由個別感應器406或502獲得的測值之間求出總和及差數。於方塊1406，該等總和及差數可被合併以助於分辨該等燃燒器110究竟是促成廢氣中的高氧或高一氧化碳狀態。這也可藉由上述旋流圖進行。於方塊1408算出關於那些燃燒器110的燃料114及氧化劑116之調節，例如，對於所涉及的特定燃燒器110使用與調節第一個方法中之所有燃燒器110時使用的相同考量點。於方塊1410，輸入該氧化劑116的新調定點並將氧化劑提供給該等燃燒器110。按實質同時的方式，於方塊1412，輸入該燃料114的新調定點並將燃料114提供給該等燃燒器110。於方塊1414，該燃燒過程消耗掉所提供的燃料114及氧化劑116。程序流程接著返回方塊1402，在那裡重複進行該方法。
可使用更精確的測量，以透過該燃燒過程提供更精細的控制。例如，在第6圖所示的感應器佈置中，各燃燒器110具有位於來自該燃燒器110的廢氣管道604上之獨立感應器602。在此具體實施例中，可以做到變動個別燃燒器110的效果，且任何提供太高濃度的氧或一氧化碳廢氣之燃燒器110均可做到氧化劑116及燃料114的精確調節，例如，使用關於第一個方法討論的技術。除了整組燃燒器110已經完成的任何均勻調節之外，也可完成這些調 節，例如，回應該氣體渦輪102的運轉速度之調定點變動。
控制系統
第15圖為可用以個別控制流至氣體渦輪102中的多個燃燒器110之氧化劑116和燃料114的工廠控制系統1500之方塊圖。如先前提到的，該控制系統1500可為DCS、PLC、DDC或任何其他適當控制裝置。另外，任何控制器、控制裝置或監測系統，包括感應器、閥、致電器及其他控制元件，均可為依據IEC 61158的即時分散式控制網路(如FIELDBUS系統)之零件。該工廠控制系統1500可擔任用於工廠或設備中的氣體渦輪102上之個別燃燒器110各者的控制系統412之角色。
該控制系統1500可具有處理器1502，其可為單核處理器、多核處理器或位於遍佈該工廠控制系統1500的多個系統中之一組個別處理器。該處理器1502可透過匯流排1504與該工廠控制系統1500中的其他系統，包括分散式處理器，通訊。該匯流排1504可為乙太(Ethernet)匯流排、FIELDBUS或無論多少個其他匯流排，包括控制系統供應商的專屬匯流排。儲存系統1506可被耦合至該匯流排1504，並可包括非暫時性電腦可讀取媒體，如硬碟、光碟機、隨機存取記憶體(RAM)驅動器及記憶體(包括RAM和唯讀記憶體(ROM))的任何組合。該儲存系統1506可儲存用以提供作業系統1508給該工廠的代 碼，以及滿足渦輪控制系統1510之要求(例如，根據以上討論的第一個或第二個方法)的代碼。
人機界面1512可提供操作者利用該工廠控制系統1500的途徑，例如，透過顯示器1514、鍵盤1516及位於一或多個控制站的指位裝置1518。網路界面1520可提供利用網路1522(如公司的區域網路或廣域網路)的途徑。
工廠界面1524可提供第一個氣體渦輪系統的測量及控制系統。例如，該工廠界面1524可讀取多個感應器1526，如關聯第4、5、6、9及10圖描述的感應器406、502、602、902和1002。該工廠界面1524也可完成多個控制元件的調節，該控制元件包括，例如，用以調節流至該氣體渦輪102上的燃燒器110之燃料114的燃料流量控制元件1528。其他控制元件包括用於該氣體渦輪102上的各自燃燒器110之氧化劑流量控制元件1530，例如，其係用以調節氧化劑流量調節裝置402上的致動器404、於氧化劑流量調節閥702上的致動器706、或該二者。該工廠界面1524也可控制其他工廠系統1532，如自該氣體渦輪102提供的機械能產生動力之產生器。其他工廠系統1532也可包括用以提供氧化劑116給該氣體渦輪102的壓縮器系統。
該工廠控制系統1500不限於單工廠界面1524。若有增加更多個渦輪，則可增加其他工廠界面1534以控制那些渦輪。另外，功能性的分佈不限於第15圖所示者。不 同佈置均可使用，例如，一個工廠界面系統可運轉幾個渦輪，而另一個工廠界面系統可運轉壓縮器系統，且又另一個工廠界面可運轉產生系統。
儘管本技術可容許多種不同修飾和替代形式，但是以上討論的示範具體實施例僅藉由示範方式顯示。然而，此外理應瞭解此技術並不欲受限於文中揭示的特定具體實施例。實際上，本技術包括落在後附申請專利範圍的實際精神和範圍以內的所有替代例、修飾例及等效例。
100‧‧‧氣體渦輪系統
102‧‧‧氣體渦輪
104‧‧‧壓縮器
106‧‧‧渦輪擴展器
108‧‧‧單一轉軸
110‧‧‧燃燒器
112‧‧‧管道
114‧‧‧燃料源
116‧‧‧外部氧化劑來源
118‧‧‧再循環廢氣
120‧‧‧機械動力輸出
122‧‧‧擴展後的廢氣

Claims (21)

  1. 一種氣體渦輪系統，其包含：氧化劑系統；燃料系統；控制系統；多數個燃燒器，其被調適成接受及實質化學計量地燃燒來自該氧化劑系統的氧化劑及來自該燃料系統的燃料以產生廢氣；多數個燃料流量調節裝置，其中該多數個燃料流量調節裝置各自關聯該多數個燃燒器中的一者運轉，其中該多數個燃料流量調節裝置各自被組構成獨立地調整進入關聯的燃燒器之燃料流速；及與該控制系統連通的多數個廢氣感應器，其中該廢氣感應器被調適成測量該廢氣的至少一個參數，且其中該控制系統係被組構成至少部分依據該多數個廢氣感應器測到的參數獨立地調節該多數個燃料流量調節裝置中的至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該氧化劑包含氧及稀釋劑。
  3. 如申請專利範圍第1項之系統，其另包含供給該多數個燃燒器各者的稀釋劑供應源。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其另包含被調適成將壓縮氧化劑供給該多數個燃燒器各者的氧化劑壓縮器。
  5. 如申請專利範圍第1項之系統，其另包含被調適成 接受該廢氣及產生電力的渦輪擴展器。
  6. 如申請專利範圍第1項之系統，其另包含被調適成接受來自該渦輪擴展器的廢氣及產生電力之熱回收蒸氣產生器。
  7. 如申請專利範圍第5項之系統，其另包含稀釋劑壓縮器及被調適成接受來自該擴展器的廢氣之廢氣再循環迴路，其中該廢氣再循環迴路包含被調適成產生電力之熱回收蒸氣產生器及被調適成將冷卻廢氣供給該稀釋劑壓縮器之冷卻廢氣管道，及其中該稀釋劑壓縮器被調適成將經壓縮的稀釋劑供給該燃燒器。
  8. 如申請專利範圍第7項之系統，其另包含配置於該稀釋劑壓縮器與該燃燒器之間的廢氣抽出系統，其中該廢氣抽出系統被調適成於提高壓力抽出稀釋劑。
  9. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該參數係該廢氣中的氧濃度；或該廢氣中的一氧化碳濃度；或該廢氣中的溫度；或上述的任何組合。
  10. 一種控制氣體渦輪之方法，該方法包含：將氧化劑供給在氣體渦輪上的多數個燃燒器；將燃料供給該多數個燃燒器，其中為該多數個燃燒器各自獨立地調節燃料流速；於該多數個燃燒器中實質化學計量地燃燒該燃料及該氧化劑以產生廢氣；測量該廢氣的參數；及調節進入該多數個燃燒器各自的燃料流速以將該參數 調整至目標調定點範圍以內。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其另包含在將該氧化劑供給該多數個燃燒器各者之前壓縮該氧化劑。
  12. 如申請專利範圍第10項之方法，其另包含將一部分廢氣送返該多數個燃燒器作為稀釋劑。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其另包含在該稀釋劑進入該壓縮器之前以壓縮器壓縮該稀釋劑。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該壓縮器係運轉地耦合於被調適成接受該廢氣及從而產生電力的擴展器。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其另包含自配置於該壓縮器與該多數個燃燒器之各者之間的耦接件抽出至少一部分廢氣，其中被抽出的廢氣量至少部分依據該參數。
  16. 一種非暫時性電腦可讀取媒體，該媒體包含經設定的代碼以指示處理器：將燃料供給在氣體渦輪上的多數個燃燒器，其中為該多數個燃燒器各自獨立地調節燃料流速；將氧化劑供給該多數個燃燒器；於該多數個燃燒器中實質化學計量地燃燒該燃料及該氧化劑；監測在該等燃燒器的火焰中產生之廢氣的參數；及調節進入該多數個燃燒器之至少一者的燃料流速以將該參數調節至目標調定點範圍以內。
  17. 如申請專利範圍第16項之非暫時性電腦可讀取媒體，其中該參數係該廢氣中的氧濃度；或該廢氣中的一氧化碳濃度；或該廢氣中的溫度；或上述的任何組合。
  18. 如申請專利範圍第16項之非暫時性電腦可讀取媒體，其包含表示旋流圖的資料結構。
  19. 如申請專利範圍第18項之非暫時性電腦可讀取媒體，其包含經設定的代碼以指示該處理器比較關於多數個感應器的測量值與該資料結構以決定要調節該多數個燃燒器中的那一個。
  20. 如申請專利範圍第16項之非暫時性電腦可讀取媒體，其包含經設定的代碼以指示該處理器自多數個廢氣感應器獲取測量值。
  21. 如申請專利範圍第20項之非暫時性電腦可讀取媒體，其包含經設定的代碼以指示該處理器調整流至該多數個燃燒器各者的燃料流速以便將不同廢氣感應器處測到的參數之間的差異最小化。
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