CN102454487A - 用于控制半封闭动力循环***的***和方法 - Google Patents

用于控制半封闭动力循环***的***和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102454487A
CN102454487A CN201110335907XA CN201110335907A CN102454487A CN 102454487 A CN102454487 A CN 102454487A CN 201110335907X A CN201110335907X A CN 201110335907XA CN 201110335907 A CN201110335907 A CN 201110335907A CN 102454487 A CN102454487 A CN 102454487A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
air
flow
constructed
controller
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201110335907XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN102454487B (zh
Inventor
J·A·韦斯特
A·M·特罗伊斯代尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN102454487A publication Critical patent/CN102454487A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102454487B publication Critical patent/CN102454487B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/48—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant
    • F02C9/50—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with control of working fluid flow
    • F02C9/54—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with control of working fluid flow by throttling the working fluid, by adjusting vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/34—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid with recycling of part of the working fluid, i.e. semi-closed cycles with combustion products in the closed part of the cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/28—Regulating systems responsive to plant or ambient parameters, e.g. temperature, pressure, rotor speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/611—Sequestration of CO2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/306—Mass flow

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

本申请涉及用于控制半封闭动力循环***的***和方法。其中，一种***(10)包括控制器(56)，其被构造为控制半封闭动力循环***(12)。该控制器(56)被构造为接收下列信号中的至少一种：指示通过主压缩机(20)的第一气流(33，34)内氧气浓度的第一信号，指示由半封闭动力循环***(12)输出的动力的第二信号，指示通过涡轮(16)的第二气流(26，30)的温度的第三信号，以及，指示在半封闭动力循环***(12)内的质量流量平衡的第四信号。控制器(56)还被构造为基于第一信号、第二信号、第三信号和第四信号中的至少一种来调整通过主压缩机(20)的第一气流(33，34)、到燃烧器(14)内的燃料流、从主压缩机(20)提取的第一气流(33，34)的部分以及通过进给压缩机(22)的空气流(25)中的至少一种。

Description

用于控制半封闭动力循环***的***和方法
技术领域
本文所公开的主题涉及用于控制半封闭动力循环***(semi-closed power cycle system)的***和方法。
背景技术
某些动力生产***包括燃气涡轮发动机(gas turbine engine)，其被构造为燃烧燃料与压缩空气的混合物以产生热的燃烧气体。燃烧气体流过涡轮以生成用于负载(诸如发电机)的动力。某些燃气涡轮发动机包括燃烧器，燃烧器被构造为以贫燃料混合比(fuel-lean mixture ratio)操作。因此，进给到燃烧器内的压缩空气的量大于足以使燃料完全燃烧的量。因此，来自燃烧器的废气包含大量氧气。
来自某些动力生产***的废气可用于诸如油的矿物的二次回收。在这些***中，加压废气被导向至地下矿床内以增加油压和/或使地质层断裂，从而提高油回收。此外，由于废气留在地质层内，因此由动力生产***所产生的二氧化碳的至少一部分将在地下收集(captured)。不利的是，在废气内的氧气可降解和/或另外不利地影响油品质。因此，可需要显著地减小来自燃气涡轮发动机的废气的氧气浓度。
发明内容
在范围上符合原始要求保护的本发明的某些实施例在下文中总结。这些实施例预期并不限制所要求保护的本发明的范围，而是这些实施例预期仅提供本发明的可能形式的简要总结。实际上，本发明可涵盖可类似于或不同于下文所述的实施例的多种形式。
在第一实施例中，一种***包括控制器，控制器被构造为控制半封闭动力循环***。该控制器被构造为接收下列信号中的至少一种：指示通过主压缩机的第一气流内的氧气浓度的第一信号，指示由半封闭动力循环***输出的动力的第二信号，指示通过涡轮的第二气流的温度的第三信号，以及，指示在半封闭动力循环***内的质量流量平衡(mass flow balance)的第四信号。控制器也被构造为基于第一信号、第二信号、第三信号和第四信号中的至少一种来调整通过主压缩机的第一气流、到燃烧器内的燃料流、从主压缩机提取的第一气流的部分(a fraction of)以及通过进给压缩机的空气流中的至少一种。
在第二实施例中，一种***包括：燃烧器，其被构造为燃烧燃料-空气混合物；以及，进给压缩机，其与燃烧器流体连通且被构造为向燃烧器提供空气流。该***还包括涡轮，其与燃烧器流体连通且被构造为从燃烧器接收第一气流。该***还包括主压缩机，其与涡轮成流体连通且被构造为从涡轮接收第二气流、压缩第二气流且向涡轮提供第三气流。从主压缩机提取第三气流的部分。而且，该***包括控制器，该控制器被构造为接收指示第三气流内氧气浓度的第一信号且基于第一信号来调整到燃烧器的空气流。
在第三实施例中，一种用于控制半封闭动力循环***的方法包括接收下列信号中的至少一种：指示通过主压缩机的第一气流内的氧气浓度的第一信号，指示由半封闭动力循环***输出的动力的第二信号，指示通过涡轮的第二气流的温度的第三信号，以及，指示在半封闭动力循环***内的质量流量平衡的第四信号。该方法还包括基于第一信号、第二信号、第三信号、第四信号中的至少一种来调整通过主压缩机的第一气流、到燃烧器内的燃料流、从主压缩机提取的第一气流的部分以及通过进压缩机的空气流中的至少一种。
附图说明
当参看附图来阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似部件，其中：
图1是包括半封闭动力循环***的实施例的示例性组合循环动力生产***的示意图；
图2是半封闭动力循环***的替代实施例的示意图；以及
图3是用于控制半封闭动力循环***的方法的实施例的流程图。
部件列表：
10 动力生产***
12 半封闭动力循环***
14 燃烧器
16 涡轮
18 轴杆
20 压缩机
22 进给压缩机
24 燃料
25 压缩空气
26 热加压气体
27 空气
28 负载
30 气体
32 热回收蒸汽发生器
33 冷却气体
34 压缩气体
35 废气
36 高压蒸汽
37 水
38 蒸汽涡轮
40 负载
42 低压蒸汽
44     冷凝器
46     冷却水
48     水
50     热水
52     冷却塔
54     控制***
56     控制器
58     传感器
60     温度传感器
62，64 入口导叶
66，68 阀
70     马达
72     轴杆
74     方法流程图
76，78，80，82，84，
                     参看流程图
86，88，90，92，94
具体实施方式
将在下文中描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，在说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应了解，在任何这样实际实施方式的发展中(如在任何工程或设计项目中)，必须做出许多具体实施方式决策来实现开发者的具体目的(诸如符合***相关和商务相关约束)，对于不同的实施方式，这些约束可不同。此外，应了解，这些开发工作可为复杂的且耗时的，但仍是受益于本公开的本领域普通技术人员设计、制作和制造的常规任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”预期表示存在这些元件中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”预期是包括性的且意味着可存在除了所列出元件之外的额外元件。
某些燃气涡轮发动机被构造为基于半封闭动力循环操作，以显著地降低废气内的氧气浓度。这种燃气涡轮发动机可描述为半封闭动力循环***。某些半封闭动力循环***包括：进给压缩机，其被构造为向燃烧器提供空气流；涡轮，其被构造为从燃烧器接收气流；以及，主压缩机，其被构造为从涡轮接收气流输出，以压缩该气体，且将压缩气流提供回到涡轮内。由主压缩机提供的再循环气体显著地降低了自燃烧器排放的气体温度，从而使得燃烧器以基本上化学计量的(stoichiometric)燃料-空气混合比操作。因此，与利用贫燃料混合比(fuel-lean mixture ratio)操作燃烧器的某些燃气涡轮发动机相比，从主压缩机提取的废气的氧气含量将显著地减小。因此，半封闭动力循环***可高效地提供特别适合于二次回收和/或碳收集(carbon capture)操作的废气。
本公开内容的实施例可通过控制在半封闭动力循环***内的各种流体流来便于半封闭动力循环***高效操作。举例而言，某些半封闭动力循环***包括控制器，控制器被构造为接收指示来自主压缩机的气流内的氧气浓度的第一信号，且基于第一信号来调整到燃烧器的空气流。在另外的实施例中，控制器被构造为接收指示涡轮输出的动力的第二信号，通过涡轮的气流的温度的第三信号，以及指示***内的质量流量平衡的第四信号。该控制器还被构造为基于第一信号、第二信号、第三信号和第四信号来调整到燃烧器的空气流、调整到主压缩机的气流、调整到燃烧器内的燃料流和调整从主压缩机提取的气流的部分。举例而言，该控制器可被构造为基于第三信号来调整到主压缩机内的气流，基于第二信号来调整到燃烧器内的燃料流，基于第四信号来调整从主压缩机提取的气流的部分；以及，基于第一信号来调整到燃烧器的空气流。或者，控制器可被构造为基于第三信号来调整到主压缩机内的气流，基于第一信号来调整到燃烧器内的燃料流，基于第二信号来调整从主压缩机提取的气流的部分；以及，基于第四信号来调整到燃烧器的空气流。因此，控制器可便于半封闭动力循环***的高效操作。
图1是包括半封闭动力循环***12的实施例的示例性组合循环动力生产***10的示意图。出于提供半封闭动力循环***12的实施例环境目的，在下文中描述组合循环动力生产***10。应了解，下文所述的半封闭动力循环***12可用于驱动例如其它动力生产***、涡轮***或处理设施内的负载。在本实施例中，半封闭动力循环***12包括燃烧器14、涡轮16、驱动轴杆18、主压缩机20和进给压缩机22。燃烧器14接收燃料24(诸如天然气)，其可在压力下从燃料喷嘴喷射。此燃料与压缩空气25混合且在燃烧器14内燃烧，从而生成热的加压气体26。燃烧器14将气体26导向涡轮16的入口。在来自燃烧器14的气体26通过涡轮16时，在涡轮16中的叶片被驱动旋转，从而沿着半封闭动力循环***12的轴线旋转驱动轴杆18。如图所示，驱动轴杆18连接到半封闭动力循环***12的各个构件，包括主压缩机20和进给压缩机22。
驱动轴杆18将涡轮16连接到进给压缩机22的转子，转子包括叶片。因此，涡轮16中涡轮叶片的旋转使驱动轴杆18旋转在进给压缩机22内的叶片，驱动轴杆18将涡轮16连接到进给压缩机22。例如，进给压缩机22中的叶片旋转使压缩机22压缩经由进气口接收的空气27。压缩空气25然后进给到燃烧器14且与燃料24混合以便于燃烧。驱动轴杆18也可连接到负载28，负载28可为静负载(stationaryload)，诸如发电机，用于在发电设施中发电。实际上，负载28可为任何合适的装置，其由半封闭动力循环***12的旋转输出而提供动力。
来自涡轮16的气体30被导向至热回收蒸汽发生器(HRSG)32。HRSG 32为热交换器，其包括多个管道，管道被构造为在与通过HRSG32的气流30交叉(例如，基本上垂直)的方向中输送二次流体，诸如水。在气体30与管道交叉流动时，热从气体传到水，从而产生蒸汽。此外，气体温度显著降低。在通过HRSG 32之后，冷却气体33被导向至主压缩机20的进入口使得气体33可通过半封闭动力循环***12再循环。
如图所示，驱动轴杆18将涡轮16连接到主压缩机20的转子，转子包括叶片。因此，涡轮16中涡轮叶片旋转使驱动轴杆18旋转主压缩机20内的叶片，驱动轴杆18将涡轮16连接到主压缩机20。主压缩机20中的叶片旋转使压缩机20压缩冷却气体33。压缩气体34然后进给到涡轮16以降低来自燃烧器14的气体26温度。举例而言，燃烧器14可被构造为以化学计量的燃料-空气混合比操作。在某些实施例中，来自化学计量反应的气体26温度可大于涡轮16的所需操作温度。因此，使来自燃烧器14的气体26与再循环气体34混合可向涡轮16提供在所需温度的气流。此外，由于气体26为化学计量燃烧反应(例如，燃料与空气的完全燃烧)的产物，气体26的氧气含量将显著低于贫燃料燃烧反应的气体。举例而言，贫燃料燃烧反应可产生氧气浓度大于大约10％，12％，14％，16％，18％，20％或更高的气体。相比而言，来自化学计量燃烧反应的气体26的氧气浓度可小于大约5％，4％，3％，2％，1％或更小。
在本实施例中，从主压缩机20排出的气体34的一部分被提取用于二次回收和/或碳收集操作。如在下文中详细地讨论，可特别地调整所提取的气体的部分以维持半封闭动力循环***12内的质量流量平衡，以改变到负载28的旋转输出和/或影响半封闭动力循环***12的其它操作参数。由于所提取的废气35的低氧气含量，废气35可喷射到矿层内而不会显著地降解和/或另外不利地影响矿物(例如，油)的品质。因此，来自半封闭动力循环***12的废气35可特别适合于二次回收和/或碳收集操作。
如先前所讨论的那样，来自涡轮16的气体30进给到HRSG 32内，且冷却气体33返回到主压缩机20。随着气体30在HRSG 32内冷却，在气体30内的水蒸气将冷凝为水37。可从HRSG 32提取水37，从而降低气体33的水分含量。因此，从主压缩机20提取的废气35将具有比从燃气涡轮发动机直接排出的废气显著更低的水浓度。
在图示实施例中，由通过HRSG 32的热气流30所生成的高压蒸汽36导向至蒸汽涡轮38。在高压蒸汽36通过蒸汽涡轮38时，在涡轮38内的叶片被驱动旋转，从而驱动第二负载40。虽然本实施例包括两个负载28和40，但应了解在替代实施例中半封闭动力循环***12和蒸汽涡轮38可联接到相同负载。随着蒸汽通过蒸汽涡轮38，压力降低使得从涡轮35排出低压蒸汽42。如图所示，低压蒸汽42流入到冷凝器44内，冷凝器44冷凝蒸汽。冷凝器44为热交换器，其包括多个管道，管道被构造为在与蒸汽流动交叉(例如，基本上垂直)的方向中输送二次流体，诸如水。随着蒸汽与管道交叉流动，热从蒸汽传到水46，从而将蒸汽冷凝为水48。水48流回到HRSG 32，在HRSG32中，其由气体30加热以产生更多高压蒸汽36。冷却水46在冷凝器44内加热且作为热水50离开。热水50被导向至冷却塔52，冷却塔48冷却热水50以产生冷水46用于冷凝器44。虽然在本实施例中高压蒸汽36被导向至蒸汽涡轮38，但应了解替代实施例可在使低压蒸汽42返回到冷凝器44之前将高压蒸汽36用于工业过程(例如，气化)。
在图示实施例中，动力生产***10包括控制***54，控制***54被构造为调节半封闭动力循环***12的操作。如图所示，控制***54包括控制器56，控制器56被构造为接收指示半封闭动力循环***12的各种操作参数的信号，且控制在整个半封闭动力循环***12中的流体流以便于高效操作。在某些实施例中，该控制器56被构造为接收下列信号中的至少一种：指示从主压缩机20的气流34内的氧气浓度的信号，指示由半封闭动力循环***12输出的动力的信号，指示来自涡轮16的气流30的温度的信号，以及指示在半封闭动力循环***12内的质量流量平衡的信号。在图示实施例中，控制***54包括传感器58，传感器58与自主压缩机20提取的废气35流体连通。传感器58在通信上联接到控制器56且被构造为测量所提取废气35氧气浓度和/或压力。如先前所讨论的那样，可需要显著地减少废气35内的氧气含量以便于二次回收和/或碳收集操作。因此，控制器56可被构造为从传感器58接收指示废气35内氧气浓度的信号，且调节半封闭动力循环***12的操作以维持废气35内的低氧气含量。
此外，传感器58可被构造为测量从主压缩机20所提取的废气35的压力。所测量的压力可用于确定在半封闭动力循环***12内的质量流量平衡。如将了解的那样，维持质量流量平衡便于半封闭动力循环***12高效操作。当半封闭循环***12质量平衡时，从主压缩机20提取的废气35的质量流率等于来自进给压缩机22的压缩空气25的质量流率加上到燃烧器24的燃料24的质量流率减去从HRSG 32提取的水37的质量流率。如果废气35的质量流率低于需要，那么将在主压缩机20内建置压力，从而降低半封闭动力循环***12的效率。因此，通过测量从压缩机20排放的废气35内的压力，控制器56可判断半封闭动力循环***12是否适当地质量平衡。
控制器56也在通信上联接到负载28且被构造为测量由半封闭动力循环***12输出的动力。举例而言，如果负载28为发电机，那么控制器56可接收指示发电机的电力输出的信号。因此，控制器56可被构造为控制半封闭动力循环***12以产生所需动力输出。此外，控制***54包括温度传感器60，温度传感器60被构造为测量通过涡轮16的气体温度。在图示实施例中，温度传感器60与在涡轮16出口处与气体30流体连通。但是，应了解温度传感器60可被构造为测量涡轮16入口和/或涡轮16的中级处的气体温度。在本实施例中，控制器56被构造为控制半封闭动力循环***12以产生所需气体温度。举例而言，控制器56可被构造为确保气体温度并不超过涡轮16的最大操作温度。
在本实施例中，控制器56被构造为基于指示来自主压缩机20的气流34内的氧气浓度的信号，指示由半封闭动力循环***12输出的动力的信号，指示来自涡轮16的气流30温度的信号以及指示半封闭动力循环***12内的质量流量平衡的信号中的至少一种来调整通过主压缩机20的气流，到燃烧器14内的燃料流24，从主压缩机20提取的废气流35的部分以及其通过进给压缩机22的空气流中的至少一种。举例而言，在图示实施例中，控制器56在通信上联接到入口导叶62，入口导叶62被构造为调节到进给压缩机22内的空气流27。如将了解的那样，调节到进给压缩机22内的空气流27将改变到燃烧器14内的压缩空气流25。在某些实施例中，控制器56可被构造为基于所测量的提取废气35内的氧气浓度来调整导叶62位置。举例而言，如果氧气浓度大于需要，那么控制器56可部分地关闭入口导叶62以限制通过进给压缩机22的空气流。或者，控制器56可被构造为基于半封闭动力循环***12内的质量流量平衡来调整导叶62位置。举例而言，如果所提取的废气35的压力大于需要，那么控制器56将部分地关闭入口导叶62以限制通过进给压缩机22的空气流，从而降低到半封闭动力循环***12内的质量流率。
在某些实施例中，所提取的废气35内的氧气浓度基于在燃烧器14内的燃料-空气混合比来计算。在这些实施例中，控制器56可被构造为基于燃料-空气混合比来调整导叶62位置。如先前所讨论的那样，可需要以化学计量燃料-空气混合比来操作燃烧器14以显著地降低废气的氧气含量。因此，如果来自进给压缩机22的压缩空气25量大于足以使燃料24完全燃烧的量，那么控制器56可调整导叶62以限制通过进给压缩机22的流动。相反地，如果来自进给压缩机22的压缩空气25量小于足以使燃料24完全燃烧的量，那么控制器56可调整导叶62以便于增加通过进给压缩机22的流动。
控制器56也在通信上联接到主压缩机20的入口导叶64，以调节通过主压缩机20的气流。如将了解的那样，调节到进给压缩机20的气流33将改变到涡轮16内的压缩气体34的流动。在某些实施例中，控制器56可被构造为基于所测量的通过涡轮16的气体温度来调整导叶64的位置。举例而言，如果气体温度高于需要，那么控制器56可打开入口导叶64以增加通过主压缩机20的气流，从而降低到涡轮16内的气流的温度。
此外，控制器56在通信上联接到阀66，阀66被构造为调节到燃烧器14内的燃料流24。在某些实施例中，控制器56被构造为基于半封闭动力循环***12的动力输出来调节通过阀66的流动。举例而言，如果动力输出低于需要，那么控制器56可打开阀66，从而增加到燃烧器14的燃料流且增加动力输出。或者，控制器56可被构造为基于在所提取的废气35内测量的氧气浓度来调节通过阀66的流动。举例而言，如果氧气浓度高于需要，那么控制器56可增加到燃烧器14的燃料流，从而使得燃料-空气混合比朝向化学计量比过渡。
而且，控制器56在通信上联接到阀68，阀68被构造为调节从主压缩机20提取的废气35的部分。在某些实施例中，控制器56被构造为基于半封闭动力循环***12内的质量流量平衡来调节通过阀68的流动。举例而言，如果所提取的废气35的压力高于需要，那么控制器56可打开阀68以从主压缩机20提取较大量的废气35。因此，将降低主压缩机20的排放压力，从而维持主压缩机20内所需操作压力。或者，控制器56可被构造为基于半封闭动力循环***12的动力输出来调节通过阀68的流动。举例而言，如果动力输出大于需要，那么控制器56可打开阀68，从而减少通过涡轮16的流动。由于在涡轮16与负载28之间的连接，减少通过涡轮16的流动将降低到负载28的动力。
图2是半封闭动力循环***12的替代实施例的示意图。在图示实施例中，半封闭动力循环***12包括马达(motor)70，马达70被构造为经由轴杆72来驱动进给压缩机22。因此，进给压缩机22并不直接联接到涡轮16，诸如上文参考图1所述的半封闭动力循环***12的进给压缩机22。马达70可为能驱动进给压缩机22的任何合适装置。举例而言，马达70可为内燃机、电动马达、蒸汽涡轮或燃气涡轮，以及其它马达构造。在本实施例中，控制器56在通信上联接到马达70且被构造为通过调整马达70的动力输出来改变通过进给压缩机22的空气流。举例而言，控制器56可被构造为基于所测量的提取废气35内的氧气浓度来调整马达70的动力输出。举例而言，如果氧气浓度大于需要，那么控制器56可减少到进给压缩机22的动力以减少到燃烧器14的空气流。或者，控制器56可被构造为基于半封闭动力循环***12内的质量流量平衡来调整马达70动力输出。举例而言，如果提取废气35的压力大于需要，那么控制器56可减少到进给压缩机22的动力以减少到燃烧器14的空气流。在另外的实施例中，控制器56可被构造为基于在燃烧器14内的燃料-空气混合比来调整马达70的动力输出。举例而言，如果来自进给压缩机22的压缩空气25量大于足以使燃料24完全燃烧的量，那么控制器56将减少到进给压缩机22的动力以减少到燃烧器14的空气流。
虽然在图示实施例中控制器56被构造为通过改变到进给压缩机22的动力输出来调节到燃烧器14的空气流，但应了解替代实施例可包括被构造为调节空气流的额外特征。举例而言，在某些实施例中，马达70可被构造为以恒定速度来驱动进给压缩机22。在这些实施例中，进给压缩机22可包括入口导叶(诸如上文参考图1所述的那些)，以调节通过进给压缩机22的空气流。在另外的实施例中，马达70的动力输出会是可调整的，且进给压缩机22可包括入口导叶。在这些实施例中，控制器56可被构造为通过调整马达70动力输出和入口导叶的位置来调节到燃烧器14的空气流。
图3是用于控制半封闭动力循环***12的方法74的实施例的流程图。首先，如由方块76所示，接收指示半封闭动力循环***12操作参数的至少一种信号。如图所示，这些信号可包括：如方块78所示，指示从主压缩机20的气流34内的氧气浓度的第一信号；如由方块80所示，指示由半封闭动力循环***12输出的动力的第二信号；如由方块82所示，指示来自涡轮16的气流30温度的第三信号；以及，如由方块84所示，指示在半封闭动力循环***12内的质量流量平衡的第四信号。举例而言，控制器56可经由传感器58接收来自主压缩机50的气流34内氧气浓度的信号和半封闭动力循环***12内的质量流量平衡的信号。此外，控制器56可从负载28接收指示半封闭动力循环***12输出的动力的信号和从温度传感器60接收指示气流30温度的信号。
之后，如由方块86所表示，基于这些信号中的至少一种来调整半封闭动力循环***12的至少一种操作参数。如图所示，操作参数包括：如由方块88所示，通过主压缩机20的气流；如由方块90所示，到燃烧器14内的燃料流；如由方块92所示，自主压缩机20提取的气流的部分；和/或如由方块94所示，通过进给压缩机22的空气流。举例而言，控制器56可被构造为基于所测量的提取废气35内的氧气浓度来调整进给压缩机22的导叶62位置。此外，控制器56可被构造为基于所测量的通过涡轮16的气体温度来调整主压缩机20的导叶64位置。而且，控制器56可被构造为基于半封闭动力循环***12的动力输出来调节通过燃料阀66的流动。控制器56也可被构造为基于半封闭动力循环***12内的质量流量平衡来调节通过排气阀68的流动。以此方式，控制器56可高效地操作半封闭动力循环***12，同时提供氧气含量显著低于被构造为以贫燃料混合比操作的燃气涡轮发动机的废气流35。因此，由半封闭动力循环***12产生的废气35可特别适合于二次回收和/或碳收集操作。
所公开的实施例的技术效果包括通过控制在半封闭动力循环***内的各种流体流来高效地操作半封闭动力循环***的能力。举例而言，某些半封闭动力循环***包括控制器，控制器被构造为接收指示来自主压缩机的气流内的氧气浓度的第一信号且基于第一信号来调整到燃烧器的空气流。在另外的实施例中，控制器被构造为接收指示由涡轮输出的动力的第二信号，通过涡轮的气流的温度的第三信号，以及指示***内的质量流量平衡的第四信号。该控制器还被构造为基于第一信号、第二信号、第三信号和第四信号来调整到燃烧器的空气流、调整到主压缩机内的气流、调整到燃烧器内的燃料流以及调整从主压缩机提取的气流的部分。
本书面描述使用实例来公开本发明(包括最佳实施方式)，且也能使本领域技术人员实践本发明(包括做出和使用任何装置或***和执行任何合并的方法)。本发明的专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，那么其它实例预期在权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种***(10)，包括：
控制器(56)，其被构造为控制半封闭动力循环***(12)，其中，所述控制器(56)被构造成接收下列信号中的至少一种：指示通过主压缩机(20)的第一气流(33，34)内的氧气浓度的第一信号，指示由所述半封闭动力循环***(12)输出的动力的第二信号，指示通过涡轮(16)的第二气流(26，30)的温度的第三信号，以及指示在所述半封闭动力循环***(12)内的质量流量平衡的第四信号，且所述控制器(56)被构造为基于所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号和所述第四信号中的至少一种来调整通过所述主压缩机(20)的第一气流(33，34)、到燃烧器(14)内的燃料流、从所述主压缩机(20)提取的第一气流(33，34)的部分以及通过进给压缩机(22)的空气流(25)中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述控制器(56)被构造为接收所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号和所述第四信号，并且基于所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号所述第四信号来调整通过所述主压缩机(20)的第一气流(33，34)、到所述燃烧器(14)内的燃料流、从所述主压缩机(20)提取的第一气流(33，34)的部分以及通过所述进给压缩机(22)的空气流(25)。
3.根据权利要求2所述的***(10)，其特征在于，所述控制器(56)被构造为基于所述第三信号来调整通过所述主压缩机(20)的第一气流(33，34)，基于所述第二信号来调整到所述燃烧器(14)内的燃料流，基于所述第四信号来调整从所述主压缩机(20)提取的所述第一气流(33，34)的部分，以及基于所述第一信号来调整通过所述进给压缩机(22)的空气流(25)。
4.根据权利要求2所述的***(10)，其特征在于，所述控制器(56)被构造为基于所述第三信号来调整通过所述主压缩机(20)的第一气流(33，34)，基于所述第一信号来调整到所述燃烧器(14)内的燃料流，基于所述第二信号来调整从所述主压缩机(20)提取的所述第一气流(33，34)的部分；以及基于所述第四信号来调整通过所述进给压缩机(22)的空气流(25)。
5.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，指示所述半封闭动力循环***(12)内的质量流量平衡的第四信号包括指示所述主压缩机(20)的排放压力的信号。
6.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述控制器(56)被构造为接收所述第一信号且基于所述第一信号来调整通过所述进给压缩机(22)的空气流(25)。
7.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述控制器(56)被构造为通过调整所述主压缩机(20)的入口导叶(64)的位置来调整通过所述主压缩机(20)的第一气流(33，34)。
8.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述控制器(56)被构造为通过调整所述进给压缩机(22)的入口导叶(62)的位置来调整通过所述进给压缩机(22)的空气流(25)。
9.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于包括：
所述燃烧器(14)被构造为燃烧燃料-空气混合物；
所述进给压缩机(22)与所述燃烧器(14)流体连通且被构造为向所述燃烧器(14)提供所述空气流(25)；
所述涡轮(16)与所述燃烧器(14)流体连通且被构造为从所述燃烧器(14)接收所述第二气流(26，30)；以及
所述主压缩机(20)与所述涡轮(16)流体连通且被构造为压缩所述第一气流(33，34)。
10.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于包括热回收蒸汽发生器(32)，其被构造为从所述第二气流(26，30)提取热且向所述主压缩机(20)提供所述第一气流(33，34)。
CN201110335907.XA 2010-10-21 2011-10-21 用于控制半封闭动力循环***的***和方法 Expired - Fee Related CN102454487B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/909768 2010-10-21
US12/909,768 US8813472B2 (en) 2010-10-21 2010-10-21 System and method for controlling a semi-closed power cycle system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102454487A true CN102454487A (zh) 2012-05-16
CN102454487B CN102454487B (zh) 2015-07-08

Family

ID=45923343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110335907.XA Expired - Fee Related CN102454487B (zh) 2010-10-21 2011-10-21 用于控制半封闭动力循环***的***和方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8813472B2 (zh)
JP (1) JP5964028B2 (zh)
CN (1) CN102454487B (zh)
DE (1) DE102011054549A1 (zh)
FR (1) FR2966509B1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105074168B (zh) * 2012-11-02 2018-04-20 通用电气公司 对具有排气再循环的燃气涡轮***的化学计量燃烧控制

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5366941B2 (ja) * 2007-06-19 2013-12-11 アルストム テクノロジー リミテッド 排ガス再循環型ガスタービン設備
TWI564474B (zh) * 2011-03-22 2017-01-01 艾克頌美孚上游研究公司 於渦輪系統中控制化學計量燃燒的整合系統和使用彼之產生動力的方法
US20140182298A1 (en) * 2012-12-28 2014-07-03 Exxonmobil Upstream Research Company Stoichiometric combustion control for gas turbine system with exhaust gas recirculation
US9382910B2 (en) * 2013-02-28 2016-07-05 Honeywell International Inc. Auxiliary power units (APUs) and methods and systems for activation and deactivation of a load compressor therein
JP6220586B2 (ja) * 2013-07-22 2017-10-25 ８ リバーズ キャピタル，エルエルシー ガスタービン設備
CN112855298B (zh) * 2021-02-01 2021-11-23 北京前沿动力科技股份有限公司 一种超临界二氧化碳循环发电***及其运行方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3703807A (en) * 1971-01-15 1972-11-28 Laval Turbine Combined gas-steam turbine power plant
US4434613A (en) * 1981-09-02 1984-03-06 General Electric Company Closed cycle gas turbine for gaseous production
US4528811A (en) * 1983-06-03 1985-07-16 General Electric Co. Closed-cycle gas turbine chemical processor
EP0444913A1 (en) * 1990-02-27 1991-09-04 Turbine Developments Aktiengesellschaft A gas turbine
CN1104718A (zh) * 1993-07-14 1995-07-05 株式会社日立制作所 排气再循环型联合电厂
CN1207453A (zh) * 1997-06-27 1999-02-10 株式会社日立制作所 排气再循环式联合电站

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3815561A (en) * 1972-09-14 1974-06-11 Bendix Corp Closed loop engine control system
DE3425115A1 (de) 1984-07-04 1986-01-16 Nebojsa Prof Dr Ing Gasparovic Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem kreislauf mit unmittelbarer verbrennung im arbeitsgasstrom
JPH04279729A (ja) * 1991-03-07 1992-10-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Ｃｏ２回収ガスタービンプラント
US5794431A (en) * 1993-07-14 1998-08-18 Hitachi, Ltd. Exhaust recirculation type combined plant
DK0953748T3 (da) * 1998-04-28 2004-06-07 Alstom Switzerland Ltd Kraftværksanlæg med en CO2-proces
JP2001107743A (ja) 1999-10-05 2001-04-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガスタービンシステムおよびそれを備えたコンバインドプラント
AU2001276823A1 (en) * 2000-05-12 2001-12-03 Clean Energy Systems, Inc. Semi-closed brayton cycle gas turbine power systems
JP3690514B2 (ja) * 2001-06-22 2005-08-31 川崎重工業株式会社 地下の石炭層を用いて燃料と燃焼ガスのクローズドシステムを構築したガスタービン設備
MX354577B (es) * 2002-10-10 2018-03-12 Lpp Comb Llc Sistema para la evaporación de combustibles líquidos para la combustión y método de uso.
US7269952B2 (en) * 2005-03-02 2007-09-18 General Electric Company Method and apparatus for gas turbine dry low NOx combustor corrected parameter control
US7266940B2 (en) * 2005-07-08 2007-09-11 General Electric Company Systems and methods for power generation with carbon dioxide isolation
US7617687B2 (en) 2006-02-28 2009-11-17 General Electric Company Methods and systems of variable extraction for gas turbine control
US7784288B2 (en) * 2006-03-06 2010-08-31 General Electric Company Methods and systems of variable extraction for compressor protection
JP5366941B2 (ja) 2007-06-19 2013-12-11 アルストム テクノロジー リミテッド 排ガス再循環型ガスタービン設備
US8171716B2 (en) 2007-08-28 2012-05-08 General Electric Company System and method for fuel and air mixing in a gas turbine
US9410479B2 (en) 2007-12-19 2016-08-09 General Electric Company Method for adjusting the operation of a turbomachine receiving a recirculated exhaust gas

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3703807A (en) * 1971-01-15 1972-11-28 Laval Turbine Combined gas-steam turbine power plant
US4434613A (en) * 1981-09-02 1984-03-06 General Electric Company Closed cycle gas turbine for gaseous production
US4528811A (en) * 1983-06-03 1985-07-16 General Electric Co. Closed-cycle gas turbine chemical processor
EP0444913A1 (en) * 1990-02-27 1991-09-04 Turbine Developments Aktiengesellschaft A gas turbine
CN1104718A (zh) * 1993-07-14 1995-07-05 株式会社日立制作所 排气再循环型联合电厂
CN1207453A (zh) * 1997-06-27 1999-02-10 株式会社日立制作所 排气再循环式联合电站

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105074168B (zh) * 2012-11-02 2018-04-20 通用电气公司 对具有排气再循环的燃气涡轮***的化学计量燃烧控制

Also Published As

Publication number Publication date
CN102454487B (zh) 2015-07-08
JP5964028B2 (ja) 2016-08-03
DE102011054549A1 (de) 2012-04-26
JP2012087789A (ja) 2012-05-10
US8813472B2 (en) 2014-08-26
US20120096829A1 (en) 2012-04-26
FR2966509B1 (fr) 2018-04-27
FR2966509A1 (fr) 2012-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102454487A (zh) 用于控制半封闭动力循环***的***和方法
US10174682B2 (en) Systems and methods for optimizing stoichiometric combustion
TWI577884B (zh) 用以抽出廢氣之系統及方法
JP5184684B2 (ja) 発電するためのシステム及び方法
EP2650512A2 (en) A method and system for controlling a powerplant during low-load operations
EP2880274B1 (en) Compressed air energy storage system having variable generation modes
CN103375254A (zh) 涉及通过排气再循环对燃烧涡轮发动机进行再加热的方法
KR102501164B1 (ko) 동력 생산 시스템들 및 방법들과의 사용을 위해 적합한 컨트롤 시스템들 및 방법들
CN103375253A (zh) 用于控制二次流***的方法和***
US10619568B2 (en) System and method of compressor inlet temperature control with mixing chamber
EP3181858A1 (en) Power plant with steam generation via combustor gas extraction
Burnham et al. Development, installation, and operating results of a steam injection system (STIG™) in a general electric LM5000 gas generator
JP2017110649A (ja) 排気ガスダンパおよび圧縮ガス供給源を介してガスタービン排気エネルギーを制御するためのシステムおよび方法
Gazzino et al. Pressurised oxy-coal combustion Rankine-cycle for future zero emission power plants: technological issues
EP1881178A2 (en) Use of exhaust in thermal devices
KR102420600B1 (ko) 하이브리드 발전설비 및 그 제어방법
Saanum et al. Demonstration plant and combustion system for an oxy-fuel gas turbine cycle
AU2015203501B2 (en) Systems and methods for optimizing stoichiometric combustion
Aghaei et al. Energy analysis of part flow and full flow Humid Air Turbine cycle (HAT)
Malakhov et al. Results from the guarantee tests of the V-64.3 A gas turbine unit at the Tyumen TETs-1 cogeneration station

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150708

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee