CN106715837A - 燃气涡轮机***及相应的方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，一种方法包括：使来自燃气涡轮机***的涡轮机的排气经由排气再循环路径流动至燃气涡轮机***的排气压缩机；使用控制器估计排气压缩机的入口部内的排气的潮湿流参数，所述控制器包括编程有指令的非暂时性介质和经配置执行所述指令的一个或更多个处理器；以及基于所述估计来调整排气再循环路径内的排气的冷却、排气压缩机的入口部内的所述排气的加热，或者二者。也提供了相应的燃气涡轮机***。

Description

燃气涡轮机***及相应的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年6月30日提交的名称为“EROSION SUPPRESSION SYSTEM ANDMETHOD IN AN EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM(排气再循环燃气涡轮机***中的侵蚀抑制***和方法)”的美国临时专利申请No.62/018,994的优先权和权益，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
背景技术
本文公开的主题涉及燃气涡轮机发动机。
燃气涡轮机发动机应用领域广泛，诸如发电机、飞行器和各种机械。燃气涡轮机发动机通常在燃烧器部中利用氧化剂(例如，空气)燃烧燃料，以产生热的燃烧产物，其进而驱动涡轮机部的一个或更多个涡轮机级。当被热的燃烧产物驱动时，涡轮机级产生扭矩来驱动轴。旋转轴进而驱动压缩机部的一个或更多个压缩机级，且还能够驱动发电机产生电能。
作为示例，压缩机部能够包括附接到燃气涡轮机***的可旋转的轴的轮。轮可以附接到叶型(airfoil)，当叶型随着轮转动时，其可以作用于并压缩工作流体。这些叶型可以遭受各种机械和环境应力，诸如，产生自工作流体的压缩的压力和热，以及在压缩期间发生的水冷凝。叶型的工作寿命可至少部分地取决于它们耐受这些机械和环境应力的能力。
发明内容
范围与最初要求保护的主题匹配的特定实施例在下面概述。这些实施例并不旨在限制要求保护的本发明的范围，而是这些实施例仅旨在提供本发明可能形式的简短概括。实际上，本公开可涵盖可与下面阐述的实施例类似或不同的各种形式。
在一个实施例中，燃气涡轮机***包括：排气压缩机，所述排气压缩机包括经由排气再循环路径流体地联接到涡轮机膨胀器的入口部；检测***，其包括联接到入口部的至少一个非侵入式测量设备，其中所述至少一个非侵入式测量设备经配置产生与包含在流过入口部的排气内的水分相关联的第一反馈；以及控制器，其通信地联接到检测***且包括编程有一组或更多组指令的非暂时性介质和经配置执行所述一组或更多组指令的一个或更多个处理设备，使得控制器经配置用以：随着排气流过排气压缩机，针对排气内的水分的冷凝的一个或更多个指示来估计第一反馈，并且如果一个或更多个指示表明水分冷凝在第一预定冷凝范围之外，则提供要采取的第一校正动作的用户可感知指示；或者如果一个或更多个指示表明水分冷凝在第二预定冷凝范围之外，则执行第二校正动作。
在另一个实施例中，一种方法包括：使来自燃气涡轮机***的涡轮机的排气经由排气再循环路径流动至燃气涡轮机***的排气压缩机；使用控制器估计排气压缩机的入口部内的排气的潮湿流(moist flow)参数，所述控制器包括编程有指令的非暂时性介质和经配置执行所述指令的一个或更多个处理器；以及基于所述估计来调整排气再循环路径内的排气的冷却、排气压缩机的入口部内的排气的加热，或者二者。
在另一个实施例中，一种燃气涡轮机***包括：从涡轮机出口延伸到排气压缩机的排气再循环路径；排气冷却***，其沿排气再循环路径定位且经配置冷却排气再循环路径内的排气；水滴大小与通量测量***，其定位在排气冷却***下游且在排气压缩机的入口导流叶片上游，其中水滴大小与通量测量***经配置测量排气内的水的液滴大小和密度；和直接接触加热***，其定位在排气冷却***和水滴大小与通量测量***之间，其中直接接触加热***经配置加热排气；控制器，其通信地联接到水滴大小与通量测量***、排气冷却***和直接接触加热***，其中控制器包括编程有指令的非暂时性介质，所述指令可由控制器的处理器执行，使得控制器经配置以：监测排气内的水的液滴大小和密度，并至少部分地基于所监测的排气内的水的液滴大小和密度来通过排气冷却***调整排气的冷却，通过直接接触加热***调整排气的加热，或者二者。
附图说明
当参照附图阅读下列具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更加容易理解，其中，在整个附图中，相同符号表示相同部件，其中：
图1为具有联接到碳氢化合物生产***的基于涡轮机的服务***的***的实施例的示意图；
图2为图1的***的实施例的示意图，进一步示出控制***和组合循环***；
图3为图1和图2的***的实施例的示意图，进一步示出燃气涡轮机发动机、排气供应***和排气处置***的细节；
图4为用于运行图1至图3的***的过程的实施例的流程图；
图5为图1至图3的***的实施例的示意图，其进一步示出了经配置用于在压缩之前调节排气的冷凝条件的排气水分控制***的细节；
图6为图5的基于涡轮机的服务***的实施例的示意图，其进一步示出了为了加热入口部内的排气，***的各种部件可以流体地联接到压缩机的入口部的方式；
图7为操作图5和图6的排气水分控制***的过程的实施例的流程图；
图8为控制方案的实施例的过程示意图，其描绘了图5的控制器可以操作来控制水滴大小作为液滴大小测量值的函数的方式。
具体实施方式
本发明的一个或更多个具体的实施例将在下面描述。在提供这些实施例的简要描述的工作中，实际实施方式的所有特征可能不在本说明书中进行描述。应当明白，在作为工程或设计项目的任何此类实际实施方式的开发中，做出众多与实施方式相关的决定以实现指定目标，诸如符合在不同实施方式中彼此不同的***相关和/或商业相关约束。而且，应当明白，此类工作可能是复杂和费时的，然而，对本领域的普通技术人员来说，承担具有本公开益处的设计、装配和制造仍然是例行工作。
详细示例实施例在本文公开。然而，本文公开的特定结构和功能细节仅仅表示描述示例实施例的目的。然而，本发明的实施例可以体现为许多替代形式，并且不应仅限于本文阐述的实施例。
因此，在示例实施例能够进行各种更改和替换形式时，其实施例借助于附图中的示例示出并将在本文中详细描述。然而，应当理解，本发明并不旨在将示例实施例限制在所公开的特定形式，而是相反，示例实施例旨在覆盖落入本发明的范围内的所有更改、等效物和替代。
本文所使用术语仅用于描述某些实施例，并不旨在限制示例实施例。如本文所用，单数形式“一个(a、an)”、“该(the)”旨在也包含复数形式，除非上下文明确指出。术语“包括(comprises/comprising)”和/或“包含(includes/including)”当用于本文时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
虽然术语第一、第二、主要、次要等可以在本文中被用于描述各个元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个要素与另一个要素区分开。例如但不限于，在没有偏离示例实施例的范围的情况下，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。正如本文所使用的，术语“和/或”包含一个或更多个关联列出项目的任何一个和全部组合。
仅为了方便读者，特定术语可以被用于本文中，但是不应被视为本发明的范围的限制。例如，词组像“上面”、“下面”、“左侧”、“右侧”、“前面”、“后面”、“顶部”、“底部”、“水平的”、“垂直的”、“上游”、“下游”、“前部”、“后部”等；仅描述在附图中示出的构形。实际上，本发明的实施例的一个或更多个元件可以在任何方向取向，且因此，所述术语应当被理解为涵盖此类变化，除非以其他方式指出。
如下面所详细论述的，所公开的实施例通常涉及具有排气再循环(EGR)的燃气涡轮机***，且特别地，涉及使用EGR的燃气涡轮机***的操作从而使得***具有低的排放。例如，燃气涡轮机***可被配置成沿排气再循环路径再循环排气，连同至少一些再循环排气一起化学计量燃烧燃料和氧化剂，并收集排气用于各种目标***。除了控制燃料和/或氧化剂的流以外，排气再循环连同化学计量燃烧可帮助增加排气中CO2的浓度水平，该排气然后能够被后处理以分离和提纯CO2和氮气(N2)以用于各种目标***。燃气涡轮机***也可采用沿排气再循环路径的各种排气处置(例如，热回收、催化反应等)，从而增加CO2的浓度水平、减少其它排放(例如，一氧化碳、氮氧化物以及未燃烧碳氢化合物)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通过平衡排气的加热与冷却来实现冷凝条件从而控制再循环的排气内的水分。例如，为了抑制排气的露点，以下关于图5至图8所述的控制***和方案可以使用与再循环的排气内的水分相关联的一个或更多个检测的参数。作为示例，为了降低排气的比湿度，排气可以被冷却，并且随后，为了降低排气的相对湿度，可以加热排气，从而减轻水分冷凝。在控制水分冷凝中，以下所述的***和方法可以使受与水滴相互作用不利影响的压缩机部件能够连续地操作。
图1为具有与基于涡轮机的服务***14相关联的碳氢化合物生产***12的***10的实施例的示意图。如下面进一步详细论述的，基于涡轮机的服务***14的各种实施例被构造成向碳氢化合物生产***12提供促进油和/或气生产或回收的各种服务，诸如电力、机械功率和流体(例如，排气)。在所示出的实施例中，碳氢化合物生产***12包含油/气抽取***16和联接到地下储层20(例如，油、气或碳氢化合物储层)的提高原油采收率(EOR)***18。油/气抽取***16包含各种地面设备22，诸如联接到油/气井26的采油树或生产树24。而且，井26可包含一个或更多个管件28，其延伸通过地球32中的钻孔30至地下储层20。树24包含一个或更多个阀、扼流圈、隔离套、防喷器以及各种流量控制装置，其调节压力并控制到地下储层20和来自该地下储层20的流量。虽然树24通常被用于控制从地下储层20流出的生产流体(例如，油或气)的流量，EOR***18可通过将一种或更多种流体喷射到地下储层20中以增加油或气的生产。
因此，EOR***18可包含流体喷射***34，其具有一个或更多个管件36，该一个或更多个管件36延伸通过地球32中的孔38至地下储层20。例如，EOR***18可以将一种或更多种流体40(例如，气体、蒸汽、水、化学物或其任何组合)传送到流体喷射***34中。例如，如下面所进一步详细论述的，EOR***18可被联接到基于涡轮机的服务***14，使得***14将排气42(例如，基本没有氧或完全没有氧)传送到EOR***18以用作喷射流体40。流体喷射***34将流体40(例如，排气42)传送通过一个或更多个管件36到地下储层20中，如箭头44所指示的。喷射流体40通过与油/气井26的管件28距离偏移距离46的管件36进入地下储层20。因此，喷射流体40置换沉积在地下储层20中的油/气48，并通过碳氢化合物生产***12的一个或更多个管件28驱动油/气48上升，如箭头50所指示的。如下面所进一步详细论述的，喷射流体40可包括源自基于涡轮机的服务***14的排气42，该基于涡轮机的服务***14能够生成在碳氢化合物生产***12所需的现场排气42。换句话说，基于涡轮机的***14可同时生成供碳氢化合物生产***12使用的一种或更多种服务(例如，电力、机械功率、蒸汽、水(例如，淡化水)以及排气(例如，基本没有氧))，从而减少或消除此类服务对外部源的依赖。
在所示出的实施例中，基于涡轮机的服务***14包含化学计量排气再循环(SEGR)燃气涡轮机***52和排气(EG)处置***54。燃气涡轮机***52可被配置成在化学计量燃烧运行模式(例如，化学计量控制模式)和非化学计量燃烧运行模式(例如，非化学计量控制模式)(诸如贫燃料控制模式或富燃料控制模式)中运行。在化学计量控制模式中，燃烧通常以燃料和氧化剂的大致化学计量比发生，从而产生大致化学计量燃烧。具体地，化学计量燃烧通常包括在燃烧反应中基本消耗全部的燃料和氧化剂，使得燃烧产物基本没有或完全没有未燃烧燃料和氧化剂。化学计量燃烧的一个量度是当量比，或phi(Φ)，其是实际燃料/氧化剂比相对于化学计量燃料/氧化剂比的比。大于1.0的当量比产生燃料和氧化剂的富燃料燃烧，反之，小于1.0的当量比产生燃料和氧化剂的贫燃料燃烧。相反，1.0的当量比产生既不是富燃料又不是贫燃料的燃烧，从而在燃烧反应中基本消耗所有的燃料和氧化剂。在所公开实施例的背景下，术语“化学计量”或“基本化学计量”可指约0.95到约1.05的当量比。然而，所公开的实施例也可包含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，在基于涡轮机的服务***14中的燃料和氧化剂的化学计量燃烧可产生基本没有未燃烧燃料或氧化剂剩下的燃烧产物或排气(例如，42)。例如，排气42可具有小于1、2、3、4或5体积百分比的氧化剂(例如，氧)、未燃烧燃料或碳氢化合物(例如，HC)、氮氧化物(例如，NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOx)、氢和其它未完全燃烧产物。通过进一步示例，排气42可以具有小于约每百万份体积的10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000份(ppmv)的氧化剂(例如，氧)、未燃烧燃料或碳氢化合物(例如，HC)、氮氧化物(例如，NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOx)、氢和其它未完全燃烧产物。然而，所公开实施例也可在排气42中产生其它范围的残留燃料、氧化剂和其它排放水平。如本文所使用的，术语排放、排放水平和排放目标可指的是特定燃烧产物(例如，NOx、CO、SOx、O2、N2、H2、HC等)的浓度水平，其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)以及用于各种目标***(例如，碳氢化合物生产***12)中的气体流中。
虽然SEGR燃气涡轮机***52和EG处置***54可在不同实施例中包含各种部件，所示出的EG处置***54包括接收和处理源自SEGR燃气涡轮机***52的排气60的热回收蒸汽发生器(HRSG)56以及排气再循环(EGR)***58。HRSG 56可以包括一个或更多个热交换器、冷凝器和各种热回收设备，所述设备集中起将排气60的热传递给水流从而生成蒸汽62的作用。蒸汽62可被用在一个或更多个蒸汽涡轮机、EOR***18或碳氢化合物生产***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机级或EOR***18的不同应用。除了蒸汽62之外，处理水64(例如，淡化水)可以通过HRSG 56、EGR***58和/或EG处置***54的其他部分或SEGR燃气涡轮机***52生成。处理水64(例如，淡化水)在例如内陆或沙漠地区的水短缺区域会是特别有用的。处理水64可以至少部分由于驱动SEGR燃气涡轮机***52内燃料燃烧的大体积空气生成。虽然蒸汽62和水64的现场生成可能在许多应用中是有益的(包含碳氢化合物生产***12)，排气42、60的现场生成对EOR***18可能是特别有益的，这是由于来源于SEGR燃气涡轮机***52的其低氧含量、高压和热量。因此，HRSG 56、EGR***58和/或EG处置***54的另一部分可输出排气66或将排气66再循环到SEGR燃气涡轮机***52中，同时还将排气42传送到EOR***18以与碳氢化合物生产***12一起使用。同样，排气42可从SEGR燃气涡轮机***52直接抽取(即，没有经过EG处置***54)，以用于碳氢化合物生产***12的EOR***18。
排气再循环通过EG处置***54的EGR***58来处理。例如，EGR***58包含一个或更多个管道、阀、鼓风机、排气处理***(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、水分去除单元、催化剂单元、化学物喷射单元或它们的任何组合)以及控制装置，以将排气沿排气再循环路径从SEGR燃气涡轮机***52的输出端(例如，排放的排气60)再循环到输入端(例如，进气排气66)。在所示出的实施例中，SEGR燃气涡轮机***52将排气66吸入到具有一个或更多个压缩机的压缩机部，从而将排气66压缩连同氧化剂68和一个或更多个燃料70的吸气供燃烧器部使用。氧化剂68可包括环境空气、纯氧、富氧空气、氧减少空气、氧-氮混合物或促进燃料70燃烧的任何合适氧化剂。燃料70可包括一种或更多种气体燃料、液体燃料或它们的任何组合。例如，燃料70可包括天然气、液化天然气(LNG)、合成气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、煤油、柴油、乙醇、甲醇、生物燃料或它们的任何组合。
SEGR燃气涡轮机***52在燃烧器部中混合并燃烧排气66、氧化剂68和燃料70，从而生成热燃烧气体或排气60，以驱动涡轮机部中的一个或更多个涡轮机级。在某些实施例中，在燃烧器部中的每个燃烧器包含一个或更多个预混合燃料喷嘴、一个或更多个扩散燃料喷嘴或它们的任何组合。例如，每个预混合燃料喷嘴可被配置成在内部混合在燃料喷嘴内和/或部分在该燃料喷嘴上游的氧化剂68和燃料70，从而将氧化剂燃料混合物从燃料喷嘴喷射到用于预混合燃烧(例如，预混合火焰)的燃烧区中。通过进一步示例，每个扩散燃料喷嘴可被配置成将燃料喷嘴内的氧化剂68流与燃料70流隔离，从而将来自燃料喷嘴的氧化剂68和燃料70分别喷射到用于扩散燃烧(例如，扩散火焰)的燃烧区中。具体地，通过扩散燃料喷嘴提供的扩散燃烧延迟氧化剂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，扩散火焰可提供增加的火焰稳定性，因为扩散火焰通常在氧化剂68与燃料70的单独流之间的化学计量点(即，在氧化剂68与燃料70在混合时)形成。在某些实施例中，一种或更多种稀释剂(例如，排气60、蒸汽、氮或另一惰性气体)可在扩散燃料喷嘴或预混合燃料喷嘴中与氧化剂68、燃料70或两者预混合。此外，一种或更多种稀释剂(例如，排气60、蒸汽、氮或另一惰性气体)可在每个燃燃烧器内的燃烧点处或在其下游被喷射到燃烧器中。使用这些稀释剂可帮助调剂火焰(例如，预混合火焰或扩散火焰)，从而帮助减少NOx(诸如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2))排放。与火焰的类型无关，燃烧产生热燃烧气体或排气60，以驱动一个或更多个涡轮机级。在每个涡轮机级被排气60驱动时，SEGR燃气涡轮机***52生成机械功率(M)72和/或电力(E)74(例如，经由发电机)。***52也输出排气60，并且可进一步输出水64。再者，水64可为处理水，诸如淡化水，这在各种现场或非现场应用中是有用的。
排气抽取也由使用一个或更多个抽取点76的SEGR燃气涡轮机***52提供。例如，所示出的实施例包含具有排气(EG)抽取***80和排气(EG)处理***82的排气(EG)供应***78，其从抽取点76接收排气42、处理排气42并接着向各个目标***供应或分配排气42。目标***可包含EOR***18和/或其它***，诸如管道86、储罐88或固碳***90。EG抽取***80可包含一个或更多个管道、阀、控制装置和流分离件，这促进排气42与氧化剂68、燃料70以及其它杂质的隔离，同时也控制被抽取排气42的温度、压力和流率。EG处理***82可包含一个或更多个热交换器(例如，热回收单元，诸如热回收蒸汽发生器、冷凝器、冷却器或加热器)、催化剂***(例如，氧化催化剂***)、微粒和/或水去除***(例如，气体脱水单元、惯性分离器、聚结过滤器、不透水过滤器以及其它过滤器)、化学物喷射***、溶剂型处理***(例如，吸收剂、闪蒸罐等)、碳收集***、气体分离***、气体净化***和/或溶剂型处理***、排气压缩机或它们的任何组合。EG处理***82的这些子***能够控制温度、压力、流率、水分含量(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)。
根据目标***，被抽取排气42通过EG处理***82的一个或更多个子***进行处理。例如，EG处理***82可引导全部或部分排气42通过碳收集***、气体分离***、气体净化***和/或溶剂型处理***，其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以供各种目标***使用。例如，EG处理***82的实施例可执行气体分离和净化以产生排气42的多个不同流95，诸如第一流96、第二流97和第三流98。第一流96可具有富二氧化碳和/或贫氮气(例如，富CO2贫N2流)的第一成分。第二流97可具有含有在中间浓度水平的二氧化碳和/或氮气(例如，中间浓度CO2、N2流)的第二成分。第三流98可具有贫二氧化碳和/或富氮气(例如，贫CO2富N2流)的第三成分。每个流95(例如，96、97和98)可包含气体脱水单元、过滤器、气体压缩机或它们的任何组合，以促进流95输送到目标***。在某些实施例中，富CO2贫N2流96可具有大于约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，贫CO2富N2流98可具有小于约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。中间浓度的CO2、N2流97可具有在约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。虽然前述范围仅仅是非限制性示例，但富CO2贫N2流96和贫CO2富N2流98可能特别适合与EOR***18和其它***84一起使用。然而，这些富、贫或中间浓度CO2流95中的任何一个可单独或以各种组合与EOR***18和其它***84一起使用。例如，EOR***18和其它***84(例如，管道86、储罐88以及固碳***90)均可以接收一个或更多个富CO2贫N2流96、一个或更多个贫CO2富N2流98、一个或更多个中间浓度CO2、N2流97、以及一个或更多个未处理的排气42流(即，绕过EG处理***82)。
EG抽取***80沿压缩机部、燃烧器部和/或涡轮机部在一个或更多个抽取点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***18和其它***84中。EG抽取***80和/或EG处理***82还可以循环流体流(例如，排气42)至EG处置***54和从EG处置***54循环流体流。例如，经过EG处置***54的排气42的一部分可以被EG抽取***80抽取以用于EOR***18和其它***84中。在某些实施例中，EG供应***78和EG处置***54可彼此独立或集成在一起，并因此可使用单独或共同的子***。例如，EG处理***82可被EG供应***78和EG处置***54两者使用。从EG处置***54抽取的排气42可经历多级气体处理，诸如在EG处置***54中的一个或更多个气体处理级，接着是EG处理***82中的一个或更多个气体处理附加级。
在每个抽取点76处，由于在EG处置***54中的基本上化学计量燃烧和/或气体处理，被抽取排气42可基本不含氧化剂68和燃料70(例如，未燃烧的燃料或碳氢化合物)。而且，根据目标***，被抽取排气42可在EG供应***78的EG处理***82中经受进一步处理，从而进一步降低任何残留氧化剂68、燃料70或其它不良燃烧产物。例如，在EG处理***82中的处理之前或之后，被抽取排气42可具有小于1、2、3、4或5体积百分比的氧化剂(例如，氧)、未燃烧燃料或碳氢化合物(例如，HC)、氮氧化物(例如，NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOx)、氢和其它未完全燃烧产物。通过进一步示例，在EG处理***82中的处理之前或之后，被抽取排气42可以具有小于约每百万份体积的10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000份(ppmv)的氧化剂(例如，氧)、未燃烧燃料或碳氢化合物(例如，HC)、氮氧化物(例如，NOx)、一氧化碳(CO)、硫氧化物(例如，SOx)、氢和其他未完全燃烧产物。因此，排气42特别适合与EOR***18一起使用。
涡轮机***52的EGR运行具体使能在多个位置76处的排气抽取。例如，***52的压缩机部可被用于压缩没有任何氧化剂68的排气66(即，只压缩排气66)，使得基本上无氧排气42可在输入氧化剂68和燃料70之前从压缩机部和/或燃烧器部抽取。抽取点76可被定位在毗邻压缩机级之间的级间端口处、在沿压缩机排出套管的端口处、在沿燃烧器部中的每个燃烧器的端口处或它们的任何组合。在某些实施例中，排气66可不与氧化剂68和燃料70混合，直到其到达燃烧器部中的每个燃烧器的盖端部和/或燃料喷嘴。而且，一个或更多个流动隔板(例如，壁、分隔器、挡板等)可被用于将氧化剂68和燃料70与抽取点76隔离。利用这些流动隔板，抽取点76可直接沿燃烧器部中每个燃烧器的壁进行布置。
一旦排气66、氧化剂68和燃料70流过该盖端部(例如，通过燃料喷嘴)进入每个燃烧器的燃烧部分(例如，燃烧腔室)中，SEGR燃气涡轮机***52被控制提供排气66、氧化剂68和燃料70的大致化学计量燃烧。例如，***52可保持约0.95到约1.05的当量比。结果，在每个燃烧器中的排气66、氧化剂68和燃料70的混合物的燃烧产物基本是没有氧和未燃烧燃料。因此，燃烧产物(或排气)可从SEGR燃气涡轮机***52的涡轮机部被抽取以用作被传送到EOR***18的排气42。沿涡轮机部，抽取点76可被设置在任何涡轮机级处，例如毗邻涡轮机级之间的级间端口处。因此，通过使用任何前述抽取点76，基于涡轮机的服务***14可生成排气42、抽取排气42并输送排气42到碳氢化合物生产***12(例如，EOR***18)以用于地下储层20的油/气48生产。
图2为图1的***10的实施例的示意图，该图示出被联接到基于涡轮机的服务***14和碳氢化合物生产***12的控制***100。在所示出的实施例中，基于涡轮机的服务***14包含组合循环***102，该组合循环***102包含作为顶循环(topping cycle)的SEGR燃气涡轮机***52、作为底循环(bottoming cycle)的蒸汽涡轮机104、和HRSG 56以从排气60回收热量以生成用于驱动蒸汽涡轮机104的蒸汽62。再者，SEGR燃气涡轮机***52接收、混合并化学计量燃烧排气66、氧化剂68和燃料70(例如，预混合火焰和/或扩散火焰)，从而产生排气60、机械功率72、电力74和/或水64。例如，SEGR燃气涡轮机***52可驱动一个或更多个负荷或机器106，诸如发电机、氧化剂压缩机(例如，主空气压缩机)、齿轮箱、泵、碳氢化合物生产***12的设备或它们的任何组合。在一些实施例中，机器106可包含其它驱动件，诸如与SEGR燃气涡轮机***52串联的电动马达或蒸汽涡轮机(例如，蒸汽涡轮机104)。因此，由SEGR燃气涡轮机***52(以及任何附加驱动件)驱动的机器106的输出可包含机械功率72和电力74。机械功率72和/或电力74可用于向碳氢化合物生产***12现场提供动力，电力74可被分配到电网或它们的任何组合。机器106的输出还可包含压缩流体，诸如用于吸入到SEGR燃气涡轮机***52的燃烧部中的压缩氧化剂68(例如，空气或氧)。这些输出中的每个(例如，排气60、机械功率72、电力74和/或水64)可被认为是基于涡轮机的服务***14的服务。
SEGR燃气涡轮机***52产生可基本不含氧的排气42、60，并且将这种排气42、60传送到EG处置***54和/或EG供应***78。EG供应***78可处理排气42(例如，流95)并将其输送到碳氢化合物生产***12和/或其它***84。如上所讨论的，EG处置***54可包含HRSG56和EGR***58。HRSG 56可包含一个或更多个热交换器、冷凝器和各种热回收设备，该热回收设备可被用于回收排气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机104的蒸汽62。类似于SEGR燃气涡轮机***52，蒸汽涡轮机104可驱动一个或更多个负荷或机器106，从而生成机械功率72和电力74。在所示出的实施例中，SEGR燃气涡轮机***52和蒸汽涡轮机104被串联布置以驱动相同的机器106。然而，在另一些实施例中，SEGR燃气涡轮机***52和蒸汽涡轮机104可单独驱动不同的机器106，以独立生成机械功率72和/或电力74。在蒸汽涡轮机104被来自HRSG 56的蒸汽62驱动时，蒸汽62的温度和压力逐渐减小。因此，蒸汽涡轮机104将使用过的蒸汽62和/或水108再循环回到HRSG 56中，以用于经由排气60的热回收生成另外的蒸汽。除了蒸汽生成之外，HRSG 56、EGR***58和/或EG处置***54的另一个部分可产生水64、与碳氢化合物生产***12一起使用的排气42、以及用作至SEGR燃气涡轮机***52的输入的排气66。例如，水64可为处理水64，诸如用于其它应用中的淡化水。淡化水在低可用水量的地区是特别有用的。关于排气60，EG处置***54的实施例可被配置成通过EGR***58再循环排气60，排气60可经过或不经过HRSG 56。
在所示出的实施例中，SEGR燃气涡轮机***52具有排气再循环路径110，该排气再循环路径110从***52的排气出口延伸到排气进口。沿着路径110，排气60经过EG处置***54，在所示出的实施例中，EG处置***54包含HRSG 56和EGR***58。EGR***58可包含沿路径110串联和/或并联布置的一个或更多个管道、阀、鼓风机、气体处理***(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、诸如热回收蒸汽发生器的热回收单元、水分去除单元、催化剂单元、化学物喷射单元或它们的任何组合)。换句话说，EGR***58可包含沿在***52的排气出口与排气进口之间的排气再循环路径110的任何流量控制部件、压力控制部件、温度控制部件、水分控制部件和气体成分控制部件。因此，在具有沿路径110的HRSG 56的实施例中，HRSG 56可被认为是EGR***58的部件。然而，在某些实施例中，HRSG 56可沿独立于排气再循环路径110的排气路径进行设置。不管HRSG 56是否沿着单独路径或与EGR***58共用的路径，HRSG 56和EGR***58吸入排气60并输出再循环排气66、与EG供应***78(例如，用于碳氢化合物生产***12和/或其它***84)一起使用的排气42、或另一种排气输出。再者，SEGR燃气涡轮机***52吸入、混合和化学计量燃烧排气66、氧化剂68和燃料70(例如，预混合火焰和/或扩散火焰)，以产生用于分配到EG处置***54、碳氢化合物生产***12或其它***84的基本不含氧和不含燃料的排气60。
如上面参照图1所指出的，碳氢化合物生产***12可包含各种设备，以促进通过油/气井26从地下储层20回收或生产油/气48。例如，碳氢化合物生产***12可包含具有流体喷射***34的EOR***18。在所示出的实施例中，流体喷射***34包含排气喷射EOR***112和蒸汽喷射EOR***114。虽然流体喷射***34可从各种源接收流体，但是所示出的实施例可从基于涡轮机的服务***14接收排气42和蒸汽62。由基于涡轮机的服务***14产生的排气42和/或蒸汽62也可被传送到碳氢化合物生产***12以用于其它油/气***116。
排气42和/或蒸汽62的数量、质量和流量可通过控制***100来控制。控制***100可完全专用于基于涡轮机的服务***14，或控制***100也可以可选提供用于控制碳氢化合物生产***12和/或其它***84的控制装置(或促进控制的至少某些数据)。在所示出的实施例中，控制***100包含控制器118，其具有处理器120、存储器122、蒸汽涡轮机控制装置124、SEGR气体轮机***控制装置126和机器控制装置128。处理器120可包含单一处理器或两个或更多个冗余处理器，诸如用于控制基于涡轮机的服务***14的三重冗余处理器。存储器122可包含易失性和/或非易失性存储器。例如，存储器122可包含一个或更多个硬盘驱动器、闪存、只读存储器、随机存取存储器或它们的任何组合。控制装置124、126和128可包含软件和/或硬件控制装置。例如，控制装置124、126和128可包含存储在存储器122中并可由处理器120执行的各种指令或代码。控制装置124被配置成控制蒸汽涡轮机104的运行，SEGR燃气涡轮机***控制装置126被配置成控制***52，以及机器控制装置128被配置成控制机器106。因此，控制器118(例如，控制装置124、126和128)可被配置成协调基于涡轮机的服务***14的各种子***，以向碳氢化合物生产***12提供合适的排气42的流。
在控制***100的某些实施例中，在附图中示出或在本文中描述的每个元件(例如，***、子***和部件)包含(例如，直接在这类元件内、在这类元件上游或下游)一个或更多个工业控制特征件，诸如传感器和控制装置，该工业控制特征件在工业控制网络上连同控制器118一起是彼此通信联接的。例如，与每个元件相关联的控制装置可包含专用装置控制器(例如，包含处理器、存储器和控制指令)、一个或更多个致动器、阀、开关和工业控制设备，其基于传感器反馈130、来自控制器118的控制信号、来自用户的控制信号或它们的任何组合进行控制。因此，本文描述的任何控制功能可用控制指令实现，该控制指令由控制器118、与每个元件关联的专用装置控制器或它们的组合存储和/或执行。
为了促进此类控制功能，控制***100包含在整个***10中分布的一个或更多个传感器，以获得用于执行各种控制装置(例如控制装置124、126和128)的传感器反馈130。例如，传感器反馈130可从传感器获得，该传感器分布在整个SEGR燃气涡轮机***52、机器106、EG处置***54、蒸汽涡轮机104、碳氢化合物生产***12中，或分布在整个基于涡轮机的服务***14或碳氢化合物生产***12的任何其它部件中。例如，传感器反馈130可包含温度反馈、压力反馈、流率反馈、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、电力74的输出水平、排气42、60的输出量、水64的输出量或质量或它们的任何组合。例如，传感器反馈130可包含排气42、60的组成，以促进在SEGR燃气涡轮机***52中的化学计量燃烧。例如，传感器反馈130可包含来自沿氧化剂68的氧化剂供应路径的一个或更多个吸入氧化剂传感器、沿燃料70的燃料供应路径的一个或更多个吸入燃料传感器和沿排气再循环路径110和/或在SEGR燃气涡轮机***52内布置的一个或更多个排气排放传感器的反馈。吸入氧化剂传感器、吸入燃料传感器和排气排放传感器可包含温度传感器、压力传感器、流率传感器和组成传感器。排放传感器可包含用于氮氧化物的传感器(例如，NOx传感器)、用于碳氧化物的传感器(例如，CO传感器和CO2传感器)、用于硫氧化物的传感器(例如，SOx传感器)、用于氢的传感器(例如，H2传感器)、用于氧的传感器(例如，O2传感器)、用于未燃烧碳氢化合物的传感器(例如，HC传感器)、或用于未完全燃烧的其它产物的传感器，或它们的任何组合。
通过使用这种反馈130，控制***100可调节(例如，增加、减少或保持)排气66、氧化剂68和/或燃料70至SEGR燃气涡轮机***52(除了其它运行参数以外)中的进气流量，以将当量比保持在合适范围内，例如在约0.95到约1.05之间、在约0.95到约1.0之间、在约1.0到约1.05之间或大致在1.0。例如，控制***100可分析反馈130以监测排气排放(例如，氮氧化物、诸如CO和CO2的碳氧化物、硫氧化物、氢、氧、未燃烧碳氢化合物和未完全燃烧的其它产物的浓度水平)和/或确定当量比，并接着控制一个或更多个部件以调节排气排放(例如，排气42的浓度水平)和/或当量比。受控部件可包含参照附图示出和描述的任何部件，其包含但不限于，沿氧化剂68、燃料70和排气66的供应路径的阀；氧化剂压缩机、燃料泵或在EG处置***54中的任何部件；SEGR燃气涡轮机***52的任何部件；或它们的任何组合。受控部件可调节(例如，增加、减少或保持)在SEGR燃气涡轮机***52内燃烧的氧化剂68、燃料70和排气66的流率、温度、压力或百分比(例如，当量比)。受控部件也可包含一个或更多个气体处理***，诸如催化剂单元(例如，氧化催化剂单元)、催化剂单元供应装置(例如，氧化燃料、热量、电力等)、气体净化和/或分离单元(例如，溶剂型分离器、吸收器、闪蒸罐等)以及过滤单元。气体处理***可帮助减少沿排气再循环路径110、通风口路径(例如，排放到大气中)或到EG供应***78的抽取路径的各种排气排放。
在某些实施例中，控制***100可分析反馈130并控制一个或更多个部件以保持或减少排放水平(例如，排气42、60、95的浓度水平)到目标范围，诸如小于每百万份体积约10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、5000或10000份(ppmv)。对于排气排放中的每种，例如氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、氢、氧、未燃烧碳氢化合物和未完全燃烧的其它产物的浓度水平，这些目标范围可为相同或不同的。例如，根据当量比，控制***100可将氧化剂(例如，氧)的排气排放(例如，浓度水平)选择性控制在小于约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)选择性控制在小于约20、50、100、200、500、1000、2500或5000ppmv的目标范围内；以及将氮氧化物(NOX)选择性控制在小于约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行的某些实施例中，控制***100可将氧化剂(例如，氧)的排气排放(例如，浓度水平)选择性控制在小于约10、20、30、40、50、60、70、80、90或100ppmv的目标范围内；以及将一氧化碳(CO)选择性控制在小于约500、1000、2000、3000、4000或5000ppmv的目标范围内。在以贫燃料当量比(例如，在大约0.95到1.0之间)运行的某些实施例中，控制***100可将氧化剂(例如，氧)的排气排放(例如，浓度水平)选择性控制在小于约500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400或1500ppmv的目标范围内；将一氧化碳(CO)选择性控制在小于约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150或200ppmv的目标范围内；以及将氮氧化物(例如，NOx)选择性控制在小于约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，并不旨在限制本公开实施例的范围。
控制***100还可被联接到本地接口132和远程接口134。例如，本地接口132可包含现场设置在基于涡轮机的服务***14和/或碳氢化合物生产***12处的计算机工作站。相反，远程接口134可包含诸如通过互联网连接的不在基于涡轮机的服务***14和碳氢化合物生产***12现场设置的计算机工作站。这些接口132和134诸如通过传感器反馈130的一个或更多个图形显示、运行参数等等促进基于涡轮机的服务***14的监测和控制。
再者，如上所指出的，控制器118包含各种控制装置124、126和128，以促进控制基于涡轮机的服务***14。蒸汽涡轮机控制装置124可接收传感器反馈130并输出控制命令以促使蒸汽涡轮机104运行。例如，蒸汽涡轮机控制装置124可从HRSG 56、机器106、沿蒸汽62路径的温度和压力传感器、沿水108路径的温度和压力传感器以及指示机械功率72和电力74的各个传感器接收传感器反馈130。同样，SEGR燃气涡轮机***控制装置126可从沿SEGR燃气涡轮机***52、机器106、EG处置***54或它们的任何组合设置的一个或更多个传感器接收传感器反馈130。例如，传感器反馈130可从设置在SEGR燃气涡轮机***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、燃料组成传感器、排气组成传感器或它们的任何组合获得。最终，机器控制装置128可以从与机械功率72和电力74相关联的各个传感器以及布置在机器106内的传感器接收传感器反馈130。这些控制装置124、126和128中的每个控制装置使用传感器反馈130改善基于涡轮机的服务***14的运行。
在所示出的实施例中，SEGR燃气涡轮机***控制装置126可执行指令以控制在EG处置***54、EG供应***78、碳氢化合物生产***12和/或其它***84中的排气42、60、95的数量和质量。例如，SEGR燃气涡轮机***控制装置126可将排气60中的氧化剂(例如，氧)和/或未燃烧燃料的水平保持在低于适合于与排气喷射EOR***112一起使用的阈值。在某些实施例中，阈值水平可为小于排气42、60中的氧化剂(例如，氧)和/或未燃烧燃料的1、2、3、4或5体积百分比；或氧化剂(例如，氧)和/或未燃烧燃料(和其它排气排放)的阈值水平可小于排气42、60中的约每百万份体积的10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000或5000份(ppmv)。通过进一步示例，为了实现这些低水平的氧化剂(例如，氧)和/或未燃烧燃料，SEGR燃气涡轮机***控制装置126可将在SEGR燃气涡轮机***52中燃烧的当量比保持在约0.95和约1.05之间。SEGR燃气涡轮机***控制装置126还可控制EG抽取***80和EG处理***82，以将排气42、60、95的温度、压力、流率和气体组成保持在用于排气喷射EOR***112、管道86、储罐88和固碳***90的适合范围内。如上所讨论的，EG处理***82可被控制将排气42净化和/或分离为一种或更多种气体流95，诸如富CO2贫N2流96，中间浓度CO2、N2流97，以及贫CO2富N2流98。除了用于排气42、60和95的控制装置以外，控制装置124、126和128可执行一个或更多个指令以将机械功率72保持在合适功率范围内，或将电力74保持在合适频率和电力范围内。
图3为***10的实施例的示意图，其进一步示出与碳氢化合物生产***12和/或其它***84一起使用的SEGR燃气涡轮机***52的细节。在所示出的实施例中，SEGR燃气涡轮机***52包含联接到EG处置***54的燃气涡轮机发动机150。所示出的燃气涡轮机发动机150包括压缩机部152、燃烧器部154以及膨胀器部或涡轮机部156。压缩机部152包含一个或更多个排气压缩机或压缩机级158，诸如以串联布置设置的1到20级旋转压缩机叶片。同样，燃烧器部154包含一个或更多个燃烧器160，诸如围绕SEGR燃气涡轮机***52的旋转轴线162周向分布的1到20个燃烧器160。而且，每个燃烧器160可包含一个或更多个燃料喷嘴164，其被配置成喷射排气66、氧化剂68和/或燃料70。例如，每个燃烧器160的盖端部166可容纳1个、2个、3个、4个、5个、6个或更多个燃料喷嘴164，其可将排气66、氧化剂68和/或燃料70的流或混合物喷射到燃烧器160的燃烧部分168(例如，燃烧腔室)中。
燃料喷嘴164可包含预混合燃料喷嘴164(例如，其被配置成预混合氧化剂68和燃料70以用于生成氧化剂/燃料预混火焰)和/或扩散燃料喷嘴164(例如，其被配置成喷射氧化剂68和燃料70的单独的流以用于生成氧化剂/燃料扩散火焰)的任何组合。预混合燃料喷嘴164的实施例可包含旋流叶片、混合腔室、或其它特征件，以在喷射到燃烧腔室168中和在燃烧腔室168中燃烧之前，使该氧化剂68和燃料70在喷嘴164内内部混合。预混合燃料喷嘴164还可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可隔离氧化剂68与燃料70的流直到喷射点，同时还隔离一种或更多种稀释剂(例如，排气66、蒸汽、氮或另一种惰性气体)的流直到喷射点。在另一些实施例中，每个扩散燃料喷嘴164可隔离氧化剂68与燃料70的流直到喷射点，同时在喷射点之前，部分地混合一种或更多种稀释剂(例如，排气66、蒸汽、氮或另一种惰性气体)与氧化剂68和/或燃料70。此外，一种或更多种稀释剂(例如，排气66、蒸汽、氮或另一种惰性气体)可被喷射到在燃烧区处或其下游的燃烧器中(例如，喷射到燃烧的热产物中)，从而帮助减小燃烧的热产物的温度并减少NOx(例如，NO和NO2)的排放。不管燃料喷嘴164的类型，SEGR燃气涡轮机***52可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在火焰表面处直接混合和反应，和/或火焰表面存在于燃料70与氧化剂68之间的混合的位置处。具体地，燃料70和氧化剂68单独接近火焰表面(或扩散边界/界面)，并接着沿火焰表面(或扩散边界/界面)扩散(例如，经由分子和粘性扩散)以生成扩散火焰。值的注意的是，燃料70和氧化剂68沿该火焰表面(或扩散边界/界面)可以是大致化学计量比的，这可沿该火焰表面产生更大的火焰温度(例如，峰值火焰温度)。与贫燃料或富燃料的燃料/氧化剂比相比，该化学计量燃料/氧化剂比通常产生更大的火焰温度(例如，峰值火焰温度)。因此，扩散火焰可基本上比预混火焰更加稳定，因为燃料70和氧化剂68的扩散帮助保持沿火焰表面的化学计量比(和更大温度)。虽然更大的火焰温度也能够导致更大的排气排放，诸如NOx排放，但是所公开的实施例使用一种或更多种稀释剂帮助控制温度和排放，同时还避免燃料70和氧化剂68的任何预混合。例如，所公开的实施例可引入一种或更多种稀释剂与燃料70和氧化剂68分隔开(例如，在燃烧点之后和/或扩散火焰的下游)，从而帮助降低温度和减少由扩散火焰产生的排放(例如，NOx排放)。
如图所示，在运行时，压缩机部152接收并压缩来自EG处置***54的排气66，并将压缩后的排气170输出到燃烧器部154中的每个燃烧器160。在燃料60、氧化剂68和排气170在每个燃烧器160内燃烧时，附加排气或燃烧产物172(即，燃烧气体)被传送到涡轮机部156。类似于压缩机部152，涡轮机部156包含一个或更多个涡轮机或涡轮机级174，其可包含一系列转动涡轮机叶片。这些涡轮机叶片接着被在燃烧器部154中所生成的燃烧产物172驱动，从而驱动联接到机器106的轴176的转动。再者，机器106可包含联接到SEGR燃气涡轮机***52的任一端的各种设备，诸如联接到涡轮机部156的机器106、178和/或联接到压缩机部152的机器106、180。在某些实施例中，机器106、178、180可包含一个或更多个发电机、用于氧化剂68的氧化剂压缩机、用于燃料70的燃料泵、齿轮箱或联接到SEGR燃气涡轮机***52的附加驱动件(例如，蒸汽涡轮机104、电动马达等)。非限制性示例在下面参照表格1进一步详细论述。如图所示，涡轮机部156输出排气60以沿排气再循环路径110从涡轮机部156的排气出口182再循环到排气进口184进入压缩机部152。如上面所详细论述的，沿着排气再循环路径110，排气60经过EG处置***54(例如，HRSG 56和/或EGR***58)。
再者，在燃烧器部154中的每个燃烧器160接收、混合并化学计量燃烧压缩的排气170、氧化剂68和燃料70，以产生附加排气或燃烧产物172以驱动涡轮机部156。在某些实施例中，氧化剂68被氧化剂压缩***186(诸如，具有一个或更多个氧化剂压缩机(MOC)的主氧化剂压缩(MOC)***(例如，主空气压缩(MAC)***))压缩。氧化剂压缩***186包含联接到驱动件190的氧化剂压缩机188。例如，驱动件190可包含电动马达、燃烧发动机或它们的任何组合。在某些实施例中，驱动件190可为涡轮机发动机，诸如燃气涡轮机发动机150。因此，氧化剂压缩***186可为机器106的一体部分。换句话说，压缩机188可由被燃气涡轮机发动机150的轴176供应的机械功率72直接或间接驱动。在此实施例中，驱动件190可被排除，因为压缩机188依赖涡轮机发动机150的功率输出。然而，在采用不止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)可被驱动件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，在另一实施例中，HP MOC被驱动件190驱动，以及LP氧化剂压缩机被轴176驱动。在所示出的实施例中，氧化剂压缩***186与机器106分隔开。在这些实施例中的每个中，压缩***186压缩氧化剂68并将其供应给燃料喷嘴164和燃烧器160。因此，机器106、178、180中的一些或全部可被配置成增加压缩***186(例如，压缩机188和/或附加压缩机)的运行效率。
由元件编号106A、106B、106C、106D、106E和106F所指示的机器106的各个部件可在一个或更多个串联布置、并联布置或串联与并联布置的任何组合中沿轴176的线和/或平行于轴176的线设置。例如，机器106、178、180(例如，106A到106F)可包含下列设备以任何次序的任何串联和/或并联布置，该设备包括：一个或更多个齿轮箱(例如，平行轴、行星齿轮箱)、一个或更多个压缩机(例如，氧化剂压缩机、增压压缩机(诸如，EG增压压缩机))、一个或更多个发电单元(例如，发电机)、一个或更多个驱动件(例如，蒸汽涡轮机发动机、电动马达)、热交换单元(例如，直接或间接热交换器)、离合器或它们的任何组合。压缩机可包含轴向压缩机、径向或离心压缩机或它们的任何组合，每种压缩机具有一个或更多个压缩级。关于热交换器，直接热交换器可包含喷淋(spray)冷却器(例如，喷淋中间冷却器)，其将液体喷淋喷射到气体流中(例如，氧化剂流)以用于直接冷却气体流。间接热交换器可包含将第一流和第二流分隔开的至少一个壁(例如，管壳式热交换器)，诸如与冷却剂流(例如，水、空气、致冷剂或任何其它液态或气态冷却剂)分隔开的流体流(例如，氧化剂流)，其中，冷却剂流与流体流没有任何直接接触地传递来自流体流的热。间接热交换器的示例包含中间冷却器、热交换器和热回收单元，诸如热回收蒸汽发生器。热交换器也可包含加热器。如下面进一步详细论述的，这些机器部件中的每个可被用在如在表格1中列出的非限制性示例所指示的各种组合中。
通常，机器106、178、180可被配置成通过例如调节在***186中的一个或更多个氧化剂压缩机的运行速度、通过冷却和/或抽取过剩电力促进氧化剂68的压缩来增加压缩***186的效率。本公开的实施例旨在包含在机器106、178、180中以串联和并联布置的前述部件的任何和全部排列，其中，所述部件中的一个、不止一个、全部部件或没有任何部件从轴176获得动力。如下面所示，表格1示出靠近压缩机和涡轮机部152、156设置和/或联接到该压缩机和该涡轮机部的机器106、178、180的布置的一些非限制性示例。
表格1
如上面表格1所示，冷却单元被表示为CLR，离合器被表示为CLU，驱动件被表示为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，低压和高压变量被分别表示为LP MOC和HP MOC，以及蒸汽发生器单元被表示为STGN。虽然表格1示出机器106、178、180依次朝着压缩机部152或涡轮机部156，但是表格1也旨在覆盖机器106、178、180的相反次序。在表格1中，包含两个或更多个部件的任何单元旨在覆盖所述部件的并联布置。表格1并不旨在排除机器106、178、180的任何未示出的排列。机器106、178、180的这些部件可使能发送到燃气涡轮机发动机150的氧化剂68的温度、压力和流率的反馈控制。如下面所进一步详细论述的，氧化剂68和燃料70可被供应给处于被具体选择的位置处的燃气涡轮机150，以促进压缩排气170隔离和抽取，而氧化剂68或燃料70未将排气170的质量降低。
如图3所示，EG供应***78被设置在燃气涡轮机发动机150与目标***(例如，碳氢化合物生产***12和其它***84)之间。具体地，EG供应***78(例如EG抽取***(EGES)80)可被联接到在沿压缩机部152、燃烧器部154和/或涡轮机部156的一个或更多个抽取点76处的燃气涡轮机发动机150。例如，抽取点76可被定位在毗邻的压缩机级之间，诸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中的每个提供被抽取排气42的不同温度和压力。同样，抽取点76可被定位在毗邻的涡轮机级之间，诸如在涡轮机级之间的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中的每个提供被抽取排气42的不同温度和压力。通过进一步示例，抽取点76可被定位在整个燃烧器部154的多个位置处，其可提供不同温度、压力、流率和气体组成。这些抽取点76中的每个可包含EG抽取导管、一个或更多个阀、传感器以及控制装置，其可被用于选择性控制被抽取排气42到EG供应***78的流。
通过EG供应***78分配的被抽取排气42具有适合于目标***(例如，碳氢化合物生产***12和其它***84)的受控组分。例如，在这些抽取点76中的每个处，排气170可与氧化剂68和燃料70的喷射点(或流)基本隔离。换句话说，EG供应***78可被具体设计成从燃气涡轮机发动机150抽取排气170而没有任何添加的氧化剂68或燃料70。而且，鉴于在每个燃烧器160的化学计量燃烧，被抽取排气42可以是基本上不含氧和燃料。EG供应***78可将被抽取排气42直接或间接传送到碳氢化合物生产***12和/或其它***84以用于各种处理，诸如提高原油采收率、固碳、存储或运输到非现场位置。然而，在某些实施例中，EG供应***78包含在与目标***一起使用之前，用于进一步处理排气42的EG处理***(EGTS)82。例如，EG处理***82可将排气42净化和/或分离为一种或更多种流95，例如富CO2贫N2流96，中间浓度CO2、N2流97，以及贫CO2富N2流98。这些处理后的排气流95可被单独使用，或与碳氢化合物生产***12和其它***84(例如，管道86、储罐88以及固碳***90)的任何组合一起使用。
类似于在EG供应***78中执行的排气处理，EG处置***54可包含多个排气(EG)处理部件192，例如通过元件编号194、196、198、200、202、204、206、208和210所指示的。这些EG处理部件192(例如，194到210)可以以一个或更多个串联布置、并联布置或串联和平行布置的任何组合沿排气再循环路径110进行设置。例如，EG处理部件192(例如，194到210)可包含下列设备以任何次序的任何串联和/或平行布置，所述设备包括：一个或更多个热交换器(例如，热回收单元，诸如热回收蒸汽发生器、冷凝器、冷却器或加热器)、催化剂***(例如，氧化催化剂***)、微粒和/或水去除***(例如，惯性分离器、聚结过滤器、不透水过滤器以及其它过滤器)、化学物喷射***、溶剂型处理***(例如，吸收剂、闪蒸罐等)、碳收集***、气体分离***、气体净化***和/或溶剂型处理***，或它们的任何组合。在某些实施例中，催化剂***可包含氧化催化剂、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，或它们的组合。所公开实施例旨在包含在串联和并联布置中的前述部件192的任何和全部排列。如下面所述，表格2示出沿排气再循环路径110的部件192的布置的一些非限制性示例。
表格2
如上面表格2中所示，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，蒸汽涡轮机被表示为ST，微粒去除单元被表示为PRU，水分去除单元被表示为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，以及稀释剂供应***(例如，蒸汽、氮或另一惰性气体)被表示为DIL。虽然表格2示出按顺序从涡轮机部156的排气出口182朝压缩机部152的排气进口184的部件192，但是表格2也旨在覆盖所示出部件192的相反顺序。在表格2中，包含两个或更多个部件的任何单元旨在覆盖带有所述部件、所述部件并联布置或它们的任何组合的集成单元。而且，在表格2的背景下，HRU、HRSG和COND为HE的示例；HRSG为HRU的示例；COND、WFIL和CFIL为WRU的示例；INER、FIL、WFIL和CFIL为PRU的示例；以及WFIL和CFIL为FIL的示例。再者，表格2并不旨在排除部件192的任何未示出的排列。在某些实施例中，所示出的部件192(例如，194到210)可以被部分或完全集成在HRSG 56、EGR***58或它们的任何组合内。这些EG处理部件192可使能温度、压力、流率和气体成分的反馈控制，同时也从排气60去除水分和微粒。而且，被处理排气60可在一个或更多个抽取点76处被抽取以用于EG供应***78和/或被再循环到压缩机部152的排气进口184。
在被处理时，再循环排气66经过压缩机部152，SEGR燃气涡轮机***52可沿一个或更多个管道212(例如，放气导管或旁通导管)排出被压缩排气的一部分。每个管道212可将排气传送到一个或更多个热交换器214(例如，冷却单元)中，从而冷却再循环回到SEGR燃气涡轮机***52中的排气。例如，在经过热交换器214后，被冷却排气的一部分可被传送到沿管道212的涡轮机部156，以用于冷却和/或密封涡轮机套管、涡轮机外罩、轴承和其它部件。在此实施例中，SEGR燃气涡轮机***52不传送任何氧化剂68(或其它潜在污染物)通过涡轮机部156以用于冷却和/或密封目的，并因此，被冷却排气的任何泄漏将不污染流过涡轮机部156的涡轮机级并驱动该涡轮机级的热燃烧产物(例如，工作排气)。通过进一步示例，在经过热交换器214之后，被冷却排气的一部分可沿管道216(例如，返回导管)被传送到压缩机部152的上游压缩机级，从而提高通过压缩机部152压缩的效率。在此实施例中，热交换器214可被配置为压缩机部152的级间冷却单元。以此方式，被冷却排气帮助增加SEGR燃气涡轮机***52的运行效率，同时帮助保持排气的纯度(例如，基本不含氧化剂和燃料)。
图4为在图1至图3中示出的***10的操作过程220的实施例的流程图。在某些实施例中，过程220可为计算机实施的过程，该过程存取存储在存储器122上的一个或更多个指令，并执行在图2中示出的控制器118的处理器120上的指令。例如，在过程220中的每个步骤可包含参照图2所述的控制***100的控制器118可执行的指令。
过程220可通过初始化图1至图3的SEGR燃气涡轮机***52的启动模式开始，如块222所指示的。例如，该启动模式可包括SEGR燃气涡轮机***52的逐步倾斜上升，以保持热梯度、振动和间隙(例如，在旋转与静止部件之间)在可接受阈值内。例如，在启动模式222期间，过程220可开始向燃烧器部154的燃烧器160和燃料喷嘴164供应压缩后的氧化剂68，如块224所指示的。在某些实施例中，压缩后的氧化剂可包含压缩空气、氧、富氧空气、氧减少空气、氧氮混合物或它们的任何组合。例如，氧化剂68可被在图3中示出的氧化剂压缩***186压缩。在启动模式222期间，过程220也可开始向燃烧器160和燃料喷嘴164供应燃料，如块226所指示的。在启动模式222期间，过程220也可开始向燃烧器160和燃料喷嘴164供应(可用)排气，如块228所指示的。例如，燃料喷嘴164可产生一种或更多种扩散火焰、预混合火焰或扩散火焰与预混合火焰的组合。在启动模式222期间，通过燃气涡轮机发动机156生成的排气60在数量和/或质量上可能是不足或不稳定的。因此，在启动模式期间，过程220可从一个或更多个存储单元(例如，储罐88)、管道86、其它SEGR燃气涡轮机***52或其它排气源供应排气66。
接着，过程220可在燃烧器160中燃烧压缩后的氧化剂、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。具体地，过程220可通过图2的控制***100进行控制，以促进在燃烧器部154的燃烧器160中的混合物的化学计量燃烧(例如，化学计量扩散燃烧、预混合燃烧或两者)。然而，在启动模式222期间，保持混合物的化学计量燃烧可能是特别困难的(并因此，热燃烧气体172中可能存在低水平的氧化剂和未燃烧燃料)。因此，在启动模式222中，热燃烧气体172可能比在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，如在下面所进一步详细论述的。为此，过程220可在启动模式期间，执行一个或更多个控制指令以减少或消除在热燃烧气体172中的残留氧化剂68和/或燃料70。
接着，过程220用热燃烧气体172驱动涡轮机部156，如块232所指示的。例如，热燃烧气体172可驱动被设置在涡轮机部156内的一个或更多个涡轮机级174。在涡轮机部156的下游，过程220可处理来自最后涡轮机级174的排气60，如块234所指示的。例如，排气处理234可包含对任何残留氧化剂68和/或燃料70的过滤、催化反应、利用HRSG 56的化学处理、热回收等等。过程220也可将排气60的至少一些再循环回到SEGR燃气涡轮机***52的压缩机部152，如块236所指示的。例如，排气再循环236可包括经过具有EG处置***54的排气再循环路径110的通道，如图1至图3所示。
再循环排气66可进而在压缩机部152中被压缩，如块238所指示的。例如，SEGR燃气涡轮机***52可在压缩机部152的一个或更多个压缩机级158中相继压缩再循环排气66。压缩后的排气170随后可被供应给燃烧器160和燃料喷嘴164，如块228所指示的。接着可重复步骤230、232、234、236和238，直到过程220最终转变到稳态模式，如块240所指示的。在转变240之后，过程220可继续执行步骤224到238，但是也可开始经由EG供应***78抽取排气42，如块242所指示的。例如，排气42可从沿压缩机部152、燃烧器部154和涡轮机部156的一个或更多个抽取点76抽取，如图3所示。过程220可进而从EG供应***78向碳氢化合物生产***12供应被抽取排气42，如块244所指示的。碳氢化合物生产***12接着可将排气42喷射到地球32中以用于提高原油采收率，如块246所指示的。例如，被抽取排气42可被如图1至图3所示的EOR***18的排气喷射EOR***112使用。
如上所述，压缩机部152从排气再循环路径110接收再循环的排气66，并且将再循环的排气66压缩以用于燃气涡轮机发动机150的其他部(例如，燃烧器部160)内使用。随着排气66行进通过压缩机部152，与排气66相关的水分可与压缩机的各种特征相互作用。例如，转动并作用于排气66从而压缩排气的压缩机部152的叶型会具有降低的工作寿命，这是由于重复地暴露至排气66内的水分的缘故。例如，水分可以冷凝并冲击叶型的表面。这种冷凝会导致叶型上的过早磨损、侵蚀和/或应力。
在一些实施例中，某些压缩机部件(诸如叶型)除了它们的基底构造材料以外可以包括涂层。涂层可以覆盖整个叶型(或其他压缩机部件，诸如旋转的部件)，或者仅覆盖叶型易遭受水滴作用的部分。涂层可以对由于来自排气的冷凝的水滴与部件之间的相互作用导致的劣化或性能下降提供附加水平的抵抗。在更进一步的实施例中，为了增强压缩机部件的稳健性，可以对压缩机部件进行处理(例如，阳极化处理)。根据本公开，除了或者替代使用这些涂层(或者其他类型的材料处理，诸如，基底材料的处理)以外，***(例如，排气水分控制***)可以被设计成随着排气行进通过排气再循环路径110并进入到压缩机部152而监测与排气水分冷凝相关联/指示排气水分冷凝的条件。在某些实施例中，该监测可以通过调节基于涡轮机的服务***10的一个或更多个运行参数来实现对有助于排气水分冷凝的条件的控制。因此，除了减轻冷凝对压缩机部152的部件的影响以外，或者不是减轻该影响，本实施例能够主动控制，且在某些情况下，能够减轻排气水分冷凝。例如，排气水分冷凝可以被控制在预定的(例如，计算机建模的)范围内，从而提高压缩效率，和/或以预防其影响并增加压缩机部件的工作寿命。
根据本公开的一个方面，监测可以产生通过***提供(例如，至技师)的用户可感知的指示。用户可感知的指示可以向用户提供警报(例如，声音的、视觉的，和/或触觉的指示)，和/或更精密的指示(例如，指示冷凝可能性的数值、相对于预定的范围的测量的冷凝的范围、水滴大小和/或通量，或它们的任何组合)，以使用户能够执行对***10的一个或更多个运行参数的调节。
除了提供一个或更多个用户可感知的指示以外(例如，在此期间和/或在此之后)，***还可以执行一个或更多个控制动作来调节燃气涡轮机***150(或基于涡轮机的服务***10的其他部件或***)的运行参数从而控制排气水分冷凝。例如，***可以自动地执行控制动作的全部或子集，或者可以在提供用户可感知的指示之后(例如，在预定的时间延迟之后)执行控制动作的全部或子集。在更进一步的实施例中，在接收到来自用户的输入后，***可以提供指示并且执行控制动作以控制排气水分冷凝。
根据本公开，控制***100(或者另一个更具体的控制子***)可以利用监测的参数且还可以协调能够影响流过排气再循环路径110和压缩机部152的排气60的组分和/或温度的若干子***的操作。图5描绘了为了调节压缩机部152的入口条件而由控制***100所利用的控制特征的布置的示例实施例。虽然在上下文中描述了且对于本文所述类型的排气压缩机是特别有用的，但是本方法的一些或全部也可以应用到基于涡轮机的服务***14的其他部分中，诸如，应用在氧化剂压缩***186中(图3)。
所示出的基于涡轮机的服务***14的实施例包括压缩机部152和多个特征件，所述多个特征件被用来调节压缩机部152的入口部260内的排气66的特性。共同地，这些部件在本文可以被称为排气水分控制***262。如所示出的，排气水分控制***262包括控制器264，控制器264可以对应于控制***100的任一控制器(例如，控制器118)。控制器264可以包括处理器266和存储器268，处理器266和存储器268可以具有与以上关于处理器120和存储器122所述的大体相同的配置。实际上，为了监测反馈并执行本文所述的控制动作的任一个或其组合，处理器264通常将执行存储在存储器268上的指令。控制器264还意在包含分布式控制***，在分布式控制***中，各种控制器全部彼此通信地连接和/或通信地连接到单独的(例如，中心的)控制***。
排气水分控制***262可以包括各种感测和检测特征件的任一个或多个，所述各种感测和检测特征件单独地或共同地经配置向控制器264提供指示排气66内的水分冷凝的各方面的反馈。这些感测/检测特征件可以通常被称为具有贯穿压缩机部152、排气再循环路径110、或***14的任何其他区域定位的影响排气水分的各种部件的检测***。实际上，***14的某些实施例可以包括经配置监测周围环境的湿度水平、来自相对接近***14定位的水体(例如，海水)的水的温度等的特征件。监测可以是侵入式的(例如，沿排气的流设置的测量设备)或非侵入式的(例如，监测但不与排气的流干涉的测量设备)或二者的组合。此外，感测/检测特征件可以包括放置在压缩机部152的不同轴线位置处的仪表的一个或更多个级。以这种方式，控制器264可以使用不止一个测量点，所述不止一个测量点可以用于精化控制器264在执行以下所述的控制动作中的一些中所使用的各种算法、模型和传递函数。
在所示出的实施例中，这些感测/检测特征件包括，通过非限制示例的方式，用于检测湿度的传感器，诸如包括湿球温度计270和干球温度计272的露点检测***，其中湿球温度计270和干球温度计272一起可以提供指示排气66的相对湿度的反馈。虽然被示出为被定位在压缩机部152的进气导管274内，但是湿球温度计270和干球温度计272可以定位在压缩机部152内的任何地方，诸如在进气室276中。实际上，可以在压缩机部152内的任意点处使用任意数量的温度计、干湿计等来提供指示与特定的测量设备正在监测的排气相关的湿度(例如，相对湿度、比湿度、绝对湿度)的反馈。此外，湿球温度计270和干球温度计272可靠近彼此定位，或者可以如所示出的那样间隔开。例如，两种温度计可以都定位在湿球温度计270被示出所在的地方，或者两种温度计可以都定位在湿球温度计272被示出所在的地方，或者两种温度计可以在入口部260中的任意地方定位在一起。
除了这些温度传感器之外或替代这些温度传感器，排气水分控制***262的检测***还可以包括液滴检测***278，所述液滴检测***具有跨过入口部260的环形部分的可视通路(line of sight)。在所示出的实施例中，液滴检测***278被定位在进气室276处。但是，附加地或替代地，液滴检测***278可以定位在压缩机的承口支柱后面的(例如，其下游)的区域280中。实际上，在某些实施例中，可以存在液滴检测仪表的多个(两个、三个或更多个)级，其相对于彼此具有相同或不同配置。仪表的此类级可以使控制器264能够经由附加的输入和基于物理的模型、传递函数的精化等更加精确地确定液滴成长特性。
液滴检测***278可以通常包括经配置测量排气66内的水滴大小、水滴通量、水滴体积和/或水滴密度的任何侵入式或非侵入式的测量***。如所示出的，液滴检测***278可以包括光源282(例如，激光源，红外光源)和检测器284，其中所述光源经配置将光投射跨过进气室276(或其他监测的部)，所述检测器经配置检测所述光。由于***基本上不干扰排气的流，所以此类***将被认为是非侵入式的。为了方便起见，液滴检测***278被描绘为仅包括这些特征件，但是液滴检测***278还可以包括各种控制器(例如，编程的控制回路)、棱镜、电源、稳定特征件(例如，为了使振动最小化)等等，以及定位在排气压缩机的入口部260的不同轴向位置处的其他的冗余的仪表(例如，附加的光源和光检测器)。液滴检测***278可以利用基于激光的技术、基于多普勒效应的技术或类似的技术中任一个或其组合来确定水滴大小。控制器264和液滴检测***278被描绘为通过双箭头通信地联接，表示控制器264可以控制液滴检测***278的运行并且可以接收指示水滴大小、水滴体积、水滴密度、水滴通量或它们的任何组合的反馈。
在一些实施例中，可以期望确定当排气内的水进入到发生压缩的部(例如，在压缩机部152的入口导流叶片(IGV)平面处)中时排气内的水的液滴大小、密度和/或通量。当水分与压缩机部件相互作用(例如，由于相比于压缩机部152的其他部分，其更接近压缩级)时，确定在IGV平面处的排气水分的这些参数可以提供更精确的水分测量值。
在另一方面，随着压缩机部152的入口部260通向IGV平面且最终通向压缩级，形成入口部260的集气室的壁会变厚，以便承受产生自压缩过程的较高的压力、温度和振动。因此，至少因为这些原因，很难将液滴检测***278集成到压缩机部152的这个区域中。此外，在这个区域中发生的振动也会将不确定性引入到测量中，因此，在某些实施例中，液滴检测***278可以被集成到入口部260经历相对低的振动力(例如，相比于压缩机的压缩级)的区域中。进气室276可以对应于这类区域。如在下面将更详细讨论的，控制器264可以利用一个或更多个传递函数以基于在排气压缩机的上游部处执行的测量值来确定排气压缩机的下游部的液滴特性。如以上所述的，传递函数可以受益于被布置在入口部260的不同轴向位置处的仪表的多个级的使用，这可以产生各种液滴特性的更精确预测。
下文进一步详细讨论示例测量以及方式，其中，利用这些测量值以便于控制入口部260内的排气66。如以上所述的，排气水分控制***262还可以包含经配置调节排气60的温度和/或组分(特别是为了控制由压缩机部152最终压缩的排气66的参数)的特征件的组合。而且，控制器264可以协调这些部件的操作。
在所示出的实施例中，例如，为了控制排气60的冷却，控制器264可以控制EGR冷却***286的操作。如所示出的，ERG冷却***286沿压缩机部152的排气进气装置288上游的排气再循环路径110定位。ERG冷却***286可以包括一个或更多个直接接触冷却剂、一个或更多个间接热交换器(例如，壳管式)、一个或更多个湿度计冷却剂、热电制冷模块、制冷机或适合于冷却排气再循环路径110内的排气的任何其他设备。
在ERG冷却***286使用流体冷却介质的实施例中，为了调节排气再循环路径110内的排气60的冷却，控制器264可以经由一个或更多个流控制设备(例如，流控制阀、泵)控制从冷却介质供应装置292到和/或通过ERG冷却***286的冷却介质290的流。已经经历与排气60热交换的冷却介质可以被送到冷却介质返回装置296，以便再装满冷却介质供应装置292。在其他实施例中，诸如当ERG冷却***286被电子控制时，控制器264可以发送控制信号以类似地调节排气60的冷却。
根据某些实施例，ERG冷却***286的操作可以基于若干因素来调节，但是可以基于由入口部260内的湿球温度计和干球温度计(例如，温度计270和温度计272)执行的测量值和由液滴检测***278执行的液滴测量值。在一个实施例中，控制器264可以基于由这些检测特征件提供的反馈来确定排气60的比湿度的降低是合适的。通过ERG冷却***286增加冷却可以执行该降低。换言之，控制器286可以利用ERG冷却***286来降低排气60的比湿度。对于排气，比湿度也可以被称为湿度比，其为特定体积的排气中的水蒸气与干燥气体的比。因此，通过ERG冷却***286增加冷却可以降低比湿度，并且因此降低排气60的水分含量。此外，ERG冷却***286可以被用来直接控制排气66的入口温度(例如，当被压缩机部152接收在进气装置288处时的排气66的温度)。
虽然以这种方式冷却排气60可以使降低其比湿度可行，但是要注意的是，也考虑了组合的方式来完成排气60的冷却。例如，在期望通过使用ERG冷却***286的冷却尽可能多地降低排气60的比湿度，但是可以存在对冷却ERG冷却***286能够提供的程度的限制。对冷却介质供应装置292的可用性、冷却介质供应装置292的温度(例如，冷却介质的温度可限于一较低的阈值)可能存在限制，冷却介质供应装置292的热容量可能受限，等等。
根据本公开，排气60的冷却可以与适应于减轻水滴与压缩机部件的相互作用的一个或更多个其他过程协调。在本公开的某些方面，从排气再循环路径110接收在压缩机部152中(例如，已经被EGR冷却***286冷却)的排气66可以使用入口EGR加热***298来加热。EGR加热***298可以如所示出的那样通信地联接到控制器264，且EGR加热***298可以是经配置与排气66进行热交换的任何合适的装置或***。通过非限制示例的方式，EGR加热***298可以是电加热器(例如，一个或更多个电阻线圈)、直接热交换器(例如，通过直接接触加热的流体来加热排气66)、间接热交换器(例如，壳管式热交换器)，或任何其他合适的热交换器。
在某些实施例中，EGR入口加热***298可以利用加热介质300的流(stream)，诸如在***14内产生的蒸汽或另一加热的流。加热的介质流300可以沿加热介质供应路径302流动，加热介质供应路径302从加热介质供应装置304延伸通过入口EGR加热***298并到达加热介质返回装置306。加热介质返回装置306可以再生加热介质流300(例如，通过再加热)，或者可以将加热介质流300返回到***14用于另一过程。
在一些实施例中，加热介质供应装置304被大体描绘为可以对应于基于涡轮机的服务***14的一个或更多个部。例如，如本文所述的和/或以下关于图6进一步详细讨论的，加热介质供应装置304可以是EG供应***78、HRSG56、由EGR冷却***286产生的附加的热、或产生热的流体的***14的这些或类似部的任意组合。附加地或替代地，在一些实施例中，加热介质供应装置304可以包括压缩机部152的一个或更多个压缩级。
为了降低排气66的相对湿度，可以利用使用以上所述的特征件的任一个或组合来加热排气。在排气66的情况下，相对湿度可以提供在那里的水分冷凝的可能性的指示。因此，在通过加热排气66来降低排气66的相对湿度中，水分冷凝的可能性也相应地降低——从而降低了水滴与压缩机部件之间的相互作用。
取决于入口EGR加热***298的特定配置或用以此目的的其他设备或***，可以以多个方式来控制排气66的加热。例如，通过将控制信号发送到一个或更多个流控制设备308，控制器264可以控制加热介质流300沿加热介质供应路径302的流。一个或更多个流控制设备308可以包括一个或更多个流控制阀、放泄阀、泵、鼓风机、压缩机或它们的任何组合。
由压缩机部152产生的各种热源的压缩的和加热的排气可以特别适合于降低排气66的相对湿度。实际上，因为随着排气行进通过压缩机部152的各种级，排气逐渐变热，所以排气可以从压缩级的任一个或组合移除或在压缩机部152的排出口310处移除。压缩的和加热的排气可以被称为入口放泄热(IBH)流312，因为压缩的和加热的排气从排出口310和/或从压缩级被“放泄”，且因此没有立即地有助于燃烧并对燃气涡轮机发动机150的下游部处的抽取过程起作用。
虽然IBH流312在图5中被示出作为单个流，但是应当注意，IBH可以是从从压缩机的单个位置取得的单个流、从压缩机的单独的位置组合的单个流、来自多个位置的多个流、或来自单个位置但被提供至压缩机部152的入口部260内的不同位置的多个流。
IBH流312到入口部260中的流可以通过使用一个或更多个流控制设备314的控制器264来控制。因为IBH流312由于从压缩所获得的能量的缘故而通常具有高的速度，所以一个或更多个流控制设备314通常包括一个或更多个流限制设备，诸如，流控制阀、压力调控器、放泄阀，或任何其他流限制设备。
在一些实施例中，可以使用单个出口(诸如，定位在入口部260内的阀通口)或者使用将IBH流312分散在入口部260内的多个出口来将IBH流312递送到入口部260中。如图5中所示出的，IBH流312可以流入定位在入口部260内的歧管318。歧管316可以包括单个入口318，或可以包括沿进气导管274的轴向方向布置在不同位置处的多个入口。如所示出的，歧管320包括多个出口320，以便将IBH流312分散作为入口部260的不同纵向和/或轴向位置中的不同的IBH部分322。歧管316可以具有任何形状，诸如，环形的、笔直的、弯曲的等等。
如以上所示的，除了以上效果之外，入口部260内的排气66的加热可以降低排气66的相对湿度，这可以通过干球温度相对于湿球温度的增加来确认。虽然排气再循环路径110内的排气60的冷却(例如，为了降低排气的比湿度)可以受限于EGR冷却***286的能力和期望的入口温度，但是排气66的加热可以主要受限于压缩机部152的设计规范，但是可以有附加的考虑。例如，如果大程度地利用IBH流312来增加排气66的温度，所得到的排气66在具有低的相对湿度的同时，会具有比适于压缩机部152的更高的温度。以这种方式，为了实现在排气行进通过压缩机部152时对排气水分冷凝的控制，当前的实施例提供比湿度的降低(通过冷却)以与相对湿度的下降(通过加热)取得平衡。换句话说，为了使通过干球温度计272监测的温度(例如，干球温度)、IBH流312的流量、以及对整个燃气涡轮机循环的效率的任何相关的损失最小化，可以执行平衡排气60的冷却与排气66的加热。
通过冷却降低再循环的排气的水分含量和通过加热减少排气水分冷凝的可能性可以与通过使用表面活性剂流324和/或使用一种或更多种过滤器326来降低表面张力从而抑制水滴生长相结合。通过示例的方式，表面活性剂流324可以包括为了防止水滴集结而能够降低水的表面张力的表面活性剂的任一种或其组合。表面活性剂的一个非限制性示例包括烷基酸的共轭碱(例如，十二烷基硫酸钠)、乙二醇基表面活性剂(例如，聚乙二醇、丙二醇、烯化氧的嵌段共聚物)，以及类似的化合物。表面活性剂流324可以被喷射到入口部260内的排气66的流中，例如，被流体地喷射在EGR冷却***286与入口EGR加热***298之间、在入口EGR加热***298下游，或入口部260内的任何其他位置。在一些实施例中，表面活性剂流324可以在雾化(例如，作为细喷雾和/或蒸汽)之后被喷射到排气66中，以增强表面活性剂流324与排气66之间的相互作用。
在更进一步的实施例中，表面活性剂流324可以被提供至过滤器326，过滤器326可以包括提供相对大的表面积用以增强表面活性剂流324与排气66之间的相互作用的各种内部导管、微管道等。也可以在没有表面活性剂流324的情况下使用过滤器326。例如，过滤器可以是水分过滤器(例如，基于膜的，诸如扩张的含氟聚合物膜过滤器)，或者可以是具有布置在其上或流过其的干燥剂介质的过滤器。干燥剂介质可以是盐(例如，碳酸氢钠、氧化钙、硫酸钙、氯化钙、二氧化硅、粘土、分子筛)，或者是至少部分地吸收来自排气66的水分且因此移除水分的液基干燥剂(例如，以上所述的盐水溶液，盐水，干燥剂盐溶液)。实际上，在某些实施例中，为了维持干燥器从排气66中移除水分的能力，可以每隔一定时间或按需再生干燥剂。
控制器264可以经由流体地定位在压缩机部152与表面活性剂供应装置330之间的一个或更多个流控制设备328来控制进入到入口部260中的表面活性剂流324。一个或更多个流控制设备328可以包括一个或更多个流控制阀、一个或更多个泵、一个或更多个鼓风机，或任何其他合适的流控制设备。控制器264可以基于多种因素控制表面活性剂流324，多种因素包括但不限于EGR冷却***286的冷却能力、入口EGR加热***289的加热能力、所测量的排气66的干球温度和湿球温度、所测量的排气66的水滴大小、排气66的水滴体积、排气66的水滴通量或者它们的任意组合。
根据前述内容应当理解，至少取决于在与排气热交换之前和/或之后所利用的冷却与热源的类型、以及执行冷却和/或加热流的附加过程的任何类型，为了利于控制排气水分冷凝，根据本公开，多个流路径和连接可以是可能的。在图6中描绘了一种方式的示例实施例，在该方式下，为了利于控制排气水分冷凝，基于涡轮机的服务***14的各个部分可以被连接。
在图6中所示出的实施例中，压缩机部152被流体地联接到排气再循环路径110，这使压缩机部152能够接收再循环的排气66，如以上所讨论的。如以上所述的，EGR冷却***268的至少一部分，诸如，EGR冷却器338(例如，如以上所讨论的，直接接触冷却器或间接热交换器)可以如图6中所描绘那样沿排气再循环路径110布置，且可以冷却排气60以产生由压缩机部152接收的再循环的排气66。
如以上所述的，冷却排气60可以降低排气的比湿度——实质上从排气60中移除水并将热传递至冷却介质流290(图5)。这可以产生附加的热源340和冷凝物342。压缩机部152也可以流体地联接到附加的热源340。为了加热再循环的排气66，附加的热源340可以被用作如以上关于图5所讨论的加热介质供应装置304。因此，不仅EGR冷却***268移除排气60的热，而且移除的热可以被用作加热介质源，例如，用于与再循环的排气66进行间接热交换，以降低排气的相对湿度。
如也已所示出的，压缩机部152的入口部260可以流体地联接到压缩机部152的下游部分，诸如，联接到一个或更多个下游压缩级，或者联接到压缩机的排出口处。该流体联接允许待被提供的IBH流312用于直接或间接热交换。虽然IBH流312的移除可根据燃气涡轮机***150的立即输出导致周期损失，但是应当理解，在将一定量的压缩排气再循环至压缩机部152的向前部用以减少水分冷凝中，压缩机可以运行更长的时期，且针对零件替换和维修的停工期的可能性减小。
附加地或替代地，为了接收加热的EG流344，入口部260可以流体地联接到EG供应***78。如以上关于图3所讨论的，EG供应***78可以包括EG处理***82(图3)，EG处理***82可以经配置从抽取的排气42移除水并压缩抽取的排气。因此，相比于由入口部260从排气再循环路径110接收的排气66，加热的EG流344可以被压缩和脱水。EG供应***78因此可以被认为是加热的介质供应装置304的部件中的一个。
在入口部260中所使用的热源没有被特别地限制，但是将理解的是，某些源比其他的更加有益和/或有效。此外，虽然IBH流312在当前被描绘为从压缩机部152(EG压缩机)移除，但是也可以使用压缩的氧化剂放泄流346。实际上，压缩的氧化剂放泄流346可以是从氧化剂压缩机188的排出口或从其中的一个或更多个压缩级获取的放泄流。此外，虽然当前实施例是在对排气进行压缩的压缩机部152(排气压缩机，也可以被称为再循环压缩机)的背景下讨论的，但是当前的方法也可以应用于氧化剂压缩机188的入口部348。因此，除了控制排气66的水分冷凝以外或替代控制排气66的水分冷凝，可以使用本文所述的实施例的任一个或其组合来控制氧化剂68的水分冷凝。
本文所述的技术也不仅限于热交换，而且还可以包括调节除排气的加热和冷却之外的其他参数。实际上，可以调节可以间接地影响排气被冷却和/或被加热的程度的其他运行参数。作为一个示例，为了调节由EGR冷却***268和/或EGR加热***298操作的排气的体积，沿排气再循环路径110布置的鼓风机350可以调节排气60的速率。如所示出的，鼓风机350沿排气再循环路径110定位在EGR冷却***268的上游。因此，在调节排气60沿路径110的流速中，鼓风机350可以调节EG冷却器338内在任一时刻被冷却的排气60的量。鼓风机350或另一流控制设备可以替代地或附加地定位在EG冷却器338和入口部260之间。此类流控制设备可以调节入口部260内在任何给定的时间处被加热的排气的量。
图7为过程流程图，其描绘了对应于可以根据本公开的实施例执行的某些操作步骤的方法370的实施例。方法370包括为了降低排气60的比湿度而冷却排气再循环路径110(例如，再循环环路)内的排气60(块372)。如以上关于图5和图6所述的，根据块372的冷却可以包括使用EGR冷却***268来执行冷却介质与排气60之间的直接或间接的热交换。可以在EGR冷却***268下游的排气再循环路径110的一部分处，和/或在压缩机部152的进气装置288处，和/或入口EGR加热***298上游的入口部260内的另一位置处来监测所得到的再循环的排气66的温度。在某些实施例中，该温度可以被称为排气压缩机的入口温度。
(如，控制***100的)控制器264可以根据块372控制排气的冷却。例如，响应于测量的入口温度、入口部260中的测量的湿球温度、入口部260中的测量的干球温度、测量的液滴体积、测量的液滴大小、测量的水的通量、或其中的任何组合，控制器264可以调节EGR冷却***286的参数以使相应的(一个或更多个)测量值在期望的范围内。
方法370可以包括接收在压缩机部152的进气装置288处的再循环的排气66(块374)。在某些实施例中，这可以包括接收连续涌入的排气的全部或一部分。方法370还可以包括根据以上关于图5所述的技术(例如，通过过滤移除水、使用一种或更多种干燥剂、使用一种或更多种表面活性剂)的任一个或其组合来过滤排气66(块376)。因此，过滤排气66的行为也可以包括降低与排气66相关的水的表面张力。
控制器264可以控制至少过滤过程的一部分。例如，为了将各个参数调节至预定的范围内，控制器264可以响应于排气66和/或干燥剂/表面活性剂中的一个或更多个测量参数来调节通过过滤器326(图5)的干燥剂和/或表面活性剂的流速。此类参数可以包括测量的入口温度、测量的比湿度、与水滴相关的测量参数，等等。
方法370还包括加热入口部260内的排气66(块378)。如以上关于图5所讨论的，该加热可以使用热源和热交换器的任一个或其组合来执行。排气66的加热通常在冷却过程的下游执行，但是其中排气66在冷却之前被加热的实施例也在本文预期中。实际上，在一些实施例中，期望在排气66被入口部260接收之前通过冷却来使水凝结最大化(以及相关的水移除)，使得通过加热来降低相对湿度所需的能量减少。这种所需能量的减少可以对应于燃气涡轮循环效率损失的减少。
方法370还包括监测入口部260内的排气66的一个或更多个与水相关的参数(块380)。为了利于在反馈指示应当采取的校正动作时的自动响应，根据块380的监测将通常由控制器264来执行。例如，为了确定入口部260内的排气66的相对湿度，控制器264可以监测湿球温度和干球温度。控制器264还可以检测排气内的水滴的大小。例如，控制器264可以检测液滴来确定具有处于或低于一特定值的大小的液滴的百分比。表示此类测量的一种常用方式是，例如，Dx＝y，其中D表示直径且x表示具有等于或小于y的值的直径的液滴的百分比。通过非限制的方式，仅说明性示例，如果排气水滴具有1微米的D50，则百分之五十的水滴具有小于或等于1微米的直径。类似地，如果给定的一批排气66具有1.5微米的D90的水滴，则百分之九十的水滴具有小于或等于1.5微米的直径。类似的测量可以执行用于液滴体积，(例如，DV50,DV90，其中DV为液滴体积)、(例如，DD50，DD90，其中DD为液滴密度)，或这些和其他测量的任意组合。参数还可以包括排气66中的水的通量(例如，表示给定的一批排气66的水的量)，或任何其他类似的表示。
响应于根据块380的监测，方法370可以包括执行一个或更多个校正动作(块382)或向用户提供一个或更多个用户可感知的指示(块384)中的任一个或者二者。为了将监测的参数的一个或更多个维持在或返回至预定的范围内，可由控制器264自动地执行校正动作。用户可感知的指示可以向用户指示为了将监测的参数维持在或返回至预定的范围内而建议一个或更多个调节。
在某些实施例中，控制器264可以根据块384通过提供声音的、视觉的或触觉的警报来提供一个或更多个用户可感知的指示。警报可以用信号通知用户需要注意特定工作站，或者可以提供关于触发警报的特定情况的附加的信息。在这些实施例的一些中，控制器264可以提供用户可感知的指示，并且如果在预定的时间量之后没有采取动作来补救该情况，那么控制器264可以前进以根据块382来执行校正动作。
因此，控制器264可以具有多种操作模式，包括：检测与响应模式，其中控制器264检测指示相关的水分参数在期望的(例如，预定的)范围之外的反馈，并执行校正动作；检测与警报模式，其中反馈使控制器264提供用户可感知的警报；以及检测-警报-响应模式，其中反馈使控制器264最初提醒用户，接下来执行校正动作，或者反馈使控制器264提醒用户且几乎同时地执行校正动作(例如，在执行校正动作时提供警报)。
控制器264可以基于其中一部分在本文讨论的多个因素来确定是否应当执行校正动作。通过示例的方式，控制器264可以针对与排气66(且更具体地与排气66中的水分)相关的多个参数确定具有上阈值与下阈值的范围。在一些实施例中，控制器264可以使用利用多个输入的基于物理的模型来确定用于排气温度、排气相对湿度与比湿度、水滴体积、大小、通量和密度、干球温度、湿球温度等等的适当的范围。
基于物理的模型可以允许与压缩机装备(例如，叶型的构造、叶型的材料、叶型的大小)、环境条件(例如，海水温度、大气温度、压力、湿度和/或露点)、期望的涡轮机输出(例如，期望的产品气输出、用于电源的期望的发电机输出)、燃烧动力学、排气排放等等相关联的可变输入。基于这些输入(以及其他潜在的输入)，所述模型可以确定用于以上所述的与排气水分相关的参数的任一个或其组合的适当的范围。如果控制器264(基于传感器/或检测器反馈)确定与水分相关的参数不在期望的范围内，则控制器264还可以具有响应，该响应根据基于物理的模型(潜在地与其他反馈结合)预定。例如，如果控制器264确定排气66的相对湿度过高，则所述模型可以要求排气66由入口EGR加热***298来加热。然而，反馈也可以指示干球温度正在接近上阈值，例如，这可以通过所述模型基于压缩机的操作限制来确定。在此类实施例中，通过增加排气再循环路径110中的排气60的冷却，和/或通过分别减少用于水分移除和/或降低水表面张力的用来接触排气66的干燥剂和/或表面活性剂的流，控制器264可以减轻水分凝结。应当理解，任何数量的这些类型的控制可以是可能的，且在本公开的范围内。
控制器264可以控制和调节排气水分控制***262的各种运行参数的方式的实施例在图8中被描绘为控制方案390的过程图。具体地，控制方案390包括可以作为使用来自液滴检测***278的反馈的水滴检测的结果出现的控制动作的各种实施例和各种过程。此外，虽然关于图8所述的实施例是在与液滴大小相关联的反馈的背景下呈现的，但是它们也适用于其他反馈，诸如，液滴体积、液滴通量、液滴密度等等。此外，应当注意的是，以下所述的过程的任一个或其组合(和，实际上，上述由控制器264执行的任何控制动作)可以由控制器264通过使用处理器266执行存储在存储器268(其再次为非暂时性的——即，不包括信号)上的指令来执行。在表示控制器264的动作(例如，控制器264“经配置”执行某些动作，或控制器264执行某些动作)中，应当考虑，使用包括存储指令的存储器268的有形处理部件来执行此类动作。因此，存储器268被具体编程有用于执行本文所述的过程的指令，使得控制器264经配置执行本文所述的任务。为了在接收到用户输入时执行适当的控制动作，控制方案390还可以表示呈现给用户(例如，技师)的各种指示。
如所示出的，在控制方案390中，控制器264接收与特定批的再循环的排气66内的(如由液滴检测***278所测量的)水滴大小相关联的反馈(块392)。反馈可以包括作为时间的函数的检测的水滴大小(例如，体积、直径)，或者可以包括水滴大小的平均值，例如，用于水滴直径的D50、D75或D90值或它们的任意组合；用于水滴体积的DV50、DV75或DV90值或它们的任意组合；用于水滴密度(如，每液滴的水的重量)的DD50、DD75或DD90值或它们的任意组合，或这些与其他测量值的任意组合。以上提到的测量值中的用于再循环的排气66内的水的水滴直径的D50、D75或D90值或它们的任意组合可以由液滴检测***278使用激光和/或多普勒效应直径检测技术容易产生。此外，控制器264可以经配置接收由液滴检测***278产生的原始的、未处理的反馈，或者可以经配置接收指示具体测量值的经处理的反馈。换言之，在一些实施例中，通过示例的方式，控制器264可以经配置计算水滴直径D50、D75或D90值或可以接收来自液滴检测***278的水滴直径D50、D75或D90值。因此，液滴检测***278可以包括其自身的与控制器264通信的处理部件(例如，经配置执行指令的处理器和存储指令的存储器)。
控制器264还可以确定反馈指示液滴大小测量值是否在预定的范围外(块394)。预定的范围可以是各种输入(包括以上关于图7讨论的提供至基于物理的模型的输入)的结果。实际上，在执行由块394表示的动作中，控制器264还可以执行与所接收的反馈的进一步处理相关联的多个子程序396。
在一个示例子程序中，取决于液滴检测***278在入口部260内的位置(例如，其位置沿入口部260的轴向方向)，控制器278可以利用传递函数来估计或确定在压缩机部152内的其他位置处的液滴大小(块398)。例如，应当理解的是，随着给定的水滴在沿着入口部260从进气装置288到IGV平面的轴向方向(仅在压缩级的上游，诸如，在承口支柱处)行进，由于与附近水滴的合并，水滴大小会增加。液滴成长发生的程度因此可以取决于多个因素，包括与再循环的排气66内的水的量相关联的那些。换言之，再循环的排气66内存在的水越多，则液滴大小将成长的可能性就越大。有助于液滴成长的因素可以通过监测湿度水平(例如，比湿度和/或相对湿度)以及其他因素监测。根据块398利用传递函数可以期望确定水滴与压缩机装备之间的相互作用的程度，如以上所提到的，这可以有助于增加装备的工作寿命。实际上，传递函数的利用可以使在压缩机部152的监测有困难的地方(例如，由于与在特定区域中的测量设备的集成相关的困难)的部处实现精确且准确的湿度参数的估计。在一个实施例中，控制器278可以利用传递函数来控制入口承口处的液滴大小，入口承口是集成测量设备的困难区域。
基于在上游位置处测量的液滴大小来估计或确定下游位置的液滴大小的传递函数可以不仅考虑测量的湿度水平，而且还考虑平均水滴大小、液滴直径D50、D75或D90值等等。在某些实施例中，传递函数的输出可以是在入口部260内或在压缩级内或在它们的组合内的液滴检测***278下游的位置处的估计的液滴大小值(例如，估计的液滴直径D50、D75或D90值)。虽然这样的传递函数由于其可以减少模型输入的数量和相关的处理要求而可以是有用的，但是其中没有利用传递函数的实施例也在当前预期。在更进一步的实施例中，模型自身可以包括实质地执行传递函数的指令。
在执行子程序396中，控制器264还可以对以上所讨论的确定的液滴大小(例如，在执行传递函数之后估计的液滴大小，或测量的液滴大小，或二者)与使用基于物理的模型确定的期望的范围进行比较(块400)。基于物理的模型可以在确定用于液滴大小的期望范围中考虑各种运行条件和环境条件。例如，基于物理的模型可以考虑涡轮机***150(图3)的负载、压缩机部件(例如，转动部件，诸如叶型和/或压缩机轮)的配置(例如，大小、形状、材料构造)、与排气相关联的参数(例如，排气60沿排气再循环路径110的流速、再循环的排气66的组分、再循环的排气66的入口温度、排气的比湿度与相对湿度)，或者这些和其他参数的任意组合，来确定用于液滴大小的适当的范围。
为了便于讨论，呈现在图8中控制方案390假定根据块392测量的液滴大小在预定的范围外。然而，应当注意的是，在一些实施例中，测量的液滴大小可以在预定的范围内。在此类实施例中，可以不执行控制动作，或者为了确保液滴大小停留在预定的范围内可以执行对液滴大小的主动控制。例如，控制器264可以确定由于最近的环境变化(例如，天气的变化)，再循环的排气66有可能具有更高的水分含量。在此类实施例中，控制器264可以存储附加的热源和/或冷却介质源、可以产生附加的加热和/或冷却介质、或者可以以其他方式准备排气水分控制***262来处理附加的水分。
在确定液滴大小在规定的范围外之后，控制器264可以调节排气水分控制***262的一个或更多个运行参数，和/或燃气涡轮机***150的其他运行参数(例如，鼓风机(图6)的负载、速率)(块402)。由块402表示的动作可以包括一系列控制动作(块404)，所述一系列控制动作可以全部相互关联且可以取决于其他因素，其他因素包括排气60和/或再循环的排气66的温度和/或湿度测量值。
如所示出的，控制动作404包括调节环路(例如，排气再循环路径110)内的排气60的冷却(块406)、调节入口部260内的排气66的加热(块408)、调节压缩机入口部260内的排气66的流参数(块410)以及向压缩机入口部260提供/调节表面活性剂(块412)等。而且，这些控制动作可以全部相互关联，并且还可以取决于由以上所述的基于物理的模型产生的输出。
由块460表示的动作(即，调节冷却)可以对应于与图7的块372相关的运行参数的调节，且可以对应于通过EGR冷却***286(图5)的冷却介质的流速的调节、EGR冷却***286的冷却介质的温度的调节、或任何其他参数调节。而且，冷却可以被执行以降低排气60的比湿度，且可以受限于冷却介质的物理与化学性质、EGR冷却***286的能力和再循环的排气66的期望的入口温度。调节的程度可以对应于液滴大小偏离期望的液滴大小范围的程度以及根据块404能够做出的其他调节的程度。
例如，如果在入口部260几乎不执行加热(例如，几乎没有IBH流312被利用)，则除了增加冷却介质流以外，控制器264还可以选择增加IBH流312的流，而不是使通过EGR冷却***286的冷却介质的流最大化。以这种方式执行调节，控制器264维持运行灵活性以使排气水分控制***262能够更好地处理燃气涡轮机***150中的瞬时事件。
根据块408的加热调节可以大体对应于与图7中的块378相关联的运行参数的调节，并且除了排气再循环路径110中的排气60的冷却的调节以外，或者替代冷却排气60，还可以执行加热调节。加热被调节的程度可以取决于，例如，基于压缩部152的配置和用于被用作燃烧器部160中的稀释剂(和/或被用作在EOR***18(图1)中使用的油抽取介质)的压缩的排气的期望的温度确定的最大干球温度、来自EGR冷却***286的可用的附加的冷却的量(例如，无论冷却介质的流能够被进一步增加以及增加何种程度，和/或无论冷却介质的温度能够降低以及降低何种程度)、以及由温度计270、272(图5)确定的湿球温度与干球温度之间的测量的差。加热调节还可以取决于以上关于根据块406所述的冷却调节所提到的环境条件和运行条件。
根据块410的排气流参数的调节可以包括由压缩机进气装置288接收的再循环的排气的量的调节，这可以至少部分地确定由EGR冷却***286冷却的排气60的量和/或在进气部260内被加热的再循环的排气66的量。以这种方式，排气的冷却和/或加热被间接地控制。根据块410的调节可以取决于，例如，适合于在燃烧器部160、EOR***18和EGR供应***78内使用的排气的量，以及冷却和/或加热调节仍然可以用于排气水分控制***262的程度。例如，如果控制器264确定附加的冷却和/或附加的加热仍然能被提供用于排气的给定速率，则除了对排气流速率较小的调节之外，或替代根据块410的任何调节，控制器264可以选择根据块406和块408来执行调节。可以使用适当的流控制设备(诸如，沿排气再循环路径110布置的鼓风机、压缩机进气装置288处的可变油嘴)的任一个或其组合、使用压缩机部152的入口导流叶片或者这些与其他设备的任意组合来执行根据块410的调节。
控制动作404还包括根据块412提供和/或调节以上关于图5所讨论的表面活性剂流324。该调节可以包括调节通过入口部260的表面活性剂流324的流速，或者为了调节表面活性剂与排气水分之间的相互作用，以其他方式调节在表面活性剂流324中利用的表面活性剂的量(例如，通过使附加的表面活性剂与稀释剂混合来产生表面活性剂流324)。如以上提到的，这种相互作用可以导致水表面张力降低，从而阻止液滴集结和成长。根据块412的调节的程度可以取决于，例如，已经被用于控制液滴成长的表面活性剂的水平、测量的液滴的大小、入口部260中的排气66的相对湿度，以及如上所述的附加的冷却和/或加热调节仍然可用的可用性。
控制器264可以基于执行器中的每个的当前状态以及液滴大小偏离期望的范围的程度自动地确定调节控制动作404中的哪一个，其中所述执行器控制液滴大小和成长。附加地或替代地，控制器264可以使用户可感知的指示被提供以根据图7的块384警告用户控制动作是适当的以将液滴大小返回到或维持在期望的范围内。控制器264还可以基于燃气涡轮机***150的当前状态来通知用户最优选的控制动作404，并且基于特定部件的工作历史以及基于在前面的***实施例中所使用的类似部件所产生的历史数据来提供与压缩机部件的估计的健康相关联的指示。实际上，控制器264可以在执行控制动作的同时确定压缩机部件应当被更换或经历维修，而不是继续运行。例如，随着压缩机部件老化，为了将部件维持在合适的运行条件下，会需要控制动作404的任一个或其组合被更大程度地来执行。换言之，用以将水分冷凝降低至服从进一步使用老化的部件的水平的排气的冷却和/或加热的量可以不再抵消与装配维修和替换相关的损失。在这种情况下，为了维持效率，控制器264可以向用户提供零件应该在预定的时间量内被替换的指示。
附加的描述
如上所述的，当前实施例提供了用于通过控制排气(工作流体)水分参数来抑制燃气涡轮机***中的压缩机部件的侵蚀的***和方法。应当注意的是，以上所述的特征的任一个或其组合可以以任何合适的组合被使用。实际上，此类组合的所有组合方式在当前被预期。通过示例的方式，提出以下条款作为本公开的进一步描述。
实施例1.一种燃气涡轮机***，其包括：排气压缩机，其包括经由排气再循环路径流体地联接到涡轮机膨胀器的入口部；检测***，其包括联接到入口部的至少一个非侵入式测量设备，其中所述至少一个非侵入式测量设备经配置产生与包含在流过入口部的排气内的水分相关联的第一反馈；以及控制器，其通信地联接到检测***且包括编程有一组或更多组指令的非暂时性介质和经配置用于执行所述一组或更多组指令的一个或更多个处理设备，使得控制器可以经配置以：随着排气流过排气压缩机来针对排气内的水分的冷凝的一个或更多个指示估计第一反馈；以及如果一个或更多个指示指示水分冷凝在第一预定冷凝范围外，则提供要采取的第一校正动作的用户可感知指示；或者如果一个或更多个指示指示水分冷凝在第二预定冷凝范围外，则执行第二校正动作。
实施例2.根据实施例1所述的燃气涡轮机***，包括排气冷却器，其沿排气再循环路径定位且经由冷却介质流路径联接到冷却介质源，并且其中控制器通信地联接到冷却介质流控制设备，以使控制器能够调节排气再循环路径内的排气的冷却作为第一校正动作、第二校正动作或其组合的全部或一部分。
实施例3.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，其中排气压缩机包括布置在入口部内的热交换器，热交换器经由加热介质流路径与加热介质源流体连通，并且其中控制器通信地联接到加热介质流控制设备，以使控制器能调节入口部内的排气的加热作为第一校正动作、第二校正动作或其组合的全部或一部分。
实施例4.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，其中加热介质源为排气压缩机的压缩级或压缩机排气口，或者二者，加热介质流路径为入口放泄热流路径，加热介质为压缩的排气，且热交换器为经配置将压缩的配置分布在入口部内的歧管。
实施例5.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，其中加热介质源为排气供应***，所述排气供应***包括：排气抽取***，其经配置从燃气涡轮机***的燃烧器抽取加热的排气；以及排气压缩和脱水***，其经配置从抽取的加热的排气产生产品气，其中产品气为加热介质。
实施例6.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，包括：电加热线圈，其布置在排气压缩机的入口部内且经配置加热入口部内的排气，其中控制器通信地联接到电加热线圈，以使控制器能够调节入口部内的排气的加热作为第一校正动作、第二校正动作或其组合的全部或一部分。
实施例7.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，包括：冷却***，其定位在排气再循环路径内且经配置冷却排气再循环路径内的排气；以及加热***，其定位在入口部内，其中冷却***和加热***可控制地连接到控制器，且其中检测***包括露点检测***、干球温度计和水滴大小与通量测量***，且控制器经配置基于露点检测***、干球温度计和水滴大小与通量测量***中任一个或其组合的输出的估计值来调整冷却***和加热***。
实施例8.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，其中控制器经配置使用用于露点检测***、干球温度计和水滴大小与通量测量***的相应输出的传递函数来得出排气压缩机的入口部的入口导流叶片(IGV)区域处的预计的液滴大小和密度，且控制器经配置调整冷却***和加热***以便将入口导流叶片(IGV)区域处的预计的液滴大小和密度维持在预定的液滴大小和密度范围内。
实施例9.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，包括：表面活性剂分散***，其经配置将表面活性剂喷射到排气压缩机的入口部内的排气中，其中表面活性剂分散***可控制地联接到控制器，且控制器经配置调整表面活性剂到排气中的喷射，以便将入口导流叶片(IGV)区域处的预计的液滴大小和密度维持在预定的液滴大小和密度范围内。
实施例10.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，其中输出的估计值至少部分地基于使入口导流叶片(IGV)区域处的预计的大小和密度与压缩机叶型耐久性相关联的模型。
实施例11.一种根据任一前述实施例的方法，其包括：使来自燃气涡轮机***的涡轮机的排气经由排气再循环路径流动至燃气涡轮机***的排气压缩机；使用控制器估计排气压缩机的入口部内的排气的潮湿流参数，所述控制器包括编程有指令的非暂时性介质和经配置执行所述指令的一个或更多个处理器；以及基于所述估计来调整排气再循环路径内的排气的冷却、排气压缩机的入口部内的排气的加热，或者二者。
实施例12.根据任一前述实施例所述的方法，其中估计排气压缩机的入口部内的排气的潮湿流参数包括：使用湿球温度计和干球温度计来监测入口部内的相对湿度；使用水滴大小与通量监测***监测水滴大小与通量，所述水滴大小与通量监测***定位在入口部内且在干球温度计与湿球温度计下游；以及监测所述水滴大小与通量监测***的位置下游的所述排气压缩机的部分处的预计的液滴大小与通量，使用相对湿度、监测的水滴大小与通量和传递函数产生预计的液滴大小与通量，其中至少部分地基于预计的液滴大小与通量做出冷却和/或加热调整。
实施例13.根据任一前述实施例所述的方法，其中基于所述估计来调整排气再循环路径内的排气的冷却、排气压缩机的入口部内的排气的加热或者二者包括：调整来自排气压缩机的压缩级或压缩机排出口且到入口部的入口放泄热的流，或者调整从排气供应***到入口部的产品气的流，其中排气供应***经配置从燃气涡轮机***的涡轮机燃烧器抽取加热的排气且对抽取的加热的排气进行压缩和脱水以产生产品气，或者它们的组合。
实施例14.根据任一前述实施例所述的方法，其中基于所述估计来调整排气再循环路径内的排气的冷却、排气压缩机的入口部内的排气的加热或者二者包括：调整从冷却介质源到沿排气再循环路径定位的排气冷却器的冷却介质的流。
实施例15.根据任一前述实施例所述的方法包括：调整来自表面活性剂分散***的表面活性剂的流，所述表面活性剂分散***经配置将表面活性剂喷射到排气压缩机的入口部内的排气中，且其中表面活性剂的流的调整经配置将监测的水滴大小与通量维持在预定的监测的水滴大小与通量范围内。
实施例16.一种根据任一前述实施例的燃气涡轮机***，其包括：排气再循环路径，其从涡轮机出口延伸至排气压缩机；排气冷却***，其沿排气再循环路径定位且经配置冷却排气再循环路径内的排气；水滴大小与通量测量***，其定位在排气冷却***下游且在排气压缩机的入口导流叶片的上游，其中水滴大小与通量测量***经配置测量排气内的水的液滴大小和密度；以及直接接触加热***，其定位在排气冷却***和水滴大小与通量测量***之间，其中直接接触加热***经配置加热排气；控制器，其通信地联接到水滴大小与通量测量***、排气冷却***和直接接触加热***，其中控制器包括编程有可通过控制器的处理器执行的指令的非暂时性介质，使得控制器经配置：监测排气内的水的液滴大小和/或密度；以及至少部分地基于所监测的排气内的水的液滴大小和/或密度来通过排气冷却***调整排气的冷却、通过直接接触加热***调整排气的加热，或二者。
实施例17.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，其中水滴大小与通量测量***定位在排气压缩机的进气室处或在排气压缩机的承口支柱处。
实施例18.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，其中直接接触加热***包括布置在排气压缩机的进气导管内的歧管和经配置使来自从排气压缩机的压缩级或压缩机排出口抽取的压缩的排气的入口放泄热流动至所述歧管的流路径，其中控制器通信地联接到沿所述流路径定位的流控制设备，以使控制器能够控制到排气中的入口放泄热的流。
实施例19.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***，其中直接接触加热***包括布置在排气压缩机的进气导管内的电阻线圈，其中所述电阻线圈通信地联接到控制器，以使控制器能够通过电阻线圈来调整加热。
实施例20.根据任一前述实施例所述的燃气涡轮机***包括：露点温度测量***和定位在排气冷却***与水滴大小与通量测量***之间的干球温度计，其中露点温度测量***和干球温度计具有通信地联接到控制器的相应的测量响应，且控制器经配置使用露点温度测量***、干球温度计和水滴大小与通量测量***的测量输出和传递函数来得出排气压缩机的入口导流叶片平面处的排气内的水的预计的液滴大小和密度，以便使排气压缩机的叶型由于水分冷凝导致的侵蚀最小化。
虽然已经在本文示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将会想到很多修改和变化。因此，应当理解，随附权利要求意在覆盖所有落入本发明的真实精神内的此类修改和变化。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮机***，其包括：
排气压缩机，其包括：
经由排气再循环路径流体地联接到涡轮机膨胀器的入口部；
检测***，其包括联接到所述入口部的至少一个非侵入式测量设备，其中所述至少一个非侵入式测量设备经配置产生与包含在流过所述入口部的排气内的水分相关联的第一反馈；以及
控制器，其通信地联接到所述检测***且包括编程有一组或更多组指令的非暂时性介质和经配置用于执行所述一组或更多组指令的一个或更多个处理设备，使得所述控制器经配置以：
随着所述排气流过所述排气压缩机来针对所述排气内的水分的冷凝的一个或更多个指示估计所述第一反馈；以及
如果所述一个或更多个指示指示水分冷凝在第一预定冷凝范围外，则提供要采取的第一校正动作的用户可感知指示；或者
如果所述一个或更多个指示指示水分冷凝在第二预定冷凝范围外，则执行第二校正动作。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机***，其包括排气冷却器，所述排气冷却器沿所述排气再循环路径定位且经由冷却介质流路径联接到冷却介质源，并且其中所述控制器通信地联接到冷却介质流控制设备，以使所述控制器能够调节所述排气再循环路径内的所述排气的冷却作为所述第一校正动作、所述第二校正动作或其组合的全部或一部分。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮机***，其中所述排气压缩机包括布置在所述入口部内的热交换器，所述热交换器经由加热介质流路径与加热介质源流体连通，并且其中所述控制器通信地联接到加热介质流控制设备，以使所述控制器能够调节所述入口部内的所述排气的加热作为所述第一校正动作、所述第二校正动作或其组合的全部或一部分。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮机***，其中所述加热介质源为所述排气压缩机的压缩级或压缩机排出口，或者二者，所述加热介质流路径为入口放泄热流路径，所述加热介质为压缩的排气，且所述热交换器为经配置将所述压缩的排气分布在所述入口部内的歧管。
5.根据权利要求3所述的燃气涡轮机***，其中所述加热介质源为排气供应***，所述排气供应***包括：
排气抽取***，其经配置从所述燃气涡轮机***的燃烧器抽取加热的排气；以及
排气压缩和脱水***，其经配置从所述抽取的加热的排气产生产品气，其中所述产品气为所述加热介质。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮机***，其包括：电加热线圈，所述电加热线圈布置在所述排气压缩机的所述入口部内且经配置加热所述入口部内的所述排气，其中所述控制器通信地联接到所述电加热线圈，以使所述控制器能够调节所述入口部内的所述排气的加热作为所述第一校正动作、所述第二校正动作或其组合的全部或一部分。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮机***，其包括：
冷却***，其定位在所述排气再循环路径内且经配置冷却所述排气再循环路径内的排气；以及
加热***，其定位在所述入口部内，其中所述冷却***和加热***可控制地连接到所述控制器；且
其中所述检测***包括露点检测***、干球温度计和水滴大小与通量测量***，且所述控制器经配置基于所述露点检测***、所述干球温度计和所述水滴大小与通量测量***中任一个或其组合的输出的估计值来调整所述冷却***和所述加热***。
8.根据权利要求7所述的燃气涡轮机***，其中所述控制器经配置使用用于所述露点检测***、所述干球温度计和所述水滴大小与通量测量***的相应输出的传递函数来得出所述排气压缩机的所述入口部的入口导流叶片区域即IGV区域处的预计的液滴大小和密度，且所述控制器经配置调整所述冷却***和所述加热***，以将所述入口导流叶片区域即所述IGV区域处的所述预计的液滴大小和密度维持在预定的液滴大小和密度范围内。
9.根据权利要求7所述的燃气涡轮机***，其包括：表面活性剂分散***，所述表面活性剂分散***经配置将表面活性剂喷射到所述排气压缩机的所述入口部内的所述排气中，其中所述表面活性剂分散***可控制地联接到所述控制器，且所述控制器经配置调整所述表面活性剂到所述排气中的喷射，以将所述入口导流叶片区域即所述IGV区域处的所述预计的液滴大小和密度维持在所述预定的液滴大小和密度范围内。
10.根据权利要求7所述的燃气涡轮机***，其中输出的所述估计值至少部分地基于使所述入口导流叶片区域即所述IGV区域处的所述预计的大小和密度与压缩机叶型耐久性相关联的模型。
11.一种方法，其包括：
使来自燃气涡轮机***的涡轮机的排气经由排气再循环路径流动至所述燃气涡轮机***的排气压缩机；
使用控制器估计所述排气压缩机的入口部内的所述排气的潮湿流参数，所述控制器包括编程有指令的非暂时性介质和经配置执行所述指令的一个或更多个处理器；以及
基于所述估计来调整所述排气再循环路径内的所述排气的冷却、所述排气压缩机的所述入口部内的所述排气的加热，或者二者。
12.根据权利要求11所述的方法，其中估计所述排气压缩机的所述入口部内的所述排气的潮湿流参数包括：
使用湿球温度计和干球温度计来监测所述入口部内的相对湿度；
使用水滴大小与通量监测***监测水滴大小与通量，所述水滴大小与通量监测***定位在所述入口部内且在所述湿球温度计与干球温度计下游；以及
监测所述水滴大小与通量监测***的位置下游的所述排气压缩机的部分处的预计的液滴大小与通量，使用至少所述相对湿度、所监测的水滴大小与通量和传递函数产生所述预计的液滴大小与通量，其中至少部分地基于所述预计的液滴大小与通量进行所述冷却和/或加热调整。
13.根据权利要求12所述的方法，其中基于所述估计来调整所述排气再循环路径内的所述排气的冷却、所述排气压缩机的所述入口部内的所述排气的加热或者二者包括：调整来自所述排气压缩机的压缩级或压缩机排出口且到所述入口部的入口放泄热的流，或者调整从排气供应***到所述入口部的产品气的流，其中所述排气供应***经配置从所述燃气涡轮机***的涡轮机燃烧器抽取加热的排气且对所述抽取的加热的排气进行压缩和脱水以产生所述产品气，或者其组合。
14.根据权利要求12所述的方法，其中基于所述估计来调整所述排气再循环路径内的所述排气的冷却、所述排气压缩机的所述入口部内的所述排气的加热或者二者包括：调整从冷却介质源到沿所述排气再循环路径定位的排气冷却器的冷却介质的流。
15.根据权利要求12所述的方法，其包括：调整来自表面活性剂分散***的表面活性剂的流，所述表面活性剂分散***经配置将表面活性剂喷射到所述排气压缩机的所述入口部内的所述排气中，且其中所述表面活性剂的流的调整经配置将所监测的水滴大小与通量维持在预定的监测的水滴大小与通量范围内。
16.一种燃气涡轮机***，其包括：
排气再循环路径，其从涡轮机出口延伸至排气压缩机；
排气冷却***，其沿所述排气再循环路径定位且经配置冷却所述排气再循环路径内的排气；
水滴大小与通量测量***，其定位在所述排气冷却***下游且在所述排气压缩机的入口导流叶片的上游，其中所述水滴大小与通量测量***经配置测量所述排气内的水的液滴大小和密度；以及
直接接触加热***，其定位在所述排气冷却***和所述水滴大小与通量测量***之间，其中所述直接接触加热***经配置加热所述排气；
控制器，其通信地联接到所述水滴大小与通量测量***、所述排气冷却***和所述直接接触加热***，其中所述控制器包括编程有指令的非暂时性介质，所述指令通过所述控制器的处理器可执行使得所述控制器经配置以：监测所述排气内的水的所述液滴大小和/或密度；以及至少部分地基于所述排气内的水的所述监测的液滴大小和/或密度来通过所述排气冷却***调整所述排气的冷却、通过所述直接接触加热***调整所述排气的加热，或二者。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮机***，其中所述水滴大小与通量测量***定位在所述排气压缩机的进气室处或在所述排气压缩机的承口支柱处。
18.根据权利要求16所述的燃气涡轮机***，其中所述直接接触加热***包括布置在所述排气压缩机的进气导管内的歧管和经配置使来自从所述排气压缩机的压缩级或压缩机排出口抽取的压缩的排气的入口放泄热流动至所述歧管的流路径，其中所述控制器通信地联接到沿所述流路径定位的流控制设备，以使所述控制器能够控制到所述排气中的入口放泄热的所述流。
19.根据权利要求16所述的燃气涡轮机***，其中所述直接接触加热***包括布置在所述排气压缩机的进气导管内的电阻线圈，其中所述电阻线圈通信地联接到所述控制器，以使所述控制器能够通过所述电阻线圈来调整加热。
20.根据权利要求16所述的燃气涡轮机***，其包括：露点温度测量***和定位在所述排气冷却***与所述水滴大小与通量测量***之间的干球温度计，其中所述露点温度测量***和所述干球温度计具有通信地联接到所述控制器的相应的测量响应，且所述控制器经配置使用所述露点温度测量***、所述干球温度计和所述水滴大小与通量测量***的测量输出和传递函数来得出所述排气压缩机的入口导流叶片平面处的所述排气内的水的预计的液滴大小和密度，以便使所述排气压缩机的叶型由于水分冷凝导致的侵蚀最小化。
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