專利名稱：用于控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本文所公開的主題涉及用于控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)(semi-Closed power cycle system)的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
某些動力生產(chǎn)系統(tǒng)包括燃氣渦輪發(fā)動機(gas turbine engine)，其被構造為燃燒燃料與壓縮空氣的混合物以產(chǎn)生熱的燃燒氣體。燃燒氣體流過渦輪以生成用于負載(諸如發(fā)電機)的動力。某些燃氣渦輪發(fā)動機包括燃燒器，燃燒器被構造為以貧燃料混合比 (fuel-lean mixture ratio)操作。因此，進給到燃燒器內(nèi)的壓縮空氣的量大于足以使燃料完全燃燒的量。因此，來自燃燒器的廢氣包含大量氧氣。來自某些動力生產(chǎn)系統(tǒng)的廢氣可用于諸如油的礦物的二次回收。在這些系統(tǒng)中， 加壓廢氣被導向至地下礦床內(nèi)以增加油壓和/或使地質(zhì)層斷裂，從而提高油回收。此外，由于廢氣留在地質(zhì)層內(nèi)，因此由動力生產(chǎn)系統(tǒng)所產(chǎn)生的二氧化碳的至少一部分將在地下收集 (captured)。不利的是，在廢氣內(nèi)的氧氣可降解和/或另外不利地影響油品質(zhì)。因此，可需要顯著地減小來自燃氣渦輪發(fā)動機的廢氣的氧氣濃度。

發(fā)明內(nèi)容
在范圍上符合原始要求保護的本發(fā)明的某些實施例在下文中總結。這些實施例預期并不限制所要求保護的本發(fā)明的范圍，而是這些實施例預期僅提供本發(fā)明的可能形式的簡要總結。實際上，本發(fā)明可涵蓋可類似于或不同于下文所述的實施例的多種形式。在第一實施例中，一種系統(tǒng)包括控制器，控制器被構造為控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)。該控制器被構造為接收下列信號中的至少一種指示通過主壓縮機的第一氣流內(nèi)的氧氣濃度的第一信號，指示由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)輸出的動力的第二信號，指示通過渦輪的第二氣流的溫度的第三信號，以及，指示在半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量流量平衡(mass flow balance)的第四信號。控制器也被構造為基于第一信號、第二信號、第三信號和第四信號中的至少一種來調(diào)整通過主壓縮機的第一氣流、到燃燒器內(nèi)的燃料流、從主壓縮機提取的第一氣流的部分(a fraction of)以及通過進給壓縮機的空氣流中的至少一種。在第二實施例中，一種系統(tǒng)包括燃燒器，其被構造為燃燒燃料-空氣混合物；以及，進給壓縮機，其與燃燒器流體連通且被構造為向燃燒器提供空氣流。該系統(tǒng)還包括渦輪，其與燃燒器流體連通且被構造為從燃燒器接收第一氣流。該系統(tǒng)還包括主壓縮機，其與渦輪成流體連通且被構造為從渦輪接收第二氣流、壓縮第二氣流且向渦輪提供第三氣流。 從主壓縮機提取第三氣流的部分。而且，該系統(tǒng)包括控制器，該控制器被構造為接收指示第三氣流內(nèi)氧氣濃度的第一信號且基于第一信號來調(diào)整到燃燒器的空氣流。在第三實施例中，一種用于控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)的方法包括接收下列信號中的至少一種指示通過主壓縮機的第一氣流內(nèi)的氧氣濃度的第一信號，指示由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)輸出的動力的第二信號，指示通過渦輪的第二氣流的溫度的第三信號，以及，指示在半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的第四信號。該方法還包括基于第一信號、第二信號、第三信號、第四信號中的至少一種來調(diào)整通過主壓縮機的第一氣流、到燃燒器內(nèi)的燃料流、從主壓縮機提取的第一氣流的部分以及通過進壓縮機的空氣流中的至少一種。


當參看附圖來閱讀下文的詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特點、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在所有附圖中，相似的附圖標記表示相似部件，其中圖1是包括半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)的實施例的示例性組合循環(huán)動力生產(chǎn)系統(tǒng)的示意圖；圖2是半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)的替代實施例的示意圖；以及圖3是用于控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)的方法的實施例的流程圖。部件列表10動力生產(chǎn)系統(tǒng)12半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)14燃燒器16 渦輪18 軸桿20壓縮機22進給壓縮機24 燃料25壓縮空氣26熱加壓氣體27 空氣28 負載30 氣體32熱回收蒸汽發(fā)生器33冷卻氣體34壓縮氣體35 廢氣36高壓蒸汽37 /K38蒸汽渦輪40 負載42低壓蒸汽44 冷凝器46 冷卻水48 /K50 熱水52 冷卻塔
54 控制系統(tǒng)56 控制器58 傳感器60 溫度傳感器62，64 入口導葉66，68 閥70 馬達72 軸桿74 方法流程圖76，78，80，82，84，參看流程圖86，88，90，92，9具體實施例方式將在下文中描述本發(fā)明的一個或多個具體實施例。為了提供這些實施例的簡潔描述，在說明書中可能未描述實際實施方式的所有特征。應了解，在任何這樣實際實施方式的發(fā)展中(如在任何工程或設計項目中)，必須做出許多具體實施方式
決策來實現(xiàn)開發(fā)者的具體目的(諸如符合系統(tǒng)相關和商務相關約束)，對于不同的實施方式，這些約束可不同。 此外，應了解，這些開發(fā)工作可為復雜的且耗時的，但仍是受益于本公開的本領域普通技術人員設計、制作和制造的常規(guī)任務。當介紹本發(fā)明的各種實施例的元件時，冠詞“一”、“該”和“所述”預期表示存在這些元件中的一個或多個。用語“包括”、“包含”和“具有”預期是包括性的且意味著可存在除了所列出元件之外的額外元件。某些燃氣渦輪發(fā)動機被構造為基于半封閉動力循環(huán)操作，以顯著地降低廢氣內(nèi)的氧氣濃度。這種燃氣渦輪發(fā)動機可描述為半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)。某些半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)包括進給壓縮機，其被構造為向燃燒器提供空氣流；渦輪，其被構造為從燃燒器接收氣流；以及，主壓縮機，其被構造為從渦輪接收氣流輸出，以壓縮該氣體，且將壓縮氣流提供回到渦輪內(nèi)。由主壓縮機提供的再循環(huán)氣體顯著地降低了自燃燒器排放的氣體溫度，從而使得燃燒器以基本上化學計量的(stoichiometric)燃料-空氣混合比操作。因此，與利用貧燃料混合比(fuel-lean mixture ratio)操作燃燒器的某些燃氣渦輪發(fā)動機相比，從主壓縮機提取的廢氣的氧氣含量將顯著地減小。因此，半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)可高效地提供特別適合于二次回收和/或碳收集(carbon capture)操作的廢氣。本公開內(nèi)容的實施例可通過控制在半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的各種流體流來便于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)高效操作。舉例而言，某些半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)包括控制器，控制器被構造為接收指示來自主壓縮機的氣流內(nèi)的氧氣濃度的第一信號，且基于第一信號來調(diào)整到燃燒器的空氣流。在另外的實施例中，控制器被構造為接收指示渦輪輸出的動力的第二信號，通過渦輪的氣流的溫度的第三信號，以及指示系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的第四信號。該控制器還被構造為基于第一信號、第二信號、第三信號和第四信號來調(diào)整到燃燒器的空氣流、 調(diào)整到主壓縮機的氣流、調(diào)整到燃燒器內(nèi)的燃料流和調(diào)整從主壓縮機提取的氣流的部分。舉例而言，該控制器可被構造為基于第三信號來調(diào)整到主壓縮機內(nèi)的氣流，基于第二信號來調(diào)整到燃燒器內(nèi)的燃料流，基于第四信號來調(diào)整從主壓縮機提取的氣流的部分；以及，基于第一信號來調(diào)整到燃燒器的空氣流。或者，控制器可被構造為基于第三信號來調(diào)整到主壓縮機內(nèi)的氣流，基于第一信號來調(diào)整到燃燒器內(nèi)的燃料流，基于第二信號來調(diào)整從主壓縮機提取的氣流的部分；以及，基于第四信號來調(diào)整到燃燒器的空氣流。因此，控制器可便于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)的高效操作。圖1是包括半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的實施例的示例性組合循環(huán)動力生產(chǎn)系統(tǒng)10 的示意圖。出于提供半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的實施例環(huán)境目的，在下文中描述組合循環(huán)動力生產(chǎn)系統(tǒng)10。應了解，下文所述的半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12可用于驅(qū)動例如其它動力生產(chǎn)系統(tǒng)、渦輪系統(tǒng)或處理設施內(nèi)的負載。在本實施例中，半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12包括燃燒器 14、渦輪16、驅(qū)動軸桿18、主壓縮機20和進給壓縮機22。燃燒器14接收燃料M (諸如天然氣)，其可在壓力下從燃料噴嘴噴射。此燃料與壓縮空氣25混合且在燃燒器14內(nèi)燃燒，從而生成熱的加壓氣體26。燃燒器14將氣體沈?qū)驕u輪16的入口。在來自燃燒器14的氣體沈通過渦輪16時，在渦輪16中的葉片被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，從而沿著半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12 的軸線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸桿18。如圖所示，驅(qū)動軸桿18連接到半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的各個構件，包括主壓縮機20和進給壓縮機22。驅(qū)動軸桿18將渦輪16連接到進給壓縮機22的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括葉片。因此，渦輪 16中渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)使驅(qū)動軸桿18旋轉(zhuǎn)在進給壓縮機22內(nèi)的葉片，驅(qū)動軸桿18將渦輪 16連接到進給壓縮機22。例如，進給壓縮機22中的葉片旋轉(zhuǎn)使壓縮機22壓縮經(jīng)由進氣口接收的空氣27。壓縮空氣25然后進給到燃燒器14且與燃料M混合以便于燃燒。驅(qū)動軸桿18也可連接到負載觀，負載觀可為靜負載(stationary load)，諸如發(fā)電機，用于在發(fā)電設施中發(fā)電。實際上，負載觀可為任何合適的裝置，其由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的旋轉(zhuǎn)輸出而提供動力。來自渦輪16的氣體30被導向至熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)32。HRSG 32為熱交換器，其包括多個管道，管道被構造為在與通過HRSG32的氣流30交叉(例如，基本上垂直) 的方向中輸送二次流體，諸如水。在氣體30與管道交叉流動時，熱從氣體傳到水，從而產(chǎn)生蒸汽。此外，氣體溫度顯著降低。在通過HRSG 32之后，冷卻氣體33被導向至主壓縮機20 的進入口使得氣體33可通過半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12再循環(huán)。如圖所示，驅(qū)動軸桿18將渦輪16連接到主壓縮機20的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括葉片。因此，渦輪16中渦輪葉片旋轉(zhuǎn)使驅(qū)動軸桿18旋轉(zhuǎn)主壓縮機20內(nèi)的葉片，驅(qū)動軸桿18將渦輪 16連接到主壓縮機20。主壓縮機20中的葉片旋轉(zhuǎn)使壓縮機20壓縮冷卻氣體33。壓縮氣體34然后進給到渦輪16以降低來自燃燒器14的氣體沈溫度。舉例而言，燃燒器14可被構造為以化學計量的燃料-空氣混合比操作。在某些實施例中，來自化學計量反應的氣體沈溫度可大于渦輪16的所需操作溫度。因此，使來自燃燒器14的氣體沈與再循環(huán)氣體 34混合可向渦輪16提供在所需溫度的氣流。此外，由于氣體沈為化學計量燃燒反應(例如，燃料與空氣的完全燃燒)的產(chǎn)物，氣體26的氧氣含量將顯著低于貧燃料燃燒反應的氣體。舉例而言，貧燃料燃燒反應可產(chǎn)生氧氣濃度大于大約10 %，12 %，14 %，16 %，18 %，20 % 或更高的氣體。相比而言，來自化學計量燃燒反應的氣體26的氧氣濃度可小于大約5%， 4%，3%，2%，1% 或更小。
在本實施例中，從主壓縮機20排出的氣體34的一部分被提取用于二次回收和/ 或碳收集操作。如在下文中詳細地討論，可特別地調(diào)整所提取的氣體的部分以維持半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡，以改變到負載觀的旋轉(zhuǎn)輸出和/或影響半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的其它操作參數(shù)。由于所提取的廢氣35的低氧氣含量，廢氣35可噴射到礦層內(nèi)而不會顯著地降解和/或另外不利地影響礦物(例如，油)的品質(zhì)。因此，來自半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的廢氣35可特別適合于二次回收和/或碳收集操作。如先前所討論的那樣，來自渦輪16的氣體30進給到HRSG 32內(nèi)，且冷卻氣體33返回到主壓縮機20。隨著氣體30在HRSG 32內(nèi)冷卻，在氣體30內(nèi)的水蒸氣將冷凝為水37。 可從HRSG 32提取水37，從而降低氣體33的水分含量。因此，從主壓縮機20提取的廢氣 35將具有比從燃氣渦輪發(fā)動機直接排出的廢氣顯著更低的水濃度。在圖示實施例中，由通過HRSG 32的熱氣流30所生成的高壓蒸汽36導向至蒸汽渦輪38。在高壓蒸汽36通過蒸汽渦輪38時，在渦輪38內(nèi)的葉片被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動第二負載40。雖然本實施例包括兩個負載觀和40，但應了解在替代實施例中半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12和蒸汽渦輪38可聯(lián)接到相同負載。隨著蒸汽通過蒸汽渦輪38，壓力降低使得從渦輪35排出低壓蒸汽42。如圖所示，低壓蒸汽42流入到冷凝器44內(nèi)，冷凝器44冷凝蒸汽。冷凝器44為熱交換器，其包括多個管道，管道被構造為在與蒸汽流動交叉(例如，基本上垂直)的方向中輸送二次流體，諸如水。隨著蒸汽與管道交叉流動，熱從蒸汽傳到水46， 從而將蒸汽冷凝為水48。水48流回到HRSG 32，在HRSG32中，其由氣體30加熱以產(chǎn)生更多高壓蒸汽36。冷卻水46在冷凝器44內(nèi)加熱且作為熱水50離開。熱水50被導向至冷卻塔52，冷卻塔48冷卻熱水50以產(chǎn)生冷水46用于冷凝器44。雖然在本實施例中高壓蒸汽 36被導向至蒸汽渦輪38，但應了解替代實施例可在使低壓蒸汽42返回到冷凝器44之前將高壓蒸汽36用于工業(yè)過程(例如，氣化)。在圖示實施例中，動力生產(chǎn)系統(tǒng)10包括控制系統(tǒng)M，控制系統(tǒng)M被構造為調(diào)節(jié)半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的操作。如圖所示，控制系統(tǒng)M包括控制器56，控制器56被構造為接收指示半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的各種操作參數(shù)的信號，且控制在整個半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12中的流體流以便于高效操作。在某些實施例中，該控制器56被構造為接收下列信號中的至少一種指示從主壓縮機20的氣流34內(nèi)的氧氣濃度的信號，指示由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12輸出的動力的信號，指示來自渦輪16的氣流30的溫度的信號，以及指示在半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的信號。在圖示實施例中，控制系統(tǒng)M包括傳感器 58，傳感器58與自主壓縮機20提取的廢氣35流體連通。傳感器58在通信上聯(lián)接到控制器56且被構造為測量所提取廢氣35氧氣濃度和/或壓力。如先前所討論的那樣，可需要顯著地減少廢氣35內(nèi)的氧氣含量以便于二次回收和/或碳收集操作。因此，控制器56可被構造為從傳感器58接收指示廢氣35內(nèi)氧氣濃度的信號，且調(diào)節(jié)半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12 的操作以維持廢氣35內(nèi)的低氧氣含量。此外，傳感器58可被構造為測量從主壓縮機20所提取的廢氣35的壓力。所測量的壓力可用于確定在半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡。如將了解的那樣，維持質(zhì)量流量平衡便于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12高效操作。當半封閉循環(huán)系統(tǒng)12質(zhì)量平衡時，從主壓縮機20提取的廢氣35的質(zhì)量流率等于來自進給壓縮機22的壓縮空氣25的質(zhì)量流率加上到燃燒器M的燃料M的質(zhì)量流率減去從HRSG 32提取的水37的質(zhì)量流率。如果廢氣35的質(zhì)量流率低于需要，那么將在主壓縮機20內(nèi)建置壓力，從而降低半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的效率。因此，通過測量從壓縮機20排放的廢氣35內(nèi)的壓力，控制器56可判斷半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12是否適當?shù)刭|(zhì)量平衡。控制器56也在通信上聯(lián)接到負載觀且被構造為測量由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12 輸出的動力。舉例而言，如果負載觀為發(fā)電機，那么控制器56可接收指示發(fā)電機的電力輸出的信號。因此，控制器56可被構造為控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12以產(chǎn)生所需動力輸出。 此外，控制系統(tǒng)M包括溫度傳感器60，溫度傳感器60被構造為測量通過渦輪16的氣體溫度。在圖示實施例中，溫度傳感器60與在渦輪16出口處與氣體30流體連通。但是，應了解溫度傳感器60可被構造為測量渦輪16入口和/或渦輪16的中級處的氣體溫度。在本實施例中，控制器56被構造為控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12以產(chǎn)生所需氣體溫度。舉例而言，控制器56可被構造為確保氣體溫度并不超過渦輪16的最大操作溫度。在本實施例中，控制器56被構造為基于指示來自主壓縮機20的氣流34內(nèi)的氧氣濃度的信號，指示由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12輸出的動力的信號，指示來自渦輪16的氣流30 溫度的信號以及指示半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的信號中的至少一種來調(diào)整通過主壓縮機20的氣流，到燃燒器14內(nèi)的燃料流M，從主壓縮機20提取的廢氣流35的部分以及其通過進給壓縮機22的空氣流中的至少一種。舉例而言，在圖示實施例中，控制器56在通信上聯(lián)接到入口導葉62，入口導葉62被構造為調(diào)節(jié)到進給壓縮機22內(nèi)的空氣流27。如將了解的那樣，調(diào)節(jié)到進給壓縮機22內(nèi)的空氣流27將改變到燃燒器14內(nèi)的壓縮空氣流25。在某些實施例中，控制器56可被構造為基于所測量的提取廢氣35內(nèi)的氧氣濃度來調(diào)整導葉62位置。舉例而言，如果氧氣濃度大于需要，那么控制器56可部分地關閉入口導葉62以限制通過進給壓縮機22的空氣流。或者，控制器56可被構造為基于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡來調(diào)整導葉62位置。舉例而言，如果所提取的廢氣35的壓力大于需要，那么控制器56將部分地關閉入口導葉62以限制通過進給壓縮機22的空氣流，從而降低到半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流率。在某些實施例中，所提取的廢氣35內(nèi)的氧氣濃度基于在燃燒器14內(nèi)的燃料-空氣混合比來計算。在這些實施例中，控制器56可被構造為基于燃料-空氣混合比來調(diào)整導葉62位置。如先前所討論的那樣，可需要以化學計量燃料-空氣混合比來操作燃燒器14 以顯著地降低廢氣的氧氣含量。因此，如果來自進給壓縮機22的壓縮空氣25量大于足以使燃料M完全燃燒的量，那么控制器56可調(diào)整導葉62以限制通過進給壓縮機22的流動。 相反地，如果來自進給壓縮機22的壓縮空氣25量小于足以使燃料M完全燃燒的量，那么控制器56可調(diào)整導葉62以便于增加通過進給壓縮機22的流動。控制器56也在通信上聯(lián)接到主壓縮機20的入口導葉64，以調(diào)節(jié)通過主壓縮機20 的氣流。如將了解的那樣，調(diào)節(jié)到進給壓縮機20的氣流33將改變到渦輪16內(nèi)的壓縮氣體 34的流動。在某些實施例中，控制器56可被構造為基于所測量的通過渦輪16的氣體溫度來調(diào)整導葉64的位置。舉例而言，如果氣體溫度高于需要，那么控制器56可打開入口導葉 64以增加通過主壓縮機20的氣流，從而降低到渦輪16內(nèi)的氣流的溫度。此外，控制器56在通信上聯(lián)接到閥66，閥66被構造為調(diào)節(jié)到燃燒器14內(nèi)的燃料流對。在某些實施例中，控制器56被構造為基于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的動力輸出來調(diào)節(jié)通過閥66的流動。舉例而言，如果動力輸出低于需要，那么控制器56可打開閥66，從而增加到燃燒器14的燃料流且增加動力輸出。或者，控制器56可被構造為基于在所提取的廢氣35內(nèi)測量的氧氣濃度來調(diào)節(jié)通過閥66的流動。舉例而言，如果氧氣濃度高于需要，那么控制器56可增加到燃燒器14的燃料流，從而使得燃料-空氣混合比朝向化學計量比過渡。而且，控制器56在通信上聯(lián)接到閥68，閥68被構造為調(diào)節(jié)從主壓縮機20提取的廢氣35的部分。在某些實施例中，控制器56被構造為基于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡來調(diào)節(jié)通過閥68的流動。舉例而言，如果所提取的廢氣35的壓力高于需要，那么控制器56可打開閥68以從主壓縮機20提取較大量的廢氣35。因此，將降低主壓縮機 20的排放壓力，從而維持主壓縮機20內(nèi)所需操作壓力。或者，控制器56可被構造為基于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的動力輸出來調(diào)節(jié)通過閥68的流動。舉例而言，如果動力輸出大于需要，那么控制器56可打開閥68，從而減少通過渦輪16的流動。由于在渦輪16與負載觀之間的連接，減少通過渦輪16的流動將降低到負載觀的動力。圖2是半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的替代實施例的示意圖。在圖示實施例中，半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12包括馬達(motor) 70，馬達70被構造為經(jīng)由軸桿72來驅(qū)動進給壓縮機 22。因此，進給壓縮機22并不直接聯(lián)接到渦輪16，諸如上文參考圖1所述的半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的進給壓縮機22。馬達70可為能驅(qū)動進給壓縮機22的任何合適裝置。舉例而言，馬達70可為內(nèi)燃機、電動馬達、蒸汽渦輪或燃氣渦輪，以及其它馬達構造。在本實施例中，控制器56在通信上聯(lián)接到馬達70且被構造為通過調(diào)整馬達70的動力輸出來改變通過進給壓縮機22的空氣流。舉例而言，控制器56可被構造為基于所測量的提取廢氣35內(nèi)的氧氣濃度來調(diào)整馬達70的動力輸出。舉例而言，如果氧氣濃度大于需要，那么控制器56可減少到進給壓縮機22的動力以減少到燃燒器14的空氣流。或者，控制器56可被構造為基于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡來調(diào)整馬達70動力輸出。舉例而言，如果提取廢氣35的壓力大于需要，那么控制器56可減少到進給壓縮機22的動力以減少到燃燒器 14的空氣流。在另外的實施例中，控制器56可被構造為基于在燃燒器14內(nèi)的燃料-空氣混合比來調(diào)整馬達70的動力輸出。舉例而言，如果來自進給壓縮機22的壓縮空氣25量大于足以使燃料M完全燃燒的量，那么控制器56將減少到進給壓縮機22的動力以減少到燃燒器14的空氣流。雖然在圖示實施例中控制器56被構造為通過改變到進給壓縮機22的動力輸出來調(diào)節(jié)到燃燒器14的空氣流，但應了解替代實施例可包括被構造為調(diào)節(jié)空氣流的額外特征。 舉例而言，在某些實施例中，馬達70可被構造為以恒定速度來驅(qū)動進給壓縮機22。在這些實施例中，進給壓縮機22可包括入口導葉(諸如上文參考圖1所述的那些)，以調(diào)節(jié)通過進給壓縮機22的空氣流。在另外的實施例中，馬達70的動力輸出會是可調(diào)整的，且進給壓縮機22可包括入口導葉。在這些實施例中，控制器56可被構造為通過調(diào)整馬達70動力輸出和入口導葉的位置來調(diào)節(jié)到燃燒器14的空氣流。圖3是用于控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的方法74的實施例的流程圖。首先，如由方塊76所示，接收指示半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12操作參數(shù)的至少一種信號。如圖所示，這些信號可包括如方塊78所示，指示從主壓縮機20的氣流34內(nèi)的氧氣濃度的第一信號；如由方塊80所示，指示由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12輸出的動力的第二信號；如由方塊82所示， 指示來自渦輪16的氣流30溫度的第三信號；以及，如由方塊84所示，指示在半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的第四信號。舉例而言，控制器56可經(jīng)由傳感器58接收來自主壓縮機50的氣流34內(nèi)氧氣濃度的信號和半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的信號。此外，控制器56可從負載觀接收指示半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12輸出的動力的信號和從溫度傳感器60接收指示氣流30溫度的信號。之后，如由方塊86所表示，基于這些信號中的至少一種來調(diào)整半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的至少一種操作參數(shù)。如圖所示，操作參數(shù)包括如由方塊88所示，通過主壓縮機20 的氣流；如由方塊90所示，到燃燒器14內(nèi)的燃料流；如由方塊92所示，自主壓縮機20提取的氣流的部分；和/或如由方塊94所示，通過進給壓縮機22的空氣流。舉例而言，控制器 56可被構造為基于所測量的提取廢氣35內(nèi)的氧氣濃度來調(diào)整進給壓縮機22的導葉62位置。此外，控制器56可被構造為基于所測量的通過渦輪16的氣體溫度來調(diào)整主壓縮機20 的導葉64位置。而且，控制器56可被構造為基于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12的動力輸出來調(diào)節(jié)通過燃料閥66的流動。控制器56也可被構造為基于半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12內(nèi)的質(zhì)量流量平衡來調(diào)節(jié)通過排氣閥68的流動。以此方式，控制器56可高效地操作半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12，同時提供氧氣含量顯著低于被構造為以貧燃料混合比操作的燃氣渦輪發(fā)動機的廢氣流35。因此，由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)12產(chǎn)生的廢氣35可特別適合于二次回收和/或碳收集操作。所公開的實施例的技術效果包括通過控制在半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的各種流體流來高效地操作半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)的能力。舉例而言，某些半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)包括控制器，控制器被構造為接收指示來自主壓縮機的氣流內(nèi)的氧氣濃度的第一信號且基于第一信號來調(diào)整到燃燒器的空氣流。在另外的實施例中，控制器被構造為接收指示由渦輪輸出的動力的第二信號，通過渦輪的氣流的溫度的第三信號，以及指示系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的第四信號。該控制器還被構造為基于第一信號、第二信號、第三信號和第四信號來調(diào)整到燃燒器的空氣流、調(diào)整到主壓縮機內(nèi)的氣流、調(diào)整到燃燒器內(nèi)的燃料流以及調(diào)整從主壓縮機提取的氣流的部分。本書面描述使用實例來公開本發(fā)明(包括最佳實施方式)，且也能使本領域技術人員實踐本發(fā)明(包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何合并的方法)。本發(fā)明的專利保護范圍由權利要求限定，且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果其它實例具有與權利要求的字面語言并無不同的結構元件或者如果其它實例包括與權利要求的字面語言并無實質(zhì)不同的等效結構元件，那么其它實例預期在權利要求的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種系統(tǒng)(10)，包括控制器(56)，其被構造為控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)(12)，其中，所述控制器(56)被構造成接收下列信號中的至少一種指示通過主壓縮機00)的第一氣流(33，34)內(nèi)的氧氣濃度的第一信號，指示由所述半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)(1 輸出的動力的第二信號，指示通過渦輪(16)的第二氣流(沈，30)的溫度的第三信號，以及指示在所述半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)(12) 內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的第四信號，且所述控制器(56)被構造為基于所述第一信號、所述第二信號、所述第三信號和所述第四信號中的至少一種來調(diào)整通過所述主壓縮機00)的第一氣流(33，34)、到燃燒器(14)內(nèi)的燃料流、從所述主壓縮機OO)提取的第一氣流(33，34) 的部分以及通過進給壓縮機0 的空氣流0 中的至少一種。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述控制器(56)被構造為接收所述第一信號、所述第二信號、所述第三信號和所述第四信號，并且基于所述第一信號、所述第二信號、所述第三信號所述第四信號來調(diào)整通過所述主壓縮機OO)的第一氣流(33，34)、 到所述燃燒器(14)內(nèi)的燃料流、從所述主壓縮機OO)提取的第一氣流(33，34)的部分以及通過所述進給壓縮機0 的空氣流05)。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述控制器(56)被構造為基于所述第三信號來調(diào)整通過所述主壓縮機OO)的第一氣流(33，34)，基于所述第二信號來調(diào)整到所述燃燒器(14)內(nèi)的燃料流，基于所述第四信號來調(diào)整從所述主壓縮機OO)提取的所述第一氣流(33，34)的部分，以及基于所述第一信號來調(diào)整通過所述進給壓縮機0 的空氣流(25)。
4.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述控制器(56)被構造為基于所述第三信號來調(diào)整通過所述主壓縮機OO)的第一氣流(33，34)，基于所述第一信號來調(diào)整到所述燃燒器(14)內(nèi)的燃料流，基于所述第二信號來調(diào)整從所述主壓縮機OO)提取的所述第一氣流(33，34)的部分；以及基于所述第四信號來調(diào)整通過所述進給壓縮機0 的空氣流(25)。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，指示所述半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)(12) 內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的第四信號包括指示所述主壓縮機OO)的排放壓力的信號。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述控制器(56)被構造為接收所述第一信號且基于所述第一信號來調(diào)整通過所述進給壓縮機0 的空氣流05)。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述控制器(56)被構造為通過調(diào)整所述主壓縮機OO)的入口導葉(64)的位置來調(diào)整通過所述主壓縮機OO)的第一氣流 (33，34)。
8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述控制器(56)被構造為通過調(diào)整所述進給壓縮機0 的入口導葉(6 的位置來調(diào)整通過所述進給壓縮機0 的空氣流 (25)。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于包括所述燃燒器(14)被構造為燃燒燃料-空氣混合物；所述進給壓縮機0 與所述燃燒器(14)流體連通且被構造為向所述燃燒器(14)提供所述空氣流05)；所述渦輪(16)與所述燃燒器(14)流體連通且被構造為從所述燃燒器(14)接收所述第二氣流06，30)；以及所述主壓縮機OO)與所述渦輪(16)流體連通且被構造為壓縮所述第一氣流(33，34)。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于包括熱回收蒸汽發(fā)生器(32)，其被構造為從所述第二氣流(沈，30)提取熱且向所述主壓縮機OO)提供所述第一氣流(33，34)。
全文摘要
本申請涉及用于控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。其中，一種系統(tǒng)(10)包括控制器(56)，其被構造為控制半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)(12)。該控制器(56)被構造為接收下列信號中的至少一種指示通過主壓縮機(20)的第一氣流(33，34)內(nèi)氧氣濃度的第一信號，指示由半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)(12)輸出的動力的第二信號，指示通過渦輪(16)的第二氣流(26，30)的溫度的第三信號，以及，指示在半封閉動力循環(huán)系統(tǒng)(12)內(nèi)的質(zhì)量流量平衡的第四信號。控制器(56)還被構造為基于第一信號、第二信號、第三信號和第四信號中的至少一種來調(diào)整通過主壓縮機(20)的第一氣流(33，34)、到燃燒器(14)內(nèi)的燃料流、從主壓縮機(20)提取的第一氣流(33，34)的部分以及通過進給壓縮機(22)的空氣流(25)中的至少一種。
文檔編號F02C9/48GK102454487SQ20111033590
公開日2012年5月16日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權日2010年10月21日
發(fā)明者A·M·特羅伊斯代爾, J·A·韋斯特 申請人:通用電氣公司