本公開涉及用于發(fā)電的氣體渦輪系統(tǒng)。本文公開的實(shí)施方案具體涉及氧燃料渦輪系統(tǒng)，即氧燃料膨脹器系統(tǒng)，以及相關(guān)方法。

背景技術(shù)：

1、化石燃料是用于生成機(jī)械動力的化學(xué)能的主要來源?；剂吓c空氣混合并且燃燒以生成高壓和高溫的燃燒氣體，其在渦輪中膨脹。渦輪將燃燒氣體焓轉(zhuǎn)化為可以在渦輪的輸出轉(zhuǎn)軸上獲得的機(jī)械動力，并且用于驅(qū)動負(fù)載，諸如壓縮機(jī)或壓縮機(jī)組，或用于旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)并且將機(jī)械動力轉(zhuǎn)化為電力。

2、關(guān)于化石燃料燃燒的主要關(guān)注點(diǎn)之一涉及二氧化碳的產(chǎn)生，二氧化碳是一種溫室氣體，其被認(rèn)為是全球變暖和氣候變化的主要原因之一。

3、在減少通過燃燒化石燃料來發(fā)電對環(huán)境的影響的嘗試中，已經(jīng)研究了燃燒后捕集二氧化碳的選擇。已經(jīng)開發(fā)了二氧化碳捕集設(shè)施，以在將煙氣排放到環(huán)境中之前處理從氣體渦輪排出的煙氣并且從中去除二氧化碳。二氧化碳捕集設(shè)施的成本在capex方面以及在運(yùn)行該設(shè)備所要求的能量方面都很高，這減小了系統(tǒng)的整體熱力學(xué)效率。煙氣中的二氧化碳的百分比低；這需要通過二氧化碳捕集設(shè)施處理大量的煙氣，并且使得捕集過程特別低效。

4、近年來，已經(jīng)開發(fā)了氧燃渦輪，也稱為氧燃料渦輪或氧燃料膨脹器，其使用主要由氧氣(o2)或氧氣和二氧化碳(co2)的混合物組成的氧化劑料流來代替空氣。通過從環(huán)境空氣中分離獲得氧氣。來自氣體渦輪的煙氣的一部分在氣體渦輪燃燒器中再循環(huán)，使得供給到燃燒器的工作流體主要由氧氣和二氧化碳組成且不包括氮?dú)?。生成的煙氣主要由水和二氧化碳組成。通過冷凝從煙氣中去除水，并且沒有再循環(huán)到燃燒室中的部分無水煙氣可以在二氧化碳捕集單元中被有效地處理。

5、由動力生成裝置或系統(tǒng)生成的動力的量可能需要精細(xì)且快速地調(diào)節(jié)以跟隨施加到渦輪軸的機(jī)械負(fù)載的變化。例如，當(dāng)渦輪驅(qū)動連接至配電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)時，施加到渦輪的負(fù)載可根據(jù)連接至配電網(wǎng)并且由其供電的電負(fù)載所吸收的電力量而變化。渦輪和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該保持恒定。因此，負(fù)載的波動將通過調(diào)節(jié)供給渦輪燃燒器的燃料來平衡。當(dāng)渦輪驅(qū)動壓縮機(jī)組或任何其他被驅(qū)動機(jī)器時，也可能出現(xiàn)類似的調(diào)節(jié)要求。必須通過調(diào)節(jié)氧化劑流量來補(bǔ)償燃料流量波動。

6、氧燃料渦輪以化學(xué)計量比或接近化學(xué)計量比操作。在渦輪操作的瞬態(tài)期間平衡負(fù)載變化所要求的流量變化可能導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定。

7、已經(jīng)努力使氧燃料渦輪對負(fù)載變化反應(yīng)更快，并且防止由氧化劑和燃料流量的波動引起的燃燒問題。在這方面仍需要改善氧渦輪。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了減輕現(xiàn)有技術(shù)的氣體渦輪的缺點(diǎn)，本文公開了一種氧燃料氣體渦輪系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：燃燒器，該燃燒器適于燃燒燃料和氧化劑并且生成加壓熱燃燒氣體；以及渦輪，該渦輪流體聯(lián)接至燃燒器并且通過來自燃燒器的加壓熱燃燒氣體的膨脹而旋轉(zhuǎn)。

2、系統(tǒng)還包括熱交換器，該熱交換器流體地聯(lián)接至渦輪并且適于冷卻從渦輪排出的膨脹燃燒氣體。主氧化劑供給管線適于通過熱交換器將主氧化劑料流供給到燃燒器。在使用中，流動通過熱交換器的主氧化劑料流與從渦輪排出的燃燒氣體交換熱量，使得從燃燒氣體回收熱量并且用于加熱主氧化劑料流，并且冷卻燃燒氣體。

3、再循環(huán)管線適于通過熱交換器將第一冷卻燃燒氣體料流再循環(huán)至燃燒器作為工作流體，而燃燒氣體去除管線適于將第二冷卻燃燒氣體料流朝向例如二氧化碳捕集系統(tǒng)排出。

4、燃料供給管線被布置成將燃料供給到燃燒器，并且次級氧化劑供給管線被布置成相對于燃料的流動方向在沿著燃料供給管線布置的燃料控制閥的上游供給燃料供給管線中的次級氧化劑料流。

5、當(dāng)系統(tǒng)的操作條件要求時，補(bǔ)充量的氧化劑可因此通過燃料供給管線供給到燃燒器。通過在布置于燃料控制閥上游的混合點(diǎn)中供給次級氧化劑料流，獲得改善的氧化劑和燃料混合物。確保供給多個燃料噴嘴的氧化劑-燃料混合物的均勻組成，這改善了燃燒器中的燃燒條件。

6、在一些實(shí)施方案中，次級氧化劑供給管線繞過熱交換器，即其不延伸穿過熱交換器。

7、在負(fù)載變化的情況下，次級氧化劑料流的流量可響應(yīng)于此并且結(jié)合燃料料流變化而被迅速地調(diào)節(jié)。例如，如果施加到渦輪軸的負(fù)載增加，則次級氧化劑料流的燃料流量和氧化劑流量增加，以生成更多的功率并且維持渦輪的所要求的轉(zhuǎn)速。

8、由于變化的氧化劑流量在進(jìn)入燃燒器之前與燃料預(yù)混合，因此實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的火焰穩(wěn)定性(具體是在負(fù)載變化的情況下)，與渦輪系統(tǒng)對這種瞬態(tài)的迅速響應(yīng)相結(jié)合。

9、在本文所公開的實(shí)施方案中，次級氧化劑控制閥設(shè)置在次級氧化劑供給管線中并且適于在渦輪的瞬態(tài)狀態(tài)期間(即，響應(yīng)于渦輪負(fù)載變化)調(diào)節(jié)通過次級氧化劑供給管線的次級氧化劑流量。由于沿著次級氧化劑供給管線沒有設(shè)置熱交換器，次級氧化劑控制閥位于燃料供給管線附近，以便最小化次級氧化劑控制閥與燃燒器之間的氧化劑體積。這在系統(tǒng)適應(yīng)可變操作條件(即在負(fù)載變化的情況下)的準(zhǔn)備方面是有利的。

10、該系統(tǒng)還可包括控制單元和在主氧化劑供給管線中的主氧化劑控制閥?？刂茊卧蛇m于響應(yīng)于渦輪上的負(fù)載變化而選擇性地打開和關(guān)閉次級氧化劑控制閥和主氧化劑控制閥。在氧化劑流量調(diào)節(jié)序列的第二步驟中，可以首先作用于次級氧化劑控制閥，并且可以作用于主氧化劑控制閥，以獲得氧化劑流量對負(fù)載波動的更快適應(yīng)。

11、根據(jù)另一方面，本文公開了一種用于操作渦輪系統(tǒng)的方法。該方法包括以下步驟：

12、通過燃料供給管線向燃燒器供給燃料料流；

13、通過熱交換器將主氧化劑料流供給到燃燒器；

14、在燃燒器中燃燒氧化劑和來自燃料供給管線的燃料，并且生成熱的加壓燃燒氣體的料流；

15、使燃燒氣體在渦輪中膨脹，并且在其內(nèi)生成機(jī)械動力；

16、從渦輪排出燃燒氣體；

17、使燃燒排氣在熱交換器中流動，與主氧化劑料流進(jìn)行熱交換，由此冷卻燃燒氣體并且加熱主氧化劑料流；

18、將第一冷卻燃燒氣體料流作為工作流體通過熱交換器再循環(huán)至燃燒器，并且排出第二冷卻燃燒氣體料流。

19、向次級氧化劑料流供給到燃料料流并且將次級氧化劑料流混合在燃料料流中；以及

20、將氧化劑和燃料的混合物供給到燃燒器。

21、在本文所公開的實(shí)施方案中，該方法還包括響應(yīng)于渦輪上的負(fù)載變化來調(diào)節(jié)次級氧化劑料流的流量的步驟。

22、具體地，在一些實(shí)施方案中，該方法包括以下步驟：

23、響應(yīng)于渦輪上的負(fù)載的增加或減少，增加或減少通過次級氧化劑控制閥的次級氧化劑流量；

24、隨后減小或增加通過次級氧化劑控制閥的次級氧化劑流量，并且

25、同時增加或減少通過主氧化劑控制閥的主氧化劑流量，從而維持到燃燒器的近似恒定的氧化劑流量。

26、下面參考附圖描述根據(jù)本公開的系統(tǒng)和方法的進(jìn)一步特征和實(shí)施方案，并且在所附權(quán)利要求中闡述。

技術(shù)特征：

1.一種氣體渦輪系統(tǒng)(1)，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪系統(tǒng)(1)，其中所述次級氧化劑供給管線(53)以繞過所述熱交換器(21)的方式被布置。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪系統(tǒng)，其中所述燃燒器包括位于所述燃料控制閥(41)下游的多個燃料噴嘴(38)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的渦輪系統(tǒng)(1)，還包括在所述次級氧化劑供給管線(53)中的次級氧化劑控制閥(57)，所述次級氧化劑控制閥適于在所述渦輪(5)的瞬態(tài)狀態(tài)期間響應(yīng)于渦輪負(fù)載變化而調(diào)節(jié)通過所述次級氧化劑供給管線(53)的次級氧化劑流量。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪系統(tǒng)(1)，還包括控制單元(51)以及在所述主氧化劑供給管線(13)上的主氧化劑控制閥(19)，其中所述控制單元適于響應(yīng)于所述渦輪(5)上的負(fù)載變化而選擇性地打開和關(guān)閉所述次級氧化劑控制閥(57)和所述主氧化劑控制閥(19)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪系統(tǒng)(1)，其中所述控制單元(51)適于執(zhí)行以下步驟：

7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的渦輪系統(tǒng)(1)，還包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪系統(tǒng)，還包括燃料流量計(43)，所述燃料流量計適于檢測通過所述燃料供給管線(39)的燃料流量；并且

9.一種用于操作渦輪系統(tǒng)的方法，所述方法包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中氧化劑和燃料的所述混合物被供給到所述燃燒器(3)的多個燃料噴嘴(38)。

11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，還包括響應(yīng)于所述渦輪(5)上的負(fù)載變化來調(diào)節(jié)所述次級氧化劑料流的流量的步驟。

12.根據(jù)權(quán)利要求9或10或11所述的方法，還包括以下步驟：

13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的方法，還包括從所述第二冷卻燃燒氣體料流捕集二氧化碳的步驟。

14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述次級氧化劑料流通過繞過所述熱交換器(21)的次級氧化劑供給管線(53)供給。

技術(shù)總結(jié)
氣體渦輪系統(tǒng)(1)包括燃燒器(3)，該燃燒器適于燃燒燃料和氧化劑并且生成加壓熱燃燒氣體；以及渦輪(5)，該渦輪流體聯(lián)接至燃燒器(3)并且通過來自燃燒器(3)的加壓熱燃燒氣體的膨脹而旋轉(zhuǎn)。熱交換器(21)與渦輪(5)流體聯(lián)接，并且適于冷卻從渦輪(5)排出的膨脹燃燒氣體。主氧化劑供給管線(13)適于通過熱交換器(21)向燃燒器(3)供給氧化劑。流動通過熱交換器(21)的氧化劑與從渦輪(5)排出的燃燒氣體處于熱交換關(guān)系。燃料供給管線(39)向燃燒器(3)供給燃料。次級氧化劑供給管線(53)適于在燃料控制閥(41)上游的燃料供給管線(39)中供給氧化劑。還公開了一種操作系統(tǒng)的方法。

技術(shù)研發(fā)人員：A·米利亞尼,A·祖卡,L·科西,F·甘貝里
受保護(hù)的技術(shù)使用者：諾沃皮尼奧內(nèi)技術(shù)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9