氧燃料涡轮系统和用于氧化剂控制的方法与流程

本公开涉及用于发电的气体涡轮系统。本文公开的实施方案具体涉及氧燃料涡轮系统，即氧燃料膨胀器系统，以及相关方法。

背景技术：

1、化石燃料是用于生成机械动力的化学能的主要来源。化石燃料与空气混合并且燃烧以生成高压和高温的燃烧气体，其在涡轮中膨胀。涡轮将燃烧气体焓转化为可以在涡轮的输出转轴上获得的机械动力，并且用于驱动负载，诸如压缩机或压缩机组，或用于旋转发电机并且将机械动力转化为电力。

2、关于化石燃料燃烧的主要关注点之一涉及二氧化碳的产生，二氧化碳是一种温室气体，其被认为是全球变暖和气候变化的主要原因之一。

3、在减少通过燃烧化石燃料来发电对环境的影响的尝试中，已经研究了燃烧后捕集二氧化碳的选择。已经开发了二氧化碳捕集设施，以在将烟气排放到环境中之前处理从气体涡轮排出的烟气并且从中去除二氧化碳。二氧化碳捕集设施的成本在capex方面以及在运行该设备所要求的能量方面都很高，这减小了系统的整体热力学效率。烟气中的二氧化碳的百分比低；这需要通过二氧化碳捕集设施处理大量的烟气，并且使得捕集过程特别低效。

4、近年来，已经开发了氧燃涡轮，也称为氧燃料涡轮或氧燃料膨胀器，其使用主要由氧气(o2)或氧气和二氧化碳(co2)的混合物组成的氧化剂料流来代替空气。通过从环境空气中分离获得氧气。来自气体涡轮的烟气的一部分在气体涡轮燃烧器中再循环，使得供给到燃烧器的工作流体主要由氧气和二氧化碳组成且不包括氮气。生成的烟气主要由水和二氧化碳组成。通过冷凝从烟气中去除水，并且没有再循环到燃烧室中的部分无水烟气可以在二氧化碳捕集单元中被有效地处理。

5、由动力生成装置或系统生成的动力的量可能需要精细且快速地调节以跟随施加到涡轮轴的机械负载的变化。例如，当涡轮驱动连接至配电网的发电机时，施加到涡轮的负载可根据连接至配电网并且由其供电的电负载所吸收的电力量而变化。涡轮和发电机的转速应该保持恒定。因此，负载的波动将通过调节供给涡轮燃烧器的燃料来平衡。当涡轮驱动压缩机组或任何其他被驱动机器时，也可能出现类似的调节要求。必须通过调节氧化剂流量来补偿燃料流量波动。

6、氧燃料涡轮以化学计量比或接近化学计量比操作。在涡轮操作的瞬态期间平衡负载变化所要求的流量变化可能导致火焰不稳定。

7、已经努力使氧燃料涡轮对负载变化反应更快，并且防止由氧化剂和燃料流量的波动引起的燃烧问题。在这方面仍需要改善氧涡轮。

技术实现思路

1、为了减轻现有技术的气体涡轮的缺点，本文公开了一种氧燃料气体涡轮系统，该系统包括：燃烧器，该燃烧器适于燃烧燃料和氧化剂并且生成加压热燃烧气体；以及涡轮，该涡轮流体联接至燃烧器并且通过来自燃烧器的加压热燃烧气体的膨胀而旋转。

2、系统还包括热交换器，该热交换器流体地联接至涡轮并且适于冷却从涡轮排出的膨胀燃烧气体。主氧化剂供给管线适于通过热交换器将主氧化剂料流供给到燃烧器。在使用中，流动通过热交换器的主氧化剂料流与从涡轮排出的燃烧气体交换热量，使得从燃烧气体回收热量并且用于加热主氧化剂料流，并且冷却燃烧气体。

3、再循环管线适于通过热交换器将第一冷却燃烧气体料流再循环至燃烧器作为工作流体，而燃烧气体去除管线适于将第二冷却燃烧气体料流朝向例如二氧化碳捕集系统排出。

4、燃料供给管线被布置成将燃料供给到燃烧器，并且次级氧化剂供给管线被布置成相对于燃料的流动方向在沿着燃料供给管线布置的燃料控制阀的上游供给燃料供给管线中的次级氧化剂料流。

5、当系统的操作条件要求时，补充量的氧化剂可因此通过燃料供给管线供给到燃烧器。通过在布置于燃料控制阀上游的混合点中供给次级氧化剂料流，获得改善的氧化剂和燃料混合物。确保供给多个燃料喷嘴的氧化剂-燃料混合物的均匀组成，这改善了燃烧器中的燃烧条件。

6、在一些实施方案中，次级氧化剂供给管线绕过热交换器，即其不延伸穿过热交换器。

7、在负载变化的情况下，次级氧化剂料流的流量可响应于此并且结合燃料料流变化而被迅速地调节。例如，如果施加到涡轮轴的负载增加，则次级氧化剂料流的燃料流量和氧化剂流量增加，以生成更多的功率并且维持涡轮的所要求的转速。

8、由于变化的氧化剂流量在进入燃烧器之前与燃料预混合，因此实现了增强的火焰稳定性(具体是在负载变化的情况下)，与涡轮系统对这种瞬态的迅速响应相结合。

9、在本文所公开的实施方案中，次级氧化剂控制阀设置在次级氧化剂供给管线中并且适于在涡轮的瞬态状态期间(即，响应于涡轮负载变化)调节通过次级氧化剂供给管线的次级氧化剂流量。由于沿着次级氧化剂供给管线没有设置热交换器，次级氧化剂控制阀位于燃料供给管线附近，以便最小化次级氧化剂控制阀与燃烧器之间的氧化剂体积。这在系统适应可变操作条件(即在负载变化的情况下)的准备方面是有利的。

10、该系统还可包括控制单元和在主氧化剂供给管线中的主氧化剂控制阀。控制单元可适于响应于涡轮上的负载变化而选择性地打开和关闭次级氧化剂控制阀和主氧化剂控制阀。在氧化剂流量调节序列的第二步骤中，可以首先作用于次级氧化剂控制阀，并且可以作用于主氧化剂控制阀，以获得氧化剂流量对负载波动的更快适应。

11、根据另一方面，本文公开了一种用于操作涡轮系统的方法。该方法包括以下步骤：

12、通过燃料供给管线向燃烧器供给燃料料流；

13、通过热交换器将主氧化剂料流供给到燃烧器；

14、在燃烧器中燃烧氧化剂和来自燃料供给管线的燃料，并且生成热的加压燃烧气体的料流；

15、使燃烧气体在涡轮中膨胀，并且在其内生成机械动力；

16、从涡轮排出燃烧气体；

17、使燃烧排气在热交换器中流动，与主氧化剂料流进行热交换，由此冷却燃烧气体并且加热主氧化剂料流；

18、将第一冷却燃烧气体料流作为工作流体通过热交换器再循环至燃烧器，并且排出第二冷却燃烧气体料流。

19、向次级氧化剂料流供给到燃料料流并且将次级氧化剂料流混合在燃料料流中；以及

20、将氧化剂和燃料的混合物供给到燃烧器。

21、在本文所公开的实施方案中，该方法还包括响应于涡轮上的负载变化来调节次级氧化剂料流的流量的步骤。

22、具体地，在一些实施方案中，该方法包括以下步骤：

23、响应于涡轮上的负载的增加或减少，增加或减少通过次级氧化剂控制阀的次级氧化剂流量；

24、随后减小或增加通过次级氧化剂控制阀的次级氧化剂流量，并且

25、同时增加或减少通过主氧化剂控制阀的主氧化剂流量，从而维持到燃烧器的近似恒定的氧化剂流量。

26、下面参考附图描述根据本公开的系统和方法的进一步特征和实施方案，并且在所附权利要求中阐述。

技术特征：

1.一种气体涡轮系统(1)，包括：

2.根据权利要求1所述的涡轮系统(1)，其中所述次级氧化剂供给管线(53)以绕过所述热交换器(21)的方式被布置。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮系统，其中所述燃烧器包括位于所述燃料控制阀(41)下游的多个燃料喷嘴(38)。

4.根据权利要求1、2或3所述的涡轮系统(1)，还包括在所述次级氧化剂供给管线(53)中的次级氧化剂控制阀(57)，所述次级氧化剂控制阀适于在所述涡轮(5)的瞬态状态期间响应于涡轮负载变化而调节通过所述次级氧化剂供给管线(53)的次级氧化剂流量。

5.根据权利要求4所述的涡轮系统(1)，还包括控制单元(51)以及在所述主氧化剂供给管线(13)上的主氧化剂控制阀(19)，其中所述控制单元适于响应于所述涡轮(5)上的负载变化而选择性地打开和关闭所述次级氧化剂控制阀(57)和所述主氧化剂控制阀(19)。

6.根据权利要求5所述的涡轮系统(1)，其中所述控制单元(51)适于执行以下步骤：

7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮系统(1)，还包括：

8.根据权利要求7所述的涡轮系统，还包括燃料流量计(43)，所述燃料流量计适于检测通过所述燃料供给管线(39)的燃料流量；并且

9.一种用于操作涡轮系统的方法，所述方法包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其中氧化剂和燃料的所述混合物被供给到所述燃烧器(3)的多个燃料喷嘴(38)。

11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括响应于所述涡轮(5)上的负载变化来调节所述次级氧化剂料流的流量的步骤。

12.根据权利要求9或10或11所述的方法，还包括以下步骤：

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，还包括从所述第二冷却燃烧气体料流捕集二氧化碳的步骤。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中所述次级氧化剂料流通过绕过所述热交换器(21)的次级氧化剂供给管线(53)供给。

技术总结气体涡轮系统(1)包括燃烧器(3)，该燃烧器适于燃烧燃料和氧化剂并且生成加压热燃烧气体；以及涡轮(5)，该涡轮流体联接至燃烧器(3)并且通过来自燃烧器(3)的加压热燃烧气体的膨胀而旋转。热交换器(21)与涡轮(5)流体联接，并且适于冷却从涡轮(5)排出的膨胀燃烧气体。主氧化剂供给管线(13)适于通过热交换器(21)向燃烧器(3)供给氧化剂。流动通过热交换器(21)的氧化剂与从涡轮(5)排出的燃烧气体处于热交换关系。燃料供给管线(39)向燃烧器(3)供给燃料。次级氧化剂供给管线(53)适于在燃料控制阀(41)上游的燃料供给管线(39)中供给氧化剂。还公开了一种操作系统的方法。技术研发人员：A·米利亚尼,A·祖卡,L·科西,F·甘贝里受保护的技术使用者：诺沃皮尼奥内技术股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9