[发明专利]优化化学计量燃烧的系统和方法

说明书

本申请是申请日为2011年6月27日、申请号为201180038887.8(PCT/US2011/042000)、题为“优化化学计量燃烧的系统和方法”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年8月6日提交的题目为“SYSTEMS AND METHODS FOR OPTIMIZING STOICHIOMETRIC COMBUSTION(优化化学计量燃烧的系统和方法)”的美国临时专利申请61/371，523的权益，其在此通过引用全文并入。

技术领域

本公开一般地涉及低排放动力产生系统。更具体地，本公开涉及用于在燃气轮机系统中优化基本上化学计量燃烧的系统和方法。

背景技术

本章节意欲介绍该技术的多个方面，其可能与本技术的示例性实施方式相关。本讨论被认为有助于提供便于更好地理解本技术具体方面的框架。因此，应当理解到本章节应该这样阅读，并不必作为现有技术的承认。

在例如与燃气轮机集成的燃烧器内的燃料燃烧可通过监视废气温度进行控制。在满负荷下，典型的燃气轮机调节引入至多个燃烧器的燃料的量，以便达到期望的燃烧气体或废气温度。常规的燃烧涡轮控制利用入口导向叶片引入燃烧器的氧化剂。在部分负荷下，降低引入燃烧器的氧化剂的量并再次控制引入的燃料量以达到期望的废气温度。在部分负荷下，燃气轮机的效率下降，这是因为降低氧化剂量的能力被入口导向叶片限制，其仅能够轻微降低氧化剂流量。进一步地，当入口导向叶片处于它们的限流位置时，氧化剂保持在恒定的较低流速。当它处于产生较低的动力时，燃气轮机的效率则下降，因为为了采用该质量流量产生该量的动力，要求较低的膨胀机入口温度。此外，现存的氧化剂入口控制装置可能不允许精细的流速控制并可能引起大压降，而对氧化剂流量具有任何限制。用这些方法中的任一种控制氧化剂，存在在部分负荷下贫油熄火(lean blow out)或降低压力操作的潜在问题。

当目标是从废气中捕获二氧化碳(CO₂)时，控制引入燃烧器的氧化剂的量可能是期望的。由于一些原因，目前的二氧化碳捕获技术是昂贵的。一个原因是废气中二氧化碳的低压和低浓度。然而，二氧化碳浓度可通过在基本上化学计量的条件下操作燃烧过程，从大约4％显著增加至大于10％。进一步地，一部分废气可作为稀释剂被再循环至燃烧器，以便控制废气温度。同样，废气中任何未用的氧气可能是捕获的二氧化碳中的污染物，限制了可用于捕获二氧化碳的溶剂类型。

在很多系统中，氧化剂流速可通过改变单独的氧化剂系统的操作降低。例如，独立的氧化剂压缩机可减缓至较慢的操作速度，由此提供减小的氧化剂流速。然而，压缩机操作速度的降低通常降低了压缩机的效率。另外，减缓压缩机可降低进入燃烧器的氧化剂的压力。相比之下，如果氧化剂由燃气轮机的压缩机部分来提供，降低速度不是在动力产生期间可控的变量。用于产生60个循环动力(cycle power)的燃气轮机通常在3600rpm下运行。同样地，为了产生50个循环动力，燃气轮机经常在3000rpm下运行。在常规燃气轮机的燃烧器操作中，进入燃烧器的氧化剂的流量可能不保证显著控制，因为过量的氧化剂被用作燃烧室中的冷却剂，以控制燃烧条件和废气温度。已经进行了许多研究，以确定控制燃气轮机中燃烧过程的技术。

例如，Willis等的美国专利号6,332,313公开了具有用于单独燃烧区域的单独、有阀的空气混合通道的燃烧室。燃烧室组件包括初级、次级和三级燃料和空气混合管道，以分别供应燃料和空气至初级、次级和三级燃烧区域中的每一个。初级、次级和三级燃料和空气混合管道中的每一个都包括一对轴向流旋流器和燃料注入器，旋流器被同轴布置以在相反的方向上旋转空气，燃料注入器同轴供应燃料至各自的轴向流旋流器。提供阀以控制空气分别供应至初级和次级燃料和空气混合管道。布置管道以供应冷却空气和稀释空气至燃烧室。测量供应给初级、次级和三级燃料和空气混合管道的空气量。

Mittricker等的国际专利申请公布号WO/2010/044958公开了用于控制例如在燃气轮机系统中的燃烧产物的方法和系统。一个实施方式包括燃烧控制系统，其具有基本上包括氧气和CO₂并具有氧气与CO₂的比率的含氧流，随后将含氧流与燃烧燃料流混合，并在燃烧器中燃烧以产生具有分别由温度传感器和氧气分析器检测的温度和组成的燃烧产物流。来自传感器的数据用于控制含氧流和燃烧燃料流的流量和组成。该系统也可包括燃气轮机，其带有膨胀机并在反馈布置中具有负荷和负荷控制器。