Газотурбинная энергетическая установка с рециркуляцией отработавших газов и способ управления указанной установкой
GAS TURBINE POWER PLANT WITH THE EXHAUST GAS RECIRCULATION AND METHOD FOR THE NOTED PLANT CONTROL

Данная заявка относится к ряду патентных заявок США: 13/444956, поданной 12 апреля 2012, 13/444927, поданной 12 апреля 2012, 13/444906, поданной 12 апреля 2012, 13/444918, поданной 12 апреля 2012, 13/444929, поданной 12 апреля 2012, 13/444948, поданной 12 апреля 2012, 13/444986, поданной 12 апреля 2012, и 13/445008, поданной 12 апреля 2012, поданными одновременно с настоящей, которые полностью включены в настоящую заявку посредством ссылки и составили ее часть.
Данная заявка в целом относится к области турбинных двигателей внутреннего сгорания и относящихся к ним систем. Более конкретно, но без ограничения, изобретение относится к способам, системам и устройствам для достижения режима работы в стехиометрической точке и отбора рабочей среды, имеющей желательные параметры, в турбинных системах внутреннего сгорания различных типов с рециркуляцией отработавших газов.
Отношение окислителя к топливу - это отношение массы окислителя, обычно воздуха, к топливу внутри двигателя внутреннего сгорания. Как понятно среднему специалисту в данной области техники, стехиометрическое отношение, равное 1, будет достигнуто, когда количество окислителя точно обеспечивает полное сгорание топлива (здесь это можно назвать «режимом работы в стехиометрической точке» или «стехиометрическим режимом работы»). В турбинных системах внутреннего сгорания следует принимать во внимание, что режим сгорания в стехиометрической точке может быть желательным по нескольким причинам, включая как понижение уровней выбросов, так и причины, связанные с режимной настройкой режимов эксплуатации. Кроме того, по определению, режим работы в стехиометрической точке можно применять для получения отработавших газов (которые, в случае системы, включающей рециркуляцию, можно в общем назвать «рабочей текучей средой»), которые по существу не содержат окислителя и неизрасходованного топлива. Более конкретно, при работе в стехиометрической точке рабочая среда, проходя через определенные участки рециркуляционного контура, или петли, может иметь в своем составе существенно высокий уровень содержания диоксида углерода и азота, из которых после подачи их в блок воздушной сепарации можно получить потоки этих газов с высоким уровнем чистоты.
Как понятно специалисту средней квалификации в данной области техники, производство газовых потоков диоксида углерода и азота таким способом имеет экономическое значение. Например, связывание диоксида углерода имеет потенциальную ценность, учитывая озабоченность текущим состоянием окружающей среды, связанное с выделением этого газа. Помимо этого, потоки чистых газов диоксида углерода и азота находят применение во многих отраслях производства. Кроме того, диоксид углерода можно закачивать в землю для увеличения добычи нефти. Таким образом, новые конфигурации систем энергоустановок и/или способы управления, обеспечивающие эффективные способы достижения режима работы в стехиометрической точке, будут полезными и ценными. Эти свойства возросли бы еще больше, если бы новые системы и способы обеспечивали эффективные пути, которыми существующие энергетические установки, использующие дожигание и рециркуляцию отработавших газов, могли достичь повышенных показателей в работе при относительно малых, экономически эффективных модификациях. Другие преимущества систем и способов настоящего изобретения станут очевидными для специалиста средней квалификации из приведенного ниже описания нескольких примеров воплощений изобретения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ В настоящей заявке описан способ управления энергетической установкой, содержащей рабочую среду и рециркуляционную петлю, в котором энергетическая установка включает камеру сгорания, функционально соединенную с турбиной, причем способ включает операции: рециркуляции по меньшей мере части рабочей среды по рециркуляционной петле; управления энергетической установкой таким образом, что камера сгорания по меньшей мере периодически работает в режиме с предпочтительным стехиометрическим отношением; и отбора рабочей среды по меньшей мере из одной из точек отбора - первой или второй, расположенных на рециркуляционной петле, в течение периодов, когда камера сгорания работает в режиме с предпочтительным стехиометрическим отношением.
Также в настоящей заявке описана энергетическая установка с конфигурацией, включающей рециркуляционную петлю, по которой циркулирует рабочая среда; при этом рециркуляционная петля содержит множество компонентов, выполненных с возможностью принимать выходной поток рабочей среды от соседнего компонента, расположенного выше по потоку, и обеспечивать входящий поток рабочей среды соседнему компоненту, расположенного ниже по потоку; при этом петля рециркуляции содержит: рециркуляционный компрессор; камеру сгорания, расположенную ниже по потоку от рециркуляционного компрессора; турбину, расположенную ниже по потоку от камеры сгорания; и рециркуляционный трубопровод выполненных с возможностью направлять выходной поток рабочей среды от турбины к рециркуляционному компрессору. Энергетическая установка может включать: первое средство отбора для отбора рабочей среды из первой точки отбора на рециркуляционной петле; второе средство отбора для отбора рабочей среды из второй точки отбора на рециркуляционной петле; средство управления энергетической установкой в таком режиме, чтобы камера сгорания по меньшей мере периодически работала с предпочтительным стехиометрическим отношением; и средство отбора рабочей среды из по меньшей мере одного из первого средства отбора и второго средства отбора во время периодов, когда камера сгорания работает в режиме с предпочтительным стехиометрическим отношением.
Эти и другие особенности настоящего изобретения станут более очевидными после ознакомления со следующим подробным описанием предпочтительных воплощений в совокупности с чертежами и прилагаемой формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию примера воплощения энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.2 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.3 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.4 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.5 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.6 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.7 - блок-схема, иллюстрирующая способ работы примера воплощения энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.8 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.9 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой камер сгорания с дожиганием;
Фиг.10 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой с одной камерой сгорания;
Фиг.11 - схематическое изображение, иллюстрирующее схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой с одной камерой сгорания;
Фиг.12 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой с одной камерой сгорания; и
Фиг.13 - схематическое изображение, иллюстрирующее альтернативную конфигурацию энергетической установки с рециркуляцией отработавшего газа и системой с одной камерой сгорания.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обращаясь теперь к чертежам, где различные цифры представляют аналогичные элементы в ряде схематических изображений, увидим, что чертежи с фиг.1 по фиг.13 схематически иллюстрируют примеры воплощений энергетических установок в соответствии с конфигурациями настоящего изобретения. Как будет ясно из последующих подробных объяснений, эти энергетические установки имеют новую системную архитектуру и конфигурацию и/или способы управления, обеспечивающие преимущества в работе в системах с рециркуляцией отработавших газов. Если не оговаривается иное, термин «энергетическая установка», при использовании здесь, не предусматривает исключительного смысла и может касаться любой из описанных здесь конфигураций, иллюстрированных чертежами или заявленных в формуле. Такие системы могут включать две отдельные турбины, рециркуляцию отработавших газов, две системы сгорания и/или парогенератор-рекуператор.
Как показано на фиг.1, энергетическая установка 9 включает рециркуляционную петлю 10, по которой рециркулирует поток рабочей среды. В определенных воплощениях настоящего изобретения, как показано на фиг.1, рециркуляционная петля 10 - это средство, с помощью которого рециркулирует отработавший в турбине газ, создавая поток рециркуляции рабочей среды. Следует принимать во внимание, что рециркуляционная петля 10 выполнена таким образом, что каждый из расположенных в ней компонентов выполнен с возможностью принимать выходной поток рабочей среды от соседнего верхнего по потоку компонента и обеспечивать поступление потока рабочей среды на вход соседнего нижнего по потоку компонента. Необходимо обратить внимание, что несколько компонентов рециркуляционной петли 10 будут описаны применительно к обозначенной на петле 10 «стартовой позиции 8». Следует принять во внимание, что стартовая позиция 8 является условной, и функционирование системы можно было бы описать другим образом или относительно другой стартовой позиции без существенной разницы. Как показано, стартовая позиция 8 расположена на входе осевого компрессора 12. Как видно из конфигурации, осевой компрессор 12 принимает поток отработавших рециркулированных газов от турбин; соответственно, осевой компрессор 12 выступает здесь как «рециркуляционный компрессор 12».
Рассматривая движение в рециркуляционной петле вниз по потоку, отметим верхнюю по потоку камеру 22 сгорания, которая соединена с высоконапорной турбиной 30, и нижнюю по потоку камеру 24 сгорания, которая соединена с низконапорной турбиной 32. Следует принять во внимание, что термины, используемые для описания этих компонентов, умышленно выбраны таким образом, чтобы возможно более эффективно описать работу энергетической установки 9. Если не подразумевать слишком узкое значение терминов, следует принять во внимание, что выражения «верхний по потоку» и «нижний по потоку» в основном относятся к направлению потока рабочей среды по рециркуляционной петле 10 при условии, что стартовая позиция находится в точке 8. Далее, термины «высоконапорный» и «низконапорный» применены к уровням рабочего давления в каждой из турбин 30, 32 относительно другой при заданном расположении каждой турбины в рециркуляционной петле 10.
Вниз по потоку от низконапорной турбины 32 рециркуляционный трубопровод 40 подводит отработавшие газы к входу рециркуляционного компрессора 12, который таким образом производит рециркуляцию отработавших газов от турбины (или по меньшей мере их части). На протяжении рециркуляционного трубопровода 40 могут быть расположены несколько других компонентов. Следует принимать во внимание, что эти компоненты могут функционировать таким образом, чтобы обеспечить рециркуляционный компрессор 12 отработавшими газами с желаемыми параметрами (т.е. с желаемой температурой, давлением, влажностью и т.д.). Как показано, в различных воплощениях в контур рециркуляционного трубопровода 40 можно включить парогенератор-рекуператор 39, охладитель 44 и обдувочный аппарат 46. Дополнительно рециркуляционная петля 10 может включать вытяжную трубу 41, которая обеспечивает путь для управляемого выпуска такого количества отработавшего газа из рециркуляционного трубопровода 40, чтобы достичь желательного баланса потоков. Например, следует принимать во внимание, что в стационарном режиме через рециркуляционную вытяжную трубу 41 необходимо выпустить такое количество отработавших газов, которое приблизительно равно количеству сжатого окислителя и топлива, поступающего в рециркуляционную петлю 10 через компрессор 11 окислителя и источник топлива 20 соответственно. Следует принимать во внимание, что желательный баланс между окислителем и топливом, впрыскиваемыми внутрь, и отработавшими газами, выпускаемыми из рециркуляционной петли 10, может быть достигнут благодаря датчикам, фиксирующим количество сжатого окислителя и топлива, поступающего в рециркуляционную петлю 10, и количество выходящего отработавшего газа, а также температурным датчикам, датчикам клапанов, датчикам давления внутри рециркуляционной петли 10 и другим стандартным средствам и системам.
Энергетическая установка 9 может включать компрессор 11 окислителя, который, в отличие от рециркуляционного компрессора 12, не полностью интегрирован в рециркуляционную петлю 10. Как будет пояснено далее, компрессор 11 окислителя может быть осевым компрессором, введенным в конфигурацию для впрыскивания сжатого воздуха или другого окислителя в одном или более местах внутри рециркуляционной петли 10. В большинстве применений компрессор 11 окислителя будет обеспечивать сжатие воздуха. Следует принять во внимание, что в других воплощениях компрессор 11 окислителя может подавать любой тип окислителя, который можно сжимать и впрыскивать в систему сгорания. Например, компрессор 11 окислителя способен сжимать воздух, в который добавлен кислород. Рециркуляционный компрессор 12, с другой стороны, обеспечивает сжатие рецируляционных отработавших газов от турбин 30, 32. При необходимости для увеличения давления газов на выходе компрессора 11 окислителя можно установить вспомогательный компрессор 16 перед их инжекцией в рециркуляционную петлю 10, с целью обеспечения предпочтительного давления впрыскивания. Таким же образом сжатый окислитель можно эффективно подавать в одну или более камеру сгорания.
Компрессор 11 окислителя и рециркуляционный компрессор 12 можно механически соединить отдельным или общим валом 14, который приводит в движение оба компрессора. Генератор 18 может также может входить в систему с общим валом 14; при этом высоконапорная турбина 30 и низконапорная турбина 32 приводят в движение общий вал 14 и присоединенные к нему нагрузки. Следует принимать во внимание, что настоящее изобретение можно применять в системах, имеющих конфигурацию вала, отличную конфигурации вала 14, показанной на чертежах данного примера воплощения. Например, можно использовать многовальные конструкции, где каждый вал может быть соединен с одной из турбин и одним или более элементом нагрузки (т.е. одним из компрессоров 11, 12 или генератором 18). Такая конфигурация может включать концентрические валы или иные решения.
В примерах воплощения система сгорания энергетической установки 9, как показано, включает верхнюю по потоку камеру 22 сгорания и, ниже ее по потоку, нижнюю по потоку камеру 24 сгорания. Следует принять во внимание, что, как будет более подробно пояснено далее, верхняя по потоку камера 22 сгорания и нижняя по потоку камера 24 сгорания могут представлять собой обычную камеру сгорания любого типа, систему сгорания и/или камеру сгорания с дожиганием, и используемая терминология отражает только относительное расположение на рециркуляционной петле 10 (при заданных условной стартовой позиции 8 и направлении потока). В общем случае, как показано на фиг.1 и будет более подробно пояснено далее, верхняя по потоку камера 22 сгорания работает путем впрыскивания в рециркуляционную петлю 10 газа сгорания, являющегося продуктом сгорания топлива в трубчатой камере сгорания или в обычной камере сгорания другого типа. Кроме того, некоторые системы сгорания работают с непосредственным впрыском топлива. После впрыска впрыснутое топливо сгорает внутри рециркуляционной петли 10. Любой из этих способов в целом повышает температуру и кинетическую энергию рабочей среды, и любую из разновидностей камер сгорания можно использовать в качестве верхней по потоку камеры 22 сгорания или нижней по потоку камеры 24 сгорания. Источник подачи топлива 20 может подавать топливо, такое как природный газ, к верхней по потоку камере 22 сгорания или нижней по потоку камере 24 сгорания.
Более конкретно, верхняя по потоку камера 22 сгорания может быть выполнена с возможностью принимать поток сжатого окислителя от компрессора 11 окислителя и топлива от источника подачи топлива 20. В таком режиме работы верхняя по потоку камера 22 сгорания может включать одну или более труб или камер сгорания, внутри которых происходит соединение топлива и окислителя, их смешивание и воспламенение, в результате чего образуется обладающий высокой энергией поток сжатых газов сгорания. Тогда верхняя по потоку камера 22 сгорания может направить газы сгорания в высоконапорную турбину 30, где газы расширяются, совершая полезную работу. Нижняя по потоку камера 24 сгорания может быть выполнена так, чтобы она добавляла энергию/тепло в рабочую среду в точке, расположенной ниже по потоку относительно высоконапорной турбины 30. Как показано в примере воплощения на фиг.1, нижнюю по потоку камеру 24 сгорания можно расположить непосредственно выше по потоку от низконапорной турбины 32. Как уже пояснялось, нижняя по потоку камера 24 сгорания получила такое название, так как она добавляет энергию/тепло к потоку рабочей среды в точке, расположенной ниже по потоку от верхней по потоку камеры 22 сгорания.
Среднему специалисту понятно, что при использовании двухступенчатого сгорания или системы дожигания, подобных описанным выше, можно получить определенные функциональные преимущества. Эти преимущества, помимо прочего, состоят в следующем: 1) гибкость в отношении топлива; 2) улучшенная эмиссия; 3) более низкие средние температуры воспламенения; 4) менее жесткие требования к охлаждению и герметизации; 5) увеличение срока службы компонентов; и 6) применение менее дорогостоящих материалов из-за более низких температур воспламенения. Соответственно, улучшение функционирования энергетических установок, включающих системы дожигания, подобные тем, которые имеются в настоящем изобретении, расширяет возможности потенциального использования систем дожигания и реализации преимуществ, которыми обладают эти системы.
Как упоминалось, энергетическая установка 9 дополнительно включает рециркуляционный трубопровод 40. Рециркуляционный трубопровод 40 в целом обеспечивает путь потока, по которому рециркулирует отработавший газ из турбин, таким образом замыкая рециркуляционную петлю 10. Более конкретно, рециркуляционный трубопровод 40 направляет отработавший газ из низконапорной турбины 32 по пути, который заканчивается у входа в рециркуляционный компрессор 12. Следует принять во внимание, что рециркуляционный трубопровод 40 может обеспечивать циркуляцию отработавшего газа через несколько компонентов на своем протяжении, включая, как показано на фиг.1, парогенератор-рекуператор 39, охладитель 44 и обдувочный аппарат 46. (Заметим, что во избежание ненужной сложности парогенератор-рекуператор 39 представлен на фиг.1 в упрощенном виде). Среднему специалисту в данной области техники нужно принять во внимание, что парогенератор-рекуператор 39 настоящего изобретения может представлять систему любого типа, в которой отработавшие газы сгорания от одной или более турбин внутреннего сгорания используются как источник нагрева для бойлера паровой турбины.
Вниз по потоку от парогенератора-рекуператора 39 можно установить охладитель 44 таким образом, что газы, проходящие через рециркуляционный трубопровод 40, проходят через него. Охладитель 44 может быть представлен как водяной смешивающий охладитель или другой обычный теплообменник, который подходит для этой функции и может работать, извлекая дополнительное тепло из отработавших газов таким образом, чтобы отработавшие газы поступали в рециркуляционный компрессор 12 при желательной или предпочтительной температуре. Охладитель 44 также может обеспечить средство управления влажностью газов рециркуляции, чтобы поддерживать ее на предпочтительном уровне. Так, охладитель 44 может извлекать воду из потока газа путем его охлаждения, при этом уровень влажности газов рециркуляции понижается по отношению к газам, нагреваемым до температуры, при которой поток газа поступает на вход охладителя. Как иллюстрирует фиг.1, обдувочный аппарат 46 можно установить вниз по потоку относительно охладителя 44, однако, как понятно среднему специалисту в данной области техники, этот порядок можно поменять. Обдувочный аппарат 46 может иметь стандартное исполнение. Обдувочный аппарат может производить более эффективную циркуляцию отработавших газов по рециркуляционному трубопроводу 40, так чтобы газы, поступающие на вход рециркуляционного компрессора 12, имели желательные параметры.
Энергетическая установка 9 может иметь в своем составе различные типы трубопроводов, труб, клапанов, датчиков и других системных элементов, с помощью которых регулируют и поддерживают работоспособность энергетической установки 9. Следует принимать во внимание, что все описанные здесь клапаны можно устанавливать в различные положения, которые влияют на количество рабочей среды, проходящей через трубопровод. Как уже описывалось, рециркуляционный трубопровод 40 осуществляет рециркуляцию отработавших газов от турбин 30, 32 к входу рециркуляционного компрессора 12, таким образом, создавая путь потока рециркуляции для рабочей среды. Кроме этого, как показано на фиг.1, можно установить первый трубопровод 52 окислителя, который направляет сжатый окислитель от компрессора 11 окислителя к верхней по потоку камере 22 сгорания. Первый трубопровод 52 окислителя может включать клапан 54 окислителя, с помощью которого управляют потоком окислителя в трубопроводе. Первый трубопровод 52 окислителя дополнительно может включать вспомогательный компрессор 16, который, как следует из дальнейшего более подробного описания, можно использовать для повышения давления сжатого окислителя внутри этого трубопровода. Первый трубопровод 52 окислителя может дополнительно включать выпускной клапан 56. Выпускной клапан 56 обеспечивает средство, которое позволяет выпускать в атмосферу часть сжатого окислителя, движущегося через первый трубопровод 52 окислителя. Как показано на фиг.1, в некоторых воплощениях настоящего изобретения при работе пропускают поток сжатого окислителя от компрессора 11 окислителя к верхней по потоку камере 22 сгорания, но не к нижней по потоку камере 24 сгорания. В других воплощениях настоящего изобретения, таких как показанные на фиг.2-5, при работе пропускают поток сжатого окислителя от компрессора 11 окислителя к верхней по потоку камере 22 сгорания и к нижней по потоку камере 24 сгорания. В воплощениях настоящего изобретения, отличных от предыдущих, при работе пропускают поток сжатого окислителя от компрессора 11 окислителя к нижней по потоку камере 24 сгорания, но не к верхней по потоку камере 22 сгорания. Системы такого типа представлены, например, на фиг.2 и фиг.4, когда клапан 54 окислителя на первом трубопроводе 52 окислителя полностью закрыт (т.е. установлен в такое положение, что через него не может поступать поток от компрессора 11 окислителя).
Источник подачи топлива 20 может содержать два топливных трубопровода, по которым топливо поступает в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания и/или в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания. Как показано, топливный клапан 58 позволяет регулировать количество топлива, поступающего в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания, при этом другой топливный клапан 59 позволяет регулировать количество топлива, поступающего в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания. Следует принимать во внимание, что, хотя это не показано на чертежах, разновидности топлива, поступающего в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания и нижнюю по потоку камеру 24 сгорания, не обязательно должны совпадать, и что использование топлива различных видов может быть выигрышным при определенных системных критериях. В дополнение, как следует из дальнейшего более подробного описания, топливный клапан 58 и топливный клапан 59 можно устанавливать таким образом, чтобы топливо поступало только в одну из камер сгорания 22, 24. Более конкретно, в определенных воплощениях топливный клапан 58 может быть полностью закрыт, и топливо не поступает в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания. В этом случае, как следует из дальнейшего более подробного описания, обе камеры сгорания 22, 24 могут работать на топливе, поступающем в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания. Аналогично, в определенных воплощениях топливный клапан 59 может быть полностью закрыт, и топливо не поступает в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания. В этом случае, как следует из дальнейшего более подробного описания, обе камеры сгорания 22, 24 могут работать на топливе, поступающем в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания. Следует принимать во внимание, что системы, описанные здесь как работающие с клапаном, который полностью закрыт, предполагают включение системных конфигураций, где трубопровод с закрытым клапаном вообще отсутствует.
2
2
Точка 51 отбора является точкой, в которой из рабочей среды отводят газы. В предпочтительных воплощениях точка 51 отбора расположена на рециркуляционной петле 10, таким образом, что диоксид углерода (CO) и/или азот (N) могут быть эффективно отведены. При определенных режимах работы и управления системой системная архитектура настоящего изобретения допускает, чтобы такое отведение произошло в точке, которая, как показано на фиг.1, расположена выше по потоку и от высоконапорной турбины 30, и от верхней по потоку камеры 22 сгорания. Более конкретно, как показано, точка 51 отбора может быть расположена на позиции, которая находится непосредственно выше по потоку относительно того места, где происходит реакция горения в верхней по потоку камере 22 сгорания. Точка 51 отбора может включать стандартное средство отбора, при помощи которого часть газов рабочей среды отводят в трубопровод и таким образом исключают из рециркуляционной петли 10. Для регулирования количества отводимой рабочей среды можно ввести клапан 61 для отведенного газа. Ниже по потоку от клапана 61 для отведенного газа трубопровод может обеспечить подачу 62 отведенного газа к одному или более компонентам ниже по потоку (не показано). В предпочтительных воплощениях подачу 62 отведенного газа можно направить к разделительной системе (не показана), которая отделяет диоксид углерода от азота с помощью стандартных средств. Как указывалось, эти газы после сепарации можно использовать в различных отраслях производства, таких, как, например, производство пищевых продуктов и напитков.
Для обеспечения обхода каждой из турбин 30, 32 можно включить в систему трубопровод 63 обхода турбин, который ответвляется от трубопровода, соединенного с точкой отбора 51. Трубопровод 63 обхода турбин необходим при запуске, и, поскольку он не имеет существенного значения для настоящего изобретения, далее рассматриваться не будет.
В других воплощениях точку 51 отбора можно разместить в различных местах на протяжении рециркуляционной петли 10 на фиг.1. Как следует из дальнейшего более подробного описания (в частности, это касается фиг.5 и фиг.6), архитектура и способы управления, рассмотренные здесь, дают полезное и эффективное средство для обеспечения работы одной из камер сгорания 22, 24 в стехиометрической точке или вблизи от нее, или с предпочтительным стехиометрическим отношением. Так, подачу топлива и окислителя для энергетической установки 9 можно контролировать таким образом, что после того, как окислитель и топливо должным образом смешаны, воспламенены и сожжены внутри одной из камер сгорания 22, 24, получается отработавший газ, не содержащий или по существу не содержащий кислорода и неизрасходованного топлива. В этом случае отработавший газ состоит из высококонцентрированных диоксида углерода и азота, которые можно экономичным образом выделить для использования в других областях. Как пояснялось ранее, «режим работы в стехиометрической точке» или «стехиометрический режим работы» подразумевает работу при, около или внутри приемлемого или желательного диапазона, охватывающего стехиометрическую точку. Следует принимать во внимание, что «стехиометрическая точка» может также подразумевать стехиометрическое отношение, равное 1, что означает соотношение между топливом и окислителем один к одному. Следует также принимать во внимание, что показатели соотношения больше 1 означают содержание избытка кислорода, в то время как показатели меньше 1 означают содержание избытка топлива. Следует принимать во внимание, что в зависимости от ограничений конкретной энергетической установки, желательных свойств отработавшей рабочей среды, а также и других критериев, работа в стехиометрической точке может подразумевать работу в стехиометрическом режиме в диапазоне вблизи от стехиометрической точки или, другими словами, от стехиометрического отношения, равного 1. Соответственно, в определенных воплощениях «стехиометрический режим работы» может означать работу в диапазоне показателей стехиометрических отношений от 0,75 до 1,25. В более предпочтительных воплощениях «стехиометрический режим работы» может означать работу в диапазоне показателей стехиометрических отношений между 0,9 и 1,1. В еще более предпочтительных воплощениях «стехиометрический режим работы» может означать работу в режиме, по существу равном или очень приближенном к стехиометрического отношению 1. Наконец, в других предпочтительных воплощениях «стехиометрический режим работы» может означать работу в диапазоне показателей стехиометрических отношений примерно между 1,0 и 1,1.
Следует принимать во внимание, что если одна из камер сгорания 22, 24 работает в стехиометрической точке (т.е. при стехиометрическом отношении 1 или в пределах одного из заранее определенных диапазонов, описанных выше, или в другом желательном диапазоне), отработавший газ ниже по потоку от камеры сгорания по существу не содержит неизрасходованного топлива и кислорода, и состоит в основном из газообразных диоксида углерода и азота (и/или некоторых других желаемых газовых ингредиентов), которые можно выделить с экономической выгодой. В результате этого, в соответствии с воплощениями настоящего изобретения, точку 51 отбора можно поместить в любой точке рециркуляционной петли 10, удовлетворяющей двум условиям: 1) ниже по потоку от любой из камер 22, 24 сгорания, которая работает в стехиометрической точке, и 2) выше по потоку от другой камеры 22, 24 сгорания. (Следует принять во внимание специалистам в данной области техники, что «выше по потоку от другой камеры сгорания» в данном контексте означает выше по потоку от точки в камере сгорания, в которой окислитель и/или топливо обычно входят в рециркуляционную петлю 10, и поэтому «выше по потоку от другой камеры сгорания» здесь может включать участки, которые можно рассматривать как находящиеся в «другой камере сгорания», но которые также находятся выше по потоку от позиции, где окислитель и/или топливо впрыскивают в поток рабочей среды, такие как, например, определенные участки головного узла камеры сгорания. В конфигурации, подобной той, что показана на фиг.1, если допустить, что топливный вход нижней по потоку камеры 24 сгорания регулируют так, чтобы сгорание произошло (или в основном произошло) в стехиометрической точке, точку 51 отбора может быть расположена в любом месте внутри участка, заданного между нижней по потоку камерой 24 сгорания и, следуя в направлении вниз по потоку, верхней по потоку камерой 22 сгорания. В одном предпочтительном воплощении, как показано на фиг.1, точка отбора может быть расположена внутри участка на выходе рециркуляционного компрессора 12. Следует принять во внимание, что такое расположение обеспечивает отработавший газ с высокой степенью сжатия, что может оказаться выгодным при определенных вариантах использования на выходе потока.
Энергетическая установка 9 может дополнительно включать один или более датчиков 70, которые измеряют рабочие параметры, установки и условия в компонентах и различных трубопроводах системы. Один такой датчик может быть датчиком 64 определения избытка окислителя, таким как, например, стандартный кислородный датчик. Датчик 64 определения избытка окислителя может быть установлен непосредственно выше по потоку перед точкой 51 отбора и может измерять с заданными интервалами содержание кислорода в отработавшем газе или рабочей среде, проходящих по рециркуляционной петле 10. Расположенный таким образом датчик 64 определения избытка окислителя может быть успешно использован для проверки рабочей среды на содержание окислителя и выдавать информацию для определения стехиометрического отношения в камере сгорания, находящейся непосредственно выше по потоку от датчика 64 определения избытка окислителя, а также из его показаний можно определить, обеспечивает ли отвод рабочего тела такой газ, который существенным образом не содержит окислителя и неизрасходованного топлива. Следует понимать, что датчик 64 определения избытка окислителя можно установить на участке рециркуляционной петли 10 между точкой 51 отбора и, следуя выше по потоку, первой по расположению камер 22, 24 сгорания. Следует понимать, что при заданном расположении точки 51 отбора первая из камер сгорания 22, 24, расположенная выше по потоку, - это камера 22, 24, регулируемая для поддержания желательного стехиометрического отношения. В этом отношении датчик 64 определения избытка окислителя можно использовать для определения текущей потребности отбора газа из рециркуляционной петли 10. Из дальнейшего более подробного описания станет ясно, что система может включать другие датчики 70, с помощью которых измеряют множество переменных процесса, которые могут относиться к любому из компонентов системы. Соответственно, на чертежах обозначено множество датчиков 70, расположенных в точках энергетической установки 9, взятых в качестве примера воплощения. Специалисту средней квалификации следует принять во внимание, что стандартные системы обычно включают множество датчиков, отличных от тех, что представлены на нескольких чертежах, а также то, что эти другие датчики могут быть расположены в других точках внутри системы, чем те, что показаны на чертежах. Следует принять во внимание, что эти датчики 70 могут передавать свои показания в электронном виде в блок 65 управления и/или функционировать в соответствии с командами, поступающими к ним от блока 65 управления. Один такой датчик 70, который возможно использовать либо совместно, либо поочередно с датчиком 64 определения избытка окислителя, является датчиком, который определяет наличие неизрасходованного топлива в отработавшем газе. В паре с датчиком 64 определения избытка окислителя, датчик 70 определения неизрасходованного топлива мог бы обеспечить измерения для расчета стехиометрического отношения в верхней по потоку камере 22, 24 сгорания; также с его помощью можно определять текущую потребность отбора рабочей среды. Специалистам в данной области техники следует принять во внимание, что для сбора данных относительно стехиометрических свойств сгорания в камерах сгорания можно использовать и другие датчики. Например, можно использовать датчик СО и датчик влажности.
Энергетическая установка 9 может дополнительно включать блок 65 управления, который функционирует в определенных воплощениях, описанных здесь. Следует принять во внимание, что блок 65 управления может включать встроенное электронное или компьютерное устройство, которое собирает данные от датчиков и других источников о рабочих параметрах установки, настройках и условиях, и, согласно алгоритмам, хранящимся данным, операторским предварительным настройкам и т.п., управляет настройками различных механических и электрических систем энергетической установки 9 таким образом, чтобы достичь желательных режимов. Например, блок 65 управления может так регулировать энергетическую установку 9, чтобы обеспечить работу камер сгорания 22, 24 в стехиометрическом режиме или в режиме с предпочтительным стехиометрическим отношением. Следует принимать во внимание, что управляющий механизм может выполнить эту задачу, находя оптимальное сочетание топлива и окислителя, впрыскиваемых либо в верхнюю 22, либо в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания, а также учитывая любой избыток окислителя или неизрасходованного топлива из другой из двух камер 22, 24, который содержится в рециркулирующей рабочей среде. Когда стехиометрический режим достигнут, блок 65 управления может перейти к управлению клапаном 61 для отведенного газа таким образом, чтобы отбор происходил при заданной скорости и в течение необходимого периода времени, или до тех пор, когда из-за изменившихся условий необходимость отбора отпадет. Посредством электрических сигналов, получаемых от блока 65 управления, которые можно отправлять через проводные или беспроводные средства связи, можно управлять положениями различных клапанов, задающих поток рабочей среды, описанных выше, отводом газов, расходом топлива и т.д.
При эксплуатации энергетическая установка 9 в примере воплощения может работать следующим образом. Вращение лопаток внутри компрессора 11 окислителя сжимает окислитель, который поступает через первый трубопровод 52 окислителя к верхней по потоку камере 22 сгорания. В некоторых воплощениях перед верхней по потоку камерой 22 сгорания можно поставить вспомогательный компрессор 16. Вспомогательный компрессор 16 можно использовать для повышения давления окислителя, получаемого от компрессора 11 окислителя, до необходимого или желательного уровня, чтобы впрыскивать окислитель в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания. Далее, поток сжатого окислителя можно смешать внутри верхней по потоку камеры 22 сгорания с потоком отработавших газов, который поступает в камеру сгорания из рециркуляционного компрессора 12. Следует принимать во внимание, что качественное смешивание двух таких потоков внутри верхней по потоку камеры 22 сгорания может быть выполнено несколькими путями, и что в зависимости от того, каким образом потоки попадают внутрь верхней по потоку камеры 22 сгорания, приемлемый уровень давления для каждого может быть разным. В изобретении описаны способ и системные конфигурации, с помощью которых можно управлять уровнями давления таким образом, что потоки могут быть соединены нужным образом, при этом избежав возможных аэродинамических потерь, обратных потоков и других потенциальных проблем, возможных при эксплуатации.
Соответственно, верхняя по потоку камера 22 сгорания может иметь конфигурацию, позволяющую соединять поток сжатого окислителя из компрессора 11 окислителя с потоком отработавших газов из рециркуляционного компрессора 12 и сжигать в ней топливо, получая при этом поток обладающих большой энергией сжатых газов сгорания. Поток газов сгорания затем направляют по ступеням вращающихся лопаток высоконапорной турбины 30, что вызывает вращение вала 14. Таким образом, энергия газов сгорания переходит в механическую энергию вращения вала 14. Как описывалось, вал 14 может объединять высоконапорную турбину 30 с компрессором 11 окислителя таким образом, что вращение вала 14 вызывает вращение компрессора 11 окислителя. Вал 14 дополнительно может объединять высоконапорную турбину 30 с рециркуляционным компрессором 12 таким образом, что вращение вала 14 вызывает вращение рециркуляционного компрессора 12. Вал 14 также может объединять высоконапорную турбину 30 с генератором 18 таким образом, что он также вызывает вращение генератора. Следует принимать во внимание, что генератор 18 преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую энергию. Разумеется, высоконапорная турбина 30 может приводить в движение и другие типы нагрузок.
Рабочая среда (т.е. отработавшие газы от высоконапорной турбины 30) затем направляют к низконапорной турбине 32. Не доходя до высоконапорной турбины 30, рабочая среда, циркулирующая, как описывалось ранее, по рециркуляционной петле 10, получает дополнительную энергию/тепло от нижней по потоку камеры 24 сгорания. В примере воплощения на фиг.1 нижняя по потоку камера 24 сгорания имеет конфигурацию, позволяющую сжигать топливо в отработавших газах от высоконапорной турбины 30. В альтернативных воплощениях, как показано на фиг.2-6 и как следует из дальнейшего более подробного описания, конфигурация нижней по потоку камеры 24 сгорания позволяет соединить поток сжатого окислителя от компрессора окислителя с потоком отработавших газов от высоконапорной турбины 30 и сжигать в ней топливо, производя поток обладающих большой энергией сжатых газов сгорания. Затем рабочую среду направляют по ступеням вращающихся лопаток низконапорной турбины 32, которая инициирует вращение вала 14, тем самым превращая энергию сгорания газов в механическую энергию вращения вала 14. Как и в случае с высоконапорной турбиной 30, вал 14 может объединять низконапорную турбину 32 с компрессором 11 окислителя, рециркуляционным компрессором 12 и/или генератором 18. В определенных воплощениях высоконапорная турбина 30 и низконапорная турбина 32 могут выполнять функцию движущей силы в виде тандема. В других воплощениях можно использовать концентрические валы таким образом, что высоконапорная турбина 30 является движущей силой для нагрузки на одном из концентрических валов, а низконапорная турбина 32 ведет оставшуюся часть нагрузки на другом. Дополнительно, в других системных конфигурациях высоконапорная турбина 30 и низконапорная турбина 32 могут приводить во вращение отдельные, а не концентрические валы (не показано).
От низконапорной турбины 32 по рециркуляционному трубопроводу 40 может быть сформирован путь потока, который завершает рециркуляционную петлю 10 настоящего изобретения. По этому пути поток отработавших газов в конечном итоге попадает от турбин 30, 32 на вход рециркуляционного компрессора 12. В качестве части этого рециркуляционного трубопровода 40, отработавшие газы может использовать парогенератор-рекуператор 39. Так, отработавшие газы могут обеспечить тепловой ресурс для бойлера, который приводит в движение паровую турбину, получающую пар от парогенератора-рекуператора 39. Ниже от него по потоку отработавшие газы могут быть дополнительно охлаждены посредством охладителя 44, а также их можно пропустить через обдувочный аппарат 46. Охладитель 44 можно использовать для понижения температуры отработавших газов таким образом, что они поступят на вход рециркуляционного компрессора 12 в желательном температурном диапазоне. Обдувочный аппарат 46 может способствовать циркуляции отработавших газов по рециркуляционной петле 10. Следует принимать во внимание, что парогенератор-рекуператор 39, охладитель 44 и обдувочный аппарат 46 могут включать стандартные компоненты и работать согласно стандартным способам.
Относительно вращающихся лопаток функционирования блока 65 управления, следует принимать во внимание, что он может включать встроенное электронное или компьютерное устройство, которое собирает данные о рабочих параметрах установки и условиях и, согласно алгоритмам, хранящимся данным, операторским предварительным настройкам и т.д., управляет параметрами настройки различных механических и электрических систем энергетической установки 9 таким образом, чтобы установить желательные режимы работы - например, обеспечить работу в стехиометрической точке или в режиме, близком к ней. Блок 65 управления может включать управляющие логические схемы, устанавливающие, как должны работать механические и электрические системы энергетической установки 9. Более конкретно, и в соответствии с некоторыми воплощениями изобретения, блок 65 управления обычно включает программируемые логические схемы, которые устанавливают, как следует проверять определенные рабочие параметры/хранящиеся данные/операторские настройки и т.п., и, получив определенные сигналы о проверяемых данных, как следует работать с различными механическими и электрическими системами энергетической установки 9, подобными описанным выше. Блок 65 управления может управлять работой различных системам и устройствам автоматически, в соответствии алгоритмами управляющей логики, или, в определенных случаях, может затребовать вмешательства оператора перед тем, как предпринять действие. Специалисту среднего уровня следует принимать во внимание, что такая система может включать множество датчиков, устройств и приборов, некоторые из них рассмотрены ранее, которые держат под постоянным наблюдением соответствующие рабочие параметры. Эти аппаратные устройства могут передавать данные и информацию блоку 65 управления, и при этом быть объектами управления и регулирования блока 65 управления. Так, следуя стандартным способам и средствам, блок 65 управления может получать/запрашивать данные от систем энергетической установки 9, обрабатывать данные, обращаться к данным из накопителя, сообщаться с операторами энергетической установки 9 и/или управлять различными механическими и электрическими устройствами системы в соответствии с набором команд или логическими схемами технологических процессов, которые, как понятно среднему специалисту, могут быть исполнены как часть программы системы программного обеспечения, по которой работает блок 65 управления и которые могут включать компоненты, относящиеся к воплощениям данного изобретения. Вкратце, блок 65 управления может управлять работой энергетической установки 9 таким образом, что она функционирует в стехиометрической точке и при этом выделяет отработавшие продукты сгорания, по существу не содержащие кислорода и неизрасходованного топлива. Дальше речь пойдет о логических схемах технологических процессов по фиг.7 для настоящего изобретения, по которым система, описанная здесь, работает в стехиометрической точке и выделяет отработавшие газы с желательным составом. Следует принимать во внимание, что эти логические схемы технологических процессов могут быть использованы для этих целей блоком управления.
Фиг.2-6 демонстрируют воплощения настоящего изобретения, включающие альтернативные системные конфигурации. Следует принимать во внимание, что эти конфигурации представляют альтернативные стратегии, касающиеся впрыскивания окислителя от компрессора 11 окислителя в рециркуляционную петлю 10, доставки топлива в системы сгорания и вида отбора отработавших газов. Каждая из этих альтернатив предлагает определенные преимущества, включая способ, которым можно достичь и поддерживать стехиометрический режим работы. Следует понимать, что эти альтернативные решения рассмотрены для примера и не предназначены для обеспечения исчерпывающего описания всех возможных системных конфигураций, которые могут быть выявлены в рамках прилагаемой формулы. Дополнительно, поскольку фиг.2-6 иллюстрируют подачу как топлива, так и окислителя к каждой - верхней и нижней по потоку камерам 22, 24 сгорания, следует принять во внимание, что некоторые воплощения, описанные ниже, функционируют в системах, в которых окислитель подают только к одной из камер 22, 24 сгорания - верхней или нижней и/или в системах, в которых топливо подают только к одной из камер 22, 24 сгорания - верхней или нижней. Примеры любой из этих систем можно получить посредством управления различными клапанами 54, 58, 59, 68, через которые осуществляют подачу окислителя и топлива к камерам сгорания 22, 24.
Фиг.2-4 иллюстрируют воплощения, включающие второй трубопровод 67 окислителя и клапан 68 окислителя, которые вместе могут быть использованы для подачи регулируемого количества сжатого окислителя (подобно тому, как первый трубопровод 52 окислителя выводят из компрессора 11 окислителя) к нижней по потоку камере 24 сгорания. Как показано на фиг.2 и 3, второй трубопровод 67 окислителя может ответвляться от первого трубопровода 52 окислителя; это означает, что сжатый окислитель для каждого трубопровода выходит из одного и того же места - компрессора 11 окислителя. На фиг.2 ответвление выполнено таким образом, что соединение с первым трубопроводом 52 окислителя находится выше по потоку от клапана 54 окислителя и вспомогательного компрессора 16 первого трубопровода 52 окислителя. В этом случае второй трубопровод 67 окислителя обходит вспомогательный компрессор 16. Это может стать полезным при создании потоков с различными уровнями давления внутри первого трубопровода 52 окислителя, в котором давление будет выше, чем внутри второго трубопровода 67 окислителя, благодаря наличию вспомогательного компрессора 16. Поскольку первый трубопровод 52 окислителя подает сжатый окислитель в точку рециркуляционной петли 10 выше по потоку от второго трубопровода 67 окислителя, такая конфигурация позволяет иметь эффективное средство, с помощью которого давление в каждом трубопроводе можно регулировать до такого уровня, что это давление будет достаточным для впрыскивания в разных местах. На фиг.3 разветвление находится ниже по потоку от клапана 54 окислителя первого трубопровода 52 окислителя. Более конкретно, ответвление второго трубопровода 67 окислителя находится между клапаном 54 окислителя первого трубопровода 52 окислителя (который может быть расположен ниже по потоку от вспомогательного компрессора 16, как показано) и камерой сгорания 22.
Как иллюстрирует фиг.4, второй трубопровод 67 окислителя может также быть независимым от первого трубопровода 52 окислителя. Как показано в этом примере, второй трубопровод 67 окислителя может ответвляться от точки отбора в компрессоре 11 окислителя. Точка отбора для второго трубопровода окислителя может быть расположена на одной из ступеней выше по потоку от места, где из первого трубопровода 52 окислителя выходит поток сжатого окислителя; она, например, может быть расположена в выходном патрубке компрессора. Более конкретно, точка отбора может располагаться с целью отбора сжатого окислителя на промежуточной ступени внутри компрессора 11 окислителя. При условии, что первый трубопровод 52 окислителя начинается от выходного патрубка компрессора или по соседству от него, такое расположение приведет к тому, что в первом трубопроводе 52 окислителя поток сжатого окислителя будет иметь более высокое давление, чем поток во втором трубопроводе 67 окислителя. Следует также понимать, что эта конфигурация позволяет иметь разные уровни давления в первом и втором трубопроводах 52, 67 окислителя, не прибегая к использованию вспомогательного компрессора 16. Как и ранее, разность давлений может быть полезной в том плане, что давление сжатого окислителя может соответствовать давлению на участке рециркуляционной петли 10, где он используется.
Фиг.5 и фиг.6 иллюстрируют разные подходы относительно положения точки 51 отбора при условии, что обе камеры сгорания 22, 24 получают сжатый окислитель от компрессора 11 окислителя. Следует принимать во внимание, что задание конфигурации системы с двумя точками, где сжигают окислитель/топливо, дает новые альтернативные варианты для обеспечения работы в стехиометрической точке (отметим, что это, как указывалось, относится к работе в желательном диапазоне поблизости от стехиометрической точки), и, таким образом, разделяет места (как показано на фиг.5 и фиг.6) в которых можно произвести отбор рабочей среды. Как было отмечено, архитектура и способы управления, показанные здесь, обеспечивают эффективное и действенное средство для работы энергетических установок в стехиометрической точке. Подачу топлива и окислителя в энергетическую установку 9 можно регулировать таким образом, что когда кислород (полученный впрыском окислителя) и топливо надлежащим образом смешаны, воспламенены и сожжены, образуется выпускной продукт, в котором по существу не содержатся кислород и неизрасходованное топливо. В результате, в соответствии с воплощениями настоящего изобретения, точку 51 отбора можно поместить в любом месте рециркуляционной петли 10, где имеется выпускной продукт, полученный в режиме работы в стехиометрической точке. Из описания конфигурации, показанной на фиг.1, это в целом означает, что точку отбора можно помесить в любом месте рециркуляционной петли 10, отвечающем двум условиям: 1) ниже по потоку от камеры 22, 24 сгорания, которая работает в стехиометрической точке; и 2) выше по потоку от другой камеры 22, 24 сгорания. Следует принимать во внимание, что при соблюдении этих условий можно установить более одной точки отбора, и такая конструкция может быть полезной там, где для разных целей использования отработавшего газа нужны разные уровни давления.
Фиг.5 иллюстрирует пример конфигурации с точкой 51 отбора, расположенной возле задней части высоконапорной турбины 30. Следует принимать во внимание, что эффективность точки отбора 51 может проявиться, когда верхняя по потоку камера 22 сгорания работает в стехиометрической точке. При соблюдении вышеприведенных условий и режима работы, возможное положение точки 51 отбора образует диапазон между верхней по потоку камерой 22 сгорания и, следуя в направлении вниз по потоку, нижней по потоку камерой 24 сгорания. Так, согласно воплощениям настоящего изобретения, энергетической установкой 9 можно управлять таким образом, что от совместного действия поступления окислителя и топлива в камеры 22, 24 сгорания происходит сгорание в верхней по потоку камере 22 сгорания при предпочтительном стехиометрическом отношении, в результате чего получают ряд позиций ниже по потоку от верхней по потоку камеры 22 сгорания, где можно произвести отбор рабочей среды с желательными параметрами.
Фиг.6 иллюстрирует пример конфигурации с точкой 51 отбора, расположенной непосредственно выше по потоку от парогенератора-рекуператора 39. Следует принимать во внимание, что эффективность точки отбора 51 может проявиться, когда нижняя по потоку камера 24 сгорания работает в стехиометрической точке. При соблюдении вышеприведенных условий и режима работы, возможное положение точки 51 отбора образует диапазон между нижней по потоку камерой 24 сгорания и, следуя в направлении вниз по потоку, верхней по потоку камерой 22 сгорания. Так, согласно воплощениям настоящего изобретения, энергетической установкой 9 можно управлять таким образом, что от совместного действия поступления окислителя и топлива в камеры 22, 24 сгорания происходит сгорание в верхней по потоку камере 22 сгорания при предпочтительном стехиометрическом отношении, в результате чего создается ряд позиций ниже по потоку от нижней по потоку камеры 24 сгорания, где можно произвести отбор рабочей среды с желательными параметрами.
Фиг.7 иллюстрирует логическую блок-схему 100 технологического процесса для способа эксплуатации энергетической установки 9 в соответствии с примером воплощения настоящего изобретения. Как следует принимать во внимание специалисту средней квалификации, логическая блок-схема 100 дана в качестве примера воплощения и включает операции, которые могут не быть включенными в прилагаемую формулу изобретения. Далее, любая функция, описанная выше применительно к нескольким компонентам системы, введена в дальнейшее рассмотрение там, где это необходимо или возможно, для содействия осуществлению конкретных операций. Логическая блок-схема 100 может быть реализована и выполняться блоком 65 управления. В некоторых воплощениях блок 65 управления может содержать любое подходящее полупроводниковое переключательное устройство высокой мощности. Блок 65 управления может быть компьютером; однако это чисто демонстрационный пример соответствующей высокомощной системы управления в рамках настоящей заявки. В определенных воплощениях блок 65 управления может быть выполнен как отдельная специализированная интегральная схема, такая, как ASIC, имеющая блок главного, или центрального процессора для общего управления на системном уровне, и отдельные части, предназначенные для выполнения многочисленных различных конкретных комбинаций, функций и других операций под управлением блока центрального процессора. Как следует принимать во внимание специалистам в данной области техники, блок управления также может быть выполнен с применением разнообразных отдельных специализированных или программируемых интегральных или других электронных схем или устройств, таких как жестко смонтированные электронные или логические схемы, включая схемы с навесными элементами или программируемые логические устройства. Блок 65 управления также может быть выполнен с применением соответствующим образом запрограммированного универсального компьютера, такого как микропроцессор или микроконтроллер, или другого процессорного устройства, такого как CPU (ЦП) или MPU (блок микропроцессора), либо отдельно, либо вместе с одним или более периферийных устройств обработки данных и сигналов. В целом, любое устройство или подобные устройства, в которых конечный автомат способен реализовать логическую блок-схему 100, можно использовать в качестве блока 65 управления.
Следует понимать, что в одном возможном воплощении блок управления 65 может включать газотурбинную систему управления SPEEDTRONIC™ компании Дженерал Электрик, такую как описана в Rowen, W.I., "SPEEDTRONIC™ Mark V Gas Turbine Control System", GE-3658D, опубл. GE Industrial & Power Systems of Schenectady, N.Y. (Промышленные и силовые системы Скенектади компании Дженерал Электрик, Нью-Йорк). Блок 65 управления может быть компьютерной системой, имеющей процессор(ы), выполняющий программы управления работой газовой турбины, используя входные сигналы от датчиков и команды от человека-оператора. Программы, выполняемые блоком 65 управления, могут включать управляющие алгоритмы для регулирования компонентов энергетической установки 9. Команды блока 65 управления могу активировать приводные механизмы любого из компонентов, чтобы, например, отрегулировать клапаны между подачей топлива и камерами 22, 24 сгорания, которые регулируют поток и состав топлива, входные направляющие лопатки компрессоров 11, 12 и другие управляемые установки турбин 30, 32. Дополнительно, блок 65 управления может регулировать энергетическую установку 9 частично на основе алгоритмов, хранящихся в памяти компьютера блока 65 управления. По этим алгоритмам блок 65 управления может, например, поддерживать уровень выпускного продукта в определенных заранее заданных пределах, поддерживать температуру горения в камере сгорания в заранее заданных пределах или другой параметр, требующий поддержания в заранее заданном диапазоне.
Возвращаясь к фиг.7, специалисту средней квалификации следует принимать во внимание, что в целом логическая блок-схема 100 иллюстрирует пример, как можно задействовать петлю обратной связи для обеспечения итерационного процесса управления стехиометрией в одной из камер сгорания и/или уровнем отбора выпускного продукта с желательными параметрами. Следует принимать во внимание, что некоторые операции такого процесса можно описать многими различными путями, не отклоняясь от основной идеи рассматриваемого здесь процесса. Описанные здесь способы управления могут быть внедрены посредством петли обратной связи, которую используют в совокупности с алгоритмами управления, такими, как алгоритм ПИД-регулирования, хотя также можно применять также другие алгоритмы управления.
Логическая блок-схема 100 может иметь начало с операции 102, который включает мониторинг и измерение рабочих условий и переменных процесса (которые будут называться общим словом «переменные процесса») энергетической установки 9. Переменные процесса в данном контексте представляют текущее состояние системы или процесса, находящихся под управлением. При таком задании переменные процесса могут включать любой рабочий параметр, который можно измерить любым типом датчика. Более конкретно, в операции 102 блок 65 управления согласно любому из способов, рассмотренных выше, или любой стандартной системе, (либо существующей, либо разработанной в будущем), может получать, держать под наблюдением и фиксировать данные, относящиеся к работе энергетической установки 9. Работу энергетической установки 9 и нескольких компонентов, относящихся к ней, могут контролировать несколько датчиков 70, отслеживающих различные параметры системы и окружения. Например, одна или более следующих переменных процесса могут находиться под мониторингом датчиков 70: температурные датчики могут осуществлять мониторинг температуры внешнего окружения энергетической установки 9, температуру на входе и выходе компрессоров 11, 12, температуру выпускного продукта и другие температурные измерения на пути горячего газа из турбин 30, 32; датчики давления могут осуществлять мониторинг внешнего давления окружающей среды и уровней статического и динамического давления на входе и выходе компрессоров 11, 12 и выпускного продукта из турбин 30, 32, как и в других местах газового потока. Датчики 70 могут дополнительно измерять уровень отбора в точке 51 отбора, подачу топлива к каждой из камер 22, 24 сгорания, состав газа в рециркулированном отработавшем газе или рабочей среде (можно задействовать датчик 64 определения избытка окислителя наряду с другими датчиками, которые измеряют уровни неизрасходованного топлива, или СО, или других газов в отработавшем газе), температуру и давление рециркулированного отработавшего газа в рециркуляционном трубопроводе 40, включая параметры, относящиеся к работе парогенератора-рекуператора 39, охладителя 44 и обдувочного аппарата 46. Датчики 70 могут также включать в себя датчики потока, датчики скорости, датчики воспламенения, датчики положения клапанов, датчики угла направляющей лопатки и подобные измерительные устройства, способные воспринимать различные параметры, относящиеся к работе энергетической установки 9, которые могут включать параметры потока окислителя в первом трубопроводе 52 окислителя и втором 67 трубопроводе окислителя. Следует принимать во внимание, что система может дополнительно хранить и проводить мониторинг определенных «особых установок», которые включают заданные оператором предварительные установки, относящиеся к предпочтительным или эффективным режимам работы. Дополнительно следует понимать, что измерение, мониторинг, хранение и/или запись переменных процесса и/или особых установок может происходить непрерывно или с регулярными интервалами, и что обновленная или текущая информация может быть использована в любом из нескольких операций логической блок-схемы 100 независимо от того, есть ли на фиг.7 прямая линия, соединяющая операцию 102 с другими операциями. От операции 102 процесс можно продолжить, перейдя к операции 104.
В операции 104 по данному способу можно определить, работает ли фактически какая-либо из камер сгорания 22, 24 в соответствии с конфигурацией с предпочтительным стехиометрическим отношением (что может включать ряд приемлемых стехиометрических отношений). Следует принимать во внимание, что это можно реализовать путем сравнения измеренных переменных процесса, расчета текущих параметров и сравнения текущих параметров с заданными уставками. Если определено, что текущий режим работы именно этот, можно перейти к операции 106 блок-схемы. Если определено, что этот режим работы не действует в текущий момент, можно перейти к операции 114 блок-схемы.
Следует принимать во внимание, что определение, работает ли соответствующая камера сгорания 22, 24 с предпочтительным стехиометрическим отношением, может быть проведено несколькими путями, и что после этого определения можно использовать цепь обратной связи с одним или более управляющих входов воздействий для управления системой в этом предпочтительном режиме или задать системе такой режим работы. Один способ может состоять в выявлении или измерении состава отработавших газов, выпускаемых соответствующей камерой сгорания. При этом возможно подключение датчиков 70, таких, как датчик 64 определения избытка окислителя, который измеряет газы, присутствующие в отработавшем (выпускном) продукте, и/или другие соответствующие параметры. Следует понимать, что можно также использовать датчик 70, определяющий присутствие неизрасходованного топлива или СО или других газов в потоке отработавших газов. Измерение параметров входящих потоков (т.е. окислителя и топлива) одной из камер сгорания также можно производить для определения, происходит ли сгорание в соответствующей камере сгорания в режиме с предпочтительным стехиометрическим отношением. В этом случае, например, может быть измерен поток окислителя в камеру сгорания, поток топлива в камеру сгорания, а также можно определить стехиометрические параметры сгорания в камере сгорания при данных поступающих на вход компонентах. Можно также учесть другие подходящие рабочие параметры (такие, как температура, давление и пр.). Альтернативно или в совокупности с этим расчетом, можно измерить неизрасходованное топливо или СО или другие газы и/или кислород ниже по потоку от камер сгорания или в других точках внутри циркуляционного потока рабочей среды. На основе этого можно выполнить расчет стехиометрического баланса сгорания, который затем можно сравнить с заданной уставкой или предпочтительным стехиометрическим отношением, чтобы определить, попадает ли он в заданный диапазон.
В операции 106, когда уже определено, что одна из камер сгорания работает в желаемом стехиометрическом диапазоне, логическая блок-схема 100 предусматривает определение текущего уровня отбора в точке 51 отбора. Это можно сделать посредством проверки замеренных переменных процесса, которые либо непосредственно указывают этот уровень потока, либо их можно использовать для расчета количества газа, отбор которого производят. Способ позволяет далее проверить, удовлетворяет ли текущий уровень отбора желаемому уровню отбора или заданной уставке. Это можно осуществить сравнением действительного уровня отбора (который можно измерить) с уставками или предпочтительными значениями, определяемыми оператором. Если установлено, что желаемый уровень отбора соблюден, можно завершить цикл и вернуться к операции 102, где процесс начнется заново. Если установлено, что желаемый уровень отбора не соблюден, можно перейти к операции 108, чтобы продолжить процесс.
В операции 108 способ предусматривает определение одного или более «управляющих входов воздействия», которые можно использовать для воздействия на функции компонентов системы таким образом, чтобы достичь желательного уровня отбора или по меньшей мере достичь уровня отбора, который сокращает разницу между действительным уровнем отбора и желательным уровнем отбора. Следует понимать, что «управляющий вход воздействия» - это один из многих путей, с помощью которых можно управлять или воздействовать на работу энергетической установки 9 или любых ее компонентов. Это, например, может быть регулирование уровня подачи топлива в камеры 22, 24 сгорания, управление потоком окислителя к камерам 22, 24 сгорания, установка угла входных направляющих лопаток в компрессорах 11, 12 и т.д. При этом «величина приведения» является значением, к которому надо привести управляющий вход, чтобы прийти к желательному режиму работы. Величина приведения, например, может включать значение, до которого необходимо увеличить или уменьшить поток топлива в камеры 22, 24 сгорания, чтобы осуществить переход в желательный режим работы. В некоторых воплощениях установку одного из управляющих входов воздействия, который особенно уместен в операции 108, может обеспечить клапан 61 для отведенного газа. В этом случае величиной приведения будет положение, в которое необходимо привести клапан 61, чтобы достичь желаемого уровня отбора. Процесс можно затем продолжить, перейдя к операции 110. Следует принимать во внимание, что для обеспечения описанного здесь управления можно использовать обычный механизм управления посредством обратной связи в совокупности с ПИД-контроллером или подобным устройством. Так, итерационный процесс изменений по одному или более входам управления может привести систему в желательный режим работы.
В операции 110 процесса, в некоторых воплощениях, можно определить возможные воздействия на работу установки каждого из доступных управляющих входов воздействия/величин приведения из операции 108 перед тем, как реально изменить состояние управляющего входа воздействия. Следует понимать, что эти виды расчетов могут быть проделаны с помощью стандартных управляющих программ для энергетических установок и программных средств моделирования, таких как системы и способы, упомянутые здесь, и других, им подобных. Следует также понимать, что эти расчеты могут включать итерационный процесс, в котором используются эффективные меры управления/меры противодействия, которые могут быть предприняты в ответ на предлагаемую величину приведения соответствующего управляющего входа воздействия, экономические соображения, износ и повреждение энергетической установки, предпочтения оператора, ограничения по работе установки и т.д. Затем процесс может перейти к операции 112.
В операции 112 процесса 100 можно определить, какой из доступных управляющих входов воздействия/величин приведения из предыдущей операции является наиболее благоприятным или предпочтительным. Такое определение в значительной степени может базироваться на воздействиях на работу системы, которые были просчитаны в операции 110. Затем, для любого управляющего входного воздействия/величины приведения, которое сочтено наиболее благоприятным, процесс позволяет определить, следует ли выполнять предполагаемое управляющее воздействие/ величину приведения, в зависимости от того, перевешивают ли сопутствующие преимущества достижения режима работы в стехиометрической точке затраты, связанные с выполнением величины приведения. Следует принимать во внимание, что в это определение могут быть включены экономические соображения и предпочтения оператора. На основе этих расчетов процесс затем может перейти или не переходить к выполнению предложенного воздействия на управляющем входе/величины приведения. Процесс затем можно повернуть обратно к операции 102 и началу итерационного процесса, ведущего к достижению предпочтительного уровня отбора.
Как описано выше, если в операции 104 определено, что соответствующая камера сгорания не работает в стехиометрической точке, процесс может перейти к операции 114. В операции 114 процесса можно определить один или более управляющих входов воздействия/величин приведения, которые доступны для достижения режима работы соответствующей камеры сгорания в стехиометрической точке. Как и ранее, управляющие входы воздействий включают места, в которых работу энергетической установки 9 можно изменить, оказать на нее воздействие или управлять ее работой, и величина приведения является значением, к которому необходимо привести управляющий вход воздействия (управляющее воздействие), чтобы прийти к желательному режиму работы. Процесс далее может перейти к операции 116.
В операции 116 процесса можно определить возможные воздействия на работу установки каждого из доступных управляющих воздействий/величин приведения из операции 114. Следует принимать во внимание, что эти виды расчетов могут быть проделаны с помощью стандартных управляющих программ для энергетических установок и программных средств моделирования, таких как системы и способы, упомянутые здесь, и других, им подобных. Следует далее принимать во внимание, что эти расчеты могут включать итерационный процесс, в котором используют эффективные меры управления / меры противодействия, которые могут быть предприняты в ответ на предлагаемую величину приведения соответствующего управляющего входа, экономические соображения, износ и повреждение энергетической установки, предпочтения оператора, ограничения по работе установки и т.д. Затем процесс может перейти к операции 118
Эксплуатационные ограничения установки могут включать любой предписанный предел, который необходимо соблюдать, чтобы осуществлять эффективную работу и/или избежать излишнего износа и повреждений или более серьезного ущерба для системы. Например, эксплуатационные ограничения могут включать максимально допустимые температуры внутри турбин 30, 32 или компонентов камер сгорания. Следует принимать во внимание, что превышение этих температур может вызвать разрушение турбинных компонентов или привести к увеличению уровня токсичности выбросов. Другое эксплуатационное ограничение включает максимальную степень сжатия компрессора для каждого компрессора 11 окислителя и рециркуляционного компрессора 12. Превышение этого ограничения может вызвать помпаж компрессора, что может привести к значительным повреждениям компонентов. Далее, турбина может иметь максимальное число Маха, которое обозначает максимальную скорость потока сжатых газов на выходе турбины. Превышение этой максимальной скорости потока может привести к повреждению компонентов турбины. Заданная возможная конфигурация камер сгорания в энергетической установке 9, относительные давления потоков, поступающих от каждого из компрессоров 11, 12 в камеры сгорания 22, 24 могут являться другим эксплуатационным ограничением. Так, в зависимости от конфигурации камер сгорания 22, 24 и формы соединения потоков, давление сжатого окислителя, поступающего из компрессора 11 окислителя, должно быть в пределах определенного диапазона давления, обеспечиваемого рециркуляционным компрессором 12, во избежание аэродинамических потерь, обратного потока и других потенциальных проблем.
В операции 118 процесса можно определить, какое из доступных управляющих воздействий/величин приведения из предыдущей операции является наиболее благоприятным или предпочтительным. Такое определение в значительной степени может базироваться на воздействиях на работу системы, которые были рассчитаны в операции 116, равным образом как и на значении, до которого может довести управляющее воздействие/величина приведения систему энергетической установки по направлению к заданному режиму работы. Затем, независимо от того, какое управляющее воздействие/ величина приведения сочтено наиболее благоприятным, процесс позволяет определить, следует ли выполнять предполагаемое управляющее воздействие/ величину приведения, в зависимости от того, перевешивают ли сопутствующие преимущества достижения режима работы в стехиометрической точке (которые могут включать преимущества возможности отбора рабочей среды) затраты, связанные с реализацией величины приведения. Следует принимать во внимание, что в это определение могут быть включены экономические соображения и предпочтения оператора. На основе этих расчетов процесс затем может перейти или не переходить к выполнению предполагаемого управляющего воздействия/величины приведения. Процесс затем можно повернуть обратно к операции 104 и началу итерационного процесса, ведущего в итоге к достижению режима работы в стехиометрической точке или к определению его невозможности, исходя из некоторых эксплуатационных ограничений.
Следует принимать во внимание, что есть много возможных управляющих воздействий/величин приведения, которые влияют на стехиометрическое отношение в камерах 22, 24 сгорания. В предпочтительных воплощениях одно такое управляющее воздействие включает регулируемое изменение количества сжатого окислителя, поступающего в камеры 22, 24 сгорания. Следует понимать, что регулируемое изменение подачи сжатого окислителя может оказать существенное влияние на стехиометрическое отношение в камерах сгорания 22, 24. Например, если датчики показывают, что при заданном поступлении топлива в камеру сгорания для достижения стехиометрического сгорания требуется больше сжатого окислителя (т.е. кислорода), подача сжатого окислителя может быть увеличена путем регулирования входных направляющих лопаток компрессора 11 окислителя и/или изменения положения регулятора клапана для клапанов 54, 68 таким образом, чтобы по трубопроводу 52, 67, соединенному с камерой сгорания, могло проходить большее количество сжатого окислителя. С другой стороны, изменение подачи топлива является еще одним управляющим воздействием, которое можно использовать для достижения режима работы с предпочтительным стехиометрическим отношением. В этом случае, например, датчики 70 могут показывать, что при заданном количестве поступающего в камеру сгорания сжатого окислителя для достижения режима работы в стехиометрической точке требуется больше топлива. Количество топлива, поступающего в одну или обе камеры сгорания 22, 24, может быть увеличено путем регулирования одного или обоих топливных клапанов 58, 59. Дополнительно следует принимать во внимание, что сгоранием в стехиометрической точке для одной камеры можно управлять путем изменения параметров, непосредственно относящихся к другой камере сгорания. Это объясняется тем, что измененные установки в одной камере сгорания могут создать избыток окислителя или неизрасходованное топливо в рециркуляционной петле 10, которые будут полностью израсходованы в другой камере сгорания, тем самым повлияв на стехиометрическое отношение в ней.
В одном примере режима управления поступление топлива/окислителя в энергетическую установку 9 может происходить с избытком окислителя (т.е. иметь стехиометрическое отношение больше 1) независимо от того, в какой камере сгорания 22, 24 предусмотрена работа в стехиометрической точке. Тогда процесс управления может обеспечить уменьшение избытка окислителя малыми дискретными порциями внутри соответствующей камеры 22, 24 сгорания (либо увеличение потока топлива к камере сгорания, либо уменьшение подачи окислителя) при мониторинге стехиометрического отношения в ней путем измерения соответствующей переменной процесса. В некоторых воплощениях это может продолжаться, пока стехиометрическое отношение не войдет в предпочтительный диапазон, при этом будучи слегка выше 1 (т.е. все еще с избытком окислителя). Это может быть обеспечено медленным увеличением потока окислителя, уменьшением потока топлива, или и тем, и другим, к одной из камер 22, 24 сгорания во время мониторинга в ней стехиометрического отношения. Это можно также реализовать косвенно, медленно увеличивая поток окислителя, уменьшая поток топлива, или осуществляя и то, и другое для другой камеры 22, 24 сгорания, так что избыток топлива или окислителя становится частью рабочей среды и попадает в соответствующую камеру сгорания.
Фиг.8 и фиг.9 представляют схемы, иллюстрирующие альтернативные конфигурации примеров энергетической установки согласно настоящей заявке. Как показано, эти энергетические установки также включают рециркуляцию отработавшего газа и систему дожигания, подобную описанным выше. Однако энергетические установки на фиг.8 и 9 имеют два места на рециркуляционной петле, откуда можно производить отбор. Следует принимать во внимание, что описание компонентов, конфигурации системы и способы управления, рассмотренные выше, применимы к энергетическим установкам фиг.8 и 9 (так же, как некоторые из функциональных средств, которые будут описаны ниже, можно применить к компонентам, системной конфигурации и способам управления, рассмотренным выше); однако возможность двойного отбора обеспечивает новое применение, расширяющее функциональные возможности, которые могут быть успешно и с экономической выгодой применены в определенных условиях эксплуатации. Как и ранее, энергетическая установка 9 может включать рециркуляционную петлю 10, по которой рециркулирует рабочая среда. Рециркуляционная петля 10 может включать некоторое количество компонентов, конфигурация которых позволяет принимать поток рабочей среды от соседнего компонента, находящегося выше по потоку, и обеспечивать поток рабочей среды на вход нижнего по потоку соседнего компонента. Компоненты рециркуляционной петли 10 могут включать: рециркуляционный компрессор 12; верхнюю по потоку камеру 22 сгорания, расположенную ниже по потоку от рециркуляционного компрессора 12; высоконапорную турбину 30, расположенную ниже по потоку от верхней по потоку камеры 22 сгорания; нижнюю по потоку камера 24 сгорания, расположенную ниже по потоку от высоконапорной турбины 30; низконапорную турбину 32, расположенную ниже по потоку от нижней по потоку камеры 24 сгорания; и рециркуляционный трубопровод 40 с конфигурацией, позволяющей замкнуть петлю, направив поток рабочей среды от низконапорной турбины 32 к рециркуляционному компрессору 12. Как было более подробно описано ранее по отношению к другим энергетическим установкам 9, показанным на нескольких чертежах, энергетическая установка 9 на фиг.8 и фиг.9 может дополнительно включать системы и компоненты, которые управляют верхней и нижней по потоку камерами сгорания и подают туда нужное количество сжатого окислителя. Как было более подробно описано ранее по отношению к другим примерам энергетических установок 9, энергетическая установка 9 на фиг.8 и фиг.9 может дополнительно включать системы и компоненты, которые управляют верхней 22 и нижней 24 по потоку камерами сгорания и подают туда нужное количество топлива. Энергетическая установка 9, как показано, может дополнительно включать системы и компоненты, которые производят отбор отработавшей рабочей среды из верхней по потоку камеры 22 сгорания в первой точке 75 отбора, и системы и компоненты, которые производят отбор отработавшей рабочей среды из нижней по потоку камеры 24 сгорания во второй точке 76 отбора. Энергетическая установка 9, как иллюстрируют фиг.8 и фиг.9 и как дополнительно было показано ранее, может включать системы и компоненты для управления работой таким образом, чтобы каждая из камер сгорания, верхняя 22 по потоку и нижняя 24 по потоку, периодически работали в режиме с предпочтительным стехиометрическим отношением, а также средства для селективного отбора рабочей среды из первой точки 75 отбора и второй точки 76 отбора в зависимости от того, которая из верхней 22 и нижней 24 по потоку камер сгорания работает в режиме с предпочтительным стехиометрическим отношением.
В некоторых воплощениях первая точка 75 отбора может включать первый управляемый клапан 61 для отведенного газа для управления количеством газа, отбор которого происходит в данном месте. Первая точка 75 отбора может располагаться на рециркуляционной петле 10 между верхней по потоку камерой 22 сгорания и, направляясь вниз по потоку, нижней по потоку камерой 24 сгорания. Как иллюстрируют фиг.8 и фиг.9, один пример расположения первой точки 75 отбора - это задняя часть высоконапорной турбины 30. Первый управляемый клапан 61 для отведенного газа может иметь по меньшей мере два положения, которыми можно управлять: закрытое положение, когда отбор рабочей среды невозможен, и открытое положение, когда отбор рабочей среды возможен. Подобным образом вторая точка 76 отбора может включать второй управляемый клапан 61 для отведенного газа для управления количеством газа, отбор которого происходит в данном месте. Вторая точка 76 отбора может быть расположена на рециркуляционной петле 10 между нижней по потоку камерой 24 сгорания и, направляясь вниз по потоку, верхней по потоку камерой 22 сгорания. Как иллюстрирует фиг.8, один пример расположения второй точки 76 отбора - это задняя часть низконапорной турбины 32. Как иллюстрирует фиг.9, другой пример расположения второй точки 76 отбора - на рециркуляционном трубопроводе 40 между охладителем 44 и обдувочным аппаратом 46. В зависимости от требуемых свойств отработавших газов, возможны другие места расположения. Второй управляемый клапан 61 для отведенного газа может иметь по меньшей мере два положения, которыми можно управлять: закрытое положение, когда отбор рабочей среды невозможен, и открытое положение, когда отбор рабочей среды возможен.
В некоторых воплощениях системы и компоненты для управления количеством сжатого окислителя, поступающего в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания, могут включать компрессор 11 окислителя, первый трубопровод 52 окислителя, который выполнен с возможностью подачи сжатого окислителя, полученного от компрессора 11 окислителя, в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания, и первый управляемый клапан 54 окислителя, находящийся на пути первого трубопровода 52 окислителя, которым можно управлять по меньшей мере в трех положениях: закрытом положении, когда поступление сжатого окислителя в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания невозможно, и двух открытых положениях, когда возможно поступление в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания разных количеств сжатого окислителя. В некоторых воплощениях системы и компоненты для управления количеством сжатого окислителя, поступающего в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания, могут включать компрессор 11 окислителя, второй трубопровод 67 окислителя, который выполнен с возможностью направлять сжатый окислитель, полученный от компрессора 11 окислителя, в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания, и второй управляемый клапан 68 окислителя, находящийся на пути второго трубопровода 67 окислителя, которым можно управлять по меньшей мере в трех положениях: закрытом положении, когда поступление сжатого окислителя в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания невозможно, и двух открытых положениях, когда возможно поступление в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания разных количеств сжатого окислителя. В некоторых воплощениях в эти системы и компоненты может быть включен вспомогательный компрессор 16, расположенный по меньшей мере на одном из трубопроводов окислителя: первом трубопроводе 52 или втором трубопроводе 67 (пример которого показан на фиг.6). Вспомогательный компрессор 16 может быть выполнен таким образом, чтобы повышать давление сжатого окислителя, протекающего по меньшей мере через один из трубопроводов: первого 52 и второго 67 трубопроводов окислителя, так что количество сжатого окислителя, поступающего по меньшей мере в одну из камер сгорания, верхней по потоку 22 и нижней по потоку 24, характеризуется уровнем давления, соответствующего предпочтительному давлению впрыска для камеры 22 сгорания и камеры 24 сгорания, независимо от того, нижняя или верхняя это по потоку камера. В некоторых воплощениях в верхнем по потоку конце первый трубопровод 52 окислителя может включать первый пункт 81 отбора окислителя, в котором сжатый окислитель отводят из компрессора 11 окислителя. В верхнем по потоку конце второй трубопровод 67 окислителя может включать второй пункт 83 отбора окислителя, в котором сжатый окислитель отбирают из компрессора 11 окислителя. Внутри компрессора 11 окислителя первый пункт 81 отбора окислителя может занимать позицию ниже по потоку относительно второго пункта 83 отбора окислителя. Первый пункт 81 отбора окислителя может занимать заранее определенную позицию внутри компрессора 11 окислителя, которая соответствует предпочтительному давлению впрыска для верхней по потоку камеры 22 сгорания. Второй пункт 83 отбора окислителя может занимать заранее определенную позицию внутри компрессора 11 окислителя, которая соответствует предпочтительному давлению впрыска для нижней по потоку камеры 24 сгорания.
В некоторых воплощениях системы и компоненты для управления количеством топлива, поступающего в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания, могут включать источник топлива 78 для верхней по потоку камеры сгорания, который может включать управляемый топливный клапан для верхней по потоку камеры сгорания, или первый управляемый топливный клапан 58. Первый управляемый топливный клапан 58 можно регулировать по меньшей мере к трем положениям: закрытому положению, когда поступление топлива в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания невозможно, и двум открытым положениям, когда возможно поступление в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания разных количеств топлива. Системы и компоненты для управления количеством топлива, поступающего в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания, могут включать источник топлива 79 для нижней по потоку камеры сгорания, который может включать управляемый топливный клапан для нижней по потоку камеры сгорания, или второй управляемый топливный клапан 59. Второй управляемый топливный клапан 59 можно регулировать по меньшей мере к трем положениям: закрытому положению, когда поступление топлива в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания невозможно, и двум открытым положениям, когда возможно поступление в нижнюю по потоку камеру 24 сгорания разных количеств топлива. В некоторых воплощениях, как показано на фиг.8, источник топлива 78 для верхней по потоку камеры сгорания и источник топлива 79 для нижней по потоку камеры сгорания могут иметь общий источник и, таким образом, общий тип топлива. В других воплощениях, как показано на фиг.9, источник топлива 78 для верхней по потоку камеры сгорания и источник топлива 79 для нижней по потоку камеры сгорания могут иметь разные источники топлива разных типов.
Как ранее описывалось более подробно, энергетическая установка 9 на фиг.8 и фиг.9 может включать системы и компоненты для управления энергетической установкой 9, обеспечивающие периодическую работу каждой из камер сгорания - верхней по потоку 22 и нижней по потоку 24 - в режиме с предпочтительным стехиометрическим отношением. Некоторые воплощения включают компьютеризированный блок 65 управления, выполненный с возможностью управления заданием положений первого и второго управляемых клапанов 54 окислителя и первого и второго управляемых топливных клапанов 58, 59.
Как ранее описывалось более подробно, в некоторых воплощениях энергетическая установка 9 на фиг.8 и фиг.9 может включать системы и компоненты для определения текущего стехиометрического отношения, при котором работают верхняя по потоку камера 22 сгорания и нижняя по потоку камера 24 сгорания. В некоторых примерах воплощения системы и компоненты для определения текущего стехиометрического отношения, при котором работают верхняя по потоку камера 22 сгорания и нижняя по потоку камера 24 сгорания, включают: системы и компоненты для измерения количества сжатого окислителя, подаваемого в верхнюю по потоку камеру 22 сгорания и нижнюю по потоку камеру 24 сгорания, и системы и компоненты для измерения количества топлива, подаваемого в верхнюю и нижнюю по потоку камеры 22, 24 сгорания; и системы и компоненты для вычисления текущего стехиометрического отношения, при котором работают каждая из камер сгорания - верхняя по потоку 22 и нижняя по потоку 24, при том, что в каждую подают замеренное количество окислителя и замеренное количество топлива. В некоторых примерах воплощения системы и компоненты для определения стехиометрического отношения, при котором работают верхняя по потоку камера 22 сгорания и нижняя по потоку камера 24 сгорания, включают: первый проверочный компонент для диагностирования рабочей среды от верхней по потоку камеры 22 сгорания, и второй проверочный компонент для диагностирования рабочей среды от нижней по потоку камеры 24 сгорания. Первый проверочный компонент и второй проверочный компонент каждый могут включать один из датчиков: датчик для определения избытка окислителя или датчик для определения неизрасходованного топлива. Можно также использовать один или более датчиков СО и один или более датчиков влажности, как следует принимать во внимание специалисту средней квалификации. Местоположение первой проверки может включать положение в диапазоне позиций на рециркуляционной петле 10. Диапазон позиций может быть задан между первой точкой отбора 75 и, следуя направлению вверх по потоку, верхней по потоку камерой 22 сгорания. Местоположение второй проверки может включать положение в диапазоне позиций на рециркуляционной петле 10. Диапазон позиций может быть задан между второй точкой отбора 76 и, следуя направлению вверх по потоку, нижней по потоку камерой 24 сгорания.
В некоторых воплощениях системы и компоненты для селективного отбора из первой точки 75 отбора и второй точки 76 отбора (выбор точки отбора обусловлен тем, какая из камер сгорания - верхняя по потоку 22 или нижняя по потоку 24 - работает при предпочтительном стехиометрическом отношении) включают компьютеризированный блок 65 управления. В одном предпочтительном воплощении блок 65 управления выполнен с возможностью отбора рабочей среды из первой точки 75 отбора во время периодов, когда верхняя по потоку камера 22 сгорания работает при предпочтительном стехиометрическом отношении; и отбора рабочей среды из второй точки 76 отбора во время периодов, когда нижняя по потоку камера 24 сгорания работает при предпочтительном стехиометрическом отношении.
Как указано здесь, работа энергетической установки на фиг.8 и фиг.9 может осуществляться согласно новейшим способам управления. В некоторых воплощениях такие способы могут включать следующие операции: рециркуляция по меньшей мере части рабочей среды по рециркуляционной петле 10; регулирование количества сжатого окислителя, подаваемого в каждую камеру сгорания: верхнюю по потоку камеру 22 сгорания и нижнюю по потоку камеру 24 сгорания; регулирование количества топлива, подаваемого в каждую камеру сгорания: верхнюю по потоку камеру 22 сгорания и нижнюю по потоку камеру 24 сгорания; управление энергетической установкой 9 таким образом, что каждая из камер - верхняя по потоку камера 22 сгорания и нижняя по потоку камера 24 сгорания - периодически работает при предпочтительном стехиометрическом отношении, и селективный отбор рабочей среды из первой точки 75 отбора, относящейся к верхней по потоку камере 22 сгорания, и второй точки 76 отбора, относящейся к нижней по потоку камере 22 сгорания, в зависимости от того, которая из камер сгорания - верхняя по потоку 22 или нижняя по потоку 24 - работает при предпочтительном стехиометрическом отношении. Операция селективного отбора рабочей среды из первой точки 75 отбора и второй 76 точки отбора может включать реализацию селективного отбора из первой точки 75 отбора только во время периодов, когда верхняя по потоку камера 22 сгорания работает при предпочтительном стехиометрическом отношении, и реализацию селективного отбора из второй точки 76 отбора только во время периодов, когда нижняя по потоку камера 24 сгорания работает при предпочтительном стехиометрическом отношении. В одном предпочтительном воплощении, например, верхней по потоку камере 22 сгорания можно задать режим работы при предпочтительном стехиометрическом отношении во время работы с низкой нагрузкой, а нижней потоку камере 24 сгорания можно задать режим работы при предпочтительном стехиометрическом отношении во время работы с полной нагрузкой. Операция выборочного отбора рабочей среды из первой точки 75 отбора и второй точки 76 отбора может включать управление установками первого управляемого клапана 61 и второго управляемого клапана 61 для отведенного газа. Операция по регулированию количества сжатого окислителя, подаваемого в каждую камеру сгорания, верхнюю 22 и нижнюю 24 по потоку, может включать установку положений первого и второго управляемых клапанов 54, 68 окислителя. Операция по регулированию количества топлива, подаваемого в каждую камеру сгорания, верхнюю по потоку 22 и нижнюю по потоку 24, может включать операции по установке положений первого и второго управляемых топливных клапанов 58, 59.
Операция по управлению энергетической установкой 9 таким образом, что каждая из камер, верхняя по потоку камера 22 сгорания и нижняя по потоку камера 24 сгорания, периодически работает при предпочтительном стехиометрическом отношении, может включать применение блока 65 управления, выполненного таким образом, чтобы управлять установками первого и второго управляемых клапанов 54 окислителя и первого 58 и второго 59 управляемых топливных клапанов. Предпочтительное стехиометрическое отношение может включать стехиометрическое отношение, приблизительно равное 1, хотя также возможны другие диапазоны, рассмотренные в данной заявке.
В некоторых воплощениях способ может включать следующие операции: измерение некоторого числа переменных процесса энергетической установки 9; определение требуемых выходных параметров для энергетической установки 9; на основании замеренных переменных процесса и требуемых выходных параметров определение желательного режима работы для энергетической установки 9; определение предпочтительной по стехиометрии камеры сгорания, при этом предпочтительной по стехиометрии камерой сгорания может быть, независимо от расположения по потоку, верхняя по потоку камера 22 сгорания и нижняя по потоку камера 24 сгорания, камера, работающая при предпочтительном стехиометрическом отношении в заданном желательном для энергетической установки 9 режиме работы при выбранных критериях; и управление энергетической установкой 9 таким образом, чтобы предпочтительная по стехиометрии камера сгорания работала с предпочтительным стехиометрическим отношением. Следует принимать во внимание, что энергетические установки, в конфигурации которых есть двойные системы камер сгорания, могут предусматривать отключение одной системы сгорания во время режима понижения нагрузки, тем самым способствуя более эффективному выполнению требования понижения нагрузки. Соответственно, в некоторых воплощениях желательный режим работы включает режим понижения нагрузки, во время которого работает только одна из камер сгорания - верхняя по потоку 22 или нижняя по потоку 24. В этом случае предпочтительная по стехиометрии камера сгорания может представлять собой любую из камер 22 и 24 сгорания независимо от того, верхняя или нижняя это по потоку камера, работающая в режиме понижения нагрузки. В некоторых воплощениях камерой сгорания, работающей во время режима понижения нагрузки, является верхняя по потоку камера 22 сгорания.
Выбранные критерии для определения предпочтительной по стехиометрии камеры сгорания могут быть любыми из нескольких. В некоторых предпочтительных воплощениях выбранные критерии относятся к области эффективности энергетической установки 9. В этом случае предпочтительной по стехиометрии камерой сгорания будет камера сгорания, которая обеспечивает эффективность при работе с предпочтительным стехиометрическим отношением. Выбранные критерии также могут быть связаны с экономическими соображениями, т.е. предпочтительная по стехиометрии камера сгорания - это камера, обеспечивающая экономическую выгоду от применения энергетической установки 9.
В некоторых воплощениях способ, описываемый настоящей заявкой, может дополнительно включать следующие операции: определение текущего стехиометрического отношения, при котором работает предпочтительная по стехиометрии камера сгорания; определение равенства текущего стехиометрического отношения предпочтительному стехиометрическому отношению; и отбор рабочей среды из точки отбора, относящейся к предпочтительной по стехиометрии камере сгорания, если определено равенство текущего стехиометрического отношения предпочтительному стехиометрическому отношению. В некоторых воплощениях операции могут быть следующими: измерение количества сжатого окислителя, подаваемого в верхнюю и нижнюю по потоку камеры 22, 24 сгорания; измерение количества топлива, подаваемого в верхнюю и нижнюю по потоку камеры 22, 24 сгорания; и вычисление текущего стехиометрического отношения, при котором предпочтительная по стехиометрии камера сгорания работает при условии, что замеренное количество сжатого окислителя подают в верхнюю и нижнюю по потоку камеры 22, 24 сгорания, и замеренное количество топлива подают в верхнюю и нижнюю по потоку камеры 22, 24 сгорания. В некоторых воплощениях операция определения текущего стехиометрического отношения, при котором работает предпочтительная по стехиометрии камера сгорания, включает следующие стадии: тестирование рабочей среды, отбор которой производят из верхней по потоку камеры 22 сгорания, если верхняя по потоку камера 22 сгорания является предпочтительной по стехиометрии камерой сгорания; и тестирование рабочей среды, отбор которой производят из нижней по потоку камеры 24 сгорания, если нижняя по потоку камера 24 сгорания является предпочтительной по стехиометрии камерой сгорания. Рабочую среду, отбор которой производят из верхней по потоку камеры 22 сгорания, можно тестировать в первом пункте проверки датчиком для определения избытка окислителя и датчиком для определения неизрасходованного топлива. Первый пункт проверки может быть расположен в диапазоне позиций на рециркуляционной петле между первой точкой 75 отбора и, следуя вверх по потоку, верхней по потоку камерой 22 сгорания. Рабочую среду, отбор которой производят из нижней по потоку камеры 24 сгорания, можно тестировать во втором пункте проверки датчиком для определения избытка окислителя и датчиком для определения неизрасходованного топлива. Второй пункт проверки может быть расположен в диапазоне позиций на рециркуляционной петле между второй точкой 76 отбора и, следуя вверх по потоку, нижней по потоку камерой 24 сгорания. Таким образом, состав выпускного продукта перед отбором можно протестировать для подтверждения желательных свойств.
В некоторых воплощениях операция по управлению энергетической установкой 9, так чтобы предпочтительная по стехиометрии камера сгорания работала при предпочтительном стехиометрическом отношении, представляет собой операцию по управлению механизмом регулирования петли обратной связи, что включает обращение к управляющему входу воздействия энергетической установки 9 на основании ряда замеренных переменных процесса. Способы приведения в действие механизма регулирования петли обратной связи более подробно рассмотрены ранее. В некоторых случаях следует принимать во внимание, что операция по замеру ряда переменных процесса может включать измерение количества сжатого окислителя и количества топлива, подаваемых в предпочтительную по стехиометрии камеру сгорания, и расчет текущего стехиометрического отношения в предпочтительной по стехиометрии камере сгорания на основе замеренных количеств сжатого окислителя и топлива, подаваемых в предпочтительную по стехиометрии камеру сгорания. В некоторых воплощениях управляющее воздействие может включать в себя установку положений клапана 54, 68 окислителя, первого или второго, в соответствии с предпочтительной по стехиометрии камере сгорания, и управляемого топливного клапана 58, 59, первого или второго, в соответствии с предпочтительной по стехиометрии камере сгорания.
В некоторых воплощениях операция по замеру ряда переменных процесса может включать в себя измерение количеств сжатого окислителя и количеств сжатого топлива, подаваемых в верхнюю и нижнюю по потоку камеры 22, 24 сгорания. Операция расчета текущего стехиометрического отношения в предпочтительной по стехиометрии камере сгорания может включать в себя согласование в каждой, верхней и нижней по потоку камере 22, 24 сгорания замеренных количеств кислорода и топлива, чтобы определить, не потребляет ли предпочтительная по стехиометрии камера сгорания избыток количества топлива или избыток количества окислителя, присутствующий в рабочей среде от той, верхней или нижней по потоку камеры 22, 24 сгорания, которая не является предпочтительной по стехиометрии камерой сгорания.
В некоторых воплощениях операция по замеру ряда переменных процесса может включать в себя тестирование состава рабочей среды в позиции на рециркуляционной петле, которая находится одновременно ниже по потоку от предпочтительной по стехиометрии камеры сгорания и выше по потоку от не являющейся предпочтительной по стехиометрии камеры сгорания, независимо от того, какой, верхней или нижней по потоку, является эта камера 22, 24 сгорания. Управляющее воздействие может включать по меньшей мере один вариант из следующих: подачу порции топлива в верхнюю по потоку камеру 22, подачу порции топлива в нижнюю по потоку камеру 24, подачу порции сжатого окислителя в верхнюю по потоку камеру 22 и подачу порции сжатого окислителя в нижнюю по потоку камеру 24. Операция по тестированию состава рабочей среды может включать в себя по меньшей мере одно из измерений: содержания окислителя и содержания неизрасходованного топлива в рабочей среде, которое дополнительно может включать операцию расчета текущего стехиометрического отношения в предпочтительной по стехиометрии камере сгорания на основе тестирования состава рабочей среды.
В некоторых примерах воплощения способ, являющийся предметом настоящей заявки, включает такое управление энергетической установкой 9, что обе камеры сгорания, верхняя по потоку камера 22 и нижняя по потоку камера 24, периодически работают при предпочтительным стехиометрическим отношении в течение одного и того же интервала времени. В этом случае селективный отбор рабочей среды из первой точки 75 отбора и второй точки 76 отбора может заключаться в отборе рабочей среды из обеих точек отбора, первой точки 75 и второй точки 76, когда обе камеры сгорания 22, 24 работают при предпочтительном стехиометрическом отношении. Как показано на фиг.8 и фиг.9, два потока отведенного газа можно соединить в соединительной точке 86. Так, способ настоящей заявки может включать операцию по смешиванию рабочей среды, отведенной из первой точки 75 отбора, и рабочей среды, отведенной из второй точки 76 отбора. Способ может дополнительно включать операцию управляемого смешивания двух отведенных потоков рабочей среды, обеспечивающего получение желаемых параметров смешанного потока отведенной рабочей среды. Следует принимать во внимание, что это можно реализовать, сделав необходимые установки в управляемых клапанах 61 для отведенного газа, которые включены в контур каждой точки 75, 76 отбора. В зависимости от применения, для которого предназначен отведенный вниз по потоку газ, полезно иметь возможность обеспечить изменение давления и температуры отведенного газа. Это можно получить смешиванием газов, отведенных из различных точек рециркуляционной петли 10 в желательных или управляемых количествах. Как показано на фиг.9, первая точка 75 отбора отводит газ с участка относительно высокой температуры и высокого давления, в то время как вторая точка 76 отбора отводит газ с участка относительно низкой температуры и низкого давления. Следует принимать во внимание, что, контролируя смешивание двух потоков, можно добиться желательных параметров отведенного газа в диапазоне параметров, определяемом различиями положений точек отбора.
Обратимся теперь к фиг.10-13, где схематические изображения иллюстрируют конфигурации альтернативных энергетических установок с рециркуляцией отведенного газа и системой с одной камерой сгорания. Следует принимать во внимание, что многие компоненты энергетической установки 9 на этих чертежах повторяют компоненты энергетических установок, описанных ранее, и что эти компоненты могут быть применены во многом подобно тем, что описаны в других местах данной заявки. Как указано, любое из описаний, относящихся к любой из энергетических установок, которые, как следует принимать во внимание специалисту средней квалификации, не ограничены конкретной конфигурацией, возможно использовать для всех конфигураций, в особенности поскольку такие альтернативные конфигурации могут быть описаны в формуле изобретения или любых сделанных к ней поправках. В некоторых воплощениях в конфигурацию энергетической установки 9 входит рециркуляционная петля 10, по которой рециркулирует рабочая среда. Как и в ранее рассмотренных конфигурациях, рециркуляционная петля 10 может включать ряд компонентов, сконфигурироранных для приема потока рабочей среды от соседнего верхнего по потоку компонента и обеспечения подачи рабочей среды к соседнему нижнему по потоку компоненту. В этом случае рециркуляционная петля 10 включает рециркуляционный компрессор 12; камеру 22 сгорания, расположенную вниз по потоку от рециркуляционного компрессора 12; турбину 30, расположенную вниз по потоку от камеры 22 сгорания; и рециркуляционный трубопровод 40, выполненный с возможностью направления потока рабочей среды от турбины 30 к рециркуляционному компрессору 12. Энергетическая установка 9 выполнена при наличии системы с одной камерой сгорания. Как таковая, рециркуляционная петля 10 может быть выполнена с возможностью предотвращения попадания газов сгорания по всем направлениям, кроме входа в камеру 22 сгорания. Как показано, энергетическая установка 9 может дополнительно включать первую точку 75 отбора и вторую точку 76 отбора, расположенные на рециркуляционной петле 10. Поток рабочей среды из турбины 30 включает отработавшие газы, которые через посредство рециркуляционного трубопровода 40 поступают в рециркуляционный компрессор 12. Рециркуляционный компрессор 12 выполнен с возможностью сжатия отработавших газов, так чтобы поток рабочей среды от рециркуляционного компрессора 12 включал сжатые отработавшие газы.
Первая точка 75 отбора может включать управляемый клапан 61 для отведенного газа, который может быть установлен по меньшей мере в два положения: закрытое положение, при котором невозможно произвести отведение рабочей среды, и открытое положение, при котором возможно отведение рабочей среды. Вторая точка 76 отбора может включать управляемый клапан 61 для отведенного газа, который может быть установлен по меньшей мере в два положения: закрытое положение, при котором невозможно произвести отбор рабочей среды, и открытое положение, при котором возможен отвод рабочей среды.
Энергетическая установка 9 может быть приведена в действие или работать под управлением в таком режиме, когда камера 22 сгорания по меньшей мере периодически работает при предпочтительном стехиометрическом отношении. Предпочтительное стехиометрическое отношение может иметь ту же величину и те же допуски, которые были рассмотрены ранее. Чтобы достичь такого режима работы, можно регулировать поступающие в камеру 22 количество сжатого окислителя и количество топлива. Количество сжатого окислителя можно регулировать с помощью компрессора 11 окислителя, трубопровода 52 окислителя, выполненного с возможностью подавать сжатый окислитель, полученный из компрессора 11 окислителя, в камеру 22 сгорания, и управляемого клапана 54 окислителя, смонтированного в контуре трубопровода окислителя и имеющего по меньшей мере два открытых регулируемых положения, при которых возможна подача в камеру 22 сгорания разных количеств сжатого окислителя. Количество топлива можно регулировать управляемым топливным клапаном 58, который имеет по меньшей мере два открытых положения, при которых возможна подача в камеру 22 сгорания разных количеств топлива. Следует принимать во внимание, что энергетическая установка 9 может работать под управлением в таком режиме, когда камера 22 сгорания по меньшей мере периодически работает при предпочтительном стехиометрическом отношении; такой режим обеспечивает компьютеризированный блок 65 управления, который выполнен с возможностью управления положениями управляемого клапана 54 окислителя и управляемого топливного клапана 58 и может включать системы для определения текущего стехиометрического отношения, при котором работает камера 22 сгорания, различные системы, подробно рассмотренные ранее, в зависимости от равенства текущего стехиометрического отношения предпочтительному стехиометрическому отношению, а также механизм управления петлей обратной связи для задания желательных режимов работы. Как будет более подробно рассмотрено далее, компьютеризированный блок 65 управления может быть выполнен с возможностью селективного отбора рабочей среды по меньшей мере из одной точки отбора - первой точки 75 отбора и второй точки 76 отбора - в зависимости от результата определения, равно ли текущее стехиометрическое отношение в камере 22 сгорания предпочтительному стехиометрическому отношению, а также в зависимости от того, как используется отведенная рабочая среда на выходе потока.
В некоторых воплощениях энергетическая установка 9 включает рециркуляционный трубопровод 40, функция в общей конфигурации которого предполагает сбор отработавших газов из турбины 30 и подачу отработавших газов на вход рециркуляционного компрессора 12. Рециркуляционый трубопровод 40 может дополнительно включать парогенератор-рекуператор, причем парогенератор-рекуператор включает бойлер и выполнен с возможностью использования отработавших газов из турбины 30 в качестве источника нагревания для бойлера. Рециркуляционый трубопровод 40 может включать охладитель 44 и обдувочный аппарат 46, расположенные на нем. Охладитель 44 может иметь конструкцию для регулируемого отбора части тепла у отработавших газов, проходящих через рециркуляционый трубопровод 40, так чтобы на входе рециркуляционного компрессора 12 можно было получить более желательную температуру. Обдувочный аппарат 46 может иметь конструкцию для регулирования циркуляции отработавших газов, проходящих через рециркуляционый трубопровод 40, так чтобы на входе рециркуляционного компрессора 12 можно было получить более желательное давление.
Энергетическая установка 9 может включать приборы, датчики и системы для определения свойства параметра рабочей среды в точках 75, 76 отбора. Это определение может включать прямое измерение параметра или расчет, основанный на других измеряемых переменных процесса. Параметр может включать любое свойство рабочей среды, такое, например, как давление и температура. Как указывалось, отведенная рабочая среда имеет экономическую ценность в некоторых отраслях производства и в других областях применения. Следует принимать во внимание, что если рабочую среду можно отвести с желательными для предполагаемого применения параметрами, такими как желательное давление или температура, ее ценность возрастет. В некоторых воплощениях средства для определения параметра рабочей среды в первой точке 75 отбора и второй 76 точке отбора могут включать в себя датчик давления и/или датчик температуры. Компьютеризированный блок 65 управления может быть выполнен с возможностью селективного отбора рабочей среды только из первой точки 75 отбора, только из второй 76 точки отбора или из обеих - первой и второй - точек 75, 76 отбора, в зависимости от параметра рабочей среды, который необходимо определить в каждой из точек 75, 76 отбора. Компьютеризированный блок 65 управления может это выполнить посредством управления положениями первого и второго управляемых клапанов 61 для отведенного газа.
Компьютеризированный блок 65 управления может быть выполнен с возможностью определять предпочтительное значение для параметра рабочей среды. Это можно выполнить путем определения предполагаемого применения отведенной рабочей среды на выходе по потоку из системы, запросив это значение у оператора, или другим способом. Система затем сможет определить предпочтительное значение для параметра рабочей среды на основании предпочтительного значения при заданном предполагаемом применении.
Точки 75, 76 отбора могут занимать различные положения. На фиг.10-13 представлено несколько предпочтительных воплощений с различными конфигурациями точек отбора, но следует принимать во внимание, что возможны и другие воплощения. Как показано на фиг.10, первая точка 75 отбора может занимать позицию внутри рециркуляционного компрессора 12, а вторая точка 76 отбора может занимать позицию внутри турбины 30. Как показано на фиг.11, первая точка 75 отбора может занимать позицию внутри рециркуляционного компрессора 12, а вторая точка 76 отбора может занимать позицию внутри рециркуляционного трубопровода 40. Как показано на фиг.12, первая точка 75 отбора может занимать первую позицию внутри рециркуляционного компрессора 12, а вторая точка 76 отбора может занимать вторую позицию внутри рециркуляционного компрессора 12. Как показано на фиг.13, первая точка 75 отбора может занимать первую позицию внутри турбины 30, а вторая точка 76 отбора может занимать вторую позицию внутри турбины 30. Преимущества этих конфигураций более подробно рассмотрены ниже.
В настоящей заявке далее описан способ управления энергетической установкой, которая включает конфигурации, о которых говорилось выше в связи с фиг.10-13. В целом, эти способы могут включать следующие операции: рециркуляцию по меньшей мере части рабочей среды по рециркуляционной петле; управление энергетической установкой таким образом, чтобы камера 22 сгорания по меньшей мере периодически работала с предпочтительным стехиометрическим отношением; и отведение рабочей среды по меньшей мере из одной из точек отбора - первой точки 75 отбора и второй точки 76 отбора, расположенных на рециркуляционной петле 10, в течение периодов времени, когда камера 22 сгорания работает с предпочтительным стехиометрическим отношением. Операция управления энергетической установкой, при которой камера 22 сгорания периодически работает с предпочтительным стехиометрическим отношением, может включать в себя операции по регулированию количества сжатого окислителя и количества топлива, поступающих в камеру 22 сгорания.
Способ может дополнительно включать следующие операции: определение параметра рабочей среды в первой точке 75 отбора; определение параметра рабочей среды во второй точке 75 отбора; и, на основании параметра рабочей среды в первой и второй точках 75, 76 отбора, селективный отбор рабочей среды непосредственно из первой точки 75 отбора, непосредственно из второй точки 76 отбора или из обеих точек 75, 76 отбора. В зависимости от области применения выходного потока способ позволяет определить предпочтительное значение для параметра рабочей среды, которое можно использовать для селективного отбора рабочей среды из точек 75, 76 отбора. Такой способ управления работой может привести к тому, что отбор рабочей среды будет произведен из первой точки 75 отбора и второй точки 76 отбора одновременно. В этой ситуации способ позволяет обеспечить управление для смешивания отведенных потоков рабочей среды из обеих точек 75, 76 отбора, чтобы получить комбинированный поток отведенного рабочей среды, который имеет параметр, величина которого согласована с предпочтительным значением этого параметра. Как и ранее, предпочтительное значение для параметра рабочей среды может зависеть от предполагаемой области применения выходного потока. Компьютеризированный блок 65 управления может быть выполнен с возможностью управления установкам различных клапанов и других компонентов, описанных в данной заявке, таким образом, чтобы обеспечить желательные режимы работы.
В некоторых воплощениях операция селективного отбора рабочей среды непосредственно из первой точки 75 отбора, непосредственно из второй точки 76 отбора или из обеих, первой и второй, точек 75, 76 отбора одновременно, включает следующие операции: когда параметр рабочей среды в первой точке 75 отбора находится в предварительно заданном диапазоне относительно предпочтительного значения параметра, производят отбор непосредственно из первой точки 75 отбора; когда параметр рабочей среды во второй точке 76 отбора находится в предварительно заданном диапазоне относительно предпочтительного значения параметра, производят отбор непосредственно из второй точки 76 отбора; и когда предпочтительное значение параметра находится в предварительно заданном диапазоне, расположенном между параметром рабочей среды в первой точке 75 отбора и параметром рабочей среды во второй точке 76 отбора, отбор производят из обеих, первой и второй, точек 75, 76 отбора. Таким образом, в способе можно задействовать только одну точку отбора, когда этим можно добиться желательного параметра, или производить отбор из обеих точек отбора, когда для обеспечения более желательных параметров отработавших газов, заданных внешним пользователем на выходе потока, можно применить их смешивание. В некоторых воплощениях эти операции могут включать следующее: когда параметр рабочей среды в первой точке 75 отбора приблизительно равен предпочтительному значению параметра, производят отбор непосредственно из первой точки 75 отбора; когда параметр рабочей среды во второй точке 76 отбора приблизительно равен предпочтительному значению параметра, производят отбор непосредственно из второй точки 76 отбора; и когда предпочтительное значение параметра попадает между параметром рабочей среды в первой точке 75 отбора и параметром рабочей среды во второй точке 76 отбора, отбор производят из обеих, первой и второй точек 75, 76 отбора. Когда операция способа выражается в отборе рабочей среды из обеих точек 75, 76 отбора, для получения более желательного комбинированного потока можно применить, как упоминалось, операцию смешивания. В некоторых воплощениях этого можно добиться управлением настройками первого управляемого клапана 61 для отведенного газа таким образом, чтобы отвести первое заранее заданное количество рабочей среды из первой точки 75 отбора; управлением настройками второго управляемого клапана 61 для отведенного газа таким образом, чтобы отвести второе заранее заданное количество рабочей среды из второй точки 76 отбора; и соединением первого заранее заданного количества рабочей среды со вторым заранее заданным количеством рабочей среды в общей точке соединения для формирования объединенного потока отведенной рабочей среды. Следует принимать во внимание, что при заданном параметре рабочей среды в первой точке 75 отбора и второй точке 76 отбора первое заранее заданное количество рабочей среды, отведенной из первой точки 75 отбора, и второе заранее заданное количество рабочей среды, отведенной из второй точки 75 отбора, могут включать заранее заданные количества рабочей среды, которые, будучи смешаны, позволяют получить объединенный поток отведенного рабочей среды, имеющий желательное значение параметра. Как упоминалось, в качестве параметра может выступать давление и температура, хотя возможны и другие варианты.
Положения точки отбора могут быть определены заранее, чтобы обеспечить желательный режим работы, эффективность и гибкость при формировании отведенных потоков, имеющих желательные параметры. В общем виде первая точка 75 отбора может иметь заранее определенное первое положение внутри рециркуляционной петли 10, и вторая точка 75 отбора может иметь заранее определенное второе положение внутри рециркуляционной петли 10. В одном предпочтительном воплощении первое заранее определенное положение внутри рециркуляционной петли 10 и второе заранее определенное положение внутри рециркуляционной петли 10 выбирают таким образом, что рабочая среда в каждом из положений имеет несходный первый параметр и сходный второй параметр. В этом случае потоки рабочей среды, отведенные из первой точки 75 отбора и из второй точки 75 отбора, могут быть смешаны для получения широкого диапазона уровней для первого параметра, но при этом смешивание слабо влияет на результат для второго параметра, который останется примерно на уровне сходных вторых параметров отведенных потоков. В других случаях первое заранее определенное положение внутри рециркуляционной петли 10 и второе заранее определенное положение внутри рециркуляционной петли 10 могут быть выбраны таким образом, что рабочая среда в каждом из положений имеет несходный первый параметр и несходный второй параметр. В этом случае потоки рабочей среды, отведенные из первой точки 75 отбора и из второй точки 76 отбора, могут быть смешаны для получения широкого диапазона значений для первого параметра и широкого диапазона значений для второго параметра.
Обращаясь к фиг.10, следует принять во внимание, что положение первой точки 75 отбора внутри рециркуляционного компрессора 12 и положение второй точки 76 отбора внутри турбины может быть выбрано таким образом, что несходным первым параметром будет давление, а сходным вторым параметром - температура. Обращаясь к фиг.11, следует принять во внимание, что положение внутри рециркуляционного компрессора 12 для первой точки 75 отбора и положение внутри рециркуляционого трубопровода 40 второй точки 76 отбора может быть выбрано таким образом, что несходным первым параметром будет давление, а сходным вторым параметром -температура. Положение второй точки 76 отбора может быть варьировано для получения других результатов, например, получения несходного параметра температуры. Другая возможная конфигурация включает положение первой точки 75 отбора в турбине 30 и второй точки 76 отбора в рециркуляционом трубопроводе 40 с тем, чтобы добиться несходного давления и несходной температуры в двух положениях отбора. Следует принимать во внимание, что такое расположение элементов может обеспечить большую гибкость при смешивании отведенных потоков для достижения широкого диапазона значений для каждого из параметров давления и температуры.
В другом воплощении, как иллюстрирует фиг.12, первая точка 75 отбора может иметь первое заранее определенное положение внутри рециркуляционного компрессора 12, которое может быть выбрано, чтобы обеспечить желательный уровень давления или температуры для отведенной рабочей среды во время ожидаемого первого режима работы энергетической установки 9. Вторая точки 76 отбора может иметь второе заранее определенное положение внутри рециркуляционного компрессора 12, которое может быть выбрано, чтобы обеспечить желательный уровень давления или температуры для отведенной рабочей среды во время ожидаемого второго режима работы энергетической установки 9. Следует понимать, что эта конфигурация обеспечивает гибкость отбора рабочей среды при постоянном уровне давления и температуры, т.е. при желательном уровне давления или температуры, независимо от того, в первом или втором режиме работает энергетическая установка 9. В предпочтительном воплощении режимы совпадают с рабочими режимами базовой нагрузки и уменьшения нагрузки. Следует понимать, что эта конфигурация дополнительно обеспечивает обладающую преимуществами альтернативу отбора при различных уровнях давления или температуры в течение тех периодов времени, когда режим работы энергетической установки 9 остается неизменным.
В другом воплощении, как иллюстрирует фиг.13, первая точка 75 отбора может иметь первое заранее определенное положение внутри турбины 30, которое может быть выбрано для обеспечения желательного уровня давления или температуры для отведенной рабочей среды во время ожидаемого первого режима работы энергетической установки 9. Вторая точки 76 отбора может иметь второе заранее определенное положение внутри турбины 30, которое может быть выбрано, чтобы обеспечить желательный уровень давления или температуры для отведенной рабочей среды во время ожидаемого второго режима работы энергетической установки 9. В этом случае следует принять во внимание, что такая конфигурация обеспечивает гибкость отведения рабочей среды при постоянном уровне давления или температуры, т.е. при желательном уровне давления или температуры, при этом неважно, в каком, первом или втором, режиме работает энергетическая установка 9. В предпочтительном воплощении режимы совпадают с рабочими режимами базовой нагрузки и уменьшения нагрузки. Следует понимать, что эта конфигурация дополнительно обеспечивает обладающую преимуществами альтернативу отбора при различных уровнях давления или температуры во время тех периодов времени, когда режим работы энергетической установки 9 остается неизменным.
Из вышеприведенного описания предпочтительных воплощений изобретения специалист в данной области техники может найти усовершенствования, изменения и модификации. Предполагается, что такие усовершенствования, изменения и модификации в пределах компетентности в данной области техники включены в прилагаемую формулу изобретения. Дополнительно, должно быть очевидным, что изложенное относится только к описанным воплощениям настоящего изобретения, и что многочисленные изменения и модификации можно сделать, не выходя за пределы сущности и объема защиты изобретения, как указано в нижеследующей формуле изобретения и соответствующих эквивалентах.