用于发电系统的热管理的控制方案和方法与流程

1.本公开涉及控制系统和方法，并且更具体地，涉及能够与发电系统和方法结合的控制系统和方法。该控制系统和方法能够尤其针对流入和流出发电系统的热流的管理实施。


背景技术：

2.已存在许多已知的燃烧化石燃料来产生电能的系统和方法。尽管一直致力于替代的发电手段，然而化石燃料的成本因素和可用性、尤其煤炭和天然气(以及诸如残油产物的废气碳氢化合物)造成针对构造为燃烧这种燃料的系统的持续需求。因此，存在对能够在完全碳捕获的情况下高效发电的系统和方法的不断增长的需求。
3.通过在完全碳捕获的情况下燃烧化石燃料以提供发电的能力具有大量生产二氧化碳作为有价值商品的潜力。举几个例子来说明对化合物的使用，例如在金属工业(例如为提高铸模硬度)中、在制造业和建筑业(例如用作mig/mag焊接中的保护气体)中、在化学生产(例如作为甲醇和尿素生成的原材料)中、在油气田管理(例如提高油生产技术)和食品饮料产业(例如用于碳酸饱和，用作制冷剂，用于除咖啡因咖啡，用于挥发性气味和香味集中和用于与环氧乙烷混合的冷灭菌)中。根据实际使用，输入工业使用的二氧化碳必须在超出环境条件的情况下被加压和/或加热。
4.提供用于诸如上述方面(以及其他使用)的清洁的co2通常包括从工业气体混合物中分离co2，该混合物通常包括其他化合物，诸如co、h2、硫等。这当然需要一系列净化处理。净化要求以及在期望压力和/温度下提供co2会需要进行专门的压缩、清洁和加热设备，这导致高资本成本和高能量消耗。
5.除了上述方面，发电程序通常构造用于大量热能的利用和生产。该热能可直接用于发电或者可以用于其他用途。因此，需要控制发电程序的装置，使得可以有效地获得和/或输出诸如二氧化碳和热传递的各种产物流以用于进一步使用。


技术实现要素：

6.在一个或多个实施例中，本公开可提供对于控制发电系统的一个或多个方面有用的系统和方法。控制系统尤其可提供对发电系统中的一个或多个流的压力、温度、流速和流成分中的一个或多个的控制。控制系统可提供发电系统的最佳效率。控制系统还能提供对发电系统的各方面的控制，例如系统的启动、系统的关机、系统中输入流的变化、与系统相关的操作突发状况以及与发电系统的操作相关的任何类似问题。在一些实施例中，控制系统可尤其适于或构造为提供对流入和流出发电系统的热流的管理和方法。例如，热流可体现在热交换流体和/或通过发电系统中专用的流逆着不同系统中专用的流流经热交换器体现。
7.本公开可尤其关于co2从发电循环输出使得co2可以在无需在实际使用处对co2进行压缩和/或加热的情况下以多种有利的最终用途被利用。通过参引合并于本文的allam等
人的美国专利no.8,596,075描述了高效率发电循环，其中利用回收co2流实施氧燃烧，其中回收co2流中的至少一部分co2可被捕获作为相对纯净的流。由于其中燃烧气体和回收co2可以多种压力和温度提供的循环的特性，根据本公开的该系统和方法可构造为在有利地较宽压力和/或温度范围回收基本上纯净的co2用于输出。
8.在一个或多个实施例中，本公开提供通过发电循环生成co2的系统和方法中，用作工作流体的co2可作为最终产物并被直接输送至材料的更下游使用中。例如，本公开的系统和方法能够将co2作为化学给料和/或热交换流体在不同温度和压力下输出用于下游吸热工业处理。
9.在一些实施例中，本公开的系统和方法的优点在于低位热量能够提供至外部处理。在示例的实施例中这可以通过将燃烧产生的co2有效地用作热载体实现。另外，本公开通过输出所述低位热量同时改变流经co2由此导出的发电系统的热气压缩机(hgc)的流速从而提供对设备关机的管理。由此，通过利用co2作为工作流体的发电循环，能够部分或完全消除独立于发电循环本身实施燃烧的需要。由此，能够在热气压缩机不能再补充损失(及保持热交换器分布)之前通过来自在发电循环中使用的回热式热交换器系统的总热量质量和数量限制最大温度。通过该方式，本公开的系统和方法相比诸如回收co2压缩热量以便帮助产生用于去除来自回收塔的co2的流的系统的其他co2工业源具有明显优势。在这些不期望的替代方式中，热回收处理是独立于直接发电活动的附加系统并且因此不具有本公开的系统和方法的许多优点。由此，已知的系统和方法不包括使用来自超临界co2发电循环的燃烧生成的co2，并且不考虑使用co2作为可输送热沉提供用于化学处理的外部热能。
10.在一个或多个实施例中，本公开可提供用于提供co2流作为其最终使用的方法。例如，该方法可包括：燃烧燃料以形成包括co2的燃烧流；发电；从燃烧流中去除一个或多个污染物以提供基本上纯净的co2流；和在高于环境的温度和压力中的一者或两者的情况下输出基本上纯净的co2流。特别地，输出的co2可以处于大约2bar或更高、大约5bar或更高、大约10bar或更高、大约25bar或更高、大约50bar或更高、或者大约100bar或更高的压力(所述输出压力具有符合压缩co2所需的设备和用于输送co2的设备固有的压力限制的上限)。在一些实施例中，压力可以是大约2bar至大约500bar、大约10bar至大约490bar、大约25bar至大约480bar、大约50bar至大约475bar、大约75bar至大约450bar、或者大约100bar至大约400bar。输出的co2可以是大约35℃或更高、大约40℃或更高、大约50℃或更高、大约75℃或更高、或大约100℃或更高的温度(所述输出温度具有符合处理co2所需的设备固有的温度限制的上限)。在一些实施例总，温度可以是大约35℃至大约500℃、大约40℃至大约450℃、大约50℃至大约400℃、或者大约60℃至大约350℃。
11.在一个或多个实施例中，本公开可关于适合用于发电设备的控制系统。例如，发电设备可以是在处于大约12mpa或更大压力的燃烧器中的基本上纯净的氧气中结合添加的循环co2流燃烧燃料以生成燃烧产物和co2流的组合流的发电设备。在一些实施例中，发电的进一步特征在于可以任何数量或顺序组合的以下方面。
12.组合流可以流经具有至少10bar排放压力的发电汽轮机。汽轮机排气可以在节能热交换器中冷却以对循环co2流预热。汽轮机排气可进一步冷却至接近环境温度，并且可以去除冷凝水。co2气流可以使用气体压缩机压缩至达到或接近汽轮机入口压力，气体压缩机下游设置co2泵以形成循环co2流。燃烧器中生成的净co2可在汽轮机入口压力与出口压力之
间的任何压力下被去除。可引入来自外部源的热量以将循环co2流的一部分预热至200℃至400℃范围的温度以便将汽轮机排放流与离开节能热交换器的循环co2流之间的温差降低至大约50℃或更低。可控制燃料流速以提供所需的汽轮机功率输出。汽轮机出口温度可通过co2泵的速度控制。co2压缩机排放压力可通过将压缩的co2流回收至压缩机入口进行控制。燃气燃烧产生并且从系统去除的净co2流速可用于控制co2压缩机入口压力。进入节能热交换器的汽轮机排气的温度和离开节能热交换器的循环co2流的温度可通过控制由附加热源加热的循环co2流的一部分的流速控制在达到或低于50℃。从系统中去除的净液态水和燃料产生的杂质的流速可通过液态水分离器中的水平控制。可控制氧气流速以保持氧气流速与烟气流速的比例，以在汽轮机入口流中产生限定的过量氧气以保证充分的燃气燃烧和燃气中成分的氧化。处于co2压缩机入口压力的氧气流能够与来自co2压缩机入口的一定量co2混合，以生成具有大约15％至大约40％(摩尔)氧气成分的氧化剂流，这能够降低燃烧器中的绝热火焰温度。生产需要的氧气与燃气比例所需的氧化剂流可通过氧化剂泵的速度控制。氧化剂压缩机的排放温度可通过将压缩的氧化剂流回收至压缩机入口控制。氧化剂压缩机的入口压力可通过与形成氧化剂流的氧气混合的稀释co2的流速控制。氧化剂流中的氧气与co2的比例可通过氧气的流量控制。氧气可以在至少与汽轮机入口压力一样高的压力下被输送至发电系统，并且可期望氧化剂流中大约15％至40％(摩尔)范围的氧气成分。氧气与燃气的比例可通过氧气流量控制。氧化剂流中氧气与co2的比例可通过来自co2压缩机排放的稀释co2的流量控制。
13.在一个或多个实施例中，本公开可提供包括集成的控制系统的发电系统，集成的控制系统可构造用于对发电系统的至少一个部件进行自动控制。特别地，控制系统可包括构造为接收与发电系统的测量参数相关的输入并且构造为向发电系统的受到自动控制的至少一个部件提供输出的至少一个控制器单元。
14.发电系统和集成的控制系统还可关于可以任何数量和顺序组合的以下陈述的一个或多个进一步限定。集成控制系统可包括构造为接收与发电系统的一个或多个发电部件产生的电力相关的输入。功率控制器可构造为满足以下要求中的一个或两个：向发电系统的加热器部件提供输出以增加或减少加热器部件的热量生成；向燃料阀提供输出以允许更多燃料或更少燃料进入发电系统。集成的控制系统可包括构造为接收与燃料流速相关的输入和与氧化剂流速相关的输入中的一者或两者的燃料/氧化剂比例控制器。燃料/氧化剂比例控制器可构造为满足以下要求中的一个或两个：向燃料阀提供输出以允许更多燃料或更少燃料进入发电系统；向氧化剂阀提供输出以允许更多氧化剂或更少氧化剂进入发电系统。集成的控制系统可包括构造为接收与发电系统中的汽轮机的排放流的温度相关的输入并且向汽轮机上游的泵提供输出以增加或减少离开泵的流的流速的泵控制器。集成的控制系统可包括构造为接收发电系统中的泵的上游的流体的吸入压力相关的输入并且向位于泵上游的回溢阀提供输出的泵吸气压力控制器。泵吸气压力控制器构造为满足以下要求中的一个或两个：使更多流体或更少流体回流至回溢阀更上游的位置；使更多流体或更少流体从泵上游的发电系统去除。集成的控制系统可包括构造为接收与发电系统中的汽轮机的排放流的压力相关的输入并且向流体出口阀提供输出并且允许流体流出排放流并且可选择地向流体入口阀提供输出并且允许流体流入排放流的压力调节控制器。集成的控制系统可包括构造为接收与发电系统的分离器中的水量相关的输入并且向排水阀提供输出以允
许或不允许从分离器排水并且将分离器中的水量保持在限定值内水分离器控制器。集成的控制系统可包括构造为接收与发电系统中的燃料的质量流和氧化剂的质量流中的一者或两者相关的输入并且计算燃料与氧化剂的质量流比例的氧化剂泵控制器。氧化剂泵控制器可构造为向氧化剂泵提供输出以改变泵的功率从而影响发电系统中的燃料与氧化剂的质量流比例。集成的控制系统可包括构造为接收与氧化剂压缩机下游的氧化剂流的压力相关的输入并且向氧化剂旁通阀提供输出以使更多氧化剂或更少氧化剂绕过压缩机的氧化剂压力控制器。集成的控制系统可包括构造为接收与氧化剂压缩机上游的氧化剂流的压力相关的输入并且向回收流提供输出以使来自发电系统的更多回收流或更少回收流被增加至氧化剂压缩机上游的氧化剂流的氧化剂压力控制器。特别地，回收流体可以是基本上纯净的co2流。集成的控制系统可包括构造为与氧化剂的质量流和氧化剂稀释液流的质量流中的一者或两者相关的输入并且计算氧化剂与氧化剂稀释液的质量流比例的稀释控制器。稀释控制器可构造为向氧化剂进入阀提供输出并且允许更多氧化剂或更少氧化剂进入发电系统使得氧化剂与氧化剂稀释液的质量流比例处于限定范围内。集成的控制系统可包括构造为接收与发电系统中的压缩机上游的流体的吸气压力相关的输入并且向位于压缩机下游并且使更多流体或更少流体回流至压缩机上游的位置处的回溢阀提供输出的压缩机吸气压力控制器。集成的控制系统可包括构造为接收与泵上游的吸气压力相关的输入并且向泵提供输出以增大或降低泵速度的泵速度控制器。集成的控制系统可包括构造为接收与针对发电系统中的高压回收流的测流的计算的质量流要求相关的输入并且向测流阀提供输出以增加或减少测流中高压回收流的量的测流热交换器。
15.发电系统可包括：汽轮机；位于汽轮机下游且与汽轮机流体连接的压缩机；位于压缩机下游且与压缩机流体连接的泵；和位于泵下游且与泵流体连接并且位于汽轮机上游且与汽轮机流体连接的加热器。可选择地，发电系统可包括回热式热交换器。
16.在一个或多个实施例中，本公开可提供自动控制发电系统的方法。特别地，该方法可包括操作包括多个部件的发电系统，多个部件包括：汽轮机；位于汽轮机下游且与汽轮机流体连接的压缩机；位于压缩机下游且与压缩机流体连接的泵；和位于泵下游且与泵流体连接并且位于汽轮机上游且与汽轮机流体连接的加热器。另外，操作发电系统可包括使用与发电系统集成的一个或多个控制器以接收与发电系统的测量参数相关的输入并且提供自动控制发电系统的多个部件的至少其中一个部件的输出。
17.在其他实施例中，方法包括可以任何数量和顺序组合的以下步骤中的一个或多个。输出可基于预编程计算机控制算法。操作可包括使用控制器接收与发电系统生成的电力相关的输入并且引导以下行为中的一个或两个：向加热器提供输出以增加或降低加热器的热量生成；向发电系统的燃料阀提供输出以允许更多燃料或更少燃料进入发电系统。操作可包括使用控制器接收与燃料流速相关的输入和与氧化剂流速相关的输入中的一个或两个，并且引导以下行为中的一个或两个：向发电系统的燃料阀提供输出以允许更多燃料或更少燃料进入发电系统；向发电系统的氧化剂阀提供输出以允许更多氧化剂或更少氧化剂进入发电系统。方法操作可包括使用控制器接收与汽轮机的排放流的温度相关的输入并且向汽轮机上游的泵提供输出以增加或降低离开泵的流的流速。操作可包括使用控制器接收与泵上游流体吸气压力相关的输入并且向位于泵上游的回溢阀提供输出。特别地，可以满足以下要求的一个或两个：控制器使更多流体或更少流体回流至回溢阀的更上游的位
置；控制器使更多流体或更少流体从泵上游离开发电系统。操作可包括使用控制器接收与汽轮机的排放流压力相关的输入并且向流体出口阀提供输出并允许流体流出排放流并且可选地向流体入口阀提供输出并允许流体进入排放流。操作可包括使用控制器接收与发电系统中包含的分离器中的水量相关的输入并且向排水阀提供输出以允许或不允许水从分离器中去除并且将分离器中的水量保持在限定值内。操作可包括使用控制器接收与被引入发电系统的燃料的质量流和氧化剂的质量流相关的输入并且计算燃料与氧化剂的质量流比例。特别地，控制器可向氧化剂泵提供输出以改变泵的功率从而影响发电系统中燃料与氧化剂的质量流比。操作可包括使用控制器接收与氧化剂压缩机下游的氧化剂流的压力相关的输入并且向氧化剂旁通阀提供输出以使更多氧化剂或更少氧化剂绕过压缩机。操作可包括使用控制器接收与氧化剂压缩机上游的氧化剂流的压力相关的输出并且向回收流阀提供输出以使更多回收流体或更少回收流体被添加至氧化剂压缩机上游的氧化剂流。特别地，回收流体可以是基本上纯净的co2流。操作可包括使用控制器接收与氧化剂的质量流和氧化剂稀释液流的质量流中的一个或两个相关的输入并且计算氧化剂与氧化剂稀释液的质量流比例。特别地，控制器可构造为向氧化剂进入阀提供输出以允许更多氧化剂或更少氧化剂进入发电系统使得氧化剂与氧化剂稀释液的质量流比例处于限定范围内。操作可包括使用控制器接收与压缩机上游的流体的吸气压力相关的输入并且向位于压缩机下游的回溢阀提供输出并使更多流体或更少流体回溢至压缩机上游的位置。操作可包括使用控制器接收与泵上游的吸气压力相关的输入并且向泵提供输出以增大或降低泵速度。操作可包括使用控制器接收与高压回收流的测流所需的计算的质量流相关的输入并且向测流阀提供输出以增加或减少测流中高压回收流的量。
18.在一些实施例中，控制发现设备的方法包括：调节热交换单元(heu)的热量分布，热交换单元通过流经具有第一操作温度的第一heu端与具有第二较低操作温度的第二heu端之间的多个流运行；其中所述调节包括实施控制功能，所述控制功能通过在位于所述第一heu端与所述第二heu端之间的位置处向/从处于heu内的中温范围的多个流中的一个或多个流增加/抽取质量流，改变流经所述第一heu端与所述第二heu端之间的多个流中的一个或多个流的质量流。该方法可关于能够以任何数量和顺序组合的以下陈述中的一个或多个进一步限定。
19.所述调节可包括使使流经所述heu的加热流的一部分通过旁通管线绕过所述heu的一部分，使得所述调节起作用以降低流经所述heu的所述一部分的加热流的质量流。
20.流经所述heu的加热流可以是来自汽轮机的加热的汽轮机排放流，所述加热的汽轮机排放流从所述第一heu端流向所述第二heu端以提供冷却的汽轮机排放流，并且其中，所述冷却的汽轮机排放流进一步通过分离器、压缩机和泵中的一个或多个处理。
21.所述控制功能可包括使流经所述heu的加热流的所述一部分响应于由控制器接收的以下信号中的一个或两个通过所述旁通管线绕过所述heu的所述一部分：指示功率需求变化的信号，该信号起作用以使所述汽轮机的运行变化改变来自所述发电设备的发电；指示所述heu内的温度处于所述heu的最大操作温度的限定阈值内的信号。
22.所述控制功能可包括打开位于所述旁通管线中的阀。
23.流经所述旁通管线的加热流的所述一部分可以在所述第二heu端的下游且在所述分离器、所述压缩机和所述泵中的一个多个的上游与冷却的汽轮机排放流再汇合。
24.所述方法还可以包括使流经所述旁通管线的加热流的所述一部分通过旁通热交换器处理，所述旁通热交换器起作用以将热量从所述旁通管线中的加热流的所述一部分传递至一个或多个其他流。
25.所述调节可包括以下一个或两个：使在heu中被加热的回收流的一部分流动至在heu中被冷却的排放流，使得所述调节起作用以增加流经所述heu的一部分的排放流的质量流；使在heu中被加热的氧化剂流的一部分流动至在heu中被冷却的排放流，使得所述调节起作用以增加流经所述heu的一部分的排放流的质量流。
26.所述控制功能可以包括使回收流和氧化剂流的相应部分响应于以下一个或两个流动至排放流：指示功率需求变化的信号，该信号起作用以使所述汽轮机的运行变化改变来自所述发电设备的发电；指示所述heu内的温度处于所述heu的最大操作温度的限定阈值内的信号。
27.所述发电设备可包括再循环压缩机，所述再循环压缩机构造成用于抽取流经所述heu的加热的汽轮机排放流的一部分，将抽取的加热的汽轮机排放流的所述一部分进行压缩，并将在所述heu的下游部分处压缩的加热的汽轮机排放流的所述一部分再加入。
28.所述控制功能可包括响应于指示所述heu内的温度处于所述heu的最大操作温度的限定阈值内的信号，关闭所述再循环压缩机的入口导叶(igv)。
29.所述方法还可以包括向流经所述第一heu端与所述第二heu端之间的多个流中的一个或多个增加热量，其中，热量在位于所述第一heu端与所述第二heu端之间的位置处以所述heu内的中温范围增加，并且其中，利用独立于heu运行的加热器增加热量。
30.所述加热器可以是燃烧加热器。
31.热量可被增加至流经所述heu的汽轮机排放流，并且其中，来自所述燃烧加热器的排放流被直接增加至所述汽轮机排放流。
32.在其他实施例中，本公开可尤其涉及一种发电设备。例如，发电设备可包括：汽轮机；发电机；热交换单元(heu)；一个或多个压缩机或泵；和控制单元；其中所述heu构造为用于流经所述具有第一操作温度的第一heu端与具有第二较低操作温度的第二heu之间的多个流之间的热交换；其中所述heu包括一个或多个部件，所述一个或多个部件构造为在位于所述第一heu端与所述第二heu端之间的点处向/从多个流中的一个或多个流增加/抽取质量流，使得流经所述多个流中的一个或多个流的流体的一部分绕过经过所述heu的剩余部分的通道；并且其中所述控制单元构造为接收限定所述发电设备的运行状态的信号，并且基于所述信号，输出用以控制构造为向/从多个流中的一个或多个流增加/抽取质量流的所述一个或多个部件。该发电设备可关于能够以任何数量和顺序组合的以下陈述中的一个或多个进一步限定。
33.所述heu构造为用于离开汽轮机的至少汽轮机排放流与回收流和氧化剂流中的一者或两者之间的热交换。
34.构造为向/从多个流中的一个或多个流增加/抽取质量流的所述一个或多个部件包括构造为使汽轮机排放流的一部分绕过所述heu的一部分的旁通管线和旁通阀。
35.发电设备还包括与所述旁通管线一起操作并且构造为将热量从绕道的汽轮机排放流的所述一部分传递至一个或多个其他流的旁通热交换器。
36.构造为向/从多个流中的一个或多个流增加/抽取质量流的所述一个或多个部件
包括设置于汽轮机排放流与回收流之间的再循环管线和再循环阀。
37.构造为向/从多个流中的一个或多个流增加/抽取质量流的所述一个或多个部件包括设置于汽轮机排放流与氧化剂流之间的再循环管线和再循环阀。
38.发电设备还可包括构造为用于独立于所述heu操作的加热器，所述加热器构造为用于在位于所述第一heu端与所述第二heu端之间的位置处向汽轮机排放流增加热量。
39.所述加热器可以是燃烧加热器。
40.在其他实施例中，本公开可提供用于热电联产和一个或多个最终产物的系统，所述系统包括：发电单元，所述发电单元至少包括燃烧器、汽轮机、热交换器和分离单元，所述发电单元构造为接收燃料流和氧化剂并且输出电力和基本上纯净的二氧化碳；合成气生产单元，所述合成气生产单元构造为接收给料并提供合成气产物，所述合成气产物的至少一部分用作所述发电单元中的燃料流的至少一部分；空气分离单元，所述空气分离单元构造为提供用作所述发电单元中的氧化剂的氧气并且构造为提供氮气；和氨合成单元和尿素合成单元中的一个或两个。
41.可以设置有所述氨合成单元，并且所述氨合成单元构造为从所述空气分离单元接收氮气，构造为从氢源接收氢气，并且构造为输出氨气。
42.所述氢源可以是氢气分离单元，所述氢气分离单元构造为从所述合成气生产单元接收合成气产物的至少一部分并且提供氢气流和氢还原合成气流，所述氢还原合成气流用作所述发电单元中燃料流的至少一部分。
43.可以设置有所述尿素合成单元，并且所述尿素合成单元构造为从氮源接收氮气，构造为从发电循环接收二氧化碳，并且构造为输出尿素流。
44.所述氮源是氨合成单元。
附图说明
45.图1是根据本公开的示例性实施方式的发电系统和方法的示意图。
46.图2是根据本公开的另一示例性实施方式的发电系统和方法的示意图。
47.图3是根据本公开的又一示例性实施方式的发电系统和方法的示意图。
48.图4是根据本公开的附加示例性实施方式的发电系统和方法的示意图。
49.图5是根据本公开的再一示例性实施方式的发电系统和方法的示意图。
50.图6是示出了根据本公开的示例性实施方式的、在形成适合输出一种或多种产物的情况下发电的过程的流程图。
具体实施方式
51.下文将参考附图更全面地说明本公开的各个方面，附图中示出了本公开的一些而非所有实施方式。实际上，本公开的各个方面可以多种不同形式描述而不应理解为限于提出的实施方式；相反，提供这些示例性实施方式使得本公开充分且完整，并且向本领域技术人员完整传达公开的范围。说明书和权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”等包括复数，除非上下文明确表示。
52.在一个或多个实施例中，本公开提出用于发电的控制的系统和方法。控制系统和方法可以与多种发电系统关联地使用。例如，控制系统和方法可以用于利用汽轮机使加压
流体膨胀的发电系统和方法，尤其其中汽轮机出口温度基本保持恒定或者处于较小限定的温度范围(例如
±
20℃,
±
15℃,
±
10℃,或
±
5℃)。在一些实施例中，本系统和方法可以设置使得控制汽轮机入口压力的的机构基本上与汽轮机本身分离。在示例的实施例中，这可以采用位于可通过轴与汽轮机相连或不相连的主增压机下游的压缩机或泵的形式。在其他示例性实施例中，汽轮机可连接至发电机，并且单个独立驱动的增压装置可以与工作流体一起工作。在这样的实施例中，如本文所述，可以基本上消除压缩机与泵之间的控制点。
53.控制系统可以如本文所述进行实施的发电系统和方法的示例在palmer等人的美国专利no.9,068,743、allam等人的美国专利no.9,062,608、palmer等人的美国专利no.8,986,002,、allam等人的美国专利no.8,959,887、palmer等人的美国专利no.8,869,889、allam等人的美国专利no.8,776,532和allam等人的美国专利no.8,596,075中公开，上述公开通过参引并入本文。作为非限制示例，可以与本文所述的控制系统一起使用的发动系统可构造成在燃烧器中存在co2循环流体的情况下利用氧气使燃料燃烧(优选其中co2在至少约12mpa的压力和至少约400℃的温度下引出)，以提供包括co2的燃烧产物流，优选其中燃烧产物流具有至少约800℃的温度。这样的发电系统还能以以下一项或多项为特征，其可以任何数量和/或顺序组合：
54.燃烧产物流在穿过汽轮机的过程中膨胀，其中排放压力大约1mpa或更大，从而发电并提供包括co2的汽轮机排放流；
55.汽轮机排放流可流经热交换单元以提供冷却的排放流；
56.冷却的汽轮机排放流可被处理以除去除co2外的一个或多个次要成分，从而提供净化的排放流；
57.净化的排放流可以被压缩以提供超临界的co2循环流体流；
58.超临界的co2循环流体流可被冷却以提供高密度co2循环流体(优选其中密度至少约200kg/m3)；
59.高密度的co2循环流体可用泵加压至适合输入燃烧器的压力；
60.加压的co2循环流体可通过流经使用从汽轮机排放流回收的热量的热交换单元加热；
61.加压的co2循环流体的全部或一部分可以利用不是从汽轮机排放流回收的热量进一步加热(优选其中在流经热交换器之前、过程中或之后进行进一步加热)；和/或
62.加热的co2循环流体能够再循环至燃烧器中(优选其中进入燃烧器的加热的、加压的co2循环流体的温度比汽轮机排放流的温度低不超过大约50℃)。
63.如上所列的发电方法由于需要针对关于对多个流的多个参数提供准确的控制，这些参数需要准确控制以提供期望的性能和安全性，本公开的控制系统尤其有用。例如，在一个或多个实施例中，本控制系统可以对于除本文所述之外的任何一个或多个功能有用。在一些实施例中，本文所述的控制系统和方法可尤其包括fetvedt等人的美国专利no.10,103,737中所述的一个或多个元件和/或特征，其公开通过参引并入本文。
64.在一个或多个实施例中，本公开的系统和方法可涉及例如关于图1至图5所示的系统的热量分布调节。这种系统总体上可包括至少一个控制单元100，至少一个控制单元100构造成接收一个或多个控制输入101，一个或多个控制输入101起作用以向控制单元100发送信号，以执行通过一个或多个控制输出102实施的一个或多个控制功能。控制单元101可
涉及可测特性，例如温度、压力、流速、功率输出等，并且本文所述的系统可包括构造为提供期望输出的一个或多个传感器或其他测量部件。控制输出102可起作用以造成系统操作的变化，例如打开或关闭一个或多个阀、改变压缩压力或泵速度以改变一个或多个流的流速或类似操作变量。为此，有用的控制系统可以适配成或构造成在各种电力循环配置中控制功率输出和/或汽轮机排气温度。尽管在热交换器50保持基本上恒定的汽轮机出口温度能够降低与热循环相关的应力，然而并不能完全消除该应力。因此本公开能够提供额外控制功能以解决这种缺点。例如，当汽轮机10处的功率需求降低时，泵20处可发生输出压力和质量流的相应降低。这造成热交换器热分布的变化。
65.在示例性实施例中，本公开可提供一个或多个控制功能，其起作用无论对系统的功率需求如何波动均保持系统效率，并且替代地或附加地，防止热交换单元的一个或多个部段内的温度超过限定的临界温度(可被称为最大操作温度)。例如，针对与汽轮机处的全功率输出相匹配的状况设计和优化的主回热式热交换器能够在功率需求降低时可越发偏离运行(over-perform)。这是因为会针对汽轮机排气处相对较大质量流率和高压工作流体(例如超临界二氧化碳)再循环流指定热交换器表面积。这同样适用于氧化剂流。高压工作流体再循环侧的压力降低还能导致再循环流体(如有也包括氧化剂流)的较低比热。这些变化可累积的显现为增加的平均热交换器温度。为了至少部分解决该顾虑，在一些实施例中，热交换器50可构造为串联的多个热交换器，并且当汽轮机处的功率需求降低时，单元之间的界面温度能够上升。这样的温度波动可造成热应力，然而更重要地，它们还可能导致失效模式。
66.在一些实施例中，将热交换器50构造为尽可能有成本效益是期望的。这样的方法会导致在热交换器50的整个温度范围使用不同材料。尽管所有材料优选涉及在汽轮机全功率输出时泵20的最大出口压力(最小损失以达到最好性能)，然而需要针对不同温度设计材料作为推进最低成本方案的手段(最便宜的材料和最低累积质量)。因此，对于发电设备控制优选包括一个或多个功能，该一个或多个功能起作用以影响热交换器50的中温从而防止在可能发生的热交换器平均温度改变的情况下的设计限制偏移。这可以通过本文讨论的多种方式实现。更特别地，控制功能可起作用以防止热交换单元(heu)的一个或多个部段超出最大操作温度。因此，可以实施一个或多个控制以输出指示heu内(或heu的一个或多个特定部段内)的温度处于最大操作温度的限定阈值内的信号。该阈值可以是例如低于制造商限定的最大操作温度小于20％、小于10％或小于5％。特别地，输出高温度信号的阈值可以在最大操作温度的20％至1％内、15％至1％内、10％至1％内、20％至2％内、15％至2％内、15％至5％内、10％至2％内、或者10％至5％内。
67.因此本公开可涉及控制发电设备的方法。特别地，图1-5示出了根据各实施例的发电设备的流程图，并且本方法可被实施为包含所述附图描述和/或所述附图所示的元件和/或功能的任何组合。在一些实施例中，控制方法可包括调节热交换单元(heu)50的热量分布，该热交换单元50在多个流经过具有第一操作温度的第一heu端50’与具有第二较低操作温度的第二heu端50”之间的情况下运行。更特别地，调节的步骤可包括实施如下控制功能，即通过向流经第一heu端50’与第二heu端50”之间的多个流中的一个或多个流增加流体(例如质量流或体积流)或者从其中抽取流体，改变上述多个流中的一个或多个流的质量流或体积流。该向/从一个或多个流增加流体或抽取流体可以在heu内的中温范围实施。这意味
着特别地增加或抽取可以在位于第一heu端50’与第二heu端50”之间的点实施。换句话说，这可发生在第二heu端的上游和第一heu端的下游。这可例如位于heu50的大约中点位置，或者与第一heu端的距离的5-45％、10-40％、或20-35％内的位置，或者第一heu端的距离的5-45％、10-40％、或20-35％内的位置。因此，流体增加或抽取可发生在heu的更靠近第一端(即“热”端)的部段或者heu的更靠近第二端(即“冷”端)的部段。本文这些位置中的任何位置可称作heu中的“中间”位置。在一些实施例中，heu可以是单个集成单元。在一些实施例中，heu可以是流体相连的多个heu部段的组合。因此，heu的中间位置可以是两个分离的heu部段之间的位置。
68.在一个或多个实施例中，如图1中所示，可以使用一个或多个汽轮机排气旁通管线用以保护热交换器50。总体上，在图1中，燃料从燃料源12流入管线13，可选择地在燃料压缩机14中被压缩，以在燃烧器15中燃烧。氧化剂从氧化剂源25流经管线22，氧化剂源25可以是例如空气隔离单元、氧膜或其他氧化剂源。氧化剂可直接流到燃烧器15，然而如所示出的，在泵40中被压缩之前，氧化剂可以在混合器/管接头27中与回收的co2混合，并且在至燃烧器15的线路上在管线29中流经热交换器50。在燃烧器中，燃料与存在于回收的co2中的氧化剂一起燃烧，以在管线16中形成排放流，排放流随后在汽轮机10中膨胀以在发电机17中产生电(例如电力)。汽轮机排气随后离开汽轮机10至管线18中。
69.如前文提到的，为实现旁通，管线18中的汽轮机排放流流经热交换器50，并且汽轮机排放流的一部分以中温离开热交换器50至管线1中。如图1所示，热交换器50示出为两个单独的热交换部段50a和50b；然而，虚线示出分离的热交换部段可连接为在不同情况下有多个部段(例如2个或更多、3个或更多，或者更多部分)运行的单个heu。如果需要，阀5可由控制器打开，使得汽轮机排放流的一部分流可离开heu从而随后在热交换器70的上游和/或分离器的上游、和/或压缩机30的上游、和/或泵20的上游的位置重新并入主汽轮机排放流。因此，可通过使汽轮机排放流的一部分(及加热的气流)经由旁通管线绕开heu的一部分从而有效地调节heu的热量分布。使汽轮机排放气体的一部分在热交换器50的中间位置离开热交换器50具有如下有效效应，即降低热交换器中在低于管线1中的汽轮机排放流的温度情况下传递的总热能。这造成热交换器的剩余部分的平均温度降低(例如在热交换部段50b中的可用热量)，其代价为增加热交换器70的排放负担(rejected duty)。
70.如果期望，通过旁通管线1离开的汽轮机排放流中的热量还可用于对除了通过管线39提供至热交换器50的回收的co2和通过管线29提供至热交换器50的氧化剂之外的其他流体进行加热。为此，旁通热交换器60可使用管线1中的旁路流作为热量源以向所示出的电力循环外部的任何过程提供热能。应注意的是旁通热交换器60可仅仅是热交换网络50的专用部段(例如，旁通热交换器60可集成至热交换器50并且操作使得仅管线1中的流流经热交换器60以用于排热)。
71.因此以该方式实施的控制功能可以响应控制器100接收到的一个或多个信号使流经heu的加热流的一部分通过旁通管线1绕过heu的其中一部分。例如，控制器100接收的输入信号可以是指示heu内的温度处于heu的最大操作温度的限定阈值内的信号。例如，温度输出101可以从heu内的一个或多个检测点处的一个或多个温度传感器产生。热交换器50内的温度检测点可构造为向控制器操作阀5提供反馈。由此，控制器100可向阀4或向发电设备的其他部件输出信号102a以在特定条件下使或多或少流体流经旁通管线1。当热交换器50
内的中温达到最大设计限制时，对阀5提供控制的控制器会向阀5发送信号以打开。这会促进管线1中的流在流至热交换器70之前流经旁通热交换器60。如果运行状态(例如功率需求)满足热交换器50中的中温低于设计限制，那么阀5可以保持关闭(或者在之前打开的情况下关闭)以便使流偏流通过热交换器50的剩余部分(例如热交换器部段50b)。这具有提高电力循环的热回收的优点。任何数量的旁通管线可以并联方式集成至热交换器50作为在交换器系统的各个部分提供更限定温度的装置。阀5的控制器和/或任何其他温度控制阀可实际操作使得电力循环以次最优方式运行，从而电力循环内的热回收减小到最低程度。这种情形可发生在热交换器60处使用无碳热能相比于汽轮机10处发电使用无碳热能有更大作用的情况时。
72.在其他实施例中，对旁通管线1的控制可基于从汽轮机10和发电机17的功率输出起作用。例如，能够通过控制器100接收到指示功率需求变化的信号101b，信号101b起作用以使汽轮机10的运行变化改变发电设备的发电机17的发电。作为响应，控制器100可提供使或多或少流体流经管线1的输出102b。
73.发电循环可继续，其中管线18中的汽轮机排气能够与管线1中的旁通流汇合，例如在混合器/管接头21中汇合，然后经由管线19到达热交换器70，其中排放流被冷却至接近环境温度。排放流随后经由34流至分离器35，其中在管线36中提供基本上纯净的co2流。co2流随后在压缩机30中被压缩，可选择地在热交换器80中被冷却，随后在泵20中被泵至期望的压力范围，以通过管线39回收至燃烧器15。可选地，管线39中的co2流的一部分可以被分流至管线38中并且流至混合器/管接头27，如上文提到的，从而与氧化剂混合。类似地，管线39中的co2的一部分可被分离并流经管线37以用于输出或其他最终用途，例如eor。来自分离器35的水可通过排水管33流出系统。
74.热交换器温度控制的其他手段还可以除上述旁通方案之外包括一个或多个控制功能。图2示出了另一示例性实施例，其中已关于图1描述的元件基本上没变化。在图2中，发电系统可构造成提供从泵20和泵40流经热交换器50的一个或两个流中的至少一部分的再循环。例如，可将阀6用于在管线39中流经热交换器50的回收co2流中的至少一部分的再循环，使得回收co2流的所述部分在管线18中流至汽轮机排放流。类似地，可将阀7用于在管线29中流经热交换器50的氧化剂流中的至少一部分的再循环，使得氧化剂流的所述部分在管线18中流至汽轮机排放流。
75.因此调节heu的热量分布可包括以下一者或两者：使在heu中被加热的回收流的一部分流至在heu中被冷却的排放流，使得所述调节起作用以增加流经heu的一部分的排放流的质量流；和使在heu中被加热的氧化剂流的一部分流至在heu中被冷却的排放流，使得所述调节起作用以增加流经heu的一部分的排放流的质量流。更特别地，当汽轮机10的期望输出增加时，泵20和/或泵40到燃烧器15的排流速可被同样地控制为随需要增加。如果泵作为固定速度单元运行，热交换器50中的各个再循环管线中的适当的阀(例如管线39a中的阀6或管线29a中的阀7)将开始关闭。这不仅会向燃烧器15(最终向汽轮机10)输送更大的质量流，而且还会增加由热交换器50向燃烧器15提供的热能的量。否则，当汽轮机15的功率输出降低时，阀6和阀7能随需要打开。这人为地增加经过热交换器50的下半部(例如经过热交换部段50b)的流速并且降低汽轮机排放温度以进一步帮助控制热交换器温度分布。
76.因此控制功能可包括使回收流的一部分和氧化剂流的一部分中的一者或两者响
应于以下输入中的一个或两个而流至排放流：指示功率需求变化起作用以使汽轮机的操作变化改变发电设备的发电(参见图1中的信号101b)的信号；和指示heu内的温度处于heu的最大操作温度的限定阈值内的信号(参见图1中的信号101a)。因此可产生输出信号102c和102d以控制流体分别流经阀6和阀7。尽管信号101a和101b作为示例性实施例示出，应理解的是可以从本系统的多种部件接收到类似信号。例如，可通过控制器从泵20、泵40、压缩机30、压缩机31、igv32、分离器35、压缩机14和本文所述的任何管线接收输入信号。由此，信号可以使信息直接关联系统特定点处的压力、系统特定点处流速、系统特定点处的温度、系统特定点处的化合物的摩尔浓度或如本文其他方面描述的对于实施控制功能有用的任何类似参数。例如，适合的输入信号可包括以下一个或多个：功率需求信号、气化炉输出信号(例如指示合成气流超过预定阈值量)、氢气需求信号(例如指示氢气流超过预定阈值量)、来自气化炉的合成气化学信号(例如指示生成的合成气的一个或多个成分的预计的或实际的摩尔分数)、限定发动至电力循环的合成气流合成气化学的信号(来自旁通和分解的氢合成气流的混合流)、给料改变信号、asu操作信号、氮有效性信号、混合燃料wobbe指示信号等。同样，输出信号可专用于控制系统的上述部件中的一个或多个，以实施如本文其他方面所述的控制功能。
77.在期望使汽轮机10运行以具有最大输出(例如满负荷运行)的实施例中，结合在最小使用再循环管线(29a、39a)的情况下接近瞬时地提供通过热交换器50的泵20和/或泵40的最大流速，可使用热交换器旁通管线1限制热交换器50中的温度变化速度。
78.在一个或多个实施例中，本公开的电力循环可运行以使用一个或多个再压缩系统，并且该系统也能够被控制从而管理流经再压缩循环的流以实现热交换器50中的中温管理。再压缩系统不仅对回收流体加压，而且向电力循环的主回热式热交换器(例如热交换器50)提供低位热量作为回收温度优化的手段。图3示出了具有起始于热交换器50内部的再压缩系统的直接燃烧的sco2循环。因此再循环压缩机31可构造为抽取流经heu50的一部分加热的汽轮机排放流，将所抽取的该部分加热的汽轮机排放流进行压缩，并在heu的下游部段处再加入压缩的该部分加热的汽轮机排放流。如所示出的，该部分汽轮机排放流在heu部段50a与heu部段50b之间被抽取并且在heu部段50b再加入。
79.如上所述，对该系统功率需求降低会产生更高的平均热交换器温度。通过在保持恒定出口压力的情况下增加再压缩管线3的吸气温度(以及因此其出口温度)对压缩机3产生影响。在这些实施例中还预期会增加压缩机31的能量消耗。在一些实施例中，可通过主动降低经过压缩机31的流速同时在管线3中保持对于排放流的基本上恒定的出口温度从而有效地彻底改变这种趋势。针对压缩机31的控制器可主动监测管线3上的一个或多个检测点以通过向压缩机31的入口导叶(igv)32的位置提供反馈从而确保管线3中的流不超过最佳期望温度。在该方式中，控制功能可包括响应于指示heu内的温度处于heu的最大操作温度的限定阈值内的信号(参见例如图1中的信号101a)，关闭再循环压缩机31的入口导叶(igv)32。该输出信号在图3中示出为信号102e。
80.在传统控制中，igv用于限制功率消耗同时对电涌保持安全余量。igv可用于通过多个控制器控制排放压力。然而，在特定情形下，igv可被置于人工控制并且强行打开以便增加回收管线中的流量。在这种情况下，系统的存量会增加。这可通过预先改变负载或者打开下游泵实现。如本公开更具体涉及的温度优化，当接近优化温度时，压缩机31的igv可关
闭以便减少通过单元的的排放流。热交换器50流量降低和后续低位热量可产生层叠效应，其中平均热交换器温度将下降。最终压缩机31处降低的流量和降低的吸气温度的反馈会集中于满足检测点处要求的运行模式。这还造成使可通过热交换器50得到的回收温度水平最大化所需的压缩机31处的最低能量消耗。当压缩机31的igv关闭时，压缩机30的igv可需要打开以使其对增加的流量夹压。或者，如果在热交换器60处发生热量回收，则压缩机31的吸气温度会下降并且管线3上的温度检测点的温度也可下降。这实际上迫使压缩机31的igv打开以产生更多热量。相反地，压缩机30的igv会需要关闭以应对压缩机31处增加的流量。在所有情形中，igv可通过再循环管线和冷却器替代。
81.在其他实施例中，可实施如图4所示的向热交换器网络50提供热量的另一方式。特别地，可在热交换器50的中温处设置另一热源(加热器90)。加热器90可通过直接或间接提供热量运行。热量源也可以改型，例如其可来自电力、太阳能、核能或燃料燃烧源。加热器90也可位于热交换器网络50内的任何流上。在一个实施例中，加热器90是在汽轮机10的排放流上的氧化燃烧管道燃烧炉。燃烧的燃料排放物自由地与汽轮机排放流混合并且有助于温度升高。这种热能的增加可用作若干目的。例如，如所示出的，加热器90位于如上所述的旁通管线1、再循环管线29a和39a以及再压缩管线3的下游。在此情况下，设备可以预加热，同时汽轮机10周围循环的平衡以基本上闭环方式运行。与阀6和/或阀7关联的旁通管线可以使一部分或所有源流转向。设计流速可构造成万一发生跳闸能适应对汽轮机10的超速保护。在其他实施例中，加热器90可用于为热交换器60提供额外的热能，以达到最小影响热交换器网络50的温度分布的程度。在这些实施例中，管线1可被重新改造为在热交换器网络50内在加热器90的下游从汽轮机排放流管线18排放流分支。在又一实施例中，从加热器90提供的热量可用于激励在压缩机31处igv的关闭。在没有机轮机10处的功率输出变化或热交换器50的热交换器分布的变化的情况下，由于优先改道至通常构造为具有相对更高运行效率的压缩机30的回收工作流体的加压，设施外部的净功率预期增大。
82.除了影响热交换器50的分布的汽轮机排气温度，通过管线29和/或39进入热交换器50的流的温度由于用作低温能阱也会影响热交换器分布。在其中热交换器50针对全功率输入优化的实施例中，存在回收流体具有的当其离开泵20并进入热交换器50时的假设温度。当循环经历功率输出降低时，如果功率降低对泵20要求更低压力，则进入热交换器50的回收流体的温度会下降。这具有降低平均热交换器温度的影响。尽管该影响不会促使超过热交换器50的中温检测点的设计限制，然而当汽轮机功率输出改变时会增加热循环。该现象可通过增加在泵20处的做功以保持接近恒定的出口温度而减轻。管线39在泵20出口处的的回收co2流上的温度检测点可用于向与泵20关联的控制器提供反馈。控制器可用于偏置压缩机30的出口处的设定点压力。如果汽轮机处的载荷需求要降低或热交换器80处的冷却温度要降低，则压缩机30处的设定点压力也会降低(逆向操作发生)。尽管期望在泵20处保持接近恒定的输出温度，其并非在所有情形下均可行。泵20的吸气压力优选不允许降低至与工作流体相关的温度-压力关联曲线以下。曲线描述了热交换器80要求的一致的温度和压力，其造成满足可兼容用于泵20的最小比重的单相工作流体。如果压缩机30出口压力进一步降低不可行，则热交换器80处的冷却功率可降低，直到达到泵20的出口处的期望的设定点温度。冷却功率变化可促进冷却功率的迭代平衡和压缩机出口压力，直到实现温度-压力关联曲线的最低要求。应理解的是上述方案可与串联的任何数量的压缩机和泵相兼容。
另外，冷却水温度变化可提供与负载变化类似的效果并且可以类似方式处理。
83.除了上述温度控制方案，当泵20和/或40关闭时热交换器50的温度也可调节。这可通过流经冷却器80和/或冷却器70或者压缩机30内的中间冷却器(例如当压缩机80构造为具有中间冷却的多级压缩机时)的冷却水的调制实现。可期望将过量的低位热量提供至热交换器50的冷端以便提供如上所述的同样温度调节。另外，所述热交换器的温度调节还可用于影响下游泵20和/或泵40的入口温度达到其提供的做功产生能够提供主回热式热交换器做功的排放的程度。这能够作为降低入口压力的替代方式实现，该替代方式能够可行地产生可比条件。不同泵的入口压力可保持在恒定压力，同时温度可调节为提供在相应的出口压力下使热交换器平衡所需的适当出口温度。
84.本文描述的不同温度控制方案可独立使用或者与本文描述的其他控制方案中的一个或多个结合使用。如果同时使用多个温度控制方案，可以本文描述的方式对其性能优先考虑。尤其可优选地，通过汽轮机排气旁通管线1的流速在所有水平的汽轮机功率输出中被最小化。这是因为流经旁通管线1的流中包含的热能能够来源于驱动电力循环的热源。在汽轮机排气与回收流体之间保持最大量的热传递有助于最大电力循环效率。或者，使用加热器90能够取消该效果并且允许热交换器60处的热量回收仅在设备资源与电力循环之间平衡。因此，泵20出口温度可控制为其最佳值。最后，通过再压缩系统的流速(例如管线3和压缩机31)可被最小化或最大化，使得管线3上的检测点处的温度接近其最佳期望值的程度。
85.在另一实施例中，可借助于与电力循环汽轮机布置相关的一个或多个控制功能提供热量管理。如图5所示，串联运行的多个汽轮机或汽轮机部段可构造为除主燃烧器15之外还具有一个或多个居间的热源。在图5中，两个汽轮机10a和10b示出为具有一个居间热源90，然而，两个或更多个、三个或更多个、甚至更多的汽轮机或汽轮机部段可以与一个或多个、两个或多个、甚至更多的居间热源一起使用。特别地，如所示出的，管线16中的燃烧器排气经过第一汽轮机10a达到发电机17a并提供管线18a中的第一汽轮机排气，第一汽轮机排放流经居间加热器90。管线18b中离开居间加热器90的加热流经过第二汽轮机(或最后汽轮机)10b到达发电机17b并提供管线18c中的第二汽轮机(或最后汽轮机)排气，第二汽轮机排放流至如本文所述的热交换器50。
86.居间加热器90中提供的热量可来自于任何源(例如蒸汽、太阳能、燃烧)。在一些实施例中，如图5所示，加热器90可以是燃烧加热器。因此，来自燃料源12的燃料可通过管线130提供至加热器90，并且来自氧化剂源25的氧化剂可通过管线220提供至加热器90。
87.就本文描述的主控制逻辑来说，在基本上稳定和瞬时状态期间泵20处的流量控制可用于控制热交换器50的入口温度。汽轮机排列处的负载输出的改变(例如离开排列中的任何汽轮机，或者更特别地，离开排列中的最后的汽轮机)可通过使或多或少的流从燃烧器10向居间加热器90改道实现。管线37中存在的阀8可用于保持来自汽轮机10b的恒定的出口压力，并且燃烧器15与居间加热器90之间燃料的流动可改变各单元的作为结果的出口压力，并且因此改变计入汽轮机10a和汽轮机10b的流的压力。随后汽轮机10a和汽轮机10b各自的相对做功还可分别针对给定的系统燃料输入改变。对于汽轮机10a和汽轮机10b的运行的确切状态可对单元的效率具有实质影响。在该系统构造中，固定的燃料流量可由于膨胀机在其给定的固有性能曲线的情况下运行特性的改变而导致净功率输出的各种变换。与该
作用相关的是泵20提供的总体系统流速可根据保持进入热交换器50的恒定温度而改变。尽管流至电力循环的燃料可保持恒定，当期望功率输出降低时，通过热交换器50的排放流速可人为的操作，以便在加热器60处继续余热利用。
88.如图1至图5明显示出的，本公开可不仅涉及控制发电设备的方法，还涉及发电设备本身的构造。发电设备可包括关于附图标记描述的部件或本文其他方面描述的部件的任何组合。例如，发电设备可包括至少汽轮机10、发电机17、热交换单元(heu)50、一个或多个压缩机30或泵20、和控制单元100。另外，heu50可尤其构造用于流经具有第一操作温度的第一heu端50’与具有第二更低操作温度的第二heu端50”之间的多个流之间的热交换。流可包括例如汽轮机排放流18、回收流39(其可包括基本上纯净的二氧化碳)和氧化剂流29(其可包括基本上纯净的氧、可包括空气或者可包括氧气和二氧化碳的混合物)。
89.另外，heu可包括一个或多个部件，该一个或多个部件构造为向位于第一heu端50’与第二heu端50”之间的位置点处的多个流中的一个流或多个流增加质量流或者从其中抽取质量流，使得流经多个流中的一个流或多个流的流体的一部分从流经heu的剩余部段的流路改道。例如，参考图1，汽轮机排放流18的一部分通过旁通管线1改道并且因此不流经heu部段50b。另外，控制单元可构造为接收限定发电设备的运行状态的信号101并基于信号101输出信号102，信号102起作用以控制构造为向多个流中的一个或多个流增加流量或从其中抽取流量(例如质量流或体积流)。在一些实施例中，heu50可构造为用于至少离开汽轮机的汽轮机排放流与回收流和氧化剂流中的一者或两者之间的热交换。另外，构造为向多个流中的一个或多个流增加流量或从其中抽取流量的一个或多个部件可包括构造为使汽轮机排放流的一部分围绕heu的一部分改道的旁通管线1和旁通阀5。在该构造中，设备还可包括旁通热交换器60，其与旁通管线1操作并且构造为从汽轮机排放流的改道的部分向一个或多个另外的流2传递热量。
90.在一些实施例中，构造为向多个流中的一个流或多个流增加流量或从其中抽取流量的一个或多个部件可包括设置在汽轮机排放流18与回收流39之间的再循环管线39a和再循环阀6。类似地，构造为向多个流中的一个流或多个流增加流量或从其中抽取流量的一个或多个部件可包括设置在汽轮机排放流18与氧化剂流29之间的再循环管线29a和再循环阀7。
91.在其他实施例中，发电设备可包括构造用于独立于heu50运行的加热器90。该独立运行可意味着加热器90提供的热量来自除了用于在heu50中提供热交换的任何加热流之外的源。例如，加热器90可构造用于在第一heu端50’与第二heu端50”之间的位置向汽轮机排放流18添加热量。如上文所述，加热器90例如可以是燃烧加热器。其他构造和部件可基于上文已讨论的图1至图5示出的其他部件识别。
92.在一些实施例中，本文所述的电力循环可与液化天然气(lng)再蒸发终端结合。参见例如allam等人的美国专利9,523,312，其公开通过参引并入本文。在该实施例中，除了发电要求之外，燃料流速及其相关的用于温度调制的鼓风机可被调制以调节再蒸发需求。
93.在一些实施例中，本系统和方法可调整并构造为针对汽轮机可通过其密封而泄露的偶发事件进行调节。在这种情况下，可加入压缩机，以压缩密封泄漏并将其设置回气流和压缩机之间的循环。在这种情况下，同一压缩机还可用于启动以从外部箱或管路填充系统。在该情况下，压缩机排放可利用控制器控制以调节系统的低压。压缩机的吸气可控制为引
起汽轮机填料压盖密封处的正压或负压。从正压到负压变化可在整个运行中变化以调节化学成分受到大气污染。
94.在如上所述的燃烧循环稳态运行的过程中，燃烧产物必须连续从循环中去除(例如通过管线37除co2和/或通过管线33除水)以便保持与进入的燃料和氧化剂的物料平衡。产生的h2o和co2必须排干和/或排出；然而，如果气态co2要在下游处理中使用，可在达到汽轮机入口压力的压力下排放。首先需要机型除水步骤。任何残余so
x
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可在原位置去除(例如在分离器35中)。然后co2可使用位于发电循环中的工作流体涡轮机械被压缩和/或加压至期望压力。另外，co2流可进行清洁处理从而进一步去除诸如o2和ar的微量污染物。此时可将流输出用于下游使用。
95.如果需要在下游处理中使用之前使co2达到提升的温度，可期望与汽轮机排放流路径逆向地在发电循环中主回热式热交换器组中加热co2。当输出流在热交换器排列中被逆向加热，进入汽轮机的回收co2会降温。为了防止该变化，通过打开单元上的入口导叶(igv)可增大流经热气压缩机的流速。这有助于向热交换器组提供增加的低位热量的目的。还会降低流经主co2压缩机的co2的总体流速。这会迫使该单元上的igv关闭以便适应新的情况。如果入口状态与之前保持一样，则汽轮机处的总功率输出不会改变。如果保持回收co2温度则向设施的燃油输入也不会变化。相反，如果热气压缩机作为加压设备与主co2压缩机相比效率较低地运行，则设备的净功率输出会降低。基本作用在于已经转换为电力的燃料作为排出的co2流中的热能输出。所有燃烧和加压活动通过电力循环的设备和控制能力固有地管理。进入下游处理的热量的质量和数量可通过由回热式热交换器组加热的输出co2的量以及由热气压缩机处理的co2的总流速改变。
96.在一些实施例中，本公开的系统和方法允许发电循环中的热气压缩机为回热式热交换器的优化提供低位热量，同时还用作外部工业处理的热源，其利用循环的输出co2作为原料和/或热量传递流体。热气压缩机被管理，以使得汽轮机的入口状态(和因此总性能)不改变，同时热量被提供至下游工业处理。因此，汽轮机的热循环不发生。然而，如果产生用于外部工业处理的热量增加热气压缩机的附加载荷，发电循环的净功率输出会降低(即将电力转换回热能)。这具有改变生产用于发电循环的每个mwhr生成的co2的影响(允许解决co2需求对功率需求的差异的灵活性)。对于下游工业处理的优点在于消除了专用的热量生成(例如天然气燃烧器等)和热量回收设备(蒸汽锅炉、管壳式热交换器、给水泵等)。同样，由于在发电循环的汽轮机处已发生通过燃烧的热能生成，下游处理能够在没有排放物分布的情况下操作。另外，与其他化学处理不同，发电循环中生成的co2在没有任何附加设备和溶剂的情况下通过其燃烧和下游desnox处理进行净化。任何残留的气体燃料(例如ch4、co、h2、c2h6)通过燃烧从co2中消除，并且任何流(nox和/或sox)在下游的直接接触冷却器处消除。
97.根据本公开可用的控制功能能够利用当前描述的发电系统和方法生产出了能量之外的多种最终产物。co2生成、压缩和加热处理可完全被包含在发电循环内，并且因此能够即使在不存在下游工业处理的情况下利用电力循环所需的设备。用于向下游处理热输入的天然气的燃烧可利用非高峰电价。这可使发电循环用作提供电、co2和热量的三联产设备。
98.在一些实施例中，尿素合成可以与电力循环结合，并且这可需要氨源。所需要的氨气(nh3)可以是实施发电循环的副产品或者可以作为商品引入(例如从外部氨气工厂)。在
nh3作为商品购买时，根据本公开的输出co2用作尿素合成的发电循环可实施以提供用于电力和尿素的副产品的方法。特别地，co2可以在如本文所述的燃烧处理中形成(例如来自管线37的产品、从管线39中的一些位置升高的温度或者从泵20的较低压上游)。有益地，通过将冷的回收co2逆流加热至要求的燃烧入口温度，燃烧的高位热量可以从燃烧器排气或者汽轮机排放流(例如在热交换器50的位置处)回收。这可以特别是离开泵20的加压流。压缩机(例如压缩机31)的igv32可打开以在压缩机的入口处增加co2流速，从而增加从压缩机生成的用于下游尿素合成处理的低位热量(例如大约150至300℃)。压缩机入口处的co2流速可通过下游尿素合成所需的额外低位热量的量指定。同时，主压缩机30的igv可关闭以调节相应地进入其中的co2。在主热交换器50处的总co2出口可发送至分离器35以进行液态水去除和sox/nox(如有)去除。co2可被压缩并被泵加压至要求的压力(例如在压缩机30和泵20中)，并且在大约140-175bar的压力下co2的一部分可与主co2流分离。分离的co2可被引导至主热交换器50以加热至大约190℃，然后该部分co2能够在大约140-175bar和大约190℃被输送至下游的尿素生成单元。该部分co2的最终温度、压力和流速能够通过尿素合成处理指定。可需要的低位热量可从压缩机31或类似单元生成。任何剩余的需要的co2可被泵加压至燃烧入口压力，在主热交换器50中逆着汽轮机排放流被加热至燃烧入口温度，并被引导至燃烧器15。通过该方法保持主热交换器的分布。
99.在其他实施例中，根据本公开的输出co2用于尿素合成的发电循环可利用在发电循环中同时生成的氨气实施。在这些实施例中，可以在适合的合成气生产单元中处理适合的原料(例如被输送至气化炉或甲烷蒸汽重整(smr)单元)以生成粗合成气。粗合成气可通过适合的分离单元(例如膜分离单元)处理，其中氢气可从粗合成气中分离以用于氨合成。缺氢合成气可被输送至发电循环的燃烧器和汽轮机以用于本文所述的发电，并且氢气(或氢气的一部分)可被输送至氨合成单元。汽轮机排气(co2流)可被引导至主热交换器以用于高位热量回收。co2的一部分可被引导至压缩机以用于针对尿素合成的低位热量生成。离开热交换器的总co2流随后可被引导至desnox单元以用于sox/nox去除。在该单元(其可用作分离器35的替代或附加)，原料中的所有硫化合物从co2中去除。因此，酸性气体去除系统或气体脱硫系统被消除以用于该多联产系统。离开desnox单元的co2处于环境温度且大约30bar压力，并且没有液态水和sox/nox。来自空气分离单元(其可以是发电循环的组成部分)的氮气和来自膜分离器的氢气被输送至氨合成单元。氨合成的操作状态可以处于大约200-250bar且大约400-500℃的温度。氨合成处理的热源可以来自于汽轮机排气、热气压缩或系统中的其他热源。从氨合成单元产生的氨可作为化学产品销售，或者可以与来自用于生产尿素的desnox处理的清洁co2一起被输送至尿素合成单元。氨和尿素中的一者或两者的生产可如图6所示。
100.在其他实施例中，本文所述的电力循环可与诸如油页岩蒸馏的处理结合。目前油页岩通过收集矿料并置于炉内进行蒸馏。根据本公开的处理可完全避免开矿并可提供对目前不可用的深层储藏的获取和使用的选择。在示例实施例中，加压并加热(例如对于石油生产加热至大约50-150℃或者对于天然气生产加热至大约150-200℃)的co2可被注入地下含沥青的油页岩储藏中。加热的co2穿过形成沥青的沉积岩结构渗入，从而形成石油和/或天然气形式的轻烃。co2的压力迫使轻烃达到表面以用于收集。
101.在另外的实施例中，电力循环可以用于碳捕获、利用和在盐水层中的存储。例如，
加压的co2(例如来自管线37)可以要求的储层压力被输送至盐存储地点。在被诸如地下之前，可通过本文所述的系统和方法利用发电循环将流预热至储层水的露点以上的温度。当接触到盐水层时，液体含量的一部分蒸发。流(脱盐水)和注入的co2的一部分的混合物流动通过邻近的减压井，从而能够在表面处获得水并且重新使用co2。除了进行脱盐，储层被减压以允许进一步存储co2。
102.在本文所述的一些实施例中，co2流可被处理以用于氧去除以提高在碳氢化合物回收中利用co2的能力。在示例实施例中，一个或多个热气压缩机的igv可打开，从而提供增加的流以将相当于设备输出流的co2流加热至大约250℃的温度(在一些实施例中根据压缩机设计该温度可更大)。设备输出流可以期望压力提供通过主热交换器50并逆着压缩机流被加热，或者可以在其排放时直接来自压缩机。加热的co2排放流然后可提供至混合器，甲烷、天然气或h2被引入混合器。加热的混合流然后可通过催化燃烧室处理，在催化燃烧室中热能利用co2中的残留o2含量催化燃料含量的氧化。产生的流基本上不包括o2但包括增加的残留燃料含量、co2含量和/或h2o含量。然后流可被冷却并且去除全部或部分水含量。如前文所述，本公开尤其可提供用于电力和一个或多个最终产物的联产的系统和方法。在示例实施例中，具体地参考图6，系统可包括：发电单元，发电单元至少包括燃烧器、汽轮机、热交换器和分离单元，发电单元构造成接收燃料流和氧化剂并且输出电力和基本上纯净的二氧化碳；合成气生产单元，其构造为接收原料并提供合成气产品，合成气产品的至少一部分用作发电单元中的燃料流的至少一部分；空气分离单元，其构造为提供用作发电单元中的氧化剂的氧并构造为提供氮；以及氨合成单元和尿素合成单元中的一者或两者。
103.在一些实施例中，可专门设置氨合成单元。在这种情况下，期望氨合成单元构造为从空气分离单元接收氮气，构造为从氢源接收氢气，并构造为输出氨气。在相关实施例中，氢源可以是构造为从合成气生产单元接收合成气产物的至少一部分并且提供氢气流和氢还原合成气流的氢气分离单元，氢还原合成气流可用作发电单元中燃料流的至少一部分。
104.在一些实施例中，可以专门设置尿素合成单元。在这种情况下，期望尿素合成单元构造成从氮源接收氮气，构造从发电循环接收二氧化碳，并且构造成输出尿素流。在相关实施例中，氮源可以具体为氨合成单元。
105.如图6进一步示出的，该系统和方法可包括使用能够使合成气的一部分绕过氢气分离并且直接进入电力循环中的可选择的旁通和控制。这允许更大的操作自由度以及汽化炉、电力循环和氢气生产的部分去联接。在一个或多个实施例中，旁通管线可基于可以由控制器接收的多个输入信号进行控制(例如图1-5中的控制器100)。例如，适合的输入信号可包括以下任何一个或多个：功率需求信号、气化炉输出信号(例如指示合成气流超过预定阈值量)、氢气需求信号(例如指示氢气流超过预定阈值量)、来自气化炉的合成气化学信号(例如指示生成的合成气的一个或多个成分的预计的或实际的摩尔分数)、限定发动至电力循环的合成气流合成气化学的信号(来自旁通和分解的氢合成气流的混合流)、给料改变信号、asu操作信号、氮有效性信号、混合燃料wobbe索引信号等。基于上述信号中的一个或多个，图6中限定的一个或多个操作单元可以在操作上调节以提供期望的最终产物和/或期望的电力输出。同样，可以使用这些信号改变任何一个或多个独立单元的处理效率(例如发电、合成气生产、氢气生产、氨气生产、空气产物生产和尿素生成)。同样，可以使用这些信号调节设施的总经济产量。
106.在上述说明和相关附图的教导下，本发明所属领域的技术人员会想到本发明的多种变型和其他实施例。因此，应理解本发明不限于公开的特定实施例并且意在将变型和其他实施例包含在所附权利要求的范围内。尽管本文使用了特定术语，然而这些术语仅以一般和描述的意义使用而不意于限制。本文使用“大约”和“基本上”可表示相对程度，使得“大约”特定值或者“基本上”特定值的数值可具体地为 /-5％、 /-4％、 /-3％、 /-2％、或 /-1％的量。