Средства управления для турбины с множеством камер сгорания

Средства управления для турбины с множеством камер сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее раскрытие, в общем, относится к системам и способам обеспечения работы газовой турбины и, в частности, обеспечения работы газовой турбины на основе низкоэнергетического топлива (с малым содержанием энергии).

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0002] В обычной газотурбинной системе сжигают высокоэнергетическое топливо (с высоким содержанием энергии), например, пропан, и выполняют его впрыск в подаваемый под давлением воздух, нагревая, таким образом, и повышая тепловую энергию газа. Энергию затем выделяют из нагретого газа с помощью турбины, которая преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию. Кинетическая энергия может использоваться для приведения в действие другого устройства, например, электрогенератора. Процесс сгорания часто инициируют от источника воспламенения, например, свечи зажигания. Из-за высокого содержания энергии топлива, сгорание происходит очень быстро и практически мгновенно.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Один из недостатков существующих газотурбинных систем состоит в том, что они требуют топлива с высоким содержанием энергии, такого как пропан (C₃H₈), который может поддерживать непрерывное горение. При этом желательно, чтобы газовая турбина могла работать от топлива с низким содержанием энергии, такого как метан (CH₄), который добывают из некоторых мусорных свалок, при этом получают выхлопные газы с минимумом нежелательных компонентов, таких как моноокись углерода (СО) и различные оксиды азота. NO_x представляет собой обобщенный термин для монооксидов азота NO и NO₂ (оксид азота и диоксид азота). Для выполнения этой операции, температуру газа повышают достаточно высоко, чтобы преобразовать все летучие органические соединения (VOC) в поступающей смеси топлива/воздуха в двуокись углерода (СО₂) и воду (Н₂О) и удалить СО при поддержании максимальной температуры газа ниже температуры, при которой образуются NO_x.

[0004] В раскрытой турбинной системе используется реактор постепенного окисления (также здесь называется окислительным реактором, камерой постепенного окисления, камерой реакции окисления), вместо камеры сгорания, для выработки тепла, которое запускает процесс. Окислительный реактор может содержать материал, такой как керамический материал с пористой структурой для потока газа, и поддерживает свою конструкцию при температурах выше 1200 градусов по Фаренгейту (F) (~649°С).

[0005] В некоторых вариантах осуществления реактор постепенного окисления имеет очень большую тепловую инерцию и его разогревают вплоть до рабочей температуры 1000-1200°F (534-649°С) прежде, чем возникнет процесс постепенного окисления. Поэтому, турбинная система может быть запущена от альтернативного источника энергии, и при правильном нагреве окислительного реактора система может переключиться с режима работы с использованием альтернативного источника энергии на режим работы с использованием процесса постепенного окисления. В некоторых вариантах осуществления для запуска турбины используется камера сгорания. В некоторых вариантах осуществления обеспечивается, что тепло из турбины подогревает входящий газ через теплообменник, но этого может быть недостаточно для подогрева окислительного реактора до температуры, которая поддерживает процесс постепенного окисления. В некоторых вариантах осуществления используют подогреватель для нагрева входящего воздуха на входном отверстии окислительного реактора, для повышения температуры окислительной камеры до требуемого диапазона рабочих температур.

[0006] В некоторых вариантах осуществления раскрыта система для постепенного окисления топлива. Система содержит окислительный реактор, имеющий реакционную камеру с входным отверстием и выходным отверстием. Реакционная камера выполнена с возможностью приема газа, содержащего окисляемое топливо, через входное отверстие. Окислительный реактор выполнен с возможностью поддержания беспламенного процесса окисления. Система также содержит первую нагревательную камеру (камеру сгорания подогревателя) со входным отверстием и выходным отверстием. Входное отверстие находится в гидравлическом сообщении с выходным отверстием реакционной камеры. Первая нагревательная камера выполнена с возможностью приема газа из реакционной камеры и избирательного нагрева этого газа.

[0007] В некоторых вариантах осуществления система дополнительно включает в себя турбину, имеющую входное отверстие и выходное отверстие, причем входное отверстие турбины соединено с выходным отверстием первой нагревательной камеры, турбина выполнена с возможностью приема газа из первой нагревательной камеры. Система может дополнительно включать в себя, в определенных вариантах осуществления, компрессор, соединенный со входным отверстием реакционной камеры, и дополнительно соединенный с турбиной, компрессор выполненный с возможностью приведения в действие от турбины для сжатия газа перед введением газа в реакционную камеру.

[0008] В некоторых вариантах осуществления система включает в себя вторую нагревательную камеру (камеру сгорания турбины), подсоединенную между компрессором и входным отверстием реакционной камеры, вторая нагревательная камера выполнена с возможностью приема сжатого газа из компрессора и избирательного нагрева газа до приема газа реакционной камерой. Некоторые варианты осуществления обеспечивают то, что система дополнительно включает в себя теплообменник, содержащий первый участок, подсоединенный между компрессором и второй нагревательной камерой таким образом, что газ из компрессора проходит через второй участок прежде, чем он будет принят второй нагревательной камерой, и второй участок, соединенный с выходным отверстием турбины таким образом, что газ из турбины проходит через второй участок, при этом теплообменник выполнен с возможностью теплового контакта газа на втором участке с газом на первом участке.

[0009] В некоторых вариантах осуществления окислительный реактор включает в себя пористую среду, расположенную внутри реакционной камеры. Окислительный реактор может дополнительно включать в себя, в определенных вариантах осуществления, по меньшей мере один прикрепленный нагреватель, который, по меньшей мере частично, расположен внутри реакционной камеры. В определенных вариантах осуществления обеспечивается то, что окислительный реактор не содержит катализатор для процесса окисления.

[0010] Окислительный реактор, предпочтительно, дополнительно выполнен с возможностью поддержания процесса окисления, когда содержание топлива в газе ниже уровня, необходимого для поддержания непрерывного горения. В некоторых вариантах осуществления окислительный реактор дополнительно выполнен с возможностью поддержания процесса окисления, когда газ содержит меньше 5% окисляемого топлива. В некоторых вариантах осуществления окислительный реактор дополнительно выполнен с возможностью поддержания процесса окисления в то время, как окисляемое топливо представляет собой метан.

[0011] В некоторых вариантах осуществления первая нагревательная камера включает в себя горелку, выполненную с возможностью приема и воспламенения горючей смеси топливо-воздух. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено, что вторая нагревательная камера содержит горелку, выполненную с возможностью избирательного приема и воспламенения горючей смеси топливо-воздух. В некоторых вариантах осуществления система дополнительно включает в себя электрогенератор, соединенный с турбиной и выполненный с возможностью приведения в действие от турбины. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено, что газ содержит по меньшей мере одно летучее органическое соединение (VOC); и в окислительном реакторе достигается по меньшей мере частичное окисление VOC.

[0012] В некоторых вариантах осуществления раскрыта система для постепенного окисления. Система содержит компрессор, выполненный с возможностью принимать и сжимать газ, содержащий смесь топливо-воздух. Система также содержит подогреватель, соединенный с компрессором. Подогреватель выполнен с возможностью приема газа из компрессора и избирательного нагрева этого газа. Система также содержит реакционную камеру, соединенную с подогревателем. Реакционная камера выполнена с возможностью принимать газ из подогревателя и поддерживать процесс беспламенного окисления смеси топливо-воздух без катализатора. Система также содержит нагреватель, соединенный с реакционной камерой. Нагреватель выполнен с возможностью принимать газ из реакционной камеры и избирательно нагревать этот газ. Система также содержит турбину, соединенную с нагревателем, и дополнительно соединенную с компрессором. Турбина выполнена с возможностью принимать газ из нагревателя и расширять этот газ для приведения в действие компрессора.

[0013] В некоторых вариантах осуществления система включает в себя контроллер, соединенный с подогревателем и нагревателем и выполненный с возможностью управления нагревом газа в подогревателе и в нагревателе. В некоторых вариантах осуществления контроллер соединен с первым датчиком, который измеряет первую температуру газа в выходном отверстии реакционной камеры, при этом контроллер дополнительно выполнен с возможностью обеспечения с помощью подогревателя нагрева газа, пока первая температура не достигнет первого заданного значения.

[0014] В некоторых вариантах осуществления контроллер соединен со вторым датчиком, который измеряет вторую температуру газа во входном отверстии турбины, при этом контроллер дополнительно выполнен с возможностью обеспечения регулировки топлива, подаваемого в окислительный реактор, пока вторая температура не достигнет второго заданного значения. В некоторых вариантах осуществления система дополнительно включает в себя электрогенератор, соединенный с турбиной, и контроллер, в котором турбина дополнительно выполнена с возможностью приведения в действие электрогенератора, и при этом контроллер дополнительно выполнен с возможностью управления электрогенератором для поддержания скорости турбины в пределах диапазона.

[0015] В некоторых вариантах осуществления раскрыт способ постепенного окисления. Способ включает в себя этапы сжатия газа, содержащего смесь воздуха и окисляемого топлива, нагрева сжатого газа до первой температуры, которая превышает температуру самовоспламенения топлива, и поддержания газа выше первой температуры в течение по меньшей мере первого периода времени, достаточного для достижения по меньшей мере требуемой степени окисления топлива, формируя, таким образом, окисленный газ, например, газ, содержащий продукты окисления по меньшей мере части окисляемого топлива из исходной смеси газ/воздух.

[0016] В некоторых способах этап сжатия газа выполняют, используя компрессор; и способ дополнительно содержит этапы (i) расширения окисленного газа с использованием турбины; и (ii) приведения в действие компрессора с помощью турбины. Некоторые способы дополнительно включают в себя этап нагрева окисленного газа до по меньшей мере второй температуры. В некоторых способах этап нагрева сжатого газа содержит пропускание сжатого газа через первый участок теплообменника, а окисленного газа через второй участок теплообменника так, что тепло передается от окисленного газа к сжатому газу.

[0017] В некоторых способах этап нагрева сжатого газа содержит пропускания сжатого газа через подогреватель, выполненный с возможностью нагрева сжатого газа. Некоторые способы обеспечивают то, что этап поддержания температуры газа выше первой температуры содержит поддержание газа ниже третьей температуры.

[0018] Детали одного или больше вариантов осуществления данных концепций представлены на приложенных чертежах и в приложенном ниже описании. Другие признаки, цели и преимущества этих концепций будут понятны из описания и чертежей, и из формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] Приложенные чертежи, которые включены для обеспечения дополнительного понимания, и которые внедрены здесь и составляют часть настоящего описания, иллюстрируют раскрытые варианты осуществления, которые вместе с описанием используются для пояснения принципов раскрытых вариантов осуществления.

[0020] На фиг. 1 показана схема примера существующей газотурбинной системы.

[0021] На фиг. 2 показана схема турбинной системы с множеством камер сгорания, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0022] На фиг. 3 показана схема системы подачи топлива, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0023] На фиг. 4А показана схема системы запуска, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0024] На фиг. 4В показана схема другого варианта осуществления системы запуска, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0025] На фиг. 5 показан вид в поперечном сечении примерного окислительного реактора в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0026] На фиг. 6 показан вид в поперечном сечении примерной камеры сгорания в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0027] На фиг. 7А показан вид в перспективе примерной горелки в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0028] На фиг. 7В показан вид спереди горелки по фиг. 7 в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0029] На фиг. 7С показан вид в поперечном сечении горелки по фиг. 7А в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0030] На фиг. 8 показан вид в перспективе прикрепленного нагревателя в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0031] На фиг. 9 показан вид в перспективе примерного пористого элемента в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0032] На фиг. 10 показана блок-схема последовательности операций примерного процесса запуска в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0033] На фиг. 11 показана упрощенная схема турбинной системы с множеством камер сгорания, например, по фиг. 2, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0034] На фиг. 12 показана схема управления для контура управления температурой газа в выходном отверстии окислительного реактора в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0035] На фиг. 13 показана схема управления контура управления скоростью генератора, турбины и компрессора в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0036] На фиг. 14 показан пример схемы системы генерирования мощности в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0037] На фиг. 15 представлено более подробное описание процесса управления по фиг. 10 в отношении, например, системы по фиг. 14, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0038] На фиг. 16 представлен примерный контур управления скоростью турбины, выполненной с возможностью работы в процессе, например, по фиг. 15, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0039] На фиг. 17 представлен примерный контур управления выходной мощностью для процесса, показанного, например, на фиг. 15, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0040] На фиг. 18 показан пример схемы системы генерирования мощности в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0041] На фиг. 19 представлено более подробное описание процесса управления по фиг. 10 в отношении, например, системы по фиг. 18, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0042] На фиг. 20 представлен примерный контур управления скоростью и температурой, выполненный с возможностью обработки, например, по фиг. 19, в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

[0043] На фиг. 21 показан график экспериментальных данных, поясняющий примерный процесс пуска турбинной системы с множеством камер сгорания в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0044] В следующем подробном описании раскрыты варианты осуществления системы для окисления текучей среды, которая содержит окисляемое топливо. В некоторых вариантах осуществления система включает в себя камеру сгорания турбины, которая может использоваться для запуска системы, и камеру сгорания подогревателя, которая используется для подогревания окислительного реактора или окислительной камеры до температуры равной или близкой к температуре самовоспламенения топлива в текучей среде. Система, в частности, выполнена с возможностью использования текучей среды с низким содержанием энергии, такой как метан с содержанием ниже 5%, в по существу экологически безопасных процессах постепенного окисления, для приведения в действие турбины, которая дополнительно приводит в действие электрогенератор, а также приводит в действие компрессор в системе. В некоторых вариантах осуществления система также уменьшает нежелательные компоненты, такие как СО и NO_x, в выхлопных газах, которые выпускают в атмосферу.

[0045] В следующем подробном описании изобретения множество конкретных деталей представлено для обеспечения понимания данного раскрытия. Однако для специалиста в данной области техники будет понятно, что варианты осуществления данного раскрытия могут быть выполнены на практике без некоторых конкретных деталей. В других случаях известные конструкции и технологии не были представлены подробно с тем, чтобы не затруднять понимание раскрытия.

[0046] Способ и система, раскрытые здесь, представлены в терминах турбинной системы, которая осуществляет приведение в действие электрогенератора, используя содержащий метан газ в качестве топливного газа и коммерчески чистый газ, такой как метан или пропан, в качестве вспомогательного газа. Ничто в этом раскрытии не следует интерпретировать, если только конкретно не будет указано иное, как ограничение применения любого способа или системы, раскрытых здесь для определенного топливного газа или вспомогательного газа, или турбинной системы в данной конкретной конфигурации. Другие конфигурации турбокомпрессорной системы известны для специалистов в данной области техники и применение раскрытых здесь компонентов и принципов, будет очевидным в других системах.

[0047] На фиг. 1 показана схема примера газотурбинной системы 10. В этой системе воздух в состоянии 1, которое будет подробно описано ниже, отбирают в компрессор 14 через входную линию 12. Компрессор 14 поднимает давление и температуру воздуха до состояния 2 в линии 16. Поскольку газ, выходящий из турбины 22, более горячий, чем газ, выходящий из компрессора 14, становится возможным нагревать воздух прежде, чем он попадет в камеру 18 сгорания, используя теплообменник 30. В результате этого снижается потребление топлива в камере 18 сгорания для получения той же температуры газа во входной линии 20 турбины, и это делает систему 10 более эффективной.

[0048] Сжатый воздух протекает через входящую сторону 32 теплообменника 30, что повышает температуру газа до состояния 3 в линии 36. Сжатый воздух поступает в камеру 18 сгорания, где впрыскивают топливо 40 с высоким содержанием энергии, такое как пропан или природный газ, и воспламеняют в камере 18 сгорания, повышая, таким образом, температуру газа до состояния 4, в котором газ поступает из камеры 18 сгорания в линию 20.

[0049] Горячий сжатый газ входит в турбину 22, которая преобразует часть энергии, содержащейся в газе, в кинетическую энергию вращения в турбине. В варианте осуществления по фиг. 1 такая кинетическая энергия вращения используется для вращения генератора 24, который генерирует мощность, и компрессора 14, которые установлены на общем валу 26 с турбиной 22.

[0050] Газ выходит из турбины под давлением и с температурой состояния 5 и протекает через линию 28 на выходную сторону 34 теплообменника 30. В теплообменнике 30 тепло из относительно горячего выхлопного газа передается к относительно холодному входному воздуху, как упомянуто выше. Охлажденный выхлопной газ выходит из теплообменника в состоянии 6 через линию 38, и его выпускают в атмосферу.

[0051] Сжатие воздуха из состояния 1 в состояние 2 в компрессоре можно рассматривать, в идеализированной модели, как изоэнтропическое сжатие, требующее подвода энергии. Изменения от состояния 2 в состояние 3 и от состояния 3 в состояние 4 представляют собой увеличение температуры при постоянном давлении, что требует подвода тепла, подаваемого через теплообменник 30 и камеру 18 сгорания, соответственно. Расширение газа из состояния 4 в состояние 5 в турбине представляет собой изоэнтропическое расширение, в результате которой получается выходная мощность. Охлаждение выпускного газа от состояния 5 в состояние 6 представляет собой процесс с постоянным давлением при удалении тепла в теплообменнике 30, что осуществляется путем передачи тепла от выхлопных газов на выходной стороне 34 теплообменника 30 к относительно холодному подаваемому газу на входной стороне 32.

[0052] На фиг. 2 показана схема турбинной системы 50 с множеством камер сгорания в соответствии с определенными аспектами данного раскрытия. В этом варианте осуществления окислительный реактор 60 заменяет камеру 18 сгорания по фиг. 1, для выработки тепла, которое запускает процесс. Камера 64 сгорания расположена между окислительным реактором 60 и турбиной 66 для обеспечения второго способа нагрева газа прежде, чем газ поступит в турбину 66. В некоторых вариантах осуществления такая камера 64 сгорания используется для нагрева газа во время запуска турбинной системы 50.

[0053] В некоторых вариантах осуществления желательно нагревать газ, подаваемый в окислительный реактор 60 во время запуска, так, чтобы способствовать повышению температуры окислительного реактора 60 до рабочей температуры. В вариантах осуществления по фиг. 2 это может быть выполнено в камере 62 сгорания подогревателя, расположенной между компрессором 14 и окислительным реактором 60. В некоторых вариантах осуществления это выполняется с использованием электрического нагревателя (не показан), а в некоторых вариантах осуществления нагреватель, работающий на газе, или камера сгорания, могут способствовать повышению температуры газа, который подают в окислительный реактор 60. В вариантах осуществления по фиг.2 для нагрева газа, поступающего из компрессора 14, прежде чем газ поступит в камеру 62 сгорания подогревателя или в окислительный реактор 60, используется теплообменник 30.

[0054] В турбинной системе 50 воздух отбирают в компрессор 14 через линию 12 в дополнением к тому, что топливный газ 52 добавляют к входящему воздуху через линию 56 и клапан 54. Смесь топливо-воздух подают через линию 58 в компрессор 14. В некоторых вариантах осуществления такой топливный газ 52 представляет собой газ, содержащий метан с малым содержанием энергии, который подают из внешнего источника, такого как мусорная свалка. Состав такого топливного газа 52 в значительной степени зависит от конкретного места и источника.

[0055] В качестве первого примера топлива с низким содержанием энергии, газ, выделяемый из мусорной свалки, содержит только 2 процента метана. В другом примере приложения топливный газ содержит приблизительно 50% метана и 45% СО₂, при этом остаток газа содержит органические соединения и сульфид водорода. В некоторых вариантах осуществления топливный газ 52 смешивают с воздухом для получения смеси топливо-воздух, имеющей концентрацию метана в пределах целевого диапазона для турбинной системы 50. В некоторых вариантах осуществления топливный газ 52 подают без разбавления в компрессор 14. Компрессор 14 сжимает эту смесь топливо-воздух до состояния 2 в линии 16.

[0056] Топливный газ 52 может включать в себя один тип топлива и/или множество разных типов топлива, один или все из которых могут быть окислены в окислительном реакторе. Топливный газ 52 может включать в себя углеводородное топливо и/или другие типы топлива. Топливный газ 52 может представлять собой бедное топливо. Бедное топливо может включать в себя газы с низким BTU (то есть низким содержанием энергии на единицу массы) и/или топлива с низкой теплотворной способностью. Бедное топливо может включать в себя газы, содержащие топливо с концентрацией ниже той, которая может поддерживать открытое пламя и/или другую реакцию сгорания. Например, топливо может быть смешано с воздухом с получаемой в результате концентрацией топлива ниже нижнего взрывоопасного предела (LEL) для топлива.

[0057] В некоторых случаях подача такого бедного топлива к искре или пламени, даже в присутствии воздуха, может погасить искру или пламя, без окисления топлива в смеси. Однако, когда бедное топливо достигает температуры выше его температуры самовоспламенения, топливо может окисляться в присутствии воздуха, без ввода искры или пламени. Конкретный пример бедного топлива включает в себя газ, который представляет собой по существу двуокись углерода или азот и содержит небольшие количества метана, этана, моноокиси углерода и других типов топлива. Такой газ часто подается из так называемых непродуктивных скважин природного газа. Топливный газ 52 может включать в себя другие топлива, кроме или в дополнение к бедному топливу. Например, в некоторых вариантах осуществления, топливный газ 52 может включать в себя пропан, бутан, керосин, бензин и/или другие типы топлива, в дополнение к или вместо бедного топлива. В некоторых случаях топливный газ 52 может представлять собой водородное топливо.

[0058] Топливный газ 52 может включать в себя газ, выделяемый из мусорной свалки, который может содержать только небольшой процент горючего метана (например, примерно 3-5 процентов или меньше). Газ, имеющий такую низкую концентрацию метана, может находиться ниже нижнего взрывоопасного предела. Нижний взрывоопасный предел (LEL) топлива может относиться к самой низкой концентрации топлива в воздухе, которая способна производить вспышку огня в присутствии источника сгорания. Концентрация ниже, чем LEL, обычно слишком слаба для горения. Разные типы топлива имеют разные значения LEL, обычно в диапазоне примерно от 1 процента до примерно 5 процентов по объему, хотя некоторые топлива имеют LEL за пределами такого приблизительного диапазона. Некоторые конкретные примеры значений LEL (приблизительно, на объемной основе) представляют собой 3 процента для этана, 4 процента для водорода, 5 процентов для метана и 2 процента для пропана.

[0059] Топливо в топливном газе 52 может представлять собой природный (например, неантропологический) источник топлива или изготовленный человеком (например, антропологический) источник топлива. Например, топливный газ 52 может включать в себя метан от выделений от крупного рогатого скота, из болотистой местности, рисовой фермы и/или метан, производимый путем ферментации или другой биологической или химической обработки органического вещества. Один пример таких источников топлива может включать в себя навоз, муниципальные отходы, заболоченные местности, газ, выделяемый в местах утечек в системе или в других системах, и при операциях, связанных с бурением и добычей. В некоторых вариантах осуществления топливный газ 52 включает в себя топливо, смешанное с водой. Одно или больше из вспомогательных топлив также может использоваться окислительным реактором. Например, газообразное топливо может быть предусмотрено в системе, и жидкие топлива также могут быть предусмотрены в системе.

[0060] В некоторых вариантах осуществления к системе для регулирования характеристик или работы системы могут быть добавлены газы сгорания. Например, в вариантах осуществления, где смесь с низким содержанием топлива не содержит достаточно топлива для самодостаточного разрушения, или в которой процесс окисления не может поддерживаться на основе содержания топлива только в топливном газе 52, газы сгорания могут быть добавлены с помощью воздуха перед или после компрессора для обеспечения достаточного количества топлива для самодостаточного процесса окисления. Газы сгорания, которые могут быть добавлены, включают в себя, например, без ограничения, водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, n-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, n-пентан, ацетилен, гексан и моноокись углерода.

[0061] Количество добавляемых газообразных продуктов сгорания можно регулировать на основе количества топлива, детектируемого в топливном газе 52. Если присутствует нежелательная концентрация топлива в топливном газе 52, количество добавляемых газообразных продуктов сгорания может быть увеличено или уменьшено в ответ на это. В некоторых вариантах осуществления количество добавляемых газообразных продуктов сгорания основано на количественном содержании топлива в топливном газе 52, принимаемом от источника топливного газа. В некоторых вариантах осуществления количество газообразных продуктов сгорания, добавляемых перед введением топливного газа 52 в систему, основано на температуре окислительного реактора. В некоторых вариантах осуществления количество добавляемых газообразных продуктов сгорания основано на комбинации количества содержания топлива в топливном газе 52 и требуемого изменения температуры или скорости изменения температуры в пределах окислительного реактора 60.

[0062] Со ссылкой на фиг. 2 смесь топливо-воздух пропускают через сторону 32 подачи теплообменника 30 и повышают температуру смеси топливо-воздух до состояния 3 в линии 78. В варианте осуществления по фиг. 2 смесь топливо-воздух затем поступает в камеру 62 сгорания подогревателя, где для нагрева смеси топливо-воздух может быть добавлено вспомогательное топливо 54, например, пропан. Сгорание в или из камеры 62 сгорания подогревателя, таким образом, дополнительно повышает температуру газа до состояния 7 в линии 68.

[0063] Газ затем поступает в окислительный реактор 60, где топливо проходит процесс постепенного окисления. Топливо может передавать часть своей тепловой энергии в конструкцию окислительного реактора 60, повышая, таким образом, температуру окислительного реактора 60. В случае необходимости, дополнительное вспомогательное топливо 54 впрыскивают в газ и воспламеняют в камере 64 сгорания турбины, дополнительно повышая температуру газа, выходящего из камеры 64 сгорания турбины в линию 72, до состояния 4, которое достаточно для вращения турбины 66. Турбина 66 может быть аналогична турбине 22 по фиг. 1, но в некоторых вариантах осуществления может быть выполнена с возможностью работы с разными значениями давления и температуры газа. Турбина 66 выделяет кинетическую энергию из нагретого газа и приводит в действие компрессор 14 и, в определенных вариантах осуществления, генератор 24 и выпускает выхлопные газы в состоянии 5 в линию 74.

[0064] При установившейся работе камеру 62 сгорания подогревателя и камеру 64 сгорания турбины отключают или выключают таким образом, что незначительное количество вспомогательного топлива 54 будет подано в газ в этих камерах сгорания, или вспомогательное топливо не будет подано вообще. Сжатая смесь топливо-воздух, поступающая из компрессора 14, нагревается в теплообменнике 30 до температуры, которая ниже температуры окисления топлива в газе. В таком режиме работы состояние 7 газа по существу является таким же, как и состояние 3. После того, как газ поступает в окислительный реактор 60, газ нагревается при контакте с конструкцией окислительного реактора 60 или от температуры нагретого газа в пределах окислительного реактора 60 до температуры, достаточной для обеспечения постепенного окисления топлива и органических соединений в этом газе, вырабатывая, таким образом, тепло. Этот процесс поддерживает температуру окислительного реактора 60, также повышая температуру газа, выходящего из окислительного реактора в состоянии 8, до температуры, достаточной для работы турбины 66.

[0065] Запуск турбины 50 с использованием одной или обеих из камеры 62 сгорания подогревателя и камеры 64 сгорания турбины может включать в себя дополнительное оборудование, описанное на фиг. 3 и 4. Процесс запуска более подробно описан со ссылкой на фиг. 10.

[0066] Состав газа, который проходит через различные элементы системы 50, изменяется вдоль пути протекания. Например, топливный газ 52 может включать в себя захваченную жидкость, которая налипает на поверхностях элементов системы, и откуда ее удаляют с помощью текучей среды. В качестве второго примера, может быть выполнен впрыск вспомогательного топлива 54 с дополнительным воздухом или без него в поток текучей среды перед или в камере 62 сгорания подогревателя или в камере 64 сгорания турбины. Такое вспомогательное топливо может быть воспламенено, добавляя, таким образом, продукты сгорания и другие текучие среды к текучей среде, протекающей через систему. Термин "текучая среда", используемый здесь, относится к смеси газов, жидкостей, топлива и других материалов, которые протекают через систему 50, независимо от состава смеси.

[0067] Состав газа, поступающего в окислительный реактор 60, в большой степени зависит от источника топливного газа 52. Для предприятия, такого как мусорная свалка, газ, содержащий метан, вырабатывается на мусорной свалке. Этот газ может быть захвачен с использованием системы вентиляционных труб, помещенных на мусорной свалке. Газ, выделяемый из мусорной свалки, будет содержать переменное количество метана, а также множество других VOC, а также захваченную жидкость и частицы. Количество топливного газа 52, впрыскиваемого в воздушную линию 12 на входном отверстии компрессора 14, зависит от содержания метана в топливном газе, с целью достижения постоянного содержания метана для газа, который поступает в компрессор 14. В некоторых вариантах осуществления, содержание газа (например, метана), желательно, должно быть меньше примерно 5% от общего объема газа. В некоторых вариантах осуществления содержание газа (например, метана), желательно, должно быть меньше чем примерно 2% от общего объема газа.

[0068] Одно из преимуществ турбинной системы 50 состоит в том, что газ, который выводят в атмосферу из линии 76, содержит очень низкое количество нежелательных газов, таких как метан, СО и NO_x. Для предприятий, таких как мусорная свалка, содержащий метан газ, выделяемый из мусорной свалки, рассматривается, как загрязнитель. В некоторых вариантах осуществления турбинная система 50 использует содержащий метан газ, выделяемый из мусорной свалки, в качестве топливного газа 52, и преобразует практически весь метан и другие VOC в СО₂ и H₂O. В некоторых вариантах осуществления система 50 может уменьшить формирование NO_x путем поддержания максимальной температуры текучей среды ниже 1300°С. Таким образом, турбинная система 50 очищает потенциальный источник загрязнения по сравнению с прямой вентиляцией газа, содержащего метан, выделяемый из мусорной свалки, или когда используют факельную систему, которая сжигает содержащий метан газ при температурах сгорания, которые могут превышать 1300°С и, таким образом, позволяет формироваться СО и NO_x.

[0069] На фиг. 3 показана схема системы 80 подачи газа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления данного раскрытия. Топливный газ, такой как содержащий метан газ, выделяемый из мусорной свалки, принимают через линию 86. В определенных вариантах осуществления этот газ находится под давлением выше окружающего атмосферного давления. В некоторых вариантах осуществления такой газ находится под атмосферным давлением. В определенных вариантах осуществления этот газ активно собирают, и он имеет давление ниже, чем давление окружающей среды. Поступающий газ может содержать жидкость, захваченную газом по мере того, как он поступает в линию 86.

[0070] Газ может проходить через сепаратор пар - жидкость, который часто называется "барабанным сепаратором". В пределах барабанного сепаратора 82 захваченная жидкость проявляет тенденцию к отделению и попадает в нижнюю часть барабанного сепаратора 82, откуда эту жидкость, по меньшей мере периодически, выпускают, в то время как газ, имеющий уменьшенное количество захваченной жидкости, выходит из него в верхней части барабанного сепаратора 82. Устройства такого типа известны для специалиста в данной области техники. Газ из барабанног