JP2009144713A - 再循環排気ガスの流量を制御するための方法 - Google Patents

再循環排気ガスの流量を制御するための方法 Download PDF

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Abstract

【課題】排気ガス再循環(EGR)システム(107)を制御するための方法を提供すること。
【解決手段】EGRシステム(107)は、再循環前に排気流(170)内の少なくとも1つの成分の除去及び隔離を可能にすることができる。本方法は、少なくとも1つの成分のレベルをモニタしEGR再循環比率を調整することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、排気ガス再循環システムに関し、より具体的には、再循環システム方式によって処理した後にターボ機械に再流入する排気ガスの量を制御するための方法及びシステムに関する。
窒素酸化物(以下においては、NOx)、二酸化炭素(以下においては、CO2)及び硫黄酸化物(SOx)エミッションの環境に対する長期にわたる影響についての関心が益々大きくなってきている。ガスタービンのようなターボ機械が放出する可能性があるエミッションの許容可能レベルは、厳しく規制されている。ターボ機械のオペレータは、放出されるNOx、CO2及びSOxのレベルを低下させる方法を切望している。
排気流内には、大量の凝縮可能な蒸気が存在する。これらの蒸気には通常、水、酸、アルデヒド、炭化水素、硫黄酸化物及び塩素化合物のような多様な成分が含まれる。これらの成分は、未処理のまま放置されてターボ機械への流入が許された場合には、内部構成部品の腐食及び汚損を加速することになる。
排気ガス再循環(EGR)は一般的に、放出排気の一部分をターボ機械の吸入部分を通して再循環させることを含む。排気は次に、燃焼に先立って流入空気流と混合される。EGRプロセスは、濃縮CO2の除去及び隔離を可能にし、且つNOx及びSOxエミッションレベルもまた低下させることができる。
現在公知のEGRシステムには、幾つかの懸案事項が存在する。再循環排気の量及び比率は、限定ではないが、燃焼器の安定性、エミッション、圧縮機の安定性及び構成部品の寿命を含むターボ機械の作動性に影響を与える。
米国特許第6173562号明細書 米国特許第5794431号明細書 米国特許第6202400号明細書 ROKKE, PETTER and JOHAN E. HUSTAD, "Exhaust Gas Recirculation in Gas Turbines for Reduction of CO2 Emissions; Combustion Testing with Focus on Stability and Emissions", Int. J. of Thermodynamics, Vol. 8 (No.4), pp.167-173. Sept 2005. WILKES, C. and B. GERHOLD, "NOx Reduction From a Gas Turbine Combustor Using Exhaust Gas Recirculation." ASME 80-JPGC/GT-5, Joint Power Generation Conference, Phoenix, AZ, September 28-October 2, 1980.
上記の理由により、EGRシステムから流出した吸入流体の組成を制御するための方法及びシステムに対する必要性が存在する。本方法及びシステムは、ターボ機械に再流入する排気ガスの流量を制御すべきである。本方法及びシステムは、制御パラメータとして再循環排気の流量を使用すべきである。
本発明の実施形態によれば、ターボ機械によって生成される排気流を制御する方法であって、該方法が、少なくとも1つのEGR流れ調整装置と少なくとも1つの流量制御装置とを備えた少なくとも1つの排気ガス再循環(EGR)システムを設けるステップと、質量流量制御システムを利用するステップと、を含み、質量流量制御システムを利用するステップが、ターボ機械の吸入セクションに流入する吸入流体内に排気流の一部分を含むターゲットEGR分率を受けるステップと、現在のEGR分率を決定するステップと、現在のEGR分率がターゲットEGR分率の範囲内にあるか否かを判定するステップと、現在のEGR分率がターゲットEGR分率の範囲外にある場合に、排気流のEGR比率を調整するステップと、を含む。
本発明の別の実施形態によれば、ターボ機械によって生成される排気流を制御する方法であって、該方法が、少なくとも1つのEGR流れ調整装置と少なくとも1つの流量制御装置とを備えた少なくとも1つの排気ガス再循環(EGR)システムを設けるステップと、質量流量制御システムを利用するステップと、を含み、質量流量制御システムを利用するステップが、少なくとも1つの成分のターゲットレベルを受け取るステップと、ターゲットEGR分率を決定するステップと、現在のEGR分率を決定するステップと、現在のEGR分率がターゲットEGR分率の範囲内にあるか否かを判定するステップと、現在のEGR分率がターゲットEGR分率の範囲外にある場合に、排気流のEGR比率を調整するステップと、を含む。
好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照する。異なる構造及び動作を有する他の実施形態も、本発明の技術的範囲から逸脱するものではない。
本明細書では、特定の用語は、専ら読者の便宜のために使用しており、本発明の技術的範囲に対する限定として解釈すべきではない。例えば、「上方」、「下方」、「左側」、「右側」、「前部」、「後部」、「頂部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前方」、「後方」等々のような用語は、図に示す構成を単に記述しているに過ぎない。実際には、本発明の実施形態の1以上の要素は、あらゆる方向に配向することができ、従ってこれらの用語は、特に断わらない限り、そのような様々な形態を含むものと理解されたい。
EGR比率は、ターボ機械の吸入セクションに流入する排気流の比率及び量と考えることができる。吸入流体の組成は、限定ではないが、排気流、吸入空気、並びに前述の成分及びその組合せの少なくとも1つを含む。
本発明は、限定ではないが、高出力ガスタービン、航空転用ガスタービン又は同様のもの(以下においては、「ガスタービン」と呼ぶ)のようなガス状流体を生成する様々なターボ機械に適用することができる。本発明の実施形態は、単一のガスタービン又は複数のガスタービンのいずれかに適用することができる。本発明の実施形態は、単純サイクル又は複合サイクル構成で作動するガスタービンに適用することができる。
次に、幾つかの図を通して様々な参照符号が同様の要素を表わす図を参照すると、図1は、その中で本発明の実施形態が作動する環境を示す概略図である。図1は、限定ではないが、ターボ機械105と、EGRシステム107と、熱回収蒸気発生器(HRSG)155と、排気筒165とを有する発電プラントサイトのようなサイト100を示している。それに代えて、本発明は、HRSG155を有しないサイト100と統合することができる。
EGRシステム107は、複数の要素を含む。これら要素の構成及びシーケンスは、排気流170の組成及びEGRシステム107の構成部品で使用する冷却流体の種類によって決めることができる。更に、EGRシステム107の別の実施形態は、下記で説明する構成部品と比較して付加的な又はより少ない構成部品を含むことができる。従って、図1とは異なる様々な配置及び/又は構成を本発明の実施形態と統合することができる。
図1に示すように、EGRシステム107は、混合ステーション115、吸入調整装置120、バイパス調整装置125、バイパス排気筒130、少なくとも1つのEGR流れ調整装置135、下流側温度調整装置140、成分低減システム145、上流側温度調整装置150、少なくとも1つの排気調整装置160、及び少なくとも1つのEGRフィードバック装置175を含む。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、現在のEGR流量、少なくとも1つの成分の濃度、又はこれらの組み合わせの内の少なくとも1つに関する直接又は間接データを提供することができる。
一般的に、EGRシステム107で使用するプロセスは、排気流170を冷却すること、排気流170内の前述の成分を低減し且つ除去すること、次に排気筒165を通して吸入セクション110から流れる排気流170を吸入空気と混合して吸入流体を形成することを含むことができる。EGRシステム107は、排気流170の温度を飽和温度まで低下させることができ、この飽和温度において、前述の成分を凝縮させ且つ次に除去することができる。それに代えて、EGRシステム107はまた、排気流170の温度を低下させ且つ該排気流170にスクラビングプロセス(又は同様のもの)を使用して前述の成分を除去することができる。
EGRシステム107が作動している間に、少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、排気流170の流量を求めることができ、該排気流を用いて、EGR分率を決定することができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、ターボ機械105の吸入セクション110に隣接して配置することができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175を用いて、吸入流体内の少なくとも1つの成分の濃度を決定することができる。
明らかなように、本発明は、方法、システム又はコンピュータプログラム製品として具現化することができる。従って、本発明は、完全ハードウェア実施形態、完全ソフトウェア実施形態(ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む)、或いはソフトウェア及びハードウェア態様を組合せた実施形態の形態をとることができ、本明細書ではそれら全てを全体として「回路」、「モジュール」又は「システム」と呼ぶ。更に、本発明は、媒体内に具現化したコンピュータ使用可能プログラムコードを有するコンピュータ使用可能記憶媒体上のコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。
あらゆる好適なコンピュータ可読媒体を利用することができる。コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読媒体は、限定ではないが、例えば電子、磁気、光学、電磁、赤外線又は半導体のシステム、装置、デバイス或いは伝播媒体とすることができる。コンピュータ可読媒体のより具体的な実施例(非網羅的リスト)には、1以上のワイヤを有する電気的接続部、ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読出し専用メモリ(ROM)、消去可能・プログラム可能読出し専用メモリ(EPROM又はフラッシュメモリ)、光ファイバ、ポータブルコンパクトディスク読出し専用メモリ(CD−ROM)、光学記憶装置、インターネット又はイントラネットを支持するもののような伝送媒体、或いは磁気記憶装置が含まれることになる。例えば紙又は他の媒体を光学的にスキャンすることにより、プログラムを電子的に取り込み、次いで必要に応じて適切な方法でコンパイルし、解釈し、又は他の方法で処理し、その後コンピュータメモリ内に記憶させることができるときには、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読媒体は、プログラムをプリントする紙又は他の好適な媒体であってもよい点に留意されたい。本明細書の文脈に照らして、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読媒体は、命令実行システム、装置又はデバイスによって或いはこれらと関連して使用するためのプログラムを収容、記憶、通信、伝播、又は移送することができるあらゆる媒体とすることができる。
本発明の動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、Java7(商標)、Smalltalk又はC++或いは同様のもののようなオブジェクト指向プログラミング言語で記述することができる。しかしながら、本発明の動作を実行するためのコンピュータプログラムコードはまた、「C」プログラミング言語又は同様の言語のような従来の手続き形プログラミング言語で記述することができる。プログラムコードは、スタンドアロンソフトウェアパッケージとして全体的にユーザコンピュータ上で、部分的にユーザコンピュータ上で、部分的にユーザコンピュータ上で且つ部分的にリモートコンピュータ上で、或いは全体的にリモートコンピュータ上で実行することができる。後者の場合には、リモートコンピュータは、ローカルエリアネットワーク(LAN)又はワイドエリアネットワーク(WAN)を介してユーザコンピュータに接続することができ、或いは外部コンピュータに対して接続することができる(例えば、インターネットサービスプロバイダを使用してインターネットを介して)。
以下では、本発明の実施形態による方法、装置(システム)及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び/又はブロック図を参照しながら本発明を説明する。フローチャート図及び/又はブロック図の各ブロック、並びにフローチャート図及び/又はブロック図のブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令によって実行することができる点は理解されるであろう。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供されてマシンを形成し、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサによって実行される命令が、フローチャート及び/又はブロック図の1以上のブロックにおいて指定された機能/動作を実施する手段をもたらすようにすることができる。
本発明は、EGRシステムから出てタービン機械の吸入部分に入る作動流体とみなすことができる吸入流体の組成を制御する技術的効果を有する。
これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ読み取り可能メモリ内に記憶させることができ、該命令は、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置に命令して特定の方式で機能させることができ、コンピュータ読み取り可能メモリ内に記憶された命令が、フローチャート及び/又はブロック図の1以上のブロックにおいて指定された機能/動作を実行する命令手段を含む製品をもたらすようにする。コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置上にロードして、一連の動作ステップをコンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置上で実行させてコンピュータに実装されるプロセスを生成し、コンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実行される命令が、フローチャート及び/又はブロック図の1以上のブロックで指定された機能/動作を実行するステップを提供するようにする。
本発明は、ターボ機械105の吸入流体を自動的に又は連続的にモニタして、吸入セクション110に流入させなければならない排気流170の量を決定するように構成することができる。それに代えて、制御システムは、開始動作に対してユーザの動作を必要とするように構成することができる。本発明の制御システムの実施形態は、スタンドアロンシステムとして機能させることができる。それに代えて、制御システムは、タービン制御又はプラント制御システムのようなブローダシステム内においてモジュール又は同様のものとして組込むことができる。限定ではないが、例えば本発明の制御システムは、EGRシステム107を作動させる制御システムと統合することができる。
次に、本発明の実施形態による、EGR成分制御システムを利用する方法200の実施例を示すフローチャートである図2を参照する。方法200は、例えば限定ではないが、ステップ210から260において機能することができる少なくとも1つのEGR成分制御システムを含むことができる。本発明の実施形態では、EGRシステム107は、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)又は同様のものと統合することができる。GUIにより、オペレータは以下に説明する方法200を進むことができるようになる。GUIはまた、EGRシステム107の状態に関する少なくとも1つの通知を提供することができる。
本方法200のステップ210において、EGRシステム107は、上述のように排気流170を処理することができる。ターボ機械105の形式及び/又は動作に応じて、発生した排気は、約10,000Lb/hr〜約50,000,000Lb/hrの流量及び約100°F〜約1,100°Fの温度を有することができる。
ステップ210において、本方法200は、ターゲットEGR分率を受けることができる。EGR分率は、排気流121の流量とみなすことができる。或いは、限定ではないが、吸入流体内の排気流170の百分率などの量とみなすことができる。ここで、EGR分率は、排気流170の質量流量を吸入空気の質量流量で除算することによって求めることができる。
本発明の実施形態では、本方法200は、EGRシステム107を作動させる制御システムからEGR分率を自動的に受けることができる。本発明の別の実施形態では、ユーザは、EGR分率を入力することができる。
ステップ230において、本方法200は、少なくとも1つの成分のターゲットレベルを決定することができる。本方法200は、同成分保存(species conservation)エンジン又は同様のものを利用してターゲットレベルを決定することができる。同成分保存エンジンは、ターゲットEGR分率と共に複数のターボ機械運転データを組入れて、ターゲットレベルを計算することができる。複数のターボ機械運転データは、少なくとも1つの燃料組成、ターボ機械105の圧縮機空気流量及びターボ機械105の燃料流量を含むことができる。少なくとも1つの燃料組成は、限定ではないが、ターボ機械105の燃焼システムに流入する燃料の組成、及びターボ機械105と統合され且つ補助ボイラ又はその組合せを含むことができる補助燃焼システムにおいて使用する燃料の組成を含むことができる。
同成分保存エンジンは、物理式又は同様のものを組入れて、少なくとも1つの成分のターゲットレベルを計算することができる。
同成分保存エンジンは、物理方程式又は同様のものを組入れて、少なくとも1つの成分のターゲットレベルを計算することができる。限定ではないが、例えば同成分保存エンジンは、ターゲットEGR質量分率、燃料流量、燃料組成、及びターボ機械105吸入流量の関数としてターゲット燃料排気CO2モル分率を計算することができる。ターゲット排気CO2モル分率値は、少なくとも1つのEGRフィードバック装置175によって測定したCO2モル分率と比較することができる。比較プロセスにより、本方法200がEGR流量のフィードバック制御に使用することができる誤差信号を得ることができる。
更に、下記に示すように、標準的な空気中で炭化水素燃料を燃焼させるターボ機械105における燃焼反応は、モル係数を使用して式1によって記述することができる。
Figure 2009144713
ここで、「燃料組成」は、炭素及び水素の下付文字α及びγにより定義される。式2に示すように、過剰な酸素質量係数eは、EGR質量分率(XEGR)、圧縮機吸入質量流量(Wc)及び燃料質量流量(WF)の関数として計算することができる。
Figure 2009144713
無水(乾燥)ベースでのターゲット排気CO2モル分率(yco2_target)は、式3に従って式1における反応から計算することができる。
Figure 2009144713
式1〜式3は、CO2以外の成分について、或いは異なる作動流体又は燃料タイプで運転されるターボ機械105についての同様の同成分保存計算を行うように適合させることができる。上述のように、成分には、SOx、NOx、CO2、水、塩化物イオン、酸、アルデヒド、炭化水素又はこれらの組合せの内の少なくとも1つが含まれる。
ステップ240において、本方法200は、少なくとも1つの成分の現在レベルを求めることができる。上述のように、EGRシステム107は、少なくとも1つのEGRフィードバック装置175を含むことができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、少なくとも1つの成分の現在レベルに関するデータをもたらすことができるセンサ、トランスミッタ及び同様の装置を含むことができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175を配置することにより、吸入流体の組成に関するフィードバックを得ることができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、ターボ機械105の燃焼システムの上流側及び下流側に設置されて、フィードバックの精度を高めることができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、本方法200を作動させるのに使用する制御システムと統合することができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175によって得られたデータを使用して、少なくなくとも1つの成分の現在レベルを直接的又は間接的に求めることができる。
ステップ250において、本方法200は、少なくとも1つの成分の現在レベルが成分範囲内にあるか否かを判定することができる。この場合、本方法200は、少なくとも1つの成分に関して、ステップ230において決定したターゲットレベルとステップ240において求めた現在レベルとを比較する。本発明の実施形態では、オペレータは、この成分範囲を決定することができる。本発明の別の実施形態では、この範囲を自動的に決定することができる。限定ではないが、例えばターゲットレベルが1であり、また現在レベルが約0.95〜約1.05である場合には、本方法200は、少なくとも1つの成分の現在レベルが範囲内にあると判定することができる。
更に、限定ではないが、例えばターボ機械105は、30%のターゲットEGR質量分率、ほぼ0.019の燃料/圧縮機吸入流量比、並びに0.051のターゲット排気CO2モル分率(乾燥)を生じる97%メタン(CH4)、2%エタン(C2H6)及び1%プロパン(C3H8)からなる燃料組成物で運転することができる。本方法200では、EGR流量を調整して、0.005〜0.25の測定CO2モル分率の範囲にわたってターゲットの+/−0.001の範囲内にある測定排気CO2モル分率(乾燥)を維持することができる。
少なくとも1つの成分のレベルが範囲外である場合には、本方法200は、ステップ260に進むことになり、そうでない場合には、本方法200は、ステップ210に戻ることになり、少なくとも1つの成分が範囲外になるまでステップ210〜260を繰り返すことができる。
ステップ260において、本方法200は、EGR比率を調整することができる。上述のように、EGR比率は、吸入流体が形成される混合ステーション115に流入する排気流170の比率及び量と考えることができる。
本発明の実施形態は、EGRシステム107の構成部品を利用してEGR比率を調整することができる。限定ではないが、例えば方法200は、以下の機能、すなわち、限定ではないが、EGRファン速度のようなEGR流れ調整装置135の速度を調整するステップと、少なくとも1つのEGRファンブレードのピッチを調整するステップと、少なくとも1つの流量制御装置を調整するステップとの少なくとも1つを組込むことができる。流量制御装置は、吸入ダンパ、バイパスダンパ、排出ダンパ又はこれらの組合せの少なくとも1つを含むことができる。
本発明の実施形態では、GUIは、EGR比率を調整する必要がある場合にユーザに通知を行うことができる。
図3は、本発明の実施形態による、吸入流体のEGR比率を制御する方法300の実施例を示すフローチャートである。本方法300は、限定ではないが、例えば以下のステップ310から350で機能することができる少なくとも1つのEGR質量流量制御システムを含むことができる。本発明の実施形態において、EGRシステム107は、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)又は同様のものと統合することができる。GUIにより、オペレータは以下に説明する方法300を進むことができるようになる。GUIはまた、EGRシステム107の状態に関する少なくとも1つの通知を提供することもできる。
本方法のステップ310において、EGRシステム107は、上述のように排気流170を処理することができる。上述のように、発生した排気は、約10,000Lb/hr〜約50,000,000Lb/hrの流量及び約100°F〜約1,100°Fの温度を有することができる。
ステップ320において、方法300は、ターゲットEGR分率を受けることができる。EGR分率は、限定ではないが、吸入流体内の排気流170の百分率などの量とみなすことができる。EGR分率は、排気流170の質量流量を吸入空気の質量流量で除算することによって求めることができる。本発明の実施形態では、本方法300は、EGRシステム107を作動させる制御システムからEGR分率を自動的に受けることができる。本発明の別の実施形態では、ユーザは、EGR分率を入力することができる。
ステップ330において、本方法300は、現在のEGR分率を求めることができる。本発明の実施形態は、少なくとも1つのEGRフィードバック装置175から現在のEGR比率データを受け取ることができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、排気流170の現在の流量に関するデータをもたらすことができるセンサ、トランスミッタ、及び同様の装置を含むことができる。EGR比率データを用いて、EGR分率を求めることができる。本発明の代替の実施形態において、現在のEGR分率を求めるために少なくとも1つのエネルギバランスを用いることができる。
エネルギバランスは一般に、システムに入るエネルギは同じシステムから出るエネルギに等しいことを一般的に述べた、エネルギの保存に基づくことができる。本発明の実施形態のエネルギバランスは、式4に示されており、EGR分率を求めるのに用いることができるWEGRについて解くことができる。
Figure 2009144713
ステップ340において、本方法300は、現在のEGR分率がターゲットEGR分率の範囲内にあるか否かを判定することができる。この場合、本方法300は、ステップ320で決定したターゲットEGR分率と、ステップ330で決定した現在のEGR分率とを比較する。本発明の実施形態において、オペレータは、公差帯域又は同様のものとすることができる範囲を決定することができる。本発明の代替の実施形態において、この範囲は自動的に決定することができる。限定ではないが、例えばターゲットEGR分率が1であり、また現在EGR分率が約0.95〜約1.05である場合には、本方法300は、現在EGR分率が範囲内にあると判定することができる。
現在EGR分率が範囲外である場合には、本方法300はステップ350に進むことになり、そうでない場合には、本方法300はステップ310に戻り、現在EGR分率が範囲外になるまでステップ310〜340を繰り返すことができる。
ステップ350において、本方法300はEGR比率を調整することができる。上述のように、EGR比率は、吸入流体が形成される混合ステーション115に流入する排気流170の比率及び量と考えることができる。本発明の実施形態において、本方法300は、ステップ310〜350を繰り返し、現在EGR分率がターゲットEGR分率の範囲内にあることを確認することができる。
本発明の実施形態は、EGRシステム107の構成部品を利用してEGR比率を調整することができる。限定ではないが、例えば方法200は、以下の機能、すなわち、限定ではないがファン、ブロワ又はその組合せを含む空気源のようなEGR流れ調整装置135の速度を調整するステップと、少なくとも1つのEGRファンブレードのピッチを調整するステップと、少なくとも1つの流量制御装置を調整するステップとの少なくとも1つを組込むことができる。流量制御装置は、吸入ダンパ、バイパスダンパ、排出ダンパ又はこれらの組合せの少なくとも1つを含むことができる。本発明の実施形態では、GUIは、EGR比率を調整する必要がある場合にユーザに通知を行うことができる。
本発明の代替の実施形態において、本方法300のEGR質量流量制御システムは、方法200のEGR成分制御システムと統合することができる。一般に、EGR質量流量制御システムは、当該成分制御システムよりも比較的により高速な応答を提供することができる。しかしながら、EGR成分制御システムは、EGR質量流量制御システムよりも比較的により正確なフィードバックをEGRシステムの動作全体に対して提供することができる。従って、EGR質量流量制御システムとEGR成分制御システムとを統合することにより、EGRシステム107の動作全体に対して、高速な初期フィードバックと、その後の低速且つより正確な応答とを提供することができる。
図4は、限定ではないが、例えばステップ410から450において機能することができる少なくとも1つのEGR成分制御システムを含むことができる。本発明の実施形態において、EGRシステム107は、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)又は同様のものと統合することができる。GUIにより、オペレータは以下に説明する方法400を進むことができるようになる。GUIはまた、EGRシステム107の状態に関する少なくとも1つの通知を提供することができる。
方法400のステップ410において、EGRシステム107は、上述のように排気流170を処理することができる。
ステップ420において、方法400は、少なくとも1つの成分についてのターゲットレベルを受け取ることができる。少なくとも1つの成分についてのターゲットレベルは、エミッション限界を含むことができる。限定ではないが、例えばサイト100は、9PPMのNOxエミッション限界を下回って運転することができる。本発明の実施形態において、方法400は、EGRシステム107又はターボ機械105を作動させる制御システムから少なくとも1つの成分のターゲットレベルを自動的に受け取ることができる。本発明の別の実施形態では、ユーザは、少なくとも1つの成分のターゲットレベルを入力することができる。上述のように、少なくとも1つの成分には、SOx、NOx、CO2、水、塩化物イオン、酸、アルデヒド、炭化水素又はこれらの組合せの内の少なくとも1つが含まれる。
ステップ430において、方法400は、少なくとも1つの成分の現在レベルを決定することができる。上述のように、EGRシステム107は、少なくとも1つのEGRフィードバック装置175を含むことができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、少なくとも1つの成分の現在レベルに関するデータをもたらすことができるセンサ、トランスミッタ及び同様の装置を含むことができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175を配置することにより、吸入流体の組成に関するフィードバックを得ることができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、ターボ機械105の燃焼システムの上流側及び下流側に設置されて、フィードバックの精度を高めることができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、本方法200を作動させるのに使用する制御システムと統合することができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175によって得られたデータを使用して、少なくなくとも1つの成分の現在レベルを直接的又は間接的に求めることができる。
ステップ440において、本方法400は、少なくとも1つの成分の現在レベルが成分範囲内にあるか否かを判定することができる。この場合、方法400は、少なくとも1つの成分に関して、ステップ420で受け取ったターゲット成分と、ステップ430で決定した現在レベルとを比較する。本発明の実施形態では、オペレータは、この成分範囲を決定することができる。本発明の別の実施形態では、この範囲を自動的に決定することができる。限定ではないが、例えばターゲットレベルが1であり、また現在レベルが約0.95〜約1.05である場合には、本方法200は、少なくとも1つの成分の現在レベルが範囲内にあると判定することができる。
更に、限定ではないが、例えばターボ機械105は、30%のターゲットEGR質量分率、ほぼ0.019の燃料/圧縮機吸入流量比、並びに0.051のターゲット排気CO2モル分率(乾燥)を生じる97%メタン(CH4)、2%エタン(C2H6)及び1%プロパン(C3H8)からなる燃料組成物で運転することができる。本方法400では、EGR流量を調整して、0.005〜0.25の測定CO2モル分率の範囲にわたってターゲットの+/−0.001の範囲内にある測定排気CO2モル分率(乾燥)を維持することができる。
少なくとも1つの成分のレベルが範囲外である場合には、本方法400は、ステップ450に進むことになり、そうでない場合には、本方法400は、ステップ410に戻ることになり、少なくとも1つの成分が範囲外になるまでステップ410〜440を繰り返すことができる。
ステップ450において、本方法400は、EGR比率を調整することができる。上述のように、EGR比率は、吸入流体が形成される混合ステーション115に流入する排気流170の比率及び量と考えることができる。本発明の実施形態において、本方法400は、ステップ410〜450を繰り返し、少なくとも1つの成分が上述の範囲内にあることを確認することができる。
本発明の実施形態は、EGRシステム107の構成部品を利用してEGR比率を調整することができる。限定ではないが、例えば方法400は、以下の機能、すなわち、限定ではないが、EGRファン速度のようなEGR流れ調整装置135の速度を調整するステップと、少なくとも1つのEGRファンブレードのピッチを調整するステップと、少なくとも1つの流量制御装置を調整するステップとの少なくとも1つを組込むことができる。流量制御装置は、吸入ダンパ、バイパスダンパ、排出ダンパ又はこれらの組合せの少なくとも1つを含むことができる。
図5は、本発明の代替の実施形態による、EGR質量流量制御システムを利用する方法500の実施例を示すフローチャートである。本方法500は、限定ではないが、例えば以下のステップ510から560で機能することができる少なくとも1つのEGR質量流量制御システムを含むことができる。本発明の実施形態において、EGRシステム107は、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)又は同様のものと統合することができる。GUIにより、オペレータは以下に説明する方法500を進むことができるようになる。GUIはまた、EGRシステム107の状態に関する少なくとも1つの通知を提供することもできる。
方法500のステップ510において、EGRシステム107は、上述のように排気流170を処理することができる。
ステップ520において、方法500は、少なくとも1つの成分についてのターゲットレベルを受け取ることができる。上述のように、少なくとも1つの成分についてのターゲットレベルは、エミッション限界を含むことができる。限定ではないが、例えばサイト100は、9PPMのNOxエミッション限界を下回って運転することができる。本発明の実施形態において、方法500は、EGRシステム107又はターボ機械105を作動させる制御システムから少なくとも1つの成分のターゲットレベルを自動的に受け取ることができる。本発明の別の実施形態では、ユーザは、少なくとも1つの成分のターゲットレベルを入力することができる。上述のように、少なくとも1つの成分には、SOx、NOx、CO2、水、塩化物イオン、酸、アルデヒド、炭化水素又はこれらの組合せの内の少なくとも1つが含まれる。
ステップ530において、本方法500は、同成分保存エンジンを利用してターゲットEGR分率を決定することができる。上述のように、EGR分率は、限定ではないが、吸入流体内の排気流170の百分率などの量とみなすことができる。上述のように、EGR分率は、排気流170の質量流量を吸入空気の質量流量で除算することによって求めることができる。
ステップ540において、方法500は、現在のEGR分率を決定することができる。本発明の実施形態は、少なくとも1つのEGRフィードバック装置175から現在のEGR比率データを受け取ることができる。少なくとも1つのEGRフィードバック装置175は、排気流170の現在の流量に関するデータをもたらすことができるセンサ、トランスミッタ、及び同様の装置を含むことができる。EGR比率データを用いて、EGR分率を求めることができる。本発明の代替の実施形態において、現在のEGR分率を求めるために前述のエネルギバランスを用いることができる。
ステップ550において、本方法500は、現在のEGR分率がターゲットEGR分率の範囲内にあるか否かを判定することができる。この場合、方法500は、ステップ530で決定したターゲットEGR分率と、ステップ540で決定した現在EGR分率とを比較する。本発明の実施形態において、オペレータは、公差帯域又は同様のものとすることができる範囲を決定することができる。本発明の代替の実施形態において、この範囲は自動的に決定することができる。限定ではないが、例えばターゲットEGR分率が1であり、また現在EGR分率が約0.95〜約1.05である場合には、本方法500は、現在EGR分率が範囲内にあると判定することができる。
現在EGR分率が範囲外である場合には、本方法500はステップ560に進むことになり、そうでない場合には、本方法500はステップ510に戻り、現在EGR分率が範囲外になるまでステップ510〜550を繰り返すことができる。
ステップ560において、本方法500はEGR比率を調整することができる。上述のように、EGR比率は、吸入流体が形成される混合ステーション115に流入する排気流170の比率及び量と考えることができる。本発明の実施形態において、本方法500は、ステップ510〜560を繰り返し、現在EGR分率がターゲットEGR分率の範囲内にあることを確認することができる。
本発明の実施形態は、EGRシステム107の構成部品を利用してEGR比率を調整することができる。限定ではないが、例えば方法500は、以下の機能、すなわち、限定ではないがファン、ブロワ又はその組合せを含む空気源のようなEGR流れ調整装置135の速度を調整するステップと、少なくとも1つのEGRファンブレードのピッチを調整するステップと、少なくとも1つの流量制御装置を調整するステップとの少なくとも1つを組込むことができる。流量制御装置は、吸入ダンパ、バイパスダンパ、排出ダンパ又はこれらの組合せの少なくとも1つを含むことができる。本発明の実施形態では、GUIは、EGR比率を調整する必要がある場合にユーザに通知を行うことができる。
本発明の代替の実施形態において、本方法500のEGR質量流量制御システムは、方法400のEGR成分制御システムと統合することができる。一般に、EGR質量流量制御システムは、当該成分制御システムよりも比較的により高速な応答をEGRシステム107の動作全体に対して提供することができる。しかしながら、EGR成分制御システムは、EGR質量流量制御システムよりも比較的により正確なフィードバックをEGRシステムの動作全体に対して提供することができる。従って、EGR質量流量制御システムとEGR成分制御システムとを統合することにより、EGRシステム107の動作全体に対して、高速な初期フィードバックと、その後の低速且つより正確な応答とを提供することができる。
図6は、本発明の実施形態による、EGR比率を調整するための例示的なシステム600のブロック図である。方法200、300、400、及び500の要素は、システム600として具現化し且つシステム600によって実行することができる。システム600は、1以上のユーザ又はクライアント通信装置302或いは同様のシステム又は装置(図6には、2つが図示されている)を含むことができる。各通信装置602は、限定ではないが、例えば電子メッセージを送受信することができるコンピュータシステム、パーソナルデジタルアシスタント、携帯電話、又は同様の装置とすることができる。
通信装置602は、システムメモリ604又はローカルファイルシステムを含むことができる。システムメモリ604は、限定ではないが、例えば読出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、及び他の記憶装置を含むことができる。ROMは、基本入/出力システム(BIOS)を含むことができる。BIOSは、通信装置602の要素又は構成部品間で情報を伝達するのに役立つ基本ルーチンを含むことができる。システムメモリ304は、通信装置602の動作全体を制御するオペレーティングシステム606を含むことができる。システムメモリ304はまた、ブラウザ308又はウェブブラウザを含むことができる。システムメモリ304はまた、図2、3、4、及び5それぞれにおける方法200、300、400、及び500の要素と同様のものか又は該要素を含むことができる、EGR比率を調整するためのデータ構造610又はコンピュータ実行可能コードを含むことができる。
システムメモリ604は更に、図2、3、4、及び5それぞれにおける方法200、300、400、及び500と共に使用してEGR比率を調整するようにすることができるテンプレートキャッシュメモリ612を含むことができる。
通信装置602はまた、該通信装置602の他の構成部品の動作を制御するプロセッサ又は処理装置614を含むことができる。オペレーティングシステム606、ブラウザ608及びデータ構造610は、処理装置614上で動作可能とすることができる。処理装置614は、システムバス616によって通信装置602のメモリシステム604及び他の構成部品に結合することができる。
通信装置602はまた、複数の入力装置(I/O)、出力装置又は組合せ入/出力装置618を含むことができる。各入/出力装置318は、入/出力インタフェース(図3には図示せず)によってシステムバス616に結合することができる。入力及び出力装置又は組合せI/O装置618により、ユーザが通信装置602を動作させ且つこれとインタフェース接続することが可能になり、またブラウザ608及びデータ構造610の動作を制御して、EGR比率を調整するソフトウェアにアクセスし、該ソフトウェアを動作させ且つ制御することが可能になる。I/O装置618は、本明細書に記載した動作を行わせるキーボード及びコンピュータポインティングデバイス或いは同様のものを含むことができる。
I/O装置618はまた、限定ではないが、例えばディスクドライブ、光学、機械、磁気、又は赤外線入/出力装置、モデム又は同様のものを含むことができる。I/O装置618を使用して記憶媒体620にアクセスすることができる。媒体620は、通信装置602のようなシステムによって又は該システムと接続して使用するためのコンピュータ可読又はコンピュータ実行可能命令もしくは他の情報を収容、記憶、通信、又は移送することができる。
通信装置602はまた、ディスプレイ又はモニタ622のような他の装置を含むか又は他の装置に接続することができる。モニタ622により、ユーザは通信装置602とインタフェース接続するのを可能にすることができる。
通信装置602はまた、ハードドライブ624を含むことができる。ハードドライブ624は、ハードドライブインタフェース(図6には図示せず)によってシステムバス616に結合することができる。ハードドライブ624はまた、ローカルファイルシステム又はシステムメモリ604の一部を形成することができる。プログラム、ソフトウェア及びデータは、通信装置602を動作させるためにシステムメモリ604及びハードドライブ624間で伝達し且つ交換することができる。
通信装置602は、少なくとも1つのユニットコントローラ626と通信することができ、且つネットワーク628を介して他のサーバ又は通信装置602と同様の他の通信装置にアクセスすることができる。システムバス316は、ネットワークインタフェース630によってネットワーク628に結合することができる。ネットワークインタフェース630は、ネットワーク628と結合するためのモデム、Ethernet(商標)カード、ルータ、ゲートウェイ又は同様のものとすることができる。結合は、有線接続又は無線接続とすることができる。ネットワーク628は、インターネット、プライベートネットワーク、イントラネット又は同様のものとすることができる。
少なくとも1つのユニットコントローラ626はまた、システムメモリ632を含むことができ、該システムメモリ632は、ファイルシステム、ROM、RAM、又は同様のものを含むことができる。システムメモリ632は、通信装置602においてオペレーティングシステム606と同様のオペレーティングシステム634を含むことができる。システムメモリ632もまた、EGR比率を調整するためのデータ構造636を含むことができる。データ構造636は、EGR比率を調整するようになった、方法200、300、400、及び500それぞれに関して説明したものと同様の動作を含むことができる。サーバシステムメモリ632はまた、他のファイル638、アプリケーション、モジュール及び同様のものを含むことができる。
少なくとも1つのユニットコントローラ626はまた、少なくとも1つのユニットコントローラ626における他の装置の動作を制御するプロセッサ642又は処理装置を含むことができる。少なくとも1つのユニットコントローラ626はまた、I/O装置644を含むことができる。I/O装置644は、通信装置602のI/O装置618と同様のものとすることができる。少なくとも1つのユニットコントローラ626は更に、I/O装置644と共に少なくとも1つのユニットコントローラ626に対してインタフェースを提供する、モニタ又は同様のもののような他の装置646を含むことができる。少なくとも1つのユニットコントローラ626はまた、ハードディスクドライブ648を含むことができる。システムバス650は、少なくとも1つのユニットコントローラ626の異なる構成部品を接続することができる。ネットワークインタフェース652は、システムバス350を介して少なくとも1つのユニットコントローラ626をネットワーク628に結合することができる。
各図のフローチャート及びステップ図は、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品の可能な実施のアーキテクチャ、機能、及び動作を示している。この点に関して、フローチャート又はステップ図における各ステップは、特定の論理機能を実施するための1以上の実行可能な命令を含むモジュール、セグメント、又はコード部分を表すことができる。幾つかの別の実施形態においては、ステップ内に記載された機能は、図に記載された順序とは異なる順序で行うことができる点に留意されたい。例えば、連続して示す2つのステップは、実際には、実質的に同時に実行することもでき、或いはこれらのステップは、含まれる機能に応じて逆の順序で実行してもよい場合がある。また、ステップ図及び/又はフローチャート図の各ステップ及びステップの組合せは、特定の機能又は動作を行う専用ハードウェアベースのシステム或いは専用ハードウェアとコンピュータ命令との組合せによって実行することができる点に留意されたい。
本明細書で使用する用語は、専ら特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞のない表現は、文脈がそうでないことを明示していない限り、複数の形態も同様に含むことを意図している。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び/又は「有する」という用語は、そこに述べた形状部、完全体、ステップ、動作、要素及び/又は構成部品の存在を明示しているが、1以上の形状部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び/又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではない。
本明細書では特定の実施形態を図示しかつ説明してきたが、図示した特定の実施形態は、同一の目的を達成するために考えられるあらゆる構成と置き換えることができこと、また本発明は他の環境におけるその他の用途も有することを理解されたい。本出願は、本発明のあらゆる改造及び変更を保護することを意図している。提出した特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲を本明細書に記載した特定の実施形態に限定することを決して意図するものではない。
本発明の実施形態が作動する環境を示す概略図。 本発明の実施形態による、EGR成分制御システムを利用する方法の実施例を示すフローチャート。 本発明の実施形態による、EGR質量流量制御システムを利用する方法の実施例を示すフローチャート。 本発明の代替の実施形態による、EGR成分制御システムを利用する方法の実施例を示すフローチャート。 本発明の代替の実施形態による、EGR質量流量制御システムを利用する方法の実施例を示すフローチャート。 本発明の実施形態による、EGR比率を調整するための例示的なシステムのブロック図。
符号の説明
100 サイト
105 ターボ機械
107 EGRシステム
110 吸入セクション
115 混合ステーション
120 吸入調整装置
125 バイパス調整装置
130 バイパス排気筒
135 EGR流れ調整装置
140 下流側温度調整装置
145 成分低減システム
150 上流側温度調整装置
155 熱回収蒸気発生器(HRSG)
160 排気調整装置
165 排気筒
170 排気流
175 EGR流量装置
600 システム
602 通信装置
604 システムメモリ
606 オペレーティングシステム
608 ブラウザ
610 データ構造
612 キャッシュメモリ
614 処理装置
616 システムバス
618 入/出力装置
620 媒体
622 モニタ
624 ハードドライブ
626 サーバ
628 ネットワーク
630 ネットワークインタフェース
632 メモリ
634 オペレーティングシステム
636 データ構造
638 他のファイル
642 プロセッサ
644 I/O装置
646 他の装置
648 ハードディスクドライブ
650 システムバス
652 ネットワークインタフェース

Claims (10)

  1. ターボ機械(105)によって生成される排気流(170)を制御する方法であって、前記方法が、
    少なくとも1つのEGR流れ調整装置(135)と少なくとも1つの流量制御装置とを備えた少なくとも1つの排気ガス再循環(EGR)システム(107)を設けるステップと、
    質量流量制御システムを利用するステップと、
    を含み、
    前記質量流量制御システムを利用するステップが、
    前記ターボ機械(105)の吸入セクション(110)に流入する吸入流体内に前記排気流の一部分を含むターゲットEGR分率を受けるステップと、
    現在のEGR分率を決定するステップと、
    前記現在のEGR分率が前記ターゲットEGR分率の範囲内にあるか否かを判定するステップと、
    前記現在のEGR分率が前記ターゲットEGR分率の範囲外にある場合に、前記排気流のEGR比率を調整するステップと、
    を含む方法。
  2. 少なくとも1つの成分が、SOx、NOx、CO2、水分、塩化物イオン、酸、アルデヒド、炭化水素又はその組合せの少なくとも1つを含む、
    請求項1に記載の方法。
  3. 前記排気流(170)のEGR比率を調整するステップが、前記EGR流れ調整装置(135)の速度を調整するステップ、少なくとも1つのEGR装置のピッチを調整するステップ、前記少なくとも1つの流量制御装置を調整するステップ、又はこれらの組み合わせの内の少なくとも1つを含む、
    請求項1に記載の方法。
  4. 前記現在のEGR分率を決定するステップが、少なくとも1つのEGRフィードバック装置からEGR比率データを受け取るステップを含み、前記EGR比率データが、前記現在のEGR分率を決定するのに使用される、
    請求項1に記載の方法。
  5. 前記少なくとも1つのEGRフィードバック装置が、前記吸入セクション(110)に隣接して配置される、
    請求項4に記載の方法。
  6. 前記現在のEGR分率を決定するステップが更に、
    複数のターボ機械運転データを受け取るステップと、
    少なくとも1つのエネルギバランスを利用して前記現在のEGR分率を決定するステップと、
    を含み、
    前記少なくとも1つのエネルギバランスが前記ターボ機械運転データを組込む、
    請求項1に記載の方法。
  7. 前記複数のターボ機械運転データが、以下のデータ、すなわち圧縮機空気流量、大気温度、圧縮機吸入温度、排気流温度、湿度、又はこれらの組み合わせの少なくとも1つを含む、
    請求項1に記載の方法。
  8. 前記EGR質量流量制御システムを前記少なくとも1つのEGR成分制御システムと統合するステップを更に含む、
    請求項1に記載の方法。
  9. 前記少なくとも1つのEGR成分制御システムを利用するステップが、
    前記ターゲットEGR分率を受け取るステップと、
    前記ターゲットEGR分率を利用して少なくとも1つの成分のターゲットレベルを決定するステップと、
    前記少なくとも1つの成分の現在レベルを決定するステップと、
    前記少なくとも1つの成分の現在レベルが成分範囲内にあるか否かを判定するステップと、
    前記少なくとも1つの成分が前記成分範囲外にある場合に、前記排気流のEGR比率を調整するステップと、
    を含む、
    請求項8に記載の方法。
  10. ターボ機械(105)によって生成される排気流(170)を制御する方法であって、前記方法が、
    少なくとも1つのEGR流れ調整装置(135)と少なくとも1つの流量制御装置とを備えた少なくとも1つの排気ガス再循環(EGR)システム(107)を設けるステップと、
    質量流量制御システムを利用するステップと、
    を含み、
    前記質量流量制御システムを利用するステップが、
    少なくとも1つの成分のターゲットレベルを受け取るステップと、
    ターゲットEGR分率を決定するステップと、
    現在のEGR分率を決定するステップと、
    前記現在のEGR分率が前記ターゲットEGR分率の範囲内にあるか否かを判定するステップと、
    前記現在のEGR分率が前記ターゲットEGR分率の範囲外にある場合に、前記排気流のEGR比率を調整するステップと、
    を含む方法。
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