JP2010281324A - タービンエンジンの制御及び作動に関する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの発熱量及び目標とされる修正ウォッベ指数評価を考慮して適切な温度で燃料が一貫して燃焼器に供給されるように燃料の温度を制御するための、改良された装置、方法、及び／又はシステムを提供する。
【解決手段】タービンエンジンの動作を制御する方法は、熱交換部５２と、発熱量計測器と、熱交換部５２をバイパスする代替燃料管からなるコールドレッグバイパス７６であって、熱交換部５２を通って案内される燃料の量を制御するための１つ又は複数の弁とを含んでおり、燃料の発熱量を測定するステップと、発熱量と目標とされる修正ウォッベ指数範囲に基づいて目標温度範囲を決定するステップと、燃料の温度が目標温度範囲内であるように熱交換部５２をバイパスする燃料を制御するステップとからなる方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、概してガスタービンエンジンの効率及び／又は動作を向上させるための方法、システム、及び／又は装置に関しており、ガスタービンエンジンとは、本明細書で用いられるように特に別段の定めをした場合を除き、航空エンジン、発電エンジンなどを含む様々なガス又は燃焼タービン或いはロータリーエンジンを含むように意図されている。より詳細には、制限するためではないが、本発明は、燃焼タービンエンジンにおける燃料供給方法及びシステムに関連する方法、システム、及び／又は装置に関する。

一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。圧縮機及びタービンは、一般的に、段状に軸方向に積み重ねられた翼の列を含む。各々の段は、固定されている、円周方向に離間配置された静翼の列と、中心軸又はシャフトの周りを回転する、動翼の列を含む。作動中、一般的に、圧縮機動翼はシャフトの周りを回転し、静翼と協力して作用して空気流を圧縮する。燃料供給を燃焼させるために、燃焼器内で圧縮空気供給が使用される。燃焼によって得られた高温ガス、即ち、作動流体の流れは、エンジンのタービンセクション内に広がる。タービン内の作動流体の流れは、動翼の回転を引き起こす。動翼は、動翼の回転がシャフトを回転させるように中心シャフトに接続されている。このようにして、燃料に含まれるエネルギーが回転シャフトの機械的エネルギーに変換され、例えば、燃焼に必要な圧縮空気供給を発生させるように圧縮機の動翼と、電力を発生させるように発電機のコイルとを回転させるために使用することができる。

燃料を予熱するために燃焼タービンエンジンからの排気ガスを利用することが、従来技術において知られている。幾つかの理由から、高温で供給される燃料は効率的なエンジン作動を促進することができる。時には、燃料特性の変化に基づいて燃料の温度を変更する必要がある。しかしながら、従来の燃料供給システムは一定の限界があり、燃焼器への供給時に燃料の温度を制御する上での問題又は遅れが生じる。これは、許容できない温度での燃料の供給につながる可能性がある。

より詳細には、燃焼タービンエンジンは、一般的に、発熱量に関してある種の特性を示す燃料を用いて作動するように設計されている。燃料の発熱量は、総発熱量、総エネルギー又はウォッベ指数評価とも呼ばれ、一般的に、燃料が燃焼する時に放出される熱又はエネルギー量を説明する。しかしながら、燃焼タービンエンジン用途では、燃料の燃焼によって所定の圧力比で燃料ノズルを通って放出されるエネルギー量は、ノズルに供給される燃料の温度を考慮に入れるとより正確に説明することができる。燃料の温度を考慮に入れる、即ち補償する燃料特性は、一般的に、修正ウォッベ指数評価又はＭＷＩ評価と呼ばれる。従って、本出願ではこの用語を使用するが、その使用は制限を意図するものではない。本明細書で用いられるように、修正ウォッベ指数評価又はＭＷＩ評価は、燃料の燃焼によって所定の圧力比で燃料ノズルを通って放出されるエネルギー量を説明する燃料評価基準を広く指すことを意図しており、燃料がノズルに供給される温度を考慮に入れる、即ち補償するものである。従って、燃焼タービンエンジンは、一般的に、特定の修正ウォッベ指数評価を有する、即ち許容可能な修正ウォッベ指数評価の範囲内にある燃料で作動する作動するように設計されている。こういう状況であるので、燃焼器に供給される燃料の温度を修正又は制御する（それによって燃料の修正ウォッベ指数評価を修正又は制御する）機能を有することは、エンジンが許容可能な燃料を用いることを保証するのに有用な方法であり、効率的な動作を促進すると共に、燃焼器損傷の危険性を減少させる。

米国特許第５，８４５，４８１号

しかしながら、従来のシステムの限界を考慮すると、以下に詳述するように、可変的な燃料条件によって、許容可能な、即ち目標とされる修正ウォッベ指数評価外の燃料が燃焼器に供給されることになる。言い換えれば、従来のシステムでは、許容可能な、即ち目標とされる修正ウォッベ指数評価をもたらす温度範囲外の燃料が燃焼器に供給されることがよくある。これは、燃焼器の損傷及び非効率的なエンジン性能の原因となる恐れがある。更に、それはタービンエンジンの「ランバック」状態を引き起こす可能性があり、その間、一般的に、エンジン仕様に適合しない燃料が原因で起こるエンジン損傷を避けるために、エンジンのオペレーティングシステムが自動的にエンジン出力を低下又は削減させる。当然、エンジン出力の急落が都合の悪い時機、例えばピーク需要中に生じる可能性があり、それ自体が重要な問題となることがある。

一般に、従来設計のタービンエンジン燃料供給システムのこうした性能欠点には幾つかの理由がある。これらの１つは、後で詳しく述べるように、燃料温度の操作時に生じる熱遅延である。もう１つは燃料供給中の可変的な燃料特性、例えば発熱量の適時検出に関連しており、燃料を燃焼器に供給すべき適切な温度を適時に決定することを不可能にする。そのため、燃焼タービンエンジンにおける燃料の供給に関して、特に、エンジンに関してその発熱量及び目標とされる修正ウォッベ指数評価を考慮して適切な温度で燃料が一貫して燃焼器に供給されるように燃料の温度を制御するための、改良された装置、方法、及び／又はシステムが必要である。

従って、本出願は、燃焼タービンエンジンの動作を制御する方法を説明しており、燃焼タービンエンジンは、燃料源に接続されると共に燃焼器に接続される燃料管であって、燃料が燃焼器に供給される前に燃料を加熱するための熱源と熱伝達関係にある状態で配設された熱交換部を含んでいる燃料管と、燃料の発熱量を検査するように構成された高速発熱量計測器と、燃料管の熱交換部をバイパスする代替燃料管からなるコールドレッグバイパスであって、熱交換部の上流に配設された上流分岐部と、熱交換部の下流に配設された燃料混合接合部とにおいて燃料管に接続されており、燃料混合接合部は燃料混合接合部と燃焼器の入口の間の燃料管の長さが比較的短くなるように配置されているコールドレッグバイパスと、熱交換部を通って案内される燃料の量とコールドレッグバイパスを通って案内される燃料の量とを制御するための１つ又は複数の弁とを含んでおり、この方法は、高速発熱量計測器によって燃料の発熱量を測定するステップと、測定された発熱量と目標とされる修正ウォッベ指数範囲に基づいて燃料の目標温度範囲を決定するステップと、燃焼器に供給される燃料の温度が目標温度範囲内であるように熱交換部をバイパスする燃料の量を制御するステップとからなる。

一部の実施形態において、目標とされる修正ウォッベ指数評価は、燃料を燃焼タービンエンジンで用いるのが好ましい少なくとも１つの所定の修正ウォッベ指数評価を含んでおり、燃料の目標温度範囲は、燃料の測定された発熱量を考慮して、燃料が目標とされる修正ウォッベ指数範囲を有する温度である。

一部の実施形態において、この方法は、コールドレッグバイパス内又は上流分岐部の上流のある地点で得られる低温燃料温度と、熱交換部と燃料混合接合部の間のある地点で得られる高温燃料温度と、燃料混合接合部と燃焼器の入口の間のある地点で得られる混合燃料温度とを測定するステップを含む。１つ以上のステップのより詳細なものとしては、混合燃料温度が燃料の目標温度範囲内であるか、燃料の目標温度範囲未満であるか、又は燃料の目標温度範囲以上であるかどうかを判断するステップが挙げられる。

一部の実施形態において、１つ以上のステップのより詳細なものとしては、混合燃料温度が燃料の目標温度範囲未満である場合は燃料のより多い部分が燃料管の熱交換部を通って案内されるように１つ又は複数の弁を制御するステップと、混合燃料温度が燃料の目標温度範囲以上である場合は燃料のより少ない部分が燃料管の熱交換部を通って案内されるように１つ又は複数の弁を制御するステップとが挙げられる。

一部の実施形態において、燃料混合接合部は、燃焼器の入口の上流且つ入口にごく接近して配置された燃料弁を含む燃焼器ガス制御弁に十分に接近して、１つ又は複数の弁によってなされたコールドレッグバイパスを通って案内される燃料の量と熱交換部を通って案内される燃料の量の変化によって、比較的短い期間に燃焼器ガス制御弁において燃料温度の変化が生じるように、更に、燃焼器ガス制御弁から十分に遠く離れて、燃料が燃焼器ガス制御弁に到達する前に実質的に均一な温度に十分混合されるように、配置されている。一部の実施形態において、燃料を加熱するための熱源は、水浴ヒータ、熱油浴ヒータ、直火ヒータ、電気ヒータ、ヒートパイプ熱交換器、蒸気ヒータ、温水ヒータ、及び燃焼タービンエンジンの排気からの熱を使用する熱交換器の１つである。

一部の実施形態において、１つ又は複数の弁は、コールドレッグバイパス上に配置された二方向コールドレッグ弁、熱交換部の下流且つ燃料混合接合部の上流の燃料管上に配置された二方向ホットレッグ弁、及び燃料混合接合部に配置された三方向弁の少なくとも１つを含む。

一部の実施形態において、１つ以上のステップのより詳細なものとしては、測定された発熱量を制御装置で受信するステップと、測定された発熱量と目標とされる修正ウォッベ指数範囲に基づいて燃料の目標温度範囲を制御装置によって決定するステップと、測定された低温燃料温度、測定された高温燃料温度、及び測定された混合燃料温度を制御装置で受信するステップと、測定された低温燃料温度、測定された高温燃料温度、及び測定された混合燃料温度を考慮して、熱交換部を通って案内される燃料の量とコールドレッグバイパスを通って案内される燃料の量の燃料混合接合部における混合物が燃焼器に供給される燃料の温度をほぼ燃料の目標温度範囲に保つように、二方向コールドレッグ弁、二方向ホットレッグ弁、及び三方向弁の少なくとも１つの設定を制御装置によって制御するステップとが挙げられる。

一部の実施形態において、高速発熱量計測器は、検査プロセスの開始から約３０秒以内に発熱量検査結果を提供する装置である。一部の実施形態において、１つ以上のステップのより詳細なものとしては、約３０秒未満の一定の間隔で燃料の発熱量を測定するステップが挙げられる。

一部の実施形態において、燃料混合接合部は、燃料混合接合部と燃焼器の入口の間の燃料管の長さが２０メートル未満であるように配置される。一部の実施形態において、燃料混合接合部は、燃料混合接合部と燃焼器の入口の間の燃料管の長さが約４〜１５メートルであるように配置される。

本発明の上記及びその他の特徴は、図面及び添付の特許請求の範囲を参照しながら以下の好適な実施形態の詳細な説明を検討することでより明らかになるであろう。

本発明の特定の実施形態が使用される例示的なタービンエンジンの概略図である。 図１のガスタービンエンジンの圧縮機セクションの断面図である。 図１のガスタービンエンジンのタービンセクションの断面図である。 従来設計による燃焼タービンシステムの燃料供給システムの概略図である。 本発明の例示的な実施形態による燃焼タービンエンジンの燃料供給システムの概略図である。 本発明の代替的な実施形態による燃焼タービンエンジンの燃料供給システムの概略図である。 本発明の代替的な実施形態による燃焼タービンエンジンの燃料供給システムの概略図である。 本発明の代替的な実施形態による燃焼タービンエンジンの燃料供給システムの概略図である。 本発明の代替的な実施形態による燃焼タービンエンジンの燃料供給システムの概略図である。 本発明の代替的な実施形態による燃焼タービンエンジンの燃料供給システムの概略図である。 本発明の例示的な実施形態の動作を示すフロー図である。

本発明の上記及びその他の特徴は、添付図面に関連してなされる以下の本発明の例示的な実施形態のより詳細な説明を十分考慮することによってより完全に理解及び認識されるであろう。

次に図面を参照すると、図１はガスタービンエンジン１０の概略図を示しており、本発明が使用される例示的な実施形態を説明するために用いられる。本発明がこの形式の使用に制限されないことは、当業者には明らかであろう。前述のように、本発明は他の形式のガスタービンエンジンで使用することができる。一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気の流れにおける燃料の燃焼によって発生する高温ガスの加圧流からエネルギーを抽出することによって作動する。図１において図示したように、ガスタービンエンジン１０は、共通シャフト又はロータによって下流のタービンセクション即ちタービン１２に機械的に連結される軸流圧縮機１１と、圧縮機１１とタービン１２の間に配置された燃焼器１３とによって構成される。

図２は、図１のガスタービンエンジンで使用される例示的な多段軸流圧縮機１１の図を示す。図示するように、圧縮機１１は複数の段を含んでいる。各段は、圧縮機動翼１４の列と、圧縮機静翼１５の列を含んでいる。従って、第１段は、中心シャフトの周りを回転する圧縮機動翼１４の列と、作動中に静止している圧縮機静翼１５の列を含んでいる。圧縮機静翼１５は、一般的に、互いに円周方向に離間配置されて回転軸の周りに固定されている。圧縮機動翼１４は、円周方向に離間配置されてシャフトに取り付けられており、作動中にシャフトが回転する時、圧縮機動翼１４がその周りを回転する。当業者にはわかるように、圧縮機動翼１４は、シャフトの周りを回転する時、圧縮機１１を流れる空気又は流体に運動エネルギーを付与するように構成されている。圧縮機１１は、図２に図示した段の他に別の段を有してもよい。更なる段は、複数の円周方向に離間配置された圧縮機動翼１４と、複数の円周方向に離間配置された圧縮機静翼１５とを含んでもよい。

図３は、図１のガスタービンエンジンで使用される例示的なタービンセクション即ちタービン１２の部分図を示す。タービン１２もまた、複数の段を含んでいる。３つの例示的な段が図示されているが、それ以上又は以下の段がタービン１２に存在してもよい。第１段は、作動中にシャフトの周りを回転する複数のタービンバケット又はタービン動翼１６と、作動中に静止している複数のノズル又はタービン静翼１７とを含んでいる。タービン静翼１７は、一般的に、互いに円周方向に離間配置されて回転軸の周りで固定される。タービン動翼１６は、タービンホイール（図示せず）上に取り付けられてシャフト（図示せず）の周りを回転する。タービン１２の第２段も図示されている。第２段も同様に、複数の円周方向に離間配置されたタービン静翼１７と、やはりタービンホイール上に取り付けられて回転する、複数の円周方向に離間配置されたタービン動翼１６とを含んでいる。第３段も図示されており、同様に複数のタービン静翼１７及び動翼１６を含んでいる。タービン静翼１７及びタービン動翼１６は、タービン１２の高温ガス経路にあることがわかるであろう。高温ガス経路内の高温ガスの流れの方向は、矢印で示されている。当業者にはわかるように、タービン１２は図３に図示した段の他に別の段を有してもよい。各々の更なる段は、タービン静翼１７の列と、タービン動翼１６の列とを含んでもよい。

使用時、軸流圧縮機１１内の圧縮機動翼１４の回転は空気流を圧縮することができる。燃焼器１３において、圧縮空気が燃料と混合されて点火される時にエネルギーが放出される。燃焼器１３から得られた、作動流体とも呼ばれる高温ガスの流れはタービン動翼１６上に案内され、作動流体の流れがシャフトの周りのタービン動翼１６の回転を引き起こす。それによって、作動流体の流れのエネルギーが、動翼と、更に動翼とシャフトの間の接続によって回転シャフトの機械的エネルギーに変換される。シャフトの機械的エネルギーは、圧縮空気の必要な供給を発生させるように圧縮機動翼１４の、更に、例えば電力を発生させるための発電機の回転を駆動するために使用することができる。

更に進める前に、本出願の発明を明確に伝えるためにここで留意すべきは、タービンエンジンの特定の機械構成要素又は部品を参照及び説明する専門用語を選択する必要があることである。できる限り、その通義と一致する形で一般的な業界専門用語を使用及び採用する。しかしながら、そのような専門用語は広い意味を与えられており、本明細書において意図される意味及び添付の特許請求の範囲の技術的範囲が不当に制限されるように狭く解釈されるものではないと言える。当業者には、しばしば特定の構成要素が複数の異なる名称で呼ばれることがあることがわかるであろう。更に、本明細書において単一部品として記載されるものは複数の構成要素部品を含んでもよく、別の状況においては複数の構成要素部品からなるものとして参照してもよく、又は、本明細書において複数の構成要素部品を含むものとして記載されるものは単一部品として形成してもよく、場合によっては、単一部品として参照してもよい。そのため、本明細書に記載の本発明の技術的範囲を理解する上で、与えられた専門用語及び説明だけでなく、本明細書に記載の構成要素の構造、構成、機能、及び／又は使用法にもまた注意を向けるべきである。

更に、タービンエンジン用途に共通している複数の記述用語を本明細書において用いることができる。これらの用語の定義は次の通りである。「下流」及び「上流」という用語は、タービン（又はｃｏｎｄｏ）内の作動流体の流れに関する方向を示す用語である。そのため、「下流」という用語はタービン内の流れの方向に向かうことを意味し、「上流」という用語は流れの反対方向に向かうことを意味する。これらの用語に関連して、「後方」及び／又は「後縁」という用語は、記載されている構成要素の下流方向、下流端及び／又は下流端の方向に向かうことを指している。また、「前方」又は「前縁」という用語は、記載されている構成要素の上流方向、上流端及び／又は上流端の方向に向かうことを指している。「半径方向」という用語は、軸に垂直な動き又は位置を指す。これは、軸に関して異なる半径方向位置にある部品を説明するためにしばしば必要とされる。この場合、第１構成要素が第２構成要素よりも軸の近くに存在する場合、第１構成要素は第２構成要素の「内側」又は「半径方向内方」にあると本明細書において言うことができる。一方、第１構成要素が第２構成要素よりも軸から離れて存在する場合、第１構成要素は第２構成要素の「外側」又は「半径方向外方」にあると本明細書において言うことができる。「軸方向」という用語は、軸に平行な動き又は位置を指す。また、「円周方向」という用語は、軸の周りの動き又は位置を指す。

再び図面を参照すると、図４は従来設計による燃焼タービンシステム、燃焼タービンシステム２０の実施例を示している。燃焼タービンシステム２０は、ロータシャフト２４によって圧縮機２６及びタービン２８に接続される発電機２２を含んでいる。これらの構成要素の接続及び構成は、従来技術に従って行われる。従来の燃焼器３０は、圧縮機２６とタービン２８の間に配置される。

吸気管３２は、圧縮機２６に接続される。吸気管３２は、圧縮機２６に入口を設けている。第１導管は、圧縮機２６を燃焼器３０に接続し、圧縮機２６によって圧縮された空気を燃焼器３０に案内する。上述の通り、燃焼器３０は、一般的に、燃料によって既知の方法で圧縮空気供給を燃焼させて、高温の圧縮駆動ガスを発生させる。駆動ガスは、第２導管によって燃焼器３０から導かれてタービン２８に案内される。燃焼ガスの供給は、タービン２８を駆動する。ロータシャフト２４を回転させる駆動ガスによって駆動されるタービン２８は、シャフト又はロータシャフト２４を回転させ、そのエネルギーを使用して圧縮機２６及び発電機２２を駆動することによって、電力を発生する。

タービン２８からの排気ガスは、一般的に、第３導管によって排気筒４０に導かれて、排気ガスはそこから大気に放出される。排気筒４０内の排気ガスの温度は、８００°Ｆを超えることがある。燃料管５０は、燃料源（図示せず）から燃焼器３０まで延在して燃料を燃焼器３０に供給する。燃料管５０は、排気筒４０内に配設された熱交換部５２を有する。熱交換部５２において、燃料管５０は、排気筒４０を通って移動する高温排気ガスと熱伝達関係にある状態で配設される。燃料管５０は、液体燃料、又は燃焼タービンシステムにおいて慣例であるようにメタン等の気体燃料を運ぶ。実際には、液体燃料の加熱は、燃料の構成成分の熱分解を防止するために、約２００°Ｆの低温に制限されている。しかしながら、天然ガスは、ある要因によって１０００°Ｆまで加熱することができる。

燃焼タービンシステム２０は、バイパス燃料管６０を更に含んでいる。バイパス燃料管６０は、熱交換部５２の上流の、図示するように、上流燃料バイパス制御弁６３（この場合、従来の三方向弁）を含む上流分岐部６２の地点、及び熱交換部５２の下流の燃料混合接合部６４の別の地点で燃料管５０に接続されることによって、図示したように、燃料管５０の熱交換部５２をバイパスする燃料管を形成する。この構成とすると、上流燃料バイパス制御弁６３は熱交換部５２をバイパスする燃料の量を調整し、そうすることによって、上流燃料バイパス制御弁６３は燃焼器３０へと流れる燃料供給の温度を制御するために使用することができる。このように、即ち、熱交換部５２をバイパスする燃料供給の量を操作して、下流に流れる加熱された燃料と加熱されていない燃料を組み合わせることによって、従来のタービンシステム２０は、燃焼器３０への供給時に燃料の温度を少なくとも部分的に制御することができる。

しかしながら、以下に詳述するように、作動中、従来のシステムは比較的適時又は迅速な燃料温度修正を実質的に不可能にする温度遅延を有する。他にも理由はあるが、とりわけ、図４に示すような従来のシステムは、燃料混合接合部６４と燃焼器３０の間に比較的長い一続きの燃料管５０を含んでいるからである。この一続きの燃料管は、一般的に、本明細書において燃焼器ガス制御弁６５と呼ばれる、燃焼器３０のちょうど上流の弁で終端する。図４において図示したように、この距離は距離「Ｌ１」と呼ばれる。Ｌ１は、燃料混合接合部６４と燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口の間の導管の長さを示している。従来のシステムにおいて、距離Ｌ１は少なくとも２０ｍよりも大きく、通常は、５０ｍよりも大きい。混合接合部６４と燃焼器３０の間の長い一続きの導管は、燃焼器３０に供給される燃料の温度の比較的迅速な調整を不可能にする。この遅延は、燃料温度の変化に耐える導管の長さの吸熱特性及び／又は調整された温度の燃料が燃焼器３０に供給される前に導管内でかねてから必要とされる燃料のパージによって生じることがわかるであろう。

場合によっては、従来のシステムは、従来のガスクロマトグラフ６６又はその他の同様の装置も含んでいる。当業者には辛うじてわかるように、ガスクロマトグラフ６６は、燃料供給を検査してその別個の構成成分の構造及び／又はその発熱量を決定するために使用することができる。より詳細には、ガスクロマトグラフ６６は、燃料供給をサンプリングして、その様々な構成成分の相対量を測定するために使用することができる。このようにして、従来のシステムは、燃料供給における様々な炭化水素の分解を測定し、燃料供給の発熱量に関するデータを提供することができる。しかしながら、一般的に、ガスクロマトグラフ６６及び従来のシステムで一般的に用いられるその他の同様の検査装置に関連して大幅な時間遅延が存在する。即ち、ガスクロマトグラフ６６が燃料供給からサンプリングして、燃料の化学構造又は発熱量に関する関連の又は必要な検査結果又は情報を制御システムに提供するまでの間に大幅な遅延が存在する。クロマトグラフ（及び／又は一般的に同じ目的で従来のシステムに用いられるその他の同様の装置）に関連する遅延は比較的大きく（多くの場合数分以上）、以下に詳述するように、エンジン制御設定の修正が必要になってから提供されること（即ち、「適時」ではない検査結果）がよくある。言い換えると、検査結果が提供されるのが遅過ぎる。クロマトグラフ及び／又はその他の同様の装置は、燃料供給の発熱量に関してすぐに利用できる適時の情報を提供するものではなく、エンジンに供給される燃料がエンジンの目標とされる修正ウォッベ指数範囲外になる原因となる。これは、エンジン損傷、ランバック、又はその他の性能問題を引き起こすことがある。多くの場合、この遅延は上記の温度遅延によって悪化する。

当業者にはわかるように、図示の構成要素に加えて、燃焼タービンシステム２０及び、後述の、即ち、図５〜１０の例示的な実施形態の燃焼タービンシステムは、例えば凝集フィルタ、燃料ガス洗浄器、始動ヒータ等のその他の構成要素も含んでよい。しかしながら、これらの要素を含めること及び配置することは本明細書で請求された発明の作用にとって重要ではないこと、従って、これらの要素は提供された図面には図示されていないことがわかるであろう。

図５〜１０は、本発明の例示的な実施形態を示す。図５〜１０に図示したシステムにおける多くの構成要素は、図４のシステムに関して上記した構成要素と実質的に同一又は同様である。従って、明確及び簡潔にするために、図４において用いられる数字識別子は共通の構成要素に対して図５〜１０においても用いられる。燃焼タービンシステム７０は、従来設計によって、ロータシャフト２４によって圧縮機２６及びタービン２８に接続された発電機２２を含んでいる。燃焼器３０は、圧縮機２６とタービン２８の間に配置される。吸気管３２は、空気供給の入口が形成されるように圧縮機２６に接続される。第１導管は、圧縮機２６によって圧縮された空気を燃焼器３０に案内し、圧縮された空気はそこで燃料供給を燃焼させるために使用される。得られた高温ガスの流れはタービン２８内に広がり、上記の通りに、そこでエネルギーが回転シャフト２４の機械的エネルギーに変換される。回転シャフトのエネルギーを使用して圧縮機２６及び発電機２２を駆動することによって、それぞれ、圧縮空気及び電力の供給が発生する。しかしなら、この燃焼タービンエンジン用途は例示的であり、本発明はその他の燃焼タービンエンジン用途に使用することもできる。

本発明の例示的な実施形態によれば、燃焼タービンシステム７０は、燃料がエンジンの目標とされるＭＷＩ値を達成するように、燃焼器３０に供給される燃料の温度がシステムオペレータ又は制御装置によって時宜に即して制御されるように構成されている。上述の通り、燃焼タービンエンジンは、一般的に、発熱量に関してある種の特性を示す燃料を用いて作動するように設計されている。燃料の発熱量は、総発熱量、総エネルギー又はウォッベ指数評価とも呼ばれ、一般的に、燃料が燃焼する時に放出される熱又はエネルギー量を説明する。しかしながら、燃焼タービンエンジン用途では、燃料の燃焼によって所定の圧力比で燃料ノズルを通って放出されるエネルギー量は、ノズルに供給される燃料の温度を考慮に入れるとより正確に説明することができる。燃料の温度を考慮に入れる、即ち補償する燃料特性は、一般的に、修正ウォッベ指数評価又はＭＷＩ評価と呼ばれる。本明細書で用いられるように、修正ウォッベ指数評価又はＭＷＩ評価は、燃料の燃焼によって所定の圧力比で燃料ノズルを通って放出されるエネルギー量を説明する燃料評価基準を広く指すことを意図しており、燃料がノズルに供給される温度を考慮に入れる、即ち補償するものである。従って、燃焼タービンエンジンは、一般的に、特定の修正ウォッベ指数評価を有する、即ち許容可能な修正ウォッベ指数評価の範囲内にある燃料で作動するように設計されている。本明細書で用いられるように、それに対して燃焼タービンエンジンが設計されている特定の修正ウォッベ指数評価、即ち許容可能な修正ウォッベ指数評価の範囲は、「目標とされる修正ウォッベ指数範囲」又は「目標ＭＷＩ範囲」と呼ばれる。燃焼器に供給される燃料の温度を修正又は制御する（それによって燃料の修正ウォッベ指数評価を修正又は制御する）機能を有することは、エンジンがエンジンの目標ＭＷＩ範囲の燃料を用いることを保証するのに有用な方法である。

図５〜１０の幾つかの実施形態は、本発明において使用される幾つかの代替熱源を図示していることに留意されたい。特に明示した場合を除き、本発明はこれらの熱源をそれらの等価物と同様に代替例として含むことを意図しており、それぞれ後述する一定の利点を有する。更に、図面には具体的には示されていないが、本発明は、図４のシステムに関して上記したのと同一又は同様の熱源（即ち、タービンエンジンの排気によって駆動する熱交換器であって、温水又は蒸気がエンジンの排気によって加熱される熱伝達流体である温水又は蒸気ヒータが含まれる）を使用することができる。図示するように、図５の実施形態は油又は水浴ヒータ７１を含んでいる。当業者にはわかるように、従来の浴ヒータは、水又は、より高温では、熱油である熱伝達流体を含んでおり、通過する燃料を加熱するために熱交換器内で加熱及び使用される。浴ヒータ７１は、ヒータと熱交換器の間で熱伝達流体を循環させるポンプ７２を含んでいる。浴ヒータ７１に関する燃料供給は、燃料管５０（図示せず）から抽出される。浴ヒータ７１を使用することの利点の１つは、タービンエンジンからの熱を使用せずに燃料管５０の燃料供給を加熱することができることである。これは、タービンエンジンからの熱を実質的に利用できないエンジン始動時に有利であることがわかるであろう。

燃料管５０は、燃料源（図示せず）から燃焼器３０まで延在する。上記の従来のシステムと同様に、燃料管５０は、熱交換部５２が、前述のように、燃料供給が加熱される浴ヒータ７１に延在するように構成されている。

図５の燃焼タービンシステム７０は、コールドレッグバイパス７６を更に含んでいる。コールドレッグバイパス７６は、上記のバイパス燃料管６０とある面において類似している。図示するように、コールドレッグバイパス７６は、上流分岐部６２と呼ばれる、燃料管５０の熱交換部５２の上流の地点と、燃料混合接合部６４と呼ばれる、燃料管５０の熱交換部５２の下流の別の地点とにおいて、燃料管５０に接続している。このようにして、コールドレッグバイパス７６は、燃料供給が浴ヒータ７１の熱交換部５２において加熱されずにそこを通って燃焼器に移動することができる、代替又はバイパス経路を形成する。

後で詳しく述べるように、燃料管５０の熱交換部５２及びコールドレッグバイパス７６を流れる燃料の量は、それによって様々なレベルの燃料流量を可能にする少なくとも複数の流量設定を有する、１つ又は複数の従来の弁の操作によって管理又は制御又は操作される。一部の実施形態では、燃焼タービンシステム７０は、燃料管５０又はコールドレッグバイパス７６のどちらかに配置される単一の従来の二方向弁を介して２つの代替経路間で流量レベルを制御することができる。その他の実施形態では、図５に示すように、燃焼タービンシステム７０は、２つの従来の二方向弁、コールドレッグバイパス７６上に配置されたコールドレッグ弁７８及び燃料管５０上に配置されたホットレッグ弁７９を介してコールドレッグバイパス７６及び燃料管５０の熱交換部５２を通る流量レベルをより正確に制御することができる。図示したように、ホットレッグ弁７９は、上流分岐部６２の下流且つ熱交換接合部６４の上流の燃料管５０上に配置される。更に、図８において図示すると共に付随する本文で説明したように、ホットレッグ弁７９及びコールドレッグ弁７８は、従来の三方向弁９０と置き換えてもよい。

従来の手段及び方法に従って、図５において図示したように、ホットレッグ弁７９及びコールドレッグ弁７８を含む弁の操作及び設定は、制御装置８２によって制御される。より詳細には、コールドレッグバイパス７８及び燃料管５０の熱交換部５２を通る燃料流量を調整する弁の設定は、制御装置８２から受信される信号に従って制御される。制御装置８２は、以下に詳述するように、１つ又は複数の弁の操作に関する制御ロジックを含む電子又はコンピュータ実施装置からなっている。この制御ロジック及び／又は（以下に詳述するように）制御装置８２によって監視された１つ又は複数の作動パラメータに従って、制御装置８２は、１つ又は複数の弁に電子信号を送信することによって、１つ又は複数の弁の設定を制御する。このようにして、１つ又は複数の弁は、コールドレッグ弁７８を通る流量を減少させると共に燃料管５０の熱交換部５２を通る流量を増大させる、又は、代替的には、コールドレッグ弁７８を通る流量を増大させると共に燃料管５０の熱交換部５２を通る流量を減少させる。

燃焼器３０に供給される燃料供給の温度（更に、ひいてはＭＷＩ評価）は、燃料管５０の熱交換部５２を通過する燃料供給の割合を操作することによって制御することができることがわかるであろう。例えば、燃焼器に供給される燃料供給の温度を上昇させる（それによってＭＷＩ評価を減少させる）ことが求められる場合、１つ又は複数の弁は、より大きな割合の燃料供給が燃料管５０の熱交換部５２に案内されるように制御される。これにより、熱混合接合部６４の下流の燃料温度が上昇することになる。これに対して、燃焼器に供給される燃料供給の温度を低下させる（それによってＭＷＩ評価を増大させる）ことが求められる場合、１つ又は複数の弁は、より小さな割合の燃料供給が燃料管５０の熱交換部５２に案内されるように制御される。これにより、燃料混合部６４の下流の燃料温度が低下することになることがわかるであろう。

本発明の例示的な実施形態によれば、燃焼タービンシステム７０は、高速発熱量計測器７４を更に含んでいる。本明細書で用いられるように、高速発熱量計測器７４は、天然ガス等の燃料を検査し、検査された燃料の発熱量に関する検査結果又はデータを迅速に提供するために使用される計器又は装置を含むように定義されている。更に、本明細書で用いられるように、「迅速に」検査結果を提供するとは、検査結果を適時に提供する、又は、本発明のその他の実施形態に関しては、本明細書に指定された期間内に検査結果を提供することとして定義されている。

一部の実施形態では、高速発熱量計測器７４はガス熱量計である。当業者にはわかるように、ガス熱量計は燃料の発熱量を測定する計器である。上述の通り、燃料の発熱量は、総発熱量、総エネルギー又はウォッベ指数評価としても知られており、一般的に、燃料が燃焼する時に放出される熱又はエネルギー量を説明するように本明細書において定義されている。一部の実施形態では、本発明の高速発熱量計測器７４は、本明細書に記載のその他の作動要件を満たすように構成される、ウォッベメータ、ガス熱量計、又は発熱量トランスミッタ等の装置及び／又はその他の同様の装置を含む。図示するように、一部の実施形態では、高速発熱量計測器７４は上流分岐部６２の上流に配置されるが、その他の場所、コールドレッグバイパス７６の上などのその他の場所もその他の実施形態において可能である。

一部の実施形態において、高速発熱量計測器７４は、作動中、燃焼器３０に供給される燃料供給の発熱量を定期的にサンプリング及び検査するように構成される。高速発熱量計測器７４による燃料供給の定期的検査は、少なくとも約６０秒毎の範囲内で行われる。その他のより好適な実施形態では、高速発熱量計測器７４による燃料供給の定期的検査は、少なくとも約３０秒毎の範囲内で行われる。更に他のより好適な実施形態では、高速発熱量計測器７４による燃料供給の定期的検査は、少なくとも約１５秒毎の範囲内で行われる。

前述のように、高速発熱量計測器７４は、比較的短い期間の間に燃料の検査を完了して、燃料の発熱量に関するデータを提供するように構成されている。一部の実施形態では、高速発熱量計測器７４は、検査サンプルをとって検査手順を開始してから少なくとも約２分以内に発熱量検査を完了して結果を提供するように構成される。その他のより好適な実施形態では、高速発熱量計測器７４は、検査サンプルをとって検査手順を開始してから少なくとも約１分以内に発熱量検査を完了して結果を提供するように構成される。更に他の好適な実施形態では、高速発熱量計測器７４は、検査サンプルをとって検査手順を開始してから少なくとも約３０秒以内に発熱量検査を完了して結果を提供するように構成される。理想的には、その他の実施形態において、高速発熱量計測器７４は、検査サンプルをとって検査手順を開始してから少なくとも約１０秒以内に発熱量検査を完了して結果を提供するように構成される。高速発熱量計測器７４及び制御装置８２は、一般的に、電子通信を行うように構成されている。より詳細には、高速発熱量計測器７４は、従来の手段及び方法によって、燃料供給の発熱量の検査に関するデータを制御装置８２に送信する。

燃焼タービンシステム７０は、燃料供給システム（図示せず）内の１つ叉は複数の場所で燃料供給の温度を測定するために従来の計器を更に含んでいる。例えば、高速発熱量計測器７４と同じ場所で、発熱量が測定されて制御装置８２に伝えられるのと同時に燃料供給の温度が測定されるように、熱電対又はその他の温度測定器を更に含んでもよく、且つ／又は高速発熱量計測器７４に組み込んでもよい。この場所で、この温度測定は、本明細書において「非加熱燃料温度」と呼ばれるもの、即ち、加熱前又は有意な加熱前の燃料の温度を提示する。第２の熱電対又はその他の温度測定器は、熱交換部５２の出口と燃料混合接合部６４の間に配置される。この温度測定は、本明細書において「加熱燃料温度」と呼ばれるもの、即ち、加熱された後の燃料の温度を提示する。第３の熱電対又はその他の計器は、燃焼器３０の入口又は燃焼器ガス制御弁６５の入口に配置される。この温度測定は、本明細書において「混合燃料温度」と呼ばれるもの、即ち、一般的に燃料混合接合部６４の下流及び／又は燃焼器３０の入口の燃料の温度を提示する。温度を測定するための計器は、従来の手段及び方法によって、測定された温度データを制御装置８２に伝えることができる。

前述のように、従来のシステムでは、燃料混合接合部と燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口の間の導管又は燃料管の距離は比較的長くなっている。（ここで留意すべきは、「燃焼器ガス制御弁６５」は燃焼器３０のちょうど上流且つ燃焼器３０にごく接近して存在する制御弁を指すように意図されており、従って、燃料供給が燃焼器３０に導入される適切な場所を説明するために「燃焼器３０の入口」と実質的に同じ意味で使用されることである。具体的には、本明細書において意図されるように、「燃焼器ガス制御弁６５」と呼ぶのは燃焼器３０の入口と呼ぶのとほぼ同じである。従って、いかなる理由であれ燃焼器３０のちょうど上流の又は燃焼器３０にごく接近した制御弁を有していないシステムにおいて、「燃焼器ガス制御弁６５」と本明細書において呼ぶのは燃焼器３０の入口の代わりとして呼ぶためである。）燃料混合接合部６４と燃焼器ガス制御弁６５の間の距離は、長い場合、長く延びた導管は一般的に急速な温度変化に対して不利に働くヒートシンクを形成する、且つ／又は、長く延びた導管は燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口において燃料温度の大幅な変化（従って、燃料のＭＷＩ評価の大幅な変化）が感じられる前に実質的にフラッシングしなくてはならないので、燃焼器３０に供給される燃料供給の温度を急速に変化させることをより困難にすることがわかるであろう。その結果、従来のシステムでは、燃料温度を変化させるために取った措置と、燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口で変化が感じられるタイミングの間に大幅な遅延が存在する。

更に、従来の燃焼タービンシステムにおいて、この燃料供給の温度を変化させる機能の遅延は、一般的に、この目的のために使用されるガスクロマトグラフ又はその他の同様の装置から燃料供給の発熱量データを得ることに関する典型的な遅延によって悪化する。その結果、従来の燃焼タービンシステムは、燃料供給の発熱量の変化を検出する際に遅延を感じ、これは一般的に燃焼器３０に供給される燃料の温度の変化をもたらす際に引き起こされる第２の遅延によって度合いが増す。後で詳しく述べるように、本発明の例示的な実施形態に従って作動するように構成された燃焼タービンシステムは、より適時且つ迅速に燃料供給発熱量データを制御装置８２に提供するように構成される高速発熱量計測器７４を用いることにより、これらの遅延問題を削減又は実質的に排除する。

更に、本発明の例示的な実施形態は、燃料温度変化（結果として得られる燃料のＭＷＩ評価の変化）がより迅速に燃焼器３０の入口で感じられるように、燃料が燃料管５０の熱交換部５２をバイパスできるようにするコールドレッグバイパス７６を提供する。本発明の一部の実施形態では、この結果は、燃料混合接合部６４（即ち、非加熱燃料と加熱燃料の供給が所望の温度まで混合される場所）を、燃料混合接合部６４と燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口の間の導管の長さが減少するように配置することによって達成される。前述のように、導管のこの長さを減少させることによって、加熱燃料と非加熱燃料の混合が燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０へ入口にごく接近して起こり、一般的に燃焼器３０に到達する燃料の温度変化を比較的迅速に発生させることができる。

場合によっては、加熱及び非加熱燃料が混合される場所と燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口の間の最小距離を維持すべきであることもわかっている。この最小距離は、燃料が燃焼器３０に供給されて燃焼器３０内で燃焼される前に燃料供給を通じて比較的均一な燃料温度が得られるように、加熱及び非加熱燃料を十分に混合することを可能にする。燃料供給を通じて比較的均一な燃料温度を有することは、特に燃焼器３０の動作に関して、より良いエンジン性能を促進することがわかるであろう。これらの矛盾を考慮して、本明細書に記載の発明の一部として、導管の長さの好適な範囲が得られた。従って、一部の好適な実施形態では、燃料混合接合部６４は、燃料混合接合部６４と燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口の間の導管の長さが約２〜２０メートルとなるように配置される。より詳細には、燃料混合接合部６４は、燃料混合接合部６４と燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口の間の導管の長さが約４〜１５メートルとなるように配置される。理想的には、燃料混合接合部６４は、燃料混合接合部６４と燃焼器ガス制御弁６５／燃焼器３０の入口の間の導管の長さが約６〜１０メートルとなるように配置される。これらの範囲の各々は、性能の向上をもたらす。前述のように、燃料供給温度が制御される場所と燃焼器の適切な入口の間の導管の長さが短いと、温度変化（ひいては、燃料のＭＷＩ評価の変化）がより迅速に起こる（即ち、必要とされるフラッシング又はパージングが減り、ヒートシンクとして作用する導管が減少する）。また、最小の導管距離を維持することにより、２つの燃料供給の適切な混合が得られる。

図６〜図１０は、本発明の代替的な実施形態を示す。図６〜１０に図示した燃焼タービンシステムは、多くの面及び機能においてほぼ同じように類似していることがわかるであろう。そのため、各々の説明は主に幾つかの違いに重点を置くこととする。

次に図６を参照すると、修正された構成を有する燃焼タービンシステム７０が示されている。図５に関して説明したシステムと同様に、システムの熱源は油又は水浴ヒータ７１である。しかしながら、図６のシステムは、本明細書において第２又は下流コールドレッグバイパス８５と呼ばれる、更なるバイパス燃料管を含んでいる。ホットレッグバイパス８５は、上流分岐部６２の下流に存在するバイパス（即ち、燃料管５０の熱交換部５２をバイパスする燃料管）からなっている。上流端では、下流コールドレッグバイパス８５が第２分岐部８６で燃料管５０に接続する。下流端では、下流コールドレッグバイパス８５が燃料管５０の熱交換部５２の下流の地点で燃料管５０に接続する。従来の三方向弁８７は、第２分岐部８６に配置される。三方向弁８７は、熱交換部５２に案内される燃料の量と、下流コールドレッグバイパス８５を通って案内される量を制御する。

タービンエンジンの機能に従属する熱源（例えば、図６の浴ヒータ７１のための熱はタービンエンジンの排気から抽出される）は可変である、即ち、タービンエンジンの負荷又は出力に応じて様々な熱量を発生することがわかるであろう。これらの場合、下流コールドレッグバイパス８５は、燃料混合接合部６４に到達する前に加熱された燃料供給の温度を制御又は調整するための更なる手段を提供する。特に、例えば、タービンエンジンが高出力レベルで作動しているので浴ヒータ７１が高温で作動している場合、下流コールドレッグバイパス８５を介して燃料に熱交換部５２をバイパスさせることができる。このようにして、燃料混合接合部６４に到達する加熱燃料の供給の温度がより一貫して予測可能になり、最終的に、燃料混合接合部６４の下流の燃料供給のより効率的且つ効果的な温度制御を提供することができる。図６の修正された構成は、本明細書に記載のその他の熱源を用いて使用することもできることがわかるであろう。一般的に、その他の面に関して、図６に示す燃焼タービンシステム７０は図５に関して上記したシステムと同様に作動する。

次に図７を参照すると、修正された構成を有する燃焼タービンシステム７０が示されている。即ち、図７のシステムの熱源が直火ヒータ８７である。当業者にはわかるように、一般に、直火ヒータ８７は、燃料供給を燃焼し、熱交換器を用いて、燃焼による熱によって燃料管５０を流れる燃料を加熱する装置である。このようにして、直火ヒータ８７は、燃料供給を加熱するために使用される熱交換部５２を形成するように構成される。直火ヒータ８７を使用することの利点の１つは、燃焼タービンエンジンからの入熱を必要とせずに燃料管５０の燃料供給を加熱することができることである。これは、タービンエンジンからの熱が実質的に利用できないエンジン始動時に有利であることがわかるであろう。

次に図８を参照すると、別の修正された構成を有する燃焼タービンシステム７０が示されている。図示するように、図８に図示したシステムは、燃料混合接合部６４における三方向弁９０の追加以外は図７に図示したシステムと実質的に同様である。三方向弁９０は、一般的に、コールドレッグ弁７８及びホットレッグ弁７９の代わりをするものであり、任意の適切な従来の三方向弁９０であってよい。当業者にはわかるように、２つの二方向弁の操作と同様に、三方向弁９０は、燃料混合接合部６４の下流の燃料の温度が要望通り調整及び制御されるように、燃料混合接合部６４における燃料の混合を制御する。図８の構成は、本明細書に記載のその他のシステム構成の一部として使用してもよい。

次に図９を参照すると、別の修正された構成を有する燃焼タービンシステム７０が示されている。図示したように、図９のシステムの熱源は電気ヒータ９１である。当業者にはわかるように、一般に、電気ヒータ９１は、熱交換器に熱を供給する発熱体からなっている。電気ヒータ９１の発熱体は、燃料供給を加熱するために使用される熱交換部５２を形成するように構成される。電気ヒータ９１を使用することの１つの利点は、タービンエンジンからの排気熱を使用せずに燃料供給を加熱することができることである。これは、タービンエンジンからの熱が実質的に利用できないエンジン始動時に有利である。

次に図１０を参照すると、別の修正された構成を有する燃焼タービンシステム７０が示されている。図示したように、図１０のシステムの熱源はヒートパイプ熱交換器９４である。一般に、ヒートパイプ熱交換器９４は、タービン排気ガスが流れる排気導管９６内から延在する複数の伝熱管９５を含む。伝熱管９５は、熱を使用して燃料流を加熱するようにタービン排気からの熱を伝える。即ち、ヒートパイプ熱交換器９４は、燃料供給を加熱するために使用される熱交換部５２を形成するように構成される。ヒートパイプ熱交換器９４を使用することの利点は、燃焼タービンエンジンと熱交換部５２の近さである。これにより、導管の長さが最小限に抑えられ、タービンエンジンの始動プロセスが始まったすぐ後に熱源を使用する能力がもたらされる。更に、ヒートパイプ熱交換器９４は、燃料供給を加熱するために排気からの熱を依然として使用しながらタービン排気と燃料供給の分離を維持するという利点を有する。従来の蒸気又は温水ヒータを含むその他の熱源も使用することができる。蒸気又は温水ヒータは、加圧されても加圧されなくてもよい。蒸気又は温水ヒータは別個のボイラによって駆動されてもよく、或いは、タービンエンジンの排気によって加熱されてもよい。

前述のように、制御装置８２は、１つ又は複数の作動パラメータを監視すると共に、本発明の例示的な実施形態に従って、好適なＭＷＩ評価で、又は、前述のように、本明細書において目標ＭＷＩ評価範囲と呼ばれる、好適な範囲のＭＷＩ評価内で燃料供給が燃焼器に供給されるように１つ又は複数の弁の機能を制御する、プログラムされたロジックを有する。当業者にはわかるように、アルゴリズム、制御プログラム、論理フロー図、及び／又はソフトウェアプログラムは、以下で詳しく説明するように、燃焼タービンエンジンシステムの変化する作動パラメータを監視するように作成されており、燃料が燃焼器に供給される温度を制御することによって、燃焼器への燃料供給のＭＷＩ評価が目標ＭＷＩ範囲内に収まるようになっている。当業者にはわかるように、そのようなシステムは、上記のように、関連のタービンエンジン作動パラメータを監視する複数のセンサ及び計器を含んでいる。これらのハードウェア装置及び計器は、制御装置８２等の従来のコンピュータ実施制御システムにデータ及び情報を送信し、それによって制御及び操作される。即ち、従来の手段及び方法に従って、制御装置８２等の制御システムは、燃焼タービンシステム７０からデータを受信及び／又は取得し、データを処理し、燃焼タービンシステムのオペレータに伝達し、且つ／又は、当業者にはわかるように、制御装置８２によって操作されるソフトウェアプログラムの一部である、一連の命令又は論理フロー図に従ってシステムの様々な機械装置を制御する。

図１１は、論理フロー図１００を示す。当業者にはわかるように、論理フロー図１００は制御装置８２によって実施及び実行される。一部の実施形態では、制御装置８２は、任意の適切な高性能固体スイッチング装置からなっている。制御装置８２はコンピュータであってよいが、これは本発明の技術的範囲内の適切な高性能制御システムの単なる例示である。例えば、制限するためではないが、制御装置８２は、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、サイリスタ、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）及び絶縁ゲートバイポーラトランジスタの少なくとも１つを含む。制御装置８２は、全体的なシステムレベル制御を行う主又は中央プロセッサ部分と、中央プロセッサ部分の制御下で様々な異なる特定の組み合わせ、機能及びその他の処理の実行専用の別個の部分とを有する、単一の特定用途向け集積回路、例えばＡＳＩＣとして実施してもよい。制御装置は、ＰＬＤ、ＰＡＬ、ＰＬＡ等の個別素子回路又はプログラマブル論理装置を含む配線電子又は論理回路等の様々な別個の専用又はプログラマブル集積又はその他の電子回路又は装置を用いて実施してもよいことが、当業者にはわかるであろう。制御装置８２は、適切にプログラムされた汎用コンピュータ、例えばマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラ、或いはＣＰＵ又はＭＰＵ等のその他のプロセッサ装置を単独で、或いは１つ又は複数の周辺データ及び信号処理装置と併せて用いて実施してもよい。一般に、有限状態機械が論理フロー図を実施可能な任意の装置又は同様の装置は制御装置８２として使用される。分散処理アーキテクチャは、最大のデータ／信号処理機能及び速度に好適である。

論理フロー図１００は、ステップ又はブロック１０２から始まる。ステップ１０２では、上記の任意の方法に従って、燃焼タービンシステム７０、特に、燃焼タービンシステム７０の燃料供給システムの作動パラメータに関するデータを受信、監視、及び記録する。前述のように、作動パラメータは、燃料供給の発熱量（例えば、上流分岐部６２の上流に配置された高速発熱量計測器７４によって測定される）、燃料供給システム内の様々な場所における燃料供給の温度（例えば、上記の非加熱温度測定、加熱温度測定、及び／又は燃焼器入口温度測定が含まれる）、及び／又はコールドレッグバイパス７６及び燃料管５０の熱交換部５２を通る流量に関する測定値（例えば、これらの導管を通る流れを制御するいずれかの弁の設定が含まれ、また、例えば、コールドレッグバイパス７６及び／又は燃料管５０内に配置された従来の圧力トランスデューサを介して得られる、これらのいずれかの導管内で行われる燃料圧力測定も含まれる）の１つ又は複数を含む。ステップ１０２から、プロセスはステップ１０４へと続く。作動パラメータの測定、監視、及び／又は記録は連続的又は定期的に発生し、更新された、即ち最新のデータは、ステップ１０４からその他のステップに至るダイレクトラインが図７にあろうとなかろうと、論理フロー図１００の複数のステップを通して使用される。

ステップ１０４では、燃料供給の現在の発熱量の測定値を考慮して、プロセスは、目標ＭＷＩ範囲を満たすために燃料供給が燃焼器３０に供給されるべきである、許容可能な温度又は温度範囲を決定する。前述のように、燃焼タービンエンジンは、一般的に、特定の発熱量又は発熱量範囲を有する燃料によって作動するように設計されている。より詳細には、エンジンは、目標ＭＷＩ範囲用に設計される。実際には、エンジンの燃料供給の発熱量は一般的に変動する。燃料の温度を変化させることによって、目標ＭＷＩ範囲が満たされるように、異なるレベルの発熱量が補償される。具体的には、燃料供給のＭＷＩ評価は、エンジンの燃焼器に供給される燃料がそれに対してエンジンが設計されている所定の又は好適なＭＷＩ評価である、或いは所定の又は好適なＭＷＩ評価の範囲内にあるように、燃料供給の温度を上昇又は低下させることによって調整される。前述のように、それに対してエンジンが設計されている、燃料の所定の又は好適なＭＷＩ評価或いは所定の又は好適なＭＷＩ評価の範囲は、本明細書において目標ＭＷＩ範囲と呼ばれる。当業者にはわかるように、燃焼タービンエンジンは、目標ＭＷＩ範囲に一致するＭＷＩ評価の燃料が燃焼器に供給されると、より良く、つまり、より効率的且つ確実に機能する。目標ＭＷＩ範囲外の燃料を燃焼器に供給すること（即ち、これは、目標ＭＷＩ範囲内のＭＷＩ評価を生成することのない、燃焼器に供給される燃料の温度で起こり得る）は、エンジン性能及び効率の損失を引き起こし、且つ／又はタービン構成要素に損傷を与えることがある。また、上記したように、適切な範囲外の燃料を燃焼器３０に供給することはガスタービンの「ランバック」状態を引き起こす可能性があり、これは、一般的に、エンジンが自動的にエンジン出力を大幅に減少させる予防措置を取ることになるので、非常に望ましくない。この予防措置は、燃料のＭＷＩ評価が推奨範囲内にない場合に起こり得る潜在的な損傷を最小限に抑えるために行われるが、出力の突発的な損失はその他の問題を引き起こす可能性があり、同じく非常に望ましくない。

燃料のＭＷＩ評価と燃料の温度の関係は、反比例の関係である。即ち、燃料の温度が上昇するにつれて、ＭＷＩ評価は減少する。これに対して、燃料の温度が低下するにつれて、ＭＷＩ評価は増大する。従って、例えば、燃料が発熱量「Ｘ」を有すると仮定すると、タービンエンジンが設計されている目標ＭＷＩ範囲を考慮して、燃料が目標ＭＷＩ範囲内のＭＷＩ評価を維持するために供給される許容可能な温度の範囲は、「Ｚ」〜「Ｙ」の温度範囲を占める。燃料供給の発熱量が（Ｘ＋１０）の値まで増加すると、一般的に、燃料が目標ＭＷＩ範囲内のＭＷＩ評価を維持するために燃焼器に供給される許容可能な温度の範囲は、例えば（Ｚ−２０）〜（Ｙ−２０）の温度範囲まで一般的に減少する。従って、燃焼タービンエンジンは、一般的に、燃料の発熱量を考慮して燃料が燃焼器に供給されるべき容認又は推奨温度及び／又は温度範囲（即ち、目標ＭＷＩ範囲内のＭＷＩ評価を維持する温度範囲）を有する。ステップ１０４では、以下で「目標温度範囲」と呼ばれる、この好適な温度又は推奨温度範囲が決定される。要するに、目標温度範囲は、高速燃料発熱量計測器７４によって行われた発熱量測定に基づいて、目標ＭＷＩ評価内の燃料が燃焼器に供給されるように燃料のＭＷＩ評価を維持する温度値又は範囲である。プロセスは、ステップ１０６へと続く。

ステップ１０６では、燃焼器３０の入口で測定された燃料供給の温度（ステップ１０２の継続動作の一部として測定及び監視される）を考慮して、プロセスは、燃焼器のほぼ入口における燃料供給の温度がステップ１０４で計算された目標温度範囲又はその範囲内であるかどうか？を判断する。燃焼器の入口における燃料供給の温度が目標温度範囲又はその範囲内であると判断された場合、プロセスはステップ１０４に戻る。燃焼器の入口における燃料供給の温度が目標温度範囲又はその範囲内でないと判断された場合、プロセスはステップ１０８へと続く。

ステップ１０８では、制御装置が、燃焼器の入口における燃料供給の温度が目標温度範囲又はその範囲内であるように、コールドレッグ弁７８及び／又はホットレッグ弁７９の設定を操作する。例えば、燃焼器に供給される燃料の温度を下げる必要があると判断された場合（即ち、燃焼器入口又はその付近で測定された温度が目標温度範囲よりも高い場合）、コールドレッグ弁７８及び／又はホットレッグ弁７９の設定は、燃料供給のより多い部分が燃料管５０の熱交換部５２をバイパスするように操作される。これにより、混合接合部６４の下流の燃料供給の温度が低下することがわかるであろう。これに対して、燃焼器に供給される燃料の温度を上げる必要があると判断された場合（即ち、燃焼器入口又はその付近で測定された温度が目標温度範囲よりも低い場合）、コールドレッグ弁７８及び／又はホットレッグ弁７９の設定は、燃料供給のより少ない部分が燃料管５０の熱交換部５２をバイパスするように操作される。これにより、混合接合部６４の下流の燃料供給の温度が上昇することがわかるであろう。当業者にはわかるように、２つの二方向弁の代わりに、三方向弁９０を使用して、同様の方法で加熱及び非加熱燃料の混合を制御することができる。

ステップ１１０では、ステップ１０８で取られた行動の結果、燃焼器３０の入口で測定された燃料供給の温度を考慮して、プロセスは、燃焼器の入口における燃料供給の温度がステップ１０４で計算された目標温度範囲内であるかどうか？を判断する。燃焼器の入口における燃料供給の温度が目標温度範囲内である（それによって目標ＭＷＩ範囲内の燃料を生成する）と判断された場合、プロセスはステップ１１２へと進む。しかしながら、燃焼器の入口における燃料供給の温度がまだ目標温度範囲内ではない（それによって目標ＭＷＩ範囲内の燃料を生成することができない）と判断された場合、プロセスはステップ１０８へ進み、弁７６、７８（又は、場合によっては、三方向弁９０）がもう一度調整される。燃焼器に供給される燃料の温度が目標温度範囲又は範囲内なるまで、プロセスはステップ１０８〜１１０の制御ループを繰り返す。

ステップ１１２において、プロセスが終了する。或いは、（図示しないが）プロセスはステップ１０２に戻って再び開始してもよい。

図１１の例示的なプロセス要素は一例として示されており、その他のプロセス及びフロー図の実施形態はそれより少ない又は多い数の要素又はステップを有してもよく、そのような要素又はステップは本発明のその他の実施形態に従って代替的な構成で配列してもよい。当業者にはわかるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上記した多くの異なる機能及び構成は、更に選択的に適用されて本発明のその他の可能な実施形態を形成することができる。簡潔にするために当業者の能力を考慮して、以下の複数の請求項によって包含される全ての組み合わせ及び可能な実施形態は本発明の一部であることが意図されているが、各々の可能な反復は本明細書において詳述されていない。更に、本発明の幾つかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は改良、変更及び修正に想到するであろう。当業者の技術範囲内であるそのような改良、変更及び修正は、添付の特許請求の範囲によって保護されることも意図されている。更に、上述の説明は本発明の記載された実施形態に関するものにすぎず、以下の特許請求の範囲及びその等価物によって規定される本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正を行うことができることは明らかである。

１０ ガスタービンエンジン
１１ 圧縮機
１２ タービン
１３ 燃焼器
１４ 圧縮機動翼
１５ 圧縮機静翼
１６ タービン動翼
１７ タービン静翼
２０ 燃焼タービンシステム
２２ 発電機
２４ ロータ
２６ 圧縮機
２８ タービン
３０ 燃焼器
３２ 吸気管
４０ 排気筒
５０ 燃料管
５２ 熱交換部
６０ バイパス燃料管
６２ 上流分岐部
６３ 上流燃料バイパス制御弁
６４ 燃料混合接合部
６５ 燃焼器ガス制御弁
６６ ガスクロマトグラフ
７０ 燃焼タービンシステム
７１ 水浴ヒータ
７２ ポンプ
７４ 高速発熱量計測器
７６ コールドレッグバイパス
７８ コールドレッグ弁
７９ ホットレッグ弁
８２ 制御装置
８５ 下流コールドレッグバイパス
８６ 第２分岐部
８７ 直火ヒータ
９０ 三方向弁
９１ 電気ヒータ
９４ ヒートパイプ熱交換器
９５ 伝熱管
９６ 排気導管

Claims (10)

1. 燃焼タービンエンジンの動作を制御する方法であって、前記燃焼タービンエンジンは、燃料源に接続されると共に燃焼器３０に接続される燃料管５０であって、燃料が前記燃焼器３０に供給される前に燃料を加熱するための熱源７１、８７、９１、９４と熱伝達関係にある状態で配設された熱交換部５２を含んでいる前記燃料管５０と、燃料の発熱量を検査するように構成された高速発熱量計測器７４と、前記燃料管５０の前記熱交換部５２をバイパスする代替燃料管からなるコールドレッグバイパス７６であって、前記熱交換部５２の上流に配設された上流分岐部６２と、前記熱交換部５２の下流に配設された燃料混合接合部６４とにおいて前記燃料管５０に接続されており、前記燃料混合接合部６４は前記燃料混合接合部６４と前記燃焼器３０の入口の間の燃料管５０の長さが比較的短くなるように配置されている前記コールドレッグバイパス７６と、前記熱交換部５２を通って案内される燃料の量と前記コールドレッグバイパス７６を通って案内される燃料の量とを制御するための１つ又は複数の弁とを含んでおり、
   前記高速発熱量計測器７４によって燃料の発熱量を測定するステップと、
   前記測定された発熱量と目標とされる修正ウォッベ指数範囲に基づいて燃料の目標温度範囲を決定するステップと、
   前記燃焼器３０に供給される燃料の温度が前記目標温度範囲内であるように前記熱交換部５２をバイパスする燃料の量を制御するステップとからなる、方法。
2. 前記目標とされる修正ウォッベ指数範囲は、燃料を前記燃焼タービンエンジンで用いるのが好ましい少なくとも１つの所定の修正ウォッベ指数評価を含んでおり、
   燃料の前記目標温度範囲は、燃料の前記測定された発熱量を考慮して、燃料が前記目標とされる修正ウォッベ指数範囲を有する温度である、請求項１に記載の方法。
3. 前記コールドレッグバイパス７６内又は前記上流分岐部６２の上流のある地点で得られる低温燃料温度と、前記熱交換部５２と前記燃料混合接合部６４の間のある地点で得られる高温燃料温度と、前記燃料混合接合部６４と前記燃焼器３０の前記入口の間のある地点で得られる混合燃料温度とを測定するステップを更に含んでおり、
   １つ以上のステップのより詳細なものとしては、前記混合燃料温度が燃料の前記目標温度範囲内であるか、燃料の前記目標温度範囲未満であるか、又は燃料の前記目標温度範囲以上であるかどうかを判断するステップが挙げられる、請求項１又は２に記載の方法。
4. １つ以上のステップのより詳細なものとしては、
   前記混合燃料温度が燃料の前記目標温度範囲未満である場合は燃料のより多い部分が前記燃料管５０の前記熱交換部５２を通って案内されるように前記１つ又は複数の弁を制御するステップと、
   前記混合燃料温度が燃料の前記目標温度範囲以上である場合は燃料のより少ない部分が前記燃料管５０の前記熱交換部５２を通って案内されるように前記１つ又は複数の弁を制御するステップとが挙げられる、請求項３に記載の方法。
5. 前記燃料混合接合部６４は、前記燃焼器３０の前記入口の上流且つ前記入口にごく接近して配置された燃料弁を含む燃焼器ガス制御弁６５に十分に接近して、前記１つ又は複数の弁によってなされた前記コールドレッグバイパス７６を通って案内される燃料の量と前記熱交換部５２を通って案内される燃料の量の変化によって、比較的短い期間に前記燃焼器ガス制御弁６５において燃料温度の変化が生じるように、更に、前記燃焼器ガス制御弁６５から十分に遠く離れて、燃料が前記燃焼器ガス制御弁６５に到達する前に実質的に均一な温度に十分混合されるように、配置されており、
   燃料を加熱するための前記熱源７１、８７、９１、９４は、水浴ヒータ７１、熱油浴ヒータ７１、直火ヒータ８７、電気ヒータ９１、ヒートパイプ熱交換器９４、蒸気ヒータ、温水ヒータ、及び前記燃焼タービンエンジンの排気からの熱を使用する熱交換器の１つである、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記１つ又は複数の弁は、前記コールドレッグバイパス７６上に配置された二方向コールドレッグ弁７８、前記熱交換部５２の下流且つ前記燃料混合接合部６４の上流の前記燃料管３０上に配置された二方向ホットレッグ弁７９、及び前記燃料混合接合部６４に配置された三方向弁９０の少なくとも１つを含む、請求項３に記載の方法。
7. １つ以上のステップのより詳細なものとしては、
   前記測定された発熱量を制御装置８２で受信するステップと、
   前記測定された発熱量と前記目標とされる修正ウォッベ指数範囲に基づいて燃料の前記目標温度範囲を前記制御装置８２によって決定するステップと、
   前記測定された低温燃料温度、前記測定された高温燃料温度、及び前記測定された混合燃料温度を前記制御装置８２で受信するステップと、
   前記測定された低温燃料温度、前記測定された高温燃料温度、及び前記測定された混合燃料温度を考慮して、前記熱交換部５２を通って案内される燃料の量と前記コールドレッグバイパス７６を通って案内される燃料の量の前記燃料混合接合部６４における混合物が前記燃焼器３０に供給される燃料の温度をほぼ燃料の前記目標温度範囲に保つように、前記二方向コールドレッグ弁７８、前記二方向ホットレッグ弁７９、及び前記三方向弁９０の少なくとも１つの設定を前記制御装置８２によって制御するステップとが挙げられる、請求項６に記載の方法。
8. 前記高速発熱量計測器７４は、検査プロセスの開始から約３０秒以内に発熱量検査結果を提供する装置であり、
   １つ以上のステップのより詳細なものとしては、約３０秒未満の一定の間隔で燃料の発熱量を測定するステップが挙げられる、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記燃料混合接合部６４は、前記燃料混合接合部６４と前記燃焼器の前記入口の間の燃料管５０の長さが２０メートル未満であるように配置される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記燃料混合接合部６４は、前記燃料混合接合部６４と前記燃焼器３０の前記入口の間の燃料管５０の長さが約４〜１５メートルであるように配置される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。

Images