JP2011247252A - 燃料及び希釈剤制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料及び希釈剤の流量制御システムを提供すること。
【解決手段】種々の実施形態によれば、システムは、燃焼システム（１６６）の燃料ノズル（２５２）への第１の燃料（１６８）の第１の流れと、第２の燃料（１７２）の第２の流れとの間の燃料移行を制御するよう構成された燃料コントローラ（１８２）を含む。燃料コントローラ（１８２）は、第２の燃料（１７２）の第２の流れと組合せて希釈剤（１７６）の第３の流れを調整して、燃料ノズル（２５２）前後の圧力比を所定の作動圧力比を上回って維持するように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本明細書で開示される主題は、流量制御システムに関し、より詳細には、燃料及び希釈剤の流量制御システムに関する。
様々な燃焼システムは燃料を燃焼させてエネルギーを生成する。例えば、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラントは、１以上のガスタービンエンジンを含み、燃料を燃焼してエネルギーを生成し、負荷に動力を供給する。ガスタービンエンジンにより使用される燃料の１つは、ＩＧＣＣ発電プラントの１以上のガス化装置により生成されるシンガスとすることができる。ガスタービンエンジンの作動には、保炎、逆火又は他の問題を回避するために最小燃料ノズル圧力比を必要とする場合がある。その結果、ガスタービンエンジンは、シンガスなどの特定の燃料において最小装荷未満では作動できない可能性がある。例えば、始動時には、ガスタービンエンジンは、天然ガスを用いて最小装荷以下で作動し、次いで、シンガスを用いた作動に移行することができる。この作動限界により、ガスタービンエンジン及びＩＧＣＣ発電プラントの効率が低下する。
米国特許第７６９０２０４号明細書
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
第１の実施形態では、システムは、燃焼システムの燃料ノズルへの第１の燃料の第１の流れと、第２の燃料の第２の流れとの間の燃料移行を制御するよう構成された燃料コントローラを含む。燃料コントローラは、第２の燃料の第２の流れと組合せて希釈剤の第３の流れを調整して、燃料ノズル前後の圧力比を所定の作動圧力比を上回って維持するように構成されている。
第２の実施形態では、燃料コントローラは、燃焼システム内の燃料ノズル前後の圧力比を制御して逆火及び保炎を阻止するように構成される。燃料コントローラは、燃料の第２の流れと組合せて希釈剤の第１の流れを調整して、圧力比を所定の作動圧力比を上回って維持するように構成される。
第３の実施形態では、システムは、燃料の第２の流れと組合せて希釈剤の第１の流れを調整して、燃料ノズル前後の圧力比を所定の作動圧力比を上回って維持するように構成される燃料コントローラを含む。燃料コントローラは、希釈剤の第１の流れを増大させ且つ燃料の第２の流れを減少させ、低装荷での燃焼エンジンの作動を可能にするよう構成される。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
ガスタービンエンジンの作動範囲を拡大するよう構成された燃料制御システムを備えたガスタービンエンジンを組み込んだＩＧＣＣ発電プラントの１つの実施形態のブロック図。 ガスタービンエンジンの作動範囲を拡大するよう構成された燃料制御システムの１つの実施形態を組み込んだガスタービンエンジンのブロック図。 １つの実施形態によるガスタービンエンジンの作動包絡線のグラフ。 ガスタービンエンジンの作動範囲を拡大するよう構成された燃料制御システムの１つの実施形態のブロック図。 スケジュールベース制御を用いた燃料制御システムの１つの実施形態のブロック図。 閉ループ制御の伝達関数を用いた燃料制御システムの１つの実施形態のブロック図。 閉ループ制御のモデルを用いた燃料制御システムの１つの実施形態のブロック図。
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
以下で検討するように、開示される実施形態は、燃料を希釈して燃料ノズル圧力比（ＦＮＰＲ）を制御し、これにより低装荷の燃料で運転を可能にすることによって、ガスタービンエンジンの作動範囲を増大させる。加えて、開示される実施形態は、ガスタービンエンジンの作動範囲全体にわたってＦＮＰＲを制御することができる。ガスタービンエンジンは、１以上の異なる燃料を燃焼することができる。例えば、ＩＧＣＣ発電プラントで使用されるガスタービンエンジンは、燃料として１以上のガス化装置により生成されるシンガスを燃焼することができる。しかしながら、シンガスの可用性は、始動、運転停止、予定外の停止又は定期的保守管理により影響を受ける可能性がある。このような状況の間、ガスタービンエンジンは、シンガスではなく天然ガスを、或いは天然ガスとシンガスの組合せを用いることができる。天然ガスとシンガスのように、燃料の発熱量の間に大きな差違がある場合、各燃料は、燃焼システムの別個の燃料ノズルに配向することができる。例えば、特定の実施形態では、天然ガスは１次ノズルに配向することができ、シンガスは２次ノズルに配向することができる。燃料の設計流量及び発熱量の差違に起因して、１次ノズルのノズル面積は、２次ノズルよりも小さくなる場合がある。他の実施形態では、２つの燃料の発熱量が同様である場合、１つの燃料ノズルを両方の燃料用に用いることができる。制御バルブのような装置を用いて、燃料及び／又は燃料混合物の流量を調整することができる。
燃料に加えて、ガスタービンエンジンの燃焼器に希釈剤を配向することができる。一般に、希釈剤は、不活性ガス又は非可燃性ガスもしくは蒸気のような、蒸気又はガスを含むことができる。希釈剤の具体例としては、特に限定されないが、窒素、二酸化炭素、蒸気、水蒸気又はこれらの組合せが挙げられる。燃料と同様に、希釈剤は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の別個のノズルに配向することができる。或いは、希釈剤は、ガスタービンエンジンに注入する前に燃料の１以上と混合してもよい。加えて、制御バルブのような装置は、希釈剤の流量を制御することができる。
燃料制御システムは、燃料及び希釈剤制御バルブに信号を送り、燃料及び希釈剤の流量を制御し、ガスタービンエンジンの作動範囲を制御することができる。燃料及び希釈剤の流量を決定するために、コントローラは、測定又は算出パラメータに基づいて信号を受け取ることができる。以下で詳細に説明する種々の実施形態では、燃料制御システムは、ＦＮＰＲに基づいた信号を受け取ることができ、該ＦＮＰＲは、燃料供給圧力を燃焼器圧力で除算したもの、例えば、上流側圧力を下流側圧力で除算したものとして定義される。燃料が燃焼器に流入するためには、燃料供給圧力が燃焼器圧力よりも大きく、ＦＮＰＲが１よりも大きいことになる。更に、燃焼器の作動は、最小又は低位もしくは所定作動ＦＮＰＲと、最大又は高位ＦＮＰＲとの間の作動に限定することができる。最小ＦＮＰＲを下回る作動又は最大ＦＮＰＲを上回る作動は、望ましくない燃焼ダイナミックス、保炎、逆火又は他の問題を生じる可能性がある。燃料供給圧力は測定することができるが、燃焼器圧力は、通常は測定することができない。従って、ＦＮＰＲは直接測定することができないが、ガスタービンエンジンの他の作動条件から推測することができる。以下で説明する種々の実施形態では、ＦＮＰＲの推測に用いることができるガスタービン作動条件の実施例は、特に限定されないが、入口ガイドベーン（ＩＧＶ）位置、修正速度、排気温度、燃料流量、燃料低位発熱量（ＬＨＶ）又はこれらの組合せを含む。修正速度は、海水面での環境条件に相当する入口温度の場合において構成要素が回転する速度を指す。
発熱量を用いて、燃料のエネルギー特性を定義することができる。例えば、燃料の発熱量は、指定量の燃料を燃焼させることにより放出される熱の量として定義することができる。詳細には、ＬＨＶは、指定量を（例えば、最初に２５℃又は別の基準状態で）燃焼させて、燃焼生成物の温度を目標温度（例えば、１５０℃）にまで復帰させることによって放出される熱量として定義することができる。ＬＨＶは、メガジュール（ＭＪ）／キログラム（ｋｇ）の単位で表すことができる。以下の検討において、ＬＨＶを用いて、種々の燃料の発熱量を示すことができるが、これは限定を意図するものではない。他の何れかの値を用いて、開示される実施形態の範囲内にある原材料のエネルギー及び／又は熱出力を特徴付けることができる。
現在企図される実施形態では、ＦＮＰＲは、燃料制御システムにより使用されて、燃料及び希釈剤の流量を制御し、ガスタービンエンジンの作動範囲を制御することができる。例えば、開示される実施形態は、希釈剤流量を制御してＦＮＰＲを最小ＦＮＰＲと最大ＦＮＰＲとの間に維持し、ガスタービンエンジンの完全性を保持し、より具体的には、逆火及び保炎を阻止するために最小ＦＮＰＲを上回ってＦＮＰＲを維持する。最小ＦＮＰＲを超えると、火炎は燃料ノズルの先端から離れた適正距離で維持される。火炎と燃料ノズルの先端との間の距離が小さいか又は存在しない場合には、保炎と呼ばれ、火炎が燃料ノズルの先端に損傷を与える可能性がある。加えて、最小ＦＮＰＲを上回る作動は、逆火を阻止し、例えば、火炎が燃料ノズルを通って上流側に移動するのを阻止することができる。従って、最小ＦＮＰＲは、ガスタービンエンジンの作動包絡線の１つの境界を定めることができる。開示される実施形態では、希釈剤は、特に好適なＦＮＰＲを維持するために燃料に添加され、これにより燃料に関連する最小ＦＮＰＲに基づく標準作動境界が回避される。換言すると、燃料は、希釈剤で希釈されて最小ＦＮＰＲを維持すると共に、ガスタービンエンジンを遙かに低装荷の燃料で作動可能にすることができる。
従って、特定の実施形態によれば、燃料制御システムは、燃料ストリームの１つに窒素、水蒸気又は他の希釈剤を注入し、ＦＮＰＲを調整することができる。具体的には、燃料比（複数の燃料で作動している場合）及びガスタービンエンジンに送給される希釈剤の流量を含む、幾つかの変数がＦＮＰＲに影響を及ぼすことができる。例えば、天然ガスに対するシンガスの比を小さくするとＦＮＰＲが減少し、希釈剤の流量を大きくするとＦＮＰＲが増大する。従って、希釈剤がない状態では、最小シンガス流量を下回る作動により、ＦＮＰＲが最小ＦＮＰＲ未満に低下する可能性がある。例えば、ＩＧＣＣ発電プラントは、ガスタービンエンジンにシンガスを供給する複数のガス化装置を含むことができる。ガス化装置の１以上が運転停止した場合、シンガスの総供給量は、ガスタービンエンジンの１以上が最小ＦＮＰＲを上回って作動するには不十分なレベルにまで減少する可能性がある。希釈剤の流量を大きくしてＦＮＰＲを増大させることにより、開示される実施形態では、ガス化装置の１以上が停止したときでもガスタービンエンジンが継続して作動できるようになる。種々の実施形態では、希釈剤は、ガスタービンエンジンの燃焼器に注入される前に、燃料の１以上と配合することができる。希釈剤の流量を調整することにより、燃料制御システムは、最小ＦＮＰＲを上回る作動を維持し、従って、ガスタービンエンジンの作動範囲を効果的に増大させることができる。作動範囲の増大は、始動時（例えば、天然ガスからシンガスへの移行時）、低需要期間中又はガス化装置の休止時間中に特に有利である。
ここで各図面において、図１は、シンガスを生成及び燃焼するＩＧＣＣシステム１００の１つの実施形態の図である。以下で詳細に検討するように、ＩＧＣＣシステム１００は、ＦＮＰＲ値の好適な範囲内でＦＮＰＲを維持し、これにより逆火又は保炎を阻止するガスタービンエンジンの燃料コントローラの１つの実施形態を含むことができる。ＩＧＣＣシステム１００の他の要素は、固体又は液体とすることができる燃料源１０２を含むことができ、これはＩＧＣＣシステムのエネルギー源として利用できる。燃料源１０２は、石炭、石油コークス、オイル、バイオマス、木質系材料、農業廃棄物、タール、コークス炉ガス及びアスファルト又は他の炭素含有物を含むことができる。
燃料源１０２の燃料は、原材料調製ユニット１０４に送ることができる。原材料調製ユニット１０４は、例えば、燃料源１０２を細断、ミル加工、破砕、微粉砕、ブリケット又はパレタイジングして原材料を生成することにより、該燃料源１０２のサイズ変更及び形状変更することができる。加えて、水又は他の好適な液体を原材料調製ユニット１０４において燃料源１０２に添加し、スラリー状原材料を生成することができる。他の実施形態では、燃料源に液体が添加されず、すなわち乾燥原材料を生じさせる。別の実施形態では、燃料源１０２が液体である場合には、原材料調製ユニット１０４を省くことができる。
原材料は、原材料調製ユニット１０４からガス化装置１０６に送ることができる。ガス化装置１０６は、原材料をシンガス、例えば一酸化炭素（ＣＯ）と水素の組合せに転化することができる。この転化は、利用するガス化装置１０６のタイプに応じて、高圧（例えば、約２０バールから８５バール）及び高温（例えば、約７００℃から１６００℃）で水蒸気及び酸素の制御された量に原材料を曝すことにより達成することができる。ガス化プロセスは、原材料が熱分解プロセスを受けることを含むことができ、これにより加熱されるようになる。ガス化装置１０６の内部温度は、原材料を生成するのに利用される燃料源１０２に応じて、熱分解プロセス中に約１５０℃から７００℃の範囲にわたることができる。熱分解プロセス中の原材料の加熱は、固体物（例えば、チャー）と、残留ガス（例えば、ＣＯ、水素及び窒素）とを生成することができる。熱分解プロセスによる原材料からの残留チャーは、元の原材料の重量の最大約３０％までの重さがある。
熱分解プロセス中に生成される揮発性物質は液化としても知られ、ガス化装置１０６に酸素を導入することによって部分的に燃焼することができる。揮発性物質は、酸素と反応し、後続のガス化反応に熱を提供する燃焼反応においてＣＯ2及びＣＯを形成することができる。燃焼反応により発生する温度は、約７００℃から１６００℃の範囲に及ぶ場合がである。次に、ガス化ステップ中に水蒸気をガス化装置１０６に導入することができる。チャーは、ＣＯ2及び水蒸気と反応し、約８００℃から１１００℃の範囲の温度でＣＯと水素を生成することができる。本質的に、ガス化装置は水蒸気と酸素を利用して、原材料の一部を「燃焼」してＣＯを生成し、エネルギーを放出することができ、該エネルギーにより、原材料を水素と追加のＣＯ2とに更に転化させる第２の反応を開始させる。
このようにして、ガス化装置１０６は結果として得られるガスを製造する。この結果として得られるガスは、等分で約８５％のＣＯ及び水素、並びにＣＨ4、ＨＣｌ、ＨＦ、ＣＯＳ、ＮＨ3、ＨＣＮ及びＨ2Ｓ（原材料の硫黄含量に基づく）を含むことができる。この結果として得られるガスは、例えば、Ｈ2Ｓを含むので、未処理シンガスと呼ぶことができる。ガス化装置１０６はまた、湿潤灰物質とすることができる、スラグ１０８などの廃物を生成する場合がある。このスラグ１０８は、ガス化装置１０６から取り除かれ、例えば、道路基盤材料又は他の建築材料として処分することができる。未処理シンガスを清浄化するために、ガス清浄器１１０を利用することができる。１つの実施形態では、ガス清浄器１１０は、水性ガスシフト反応器とすることができる。ガス清浄器１１０は、未処理シンガスをスクラビング処理して、該未処理シンガスからＨＣｌ、ＨＦ、ＣＯＳ、ＨＣＮ及びＨ2Ｓを除去することができ、これは、硫黄処理装置１１２における硫黄１１１の分離を含むことができる。更に、ガス清浄器１１０は、水処理ユニット１１４により未処理シンガスから塩１１３を分離することができ、該水処理ユニット１１４は、浄水技術を利用して未処理シンガスから利用可能塩１１３を生成することができる。続いて、ガス清浄器１１０からのガスは、処理済みシンガス（例えば、シンガスから硫黄１１１が除去された）と、微量の他の化学物質（例えば、ＮＨ3（アンモニア）及びＣＨ4（メタン））を含むことができる。
一部の実施形態では、ガス処理装置を利用して、アンモニア及びメタンなどの追加の残留ガス成分、並びに処理済みシンガスからメタノール又は何らかの残留化学物質を除去することができる。しかしながら、処理済みシンガスは、残留ガス成分（例えば、排ガス）を含む場合でも燃料として利用できるので、処理済みシンガスからの残留ガス成分の除去は任意選択である。現時点では、処理済みシンガスは、約３％のＣＯ、約５５％のＨ2及び約４０％のＣＯ2を含むことができ、実質的にＨ2Ｓが取り去られている。
幾つかの実施形態では、炭素捕捉システム１１６は、シンガスに含まれる炭素含有ガス（例えば、約８０〜１００又は９０〜１００容量％ピュアの二酸化炭素）を除去し処理することができる。炭素捕捉システム１１６はまた、圧縮機、清浄器、隔離又は増進回収用にＣＯ2を供給するパイプライン、ＣＯ2貯蔵タンク、或いはこれらの何れかの組合せを含むことができる。捕捉された二酸化炭素は、二酸化炭素膨張器に移送され、該膨張器が二酸化炭素の温度を低下させ（例えば、約５〜１００℃又は約２０〜３０℃）、結果として、二酸化炭素がシステムに好適な冷却剤として使用可能になる。冷却された二酸化炭素（例えば、約２０〜４０℃又は約３０℃）は、その冷却要件に適合するようシステムを通って循環され、或いは、後続の段を通って膨張されて更に低温にすることができる。次に、硫黄含有成分と二酸化炭素の大部分とが除去された処理済みシンガスは、ガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０（例えば、燃焼室）に可燃性燃料として送ることができる。
ＩＧＣＣシステム１００は更に、空気分離ユニット（ＡＳＵ）１２２を含むことができる。ＡＳＵ１２２は、例えば、蒸留技術によって空気を成分ガスに分離するよう動作することができる。ＡＳＵ１２２は、補助空気圧縮機１２３により供給される空気から酸素を分離することができ、分離した酸素をガス化装置１０６に移送することができる。加えて、ＡＳＵ１２２は、分離した窒素を希釈窒素（ＤＧＡＮ）圧縮機１２４に送ることができる。
ＤＧＡＮ圧縮機１２４は、ＡＳＵ１２２から受け取った窒素を少なくとも燃焼器１２０内の圧力に等しい圧力レベルにまで圧縮し、シンガスの適正燃焼を妨げないようにすることができる。従って、ＤＧＡＮ圧縮機１２４が適正レベルまで窒素を十分に圧縮すると、該ＤＧＡＮ圧縮機１２４は、圧縮窒素をガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０に送ることができる。窒素は、例えば、エミッション制御を向上させるための希釈剤として用いることができる。
上述のように、圧縮窒素は、ＤＧＡＮ圧縮機１２４からガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０に送ることができる。ガスタービンエンジン１１８は、タービン１３０、駆動シャフト１３１及び圧縮機１３２、並びに燃焼器１２０を含むことができる。燃焼器１２０は、シンガスなど、燃料ノズルから圧力を受けて注入することができる燃料を受け取ることができる。この燃料は、圧縮空気並びにＤＧＡＮ圧縮機１２４からの圧縮窒素と混合されて、燃焼器１２０内で燃焼することができる。以下で詳細に説明するように、ガスタービンエンジン燃料コントローラは、燃料、圧縮空気及び／又は圧縮窒素の流量を調整し、ＦＮＰＲを一定値間に維持し、これにより逆火又は保炎を阻止することができる。燃料の燃焼は、高温の加圧された排気ガスを生成することができる。
燃焼器１２０は、排気ガスをタービン１３０の排気出口に向けて配向することができる。燃焼器１２０からの排気ガスがタービン１３０を通過すると、該排気ガスによってタービン１３０のタービンブレードがガスタービンエンジン１１８の軸線に沿って駆動シャフト１３１を回転させるようになる。図示のように、駆動シャフト１３１は、圧縮機１３２を含む、ガスタービンエンジン１１８の種々の構成要素に接続される。
駆動シャフト１３１は、タービン１３０を圧縮機１３２に接続し、ロータを形成することができる。圧縮機１３２は、駆動シャフト１３１に結合されたブレードを含むことができる。従って、タービン１３０のタービンブレードが回転することにより、タービン１３０を圧縮機１３２に接続する駆動シャフト１３１が圧縮機１３２内でブレードを回転させることができる。圧縮機１３２におけるこのブレードの回転によって、圧縮機１３２は、該圧縮機１３２内の吸気口を介して受け取る空気を圧縮するようになる。次いで、圧縮空気は、燃焼器１２０に送給されて燃料及び圧縮窒素と混合され、高効率の燃焼を可能にすることができる。駆動シャフト１３１はまた、負荷１３４に接続することができ、該負荷は、例えば、発電プラントにおいて電力を生成する発電機のような定置負荷とすることができる。実際に、負荷１３４は、ガスタービンエンジン１１８の回転出力により動力が供給される何れかの好適な装置とすることができる。
ＩＧＣＣシステム１００はまた、蒸気タービンエンジン１３６及び排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム１３８を含むことができる。蒸気タービンエンジン１３６は、第２の負荷１４０を駆動することができる。第２の負荷１４０はまた、電力を発生する発電機とすることができる。しかしながら、第１の負荷１３０及び第２の負荷１４０は共に、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６によって駆動できる他のタイプの負荷であってもよい。加えて、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６は、図示の実施形態で示すように、個別の負荷１３４及び１４０を駆動することができ、縦一列の形態で利用して単一のシャフトにより単一負荷を駆動することもできる。蒸気タービンエンジン１３６並びにガスタービンエンジン１１８の特定の構成は、実装時固有とすることができ、あらゆる組合せのセクションを含むことができる。
本システム１００はまた、ＨＲＳＧ１３８を含むことができる。ガスタービンエンジン１１８からの加熱した排気ガスは、ＨＲＳＧ１３８に運ばれて水を加熱し、蒸気タービンエンジン１３６を駆動するために用いる蒸気を発生させるのに使用することができる。例えば、蒸気タービンエンジン１３６の低圧セクションからの排気は、凝縮器１４２内に配向することができる。凝縮器１４２は、冷却塔１２８を利用して加熱水を冷却水に換えることができる。冷却塔１２８は、凝縮器１４２に低温水を供給して、蒸気タービンエンジン１３６から凝縮器１４２に送られた蒸気の凝縮を助けるよう機能する。凝縮器１４２からの凝縮液は次に、ＨＲＳＧ１３８内に配向することができる。この場合も同様に、ガスタービンエンジン１１８からの排気もまたＨＲＳＧ１３８内に配向され、凝縮器１４２からの水を加熱して蒸気を発生させることができる。
ＩＧＣＣシステム１００のような複合サイクルシステムでは、高温排気は、ガスタービンエンジン１１８からＨＲＳＧ１３８に流れることができ、ＨＲＳＧ１３８において、高温排気を使用して高圧高温蒸気を発生させることができる。ＨＲＳＧ１３８によって発生した蒸気は次に、電力発生のために蒸気タービンエンジン１３６を通すことができる。加えて、発生した蒸気はまた、ガス化装置１０６のような蒸気を使用することができる他の何れかのプロセスに供給することができる。ガスタービンエンジン１１８の発電サイクルは、「トッピングサイクル」と呼ばれることが多く、他方、蒸気タービンエンジン１３６の発電サイクルは、「ボトミングサイクル」と呼ばれることが多い。これら２つのサイクルを図１に示すように組合せることによって、ＩＧＣＣシステム１００は両サイクルにおいてより大きな効率をもたらすことができる。具体的には、トッピングサイクルからの排熱を捕捉して、ボトミングサイクルにおいて使用するための蒸気を発生させるのに使用することができる。
図２は、燃料に希釈剤を添加して好適なＦＮＰＲを維持することによってガスタービンエンジン１１８の作動範囲を拡大し、これにより逆火及び保炎を阻止するよう構成された例示的な燃料制御システムを含むことができるガスタービンエンジン１１８のブロック図である。ガスタービンエンジン１１８は、単に、上述のＩＧＣＣシステム１００で使用できるだけでなく、幾つかの実施形態ではは、航空機、船舶、機関車、発電システム又はこれらの組合せで用いることができる。図示のガスタービンエンジン１１８は、吸気セクション１６０、圧縮機１３２、燃焼セクション１６６、タービン１３０及び排気セクション１６２を含む。タービン１３０は、駆動シャフト１３１を介して圧縮機１３２に結合される。
矢印で示すように、空気は、吸気セクション１６０を通ってガスタービンエンジン１１８に流入して圧縮機１３２に流れることができ、該圧縮機１３２が空気を圧縮した後、燃焼システムとも呼ばれる燃焼セクション１６６に流入させる。図示の燃焼セクション１６６は、圧縮機１３２とタービン１３０との間で駆動シャフト１３１の周りに同心状又は環状に配置された燃焼ハウジング１６４を含む。圧縮機１３２からの圧縮空気は、１以上の燃焼器１２０に流入し、該燃焼器１２０内で圧縮空気が燃料と混合して燃焼し、タービン１３０を駆動することができる。高温燃焼ガスは、燃焼セクション１６６からタービン１３０を通って流れ、駆動シャフト１３１を介して圧縮機１３２を駆動する。例えば、燃焼ガスは、タービン１３０内のロータブレードに駆動力を与え、駆動シャフト１３１を回転することができる。高温燃焼ガスは、タービン１３０を貫流した後、排気セクション１６２を通ってガスタービンエンジン１１８から流出することができる。
ガスタービンエンジン１１８は、１以上の燃料を使用することができる。例えば、ガスタービンエンジン１１８は、特に限定されないが、天然ガス、蒸留油、液化石油ガス（ＬＰＧ）又はこれらの組合せを含むことができる第１の燃料１６８を燃焼するよう構成することができる。第１の燃料制御バルブ１７０は、第１の燃料１６８の流量を調整することができる。しかしながら、図２に示す制御バルブの代わりに、他の流量調整又は流量制御装置を用いてもよい。加えて、ガスタービンエンジン１１８は、特に限定されないが、シンガスを含むことができる第２の燃料１７２を燃焼するよう構成することができる。上述のように、シンガスは、ＩＧＣＣシステム１００の１以上のガス化装置により発生させることができる。第２の燃料制御バルブ１７４は、第２の燃料１７２の流量を調整することができる。最後に、希釈剤１７６は、ガスタービンエンジン１１８に注入することができる。上述のように、希釈剤１７６の実施例は、特に限定されないが、窒素、二酸化炭素、蒸気、水蒸気、これらの組合せを含むことができる。希釈剤制御バルブ１７８は、希釈剤１７６の流量を調整することができる。第１の燃料１６８、第２の燃料１７２及び希釈剤１７６は、注入ライン１８０を介して燃焼器１２０に配向することができる。注入ライン１８０は、単一のラインとして図示されているが、１の燃料１６８、第２の燃料１７２及び／又は希釈剤１７６の各々に個別のラインを用いることもできる。或いは、希釈剤１７６は、燃焼器１２０への注入の前に、第１の燃料１６８又は第２の燃料１７２の何れかと配合することができる。加えて、注入ライン１８０は、燃焼器１２０に直接流れるように図示されているが、燃焼器１２０のヘッド端部に配置された１以上の燃料ノズルに配向してもよい。
図示の実施形態では、燃料制御システム１８２又は燃料コントローラは、燃焼器１２０と、第１及び第２の燃料１６８、１７２及び希釈剤１７６との間に概略的に図示されている。燃料制御システム１８２は、ガスタービンエンジン１１８全体を通じて配置される種々のセンサからの１以上の信号又はフィードバックを受け取って、希釈剤１７６を制御することによりガスタービンエンジン１１８の作動範囲を増大させ、これにより逆火及び保炎を阻止することができる。例えば、吸気セクションセンサ１８４は、燃料制御システム１８２に信号を送信することができる。吸気セクションセンサ１８４により測定されるパラメータの実施例は、特に限定されないが、吸気温度、吸気圧力、吸気流量、吸気湿度又はこれらの組合せを含む。次に、圧縮機センサ１８６は、燃料制御システム１８２に信号を送信することができる。圧縮機センサ１８６により測定されるパラメータの実施例は、特に限定されないが、１以上の圧縮機段における圧縮機温度、圧縮機圧力、入口ガイドベーン（ＩＧＶ）位置又はこれらの組合せを含む。燃焼センサ１８８は、燃焼セクション１６６におけるパラメータを示す信号を燃料制御システム１８２に送信することができる。燃焼センサ１８８により測定されるパラメータの実施例は、特に限定されないが、ＦＮＰＲ、燃焼器温度、燃焼器圧力、燃焼ガス組成、燃焼ダイナミックス、火炎特性又はこれらの組合せを含む。次に、タービンセンサ１９２を用いて、タービン１３０のパラメータを測定し、燃料制御システム１８２に信号を送信することができる。タービンセンサ１９２により測定されるパラメータの実施例は、特に限定されないが、１以上のタービン段におけるタービン温度、タービン圧力、タービン速度、タービン振動又はこれらの組合せを含む。最後に、排気センサ１９４を用いて、燃料制御システム１８２に信号を送信することができる。排気センサ１９４により測定されるパラメータの実施例は、特に限定されないが、排気温度、排気圧力、排気ガス組成（例えば、エミッション）、駆動シャフト１３１の速度、修正速度又はこれらの組合せを含む。
ガスタービンエンジン１１８の種々のセンサから受け取った信号１９８に応答して、燃料制御システム１８２は、信号１９６を第１の燃料制御バルブ１７０、第２の燃料制御バルブ１７４及び／又は希釈剤制御バルブ１７８に送信してＦＮＰＲ（又は他のパラメータ）を制御し、ガスタービンエンジン１１８の作動範囲を拡大することができる。例えば、燃料制御システム１８２は、最小ＦＮＰＲを上回ってＦＮＰＲを増大させるのに追加の希釈剤１７６が必要であること及び／又は最小ＦＮＰＲ未満にＦＮＰＲを減少させるのにより少ない希釈剤１７６が必要であることを示す信号１９８を受け取ることができる。ＦＮＰＲが低い場合、燃料制御システム１８２は、希釈剤制御バルブ１７８を開き及び／又は第１及び第２の燃料制御バルブ１７０及び１７４を部分的に閉鎖するよう信号１９６を送信することができる。上記で検討したパラメータに加えて、ガスタービンエンジン１１８内又は隣接する設備に配置された他のセンサは、燃料制御システム１８２が使用できるパラメータを示すことができる。他のパラメータの実施例は、特に限定されないが、発熱量、負荷ステータス、燃料圧力、燃料流量、希釈剤圧力、希釈剤流量又はこれらの組合せを含む。燃料制御システム１８２により使用される特定の制御方式の実施例は、以下でより詳細に説明する。
図３は、希釈剤ひいてはＦＮＰＲを調整するために燃料制御システムを用いた作動拡張を例証する、ガスタービンエンジンの作動包絡線の１つの実施形態のグラフ２１０を示している。ｘ軸２１２は、第２の燃料に対する第１の燃料の比を示し、同時燃焼比と呼ぶことができる。グラフ２１０において、第１の燃料は天然ガスであり、第２の燃料はシンガスである。ｘ軸２１２の左端は、同時燃焼比は１００％天然ガスと０％シンガスを表す。従って、ｘ軸２１２の右端は、同時燃焼比は０％天然ガスと１００％シンガスを表す。ｙ軸２１４は、ガスタービンエンジンの負荷を示している。具体的には、ｙ軸２１４の下端は０％負荷を表し、ｙ軸２１４の上端は１００％最大負荷を表す。
グラフ２１０において、天然ガス制御バルブ最大ストローク曲線２１６は、ガスタービンエンジンの作動包絡線の上方境界を表す。制御バルブのストロークは、制御バルブ内部のトリム、ステム、プラグ、ボール又は同様の装置の位置を指すことができ、該制御バルブを通る流量を変化させることが可能である。例えば、０％ストロークでは、制御バルブをほとんど又は全く流れることができない。これに対応して、１００％ストロークでは、流量は、制御バルブの最大限に近付くことができる。加えて、制御バルブは、最小ストロークを有することができ、これ以下での流量を制御することは制御が不安定になる可能性がある理由から推奨されない。換言すると、流量は最小ストロークを下回って制御されることはなく、ストロークを０％にまで低下させることによってバルブが閉鎖される。最小ストロークは、制御バルブの両端の圧力低下及び／又は制御バルブを通る流量の関数とすることができる。例えば、高流量では、天然ガス制御バルブの最小ストロークは、ほぼ０％とすることができる。しかしながら、流量が減少すると、最小ストロークが増加することができる
前述のことを考慮してグラフ２１０に戻ると、天然ガス最小ストローク曲線２１６は、負荷が減少するにつれて漸次的に左下に傾斜している。例えば、約１００％の負荷では、天然ガス最小ストローク曲線２１６に沿った対応する同時燃焼比は、約１０％天然ガス及び９０％シンガスである。換言すると、負荷が約１００％である場合、天然ガス制御バルブの最小ストロークは、約１０％天然ガス及び９０％シンガスの同時燃焼比に対応する流量に至るまでバルブの良好な制御を可能にする程十分に低い。対照的に、ライン２２６で表す約１５％の負荷では、天然ガス曲線２１６に沿った対応する同時燃焼比は、約６０％天然ガス及び４０％シンガスである。換言すると、負荷が約１５％である場合、天然ガス制御バルブの最小ストロークはより大きくなり、その結果、バルブの良好な制御は、約６０％天然ガス及び４０％シンガスの同時燃焼比に対応する流量までのみ可能となる。従って、負荷が約１５％では約６０％天然ガス未満の作動が望ましいが、天然ガス制御バルブの最小ストロークに起因してこれは実施可能ではない。より一般的には、より低負荷でのガスタービンエンジンの作動は、望ましい値を上回る、高いパーセンテージの天然ガスと低いパーセンテージのシンガスに限定される可能性がある。
グラフ２１０において、最小ＦＮＰＲ曲線２１８は、ガスタービンエンジンの作動包絡線の下方境界を表す。燃料の発熱量が減少するとＦＮＰＲが増大する。シンガスは、天然ガスよりも水素の濃度が高く、これはシンガスの発熱量が天然ガスよりも低いことを意味している。例えば、シンガスは、天然ガスよりも３倍、４倍、５倍、６倍、７倍又は８倍小さい発熱量を有することができる。従って、最小ＦＮＰＲ曲線２１８は、負荷が減少するにつれて右下に傾斜する。例えば、約１００％の負荷では、最小ＦＮＰＲ曲線２１８に沿った対応する同時燃焼比は、約５５％天然ガス及び４５％シンガスである。換言すると、負荷が約１００％である場合、少なくとも約４５％シンガスがガスタービンエンジンに送給されるときには最小ＦＮＰＲを維持することができる。対照的に、約１５％の負荷では、最小ＦＮＰＲ曲線２１８に沿った対応する同時燃焼比は、約２５％天然ガス及び７５％シンガスである。換言すると、負荷が約１５％である場合、最小ＦＮＰＲはより大きくなり、その結果、より多くのシンガス、すなわち少なくとも約７５％が送給され、最小ＦＮＰＲを上回るガスタービンエンジンの作動を維持するようになる。従って、例えば、負荷が約１５％では、約７５％シンガス未満の作動が望ましいが、最小ＦＮＰＲが維持できない理由からこれは実施可能ではない。より一般的には、より低負荷でのガスタービンエンジンの作動は、望ましい値を上回る、低いパーセンテージの天然ガスと高いパーセンテージのシンガスに限定される可能性がある。
加えて、ライン２２０で表す約３０％の最小負荷は、ガスタービンエンジンの作動包絡線の第３の境界として機能することができる。ガスタービンエンジンは、３０％負荷未満で且つ天然ガス曲線２１６と最小ＦＮＰＲ曲線２１８との間の小区域の作動包絡線で作動することができるが、ガスタービンエンジンが、天然ガス曲線２１６及び最小ＦＮＰＲ曲線２１８により定められる境界を迅速に上回るのを阻止するために、便宜上の最小値として３０％を選択することができ、ここで曲率が増大する。従って、天然ガス最小ストローク曲線２１６、最小ＦＮＰＲ曲線２１８及び３０％最小負荷曲線２２０は、作動領域２２２を定めることができる。
また、図３に示すように、グラフ２１０の左側付近には、シンガス制御バルブ最小ストローク曲線２２４がある。天然ガス制御バルブと同様に、シンガス制御バルブの制御は、最小ストロークを下回ると不安定になる。例えば、約１００％負荷付近では、シンガス曲線２２４に沿った対応する同時燃焼比は、約９０％天然ガス及び１０％シンガスである。負荷が減少すると、シンガス曲線２２４は右側に傾斜し、その結果、約１５％負荷では、シンガス曲線２２４に沿った対応する同時燃焼比は、約６０％天然ガス及び４０％シンガスとすることができる。従って、最小ＦＮＰＲ曲線２１８がなければ、シンガス制御バルブ最小ストローク曲線２２４は、ガスタービンエンジンの作動包絡線の下方境界を表すことになる。
従って、以下で説明する種々の実施形態では、ガスタービンエンジンへの燃料流に希釈剤を添加し、ガスタービンエンジンの作動包絡線における下方境界として最小ＦＮＰＲ曲線２１８を避けることができる。具体的には、希釈剤の発熱量を低くすることができる。従って、燃料に希釈剤を添加することによって混合気の発熱量が減少し、ＦＮＰＲが増大する。幾つかの実施形態では、ＦＮＰＲを増大することによって最小ＦＮＰＲを上回る作動を維持できると同時に、ガスタービンエンジンに送給されるシンガスの量が減少する。従って、ガスタービンエンジンの最小負荷は、ライン２２０で表される約３０％から、ライン２２６で表される約１５％にシフトし、ガスタービンエンジンが低負荷で作動可能にすることができる。換言すると、燃料に希釈剤を添加して作動するガスタービンエンジンの作動包絡線は、作動領域２２２だけでなく、作動領域２２８を含むことができ、これは、シンガス制御バルブ最小ストローク曲線２２４が新しい下方境界を表すことに起因して結果として得られる。例えば、約１００％負荷でのガスタービンエンジンの同時燃焼比の範囲は、約４５％シンガス及び５５％天然ガスと９０％シンガス及び１０％天然ガスの間の範囲から、約１０％シンガス及び９０％天然ガスと９０％シンガス及び１０％天然ガスの間の新しい範囲に増大することができる。同時燃焼比の範囲は、新しい最小負荷１５％と最大負荷１００％の間の全ての負荷について増大する。
ガスタービンエンジンの同時燃焼比の大きな範囲は、始動及び／又は運転停止状態時に有利とすることができる。例えば、ＩＧＣＣプラント１００及びガスタービンエンジン１１８の始動中、１以上のガス化装置１０６がオフラインである場合があるので、所望の量のシンガスが直ぐに利用可能ではない可能性がある。燃料に希釈剤を添加しない場合、ガスタービンエンジン１１８の始動は、ガスタービンエンジン１１８において約４５％シンガス及び５５％天然ガスの同時燃焼比付近で作動するのに十分なシンガスが利用可能になるまで遅延する可能性がある。しかしながら、特定の実施形態によれば、燃料コントローラは、希釈剤の流量を増大させ且つシンガスの流量を減少させて、同時燃焼比が約１０％シンガス及び９０％天然ガスまで変化するようにすることができる。従って、ガスタービンエンジン１１８は、利用可能なシンガスが少ない時点で始動することができ、これによりＩＧＣＣプラント１００の始動中により早期にガスタービンエンジン１１８を始動可能にすることができる。具体的には、ガスタービンエンジン１１８は、１つの実施形態に従って希釈剤が燃料に添加されたときには約１時間、２時間、３時間又は５時間より早期に始動することができる。その結果、始動中にエミッション上限に適合するフレアリング量を削減することができる。フレアリングとは、高い排気筒からのガスの燃焼を意味する。始動中により多くのシンガスが利用可能になると、燃料コントローラは、天然ガスからシンガスへの燃料移行を制御し、最小ＦＮＰＲを上回る作動を維持することができる。これに対応して、燃料コントローラは、最小ＦＮＰＲを上回る作動を維持するために、燃焼システムの運転停止中に利用可能なシンガスが少なくなると、シンガスから天然ガスへの燃料移行を制御することができる。従って、始動中（例えば、天然ガスからシンガスへの移行中）、低需要期間、或いはＩＧＣＣプラント１００のガス化装置の１以上の保守管理又は停止時間時には、同時燃焼比の大きな範囲が有利とすることができる。
図４は、大きな作動包絡線を達成するのに用いられ、上記で検討した逆火及び保炎を阻止するのを助けることができる燃料制御システム２４０の１つの実施形態のブロック図である。図２に示すのと同様の要素は同じ参照符号で表記している。図示の実施形態では、希釈剤１７６は、ガスタービンエンジンにおける注入の前に第２の燃料１７２と配合される。具体的には、希釈剤ライン２４２は、第２の燃料ライン２４４と合流し、希釈剤１７６を第２の燃料１７２と混合することができる。希釈剤１７６と第２の燃料１７２との混合物は、希釈剤及び第２の燃料ライン２４６を通じてガスタービンエンジンに配向される。希釈剤及び第２の燃料ライン２４６上には、特に限定されないが、熱量計などのＬＨＶセンサ２４８を配置することができる。第１の燃料ライン２５０は、第１の燃料１６８をガスタービンエンジンに送る。燃料制御システム１８２は、燃焼器の燃料ノズル２５２に流れる第１の燃料１６８、第２の燃料１７２及び／又は希釈剤１７６の流量を調整することができる。第１の燃料１６８、第２の燃料１７２及び／又は希釈剤１７６を燃焼器の燃料ノズル２５２に送るライン１８０は、１以上のラインから構成することができる。
図４のブロック２５４において、ＦＮＰＲが測定又は算出される。ブロック２５６において、ブロック２５４からのＦＮＰＲ及びＬＨＶセンサ２４８により測定されたＬＨＶを表す信号１９８を用いて、ＬＨＶ設定点又は希釈剤流量を調整する。上記で検討したように、ＬＨＶが減少するとＦＮＰＲが増加する。この場合も同様に、希釈剤は、希ガス又は不燃性ガス又は蒸気のような、蒸気又はガスを含むことができる。実施例には、水蒸気、窒素、二酸化炭素又はこれらの組合せが挙げられる。従って、燃料に添加剤を添加することにより、ＬＨＶは減少し、ＦＮＰＲが増加する。例えば、ブロック２５４からのＦＮＰＲが減少した場合、ブロック２５６は、希釈剤流量を増大するよう、信号１９６を希釈剤制御バルブ１７８に送信することができる。同様に、ＬＨＶセンサ２４８により測定されたＬＨＶが増大した場合、ブロック２５６は、希釈剤１７６の流量を増大するよう、信号１９６を希釈剤制御バルブ１７８に送信することができる。燃料制御システム１８２の特定の実施形態は、以下で詳細に検討する。
例えば、図５は、スケジュールベース制御又はオープンループ制御を用いた燃料制御システム２７０の１つの実施形態を示す。図４に示すのと同様の要素は、同じ参照符号で表記している。希釈剤流量メーター２７２は、希釈剤１７６の流量を測定する。第１の燃料１６８、第２の燃料１７２及び希釈剤１７６の他の態様は、上述の内容と同様である。ブロック２７４は、ガスタービンエンジン全体のセンサから得られた作動パラメータの値を提示する。測定される作動パラメータの実施例は、特に限定されないが、入口ガイドベーン（ＩＧＶ）位置、修正速度、排気温度、燃料流量、燃料ＬＨＶ又はこれらの組合せを含む。ブロック２７６では、スケジュールを用いて且つブロック２７４からの測定作動パラメータに基づいて同定される。ブロック２７６のスケジュールは、燃料制御システム１８２の制御ソフトウェア及び／又はメモリ内に含めることができる。加えて、スケジュールは、予測される作動条件全てにわたって最小ＦＮＰＲを維持し、これにより逆火及び保炎を阻止するように設定される。例えば、理論スケジュールは、現在のＦＮＰＲ測定値に基づいたフィールドにおいて策定され、次いで検証されて調整することができる。ブロック２７８は、ブロック２７６のスケジュールを用いて選択された希釈剤流量設定点を提示する。加えて、ブロック２８０は、希釈剤流量メーター２７２からの信号１９８に基づいた測定希釈剤流量を提示する。
図５の決定ブロック２８２では、ブロック２８０からの測定希釈剤流量と、ブロック２７８からの希釈剤流量設定点との間の差違が判定される。この差違が許容値よりも小さい場合、ブロック２８４において、希釈制御バルブ１７８の設定点が維持される。換言すると、希釈剤流量は、現在の測定希釈剤流量付近に維持される。従って、許容値は、測定希釈剤流量が希釈剤流量設定点から逸脱する可能性がある範囲を示す。他方、測定希釈剤流量と希釈剤流量設定点との間の差違が、許容値よりも大きい場合、ブロック２８６において、希釈制御バルブ１７８の設定点が調整される。例えば、測定希釈剤流量が希釈剤流量設定点よりも大きい場合、希釈制御バルブ１７８の設定点を低下させる。他方、測定希釈剤流量が希釈剤流量設定点よりも小さい場合、希釈制御バルブ１７８に対する設定点を増大させる。希釈剤流量を希釈剤流量設定点又はその近傍で維持することにより、燃料制御システム１８２は、ＦＮＰＲを最小ＦＮＰＲよりも上に維持し、上述のようにガスタービンエンジンの作動包絡線を増大させることができる。更に、スケジュールベースの制御は、ガスタービンエンジンが一定の定められた作動点で作動しているときに有効とすることができる。
図６は、閉ループ制御の伝達関数を用いた燃料制御システム３００の１つの実施形態を示す。図５に示すのと同様の要素は、同じ参照符号で表記している。図５に示すスケジュールベースの制御と同様に、ブロック２７４は、ガスタービンエンジンの測定作動パラメータを提示する。ブロック３０２において、メモリ上に記憶されている制御ソフトウェアに組み込まれる伝達関数に基づいて算出される。伝達関数は、システムの入力と出力との間の関係の数学的表現とすることができる。例えば、伝達関数は、Ｌａｐｌａｃｅ変換を用いて導くことができる。決定ブロック３０４では、算出されたＦＮＰＲは、ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値と比較される。ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値は、ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも小さく、アラームを生じる可能性がある。算出ＦＮＰＲがｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも小さい場合、ブロック３０６において、ガスタービンエンジンへの燃料が、第２の燃料１７２から第１の燃料１６８へ移送又は移行され、該第１の燃料１６８は、天然ガス、蒸留油、ＬＰＧ又はこれらの組合せとすることができる。第１の燃料１６８はまた、バックアップ燃料又は始動燃料と呼ぶことができる。上述のように、１次ノズルは第１の燃料１６８に用いることができ、２次ノズルは第２の燃料１７２に用いることができる。１次ノズルのノズル面積は、２次ノズルよりも遙かに小さくすることができる。従って、１次ノズル前後の圧力低下は、２次ノズルに比べて遙かに大きく、ＦＮＰＲの増大を引き起こす可能性がある。このＦＮＰＲの増大は、第２の燃料１７２よりも高い発熱量を有する第１の燃料１６８への移行によって引き起こされるＦＮＰＲの減少よりも遙かに大きくなる可能性がある。従って、第１の燃料１６８に切り換えることにより、算出ＦＮＰＲは、ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値を上回って増大することができる。幾つかの理由のため、算出ＦＮＰＲがｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値を下回って減少する場合、ガスタービンエンジンが運転停止にされる。ｌｏｗ−ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値は、ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも小さい。
決定ブロック３０４に戻ると、算出ＦＮＰＲがｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲレベルよりも大きい場合、算出ＦＮＰＲは、決定ブロック３０８においてｌｏｗＦＮＰＲレベルと比較される。算出ＦＮＰＲがｌｏｗＦＮＰＲレベルよりも大きい場合、決定ブロック３１０において、ＬＨＶ設定点が維持される。換言すると、希釈剤１７６の流量は、現在の流量に維持される。他方、算出ＦＮＰＲがｌｏｗＦＮＰＲレベルよりも小さい場合、ブロック３１２において、希釈剤制御バルブ１７８に信号１９６を送信することによって、ＬＨＶ設定点を低下させる。次に、決定ブロック３１４において、ＬＨＶとＬＨＶ設定点との間の差違が算出される。この差違が許容値よりも小さい場合、希釈剤制御バルブ１７８の設定点は維持される。しかしながら、ＬＨＶとＬＨＶ設定点との間の差違が許容値よりも大きい場合、ブロック３１８において、希釈剤制御バルブ１７８の設定点が調整される。例えば、ＬＨＶセンサ２４８に基づく測定ＬＶＨがＬＨＶ設定点よりも小さい場合、希釈剤１７６の流量が増大する。他方、ＬＶＨがＬＨＶ設定点よりも大きい場合、希釈剤１７６の流量が減少される。従って、燃料制御システム１８２は、最小ＦＮＰＲを上回ってＦＮＰＲを維持して、ガスタービンエンジンの作動包絡線を増大させ、上述のように逆火及び保炎の阻止を助けることができる。更に、伝達関数の使用は、ＦＮＰＲに関する幾つかの作動パラメータを同定し定めることができるときには有効とすることができる。
図７は、閉ループ制御のモデルを用いて燃料制御システム３３０の１つの実施形態を示している。図６に示すのと同様の要素は、同じ参照符号で表記している。ブロック２７４は、上述のようなガスタービンエンジンの測定作動パラメータを提示する。ブロック３３２では、リアルタイムのガスタービンエンジンモデルがＦＮＰＲを予測する。例えば、モデルベース制御の１つのタイプは、モデル予測制御（ＭＰＣ）であり、プロセスの動的モデル、ほとんどの場合はシステム同定により得られる線形経験的モデルに依存するプロセス制御の先端的方法である。これらの動的モデルを用いると、燃料制御システム１８２は、ＦＮＰＲの将来の値を予測し、ＦＮＰＲを既定範囲内に維持するための適正な措置をとることができる。予測ブロック３３４において、予測されたＦＮＰＲは、ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも小さく、アラームを生じる可能性があるｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値と比較される。予測ＦＮＰＲが、ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも小さい場合、ブロック３０６において、ガスタービンエンジンの作動が第１の燃料１６８に移行される。予測ＦＮＰＲが、ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも小さいｌｏｗ−ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値を下回る場合、ガスタービンエンジンは運転停止にされる。
決定ブロック３３４に戻り、予測ＦＮＰＲが、ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも大きい場合、予測ＦＮＰＲは、決定ブロック３３６においてｌｏｗＦＮＰＲ値と比較される。予測ＦＮＰＲが、ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも大きい場合、ブロック３１０において、ＬＨＶ設定点が維持される。他方、予測ＦＮＰＲが、ｌｏｗＦＮＰＲ値よりも小さい場合、ブロック３１２において、ＬＨＶ設定点が低下される。決定ブロック３１４において、ＬＨＶとＬＨＶ設定点との間の差違が算出され、許容値と比較される。差違が許容値よりも小さい場合、希釈剤制御バルブ１７８の設定点は維持される。他方、ＬＨＶとＬＨＶ設定点との間の差違が許容値よりも大きい場合、ブロック３１８において、希釈剤制御バルブ１７８の設定点が調整される。図７に示すモデルベース制御の他の態様は、図６に示す閉ループ制御ベースの伝達関数のものと同様である。加えて、上述のもの以外のプロセス制御の他の方法を用いて、希釈剤１７６の流量を制御し、ＦＮＰＲを最小ＦＮＰＲよりも大きく維持することができる。燃料制御システム１８２に使用できる他の技術の実施例は、特に限定されないが、線形又は非線型コントローラ、プログラマブルロジックコントローラ、分散制御コントローラ、統計的プロセスコントローラ又はプロセス制御の他の方法が挙げられる。
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
１００：統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム
１０２：燃料源
１０４：原材料調製ユニット
１０６：ガス化装置
１０８：スラグ
１１０：ガス清浄器
１１１：硫黄
１１２：硫黄処理装置
１１３：塩
１１４：水処理ユニット
１１６：炭素捕捉システム
１１８：ガスタービンエンジン
１２０：燃焼器
１２２：空気分離ユニット（ＡＳＵ）
１２３：補助空気圧縮機
１２４：希釈窒素（ＤＧＡＮ）圧縮機
１２８：冷却塔
１３０：タービン
１３１：駆動シャフト
１３２：圧縮機
１３４：負荷
１３６：蒸気タービンエンジン
１３８：排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム
１４０：第２の負荷
１４２：凝縮器
１６０：吸気セクション
１６２：排気セクション
１６４：燃焼器ハウジング
１６６：燃焼器セクション
１６８：第１の燃料
１７０：第１の燃料制御バルブ
１７２：第２の燃料
１７４：第２の燃料制御バルブ
１７６：希釈剤
１７８：希釈剤制御バルブ
１８０：注入ライン
１８２：燃料制御システム
１８４：吸気セクションセンサ
１８６：圧縮機センサ
１８８：燃焼器センサ
１９２：タービンセンサ
１９４：排気センサ
１９６：第１の燃料、第２の燃料及び／又は希釈剤制御バルブへの信号
１９８：センサからの信号
２１０：ガスタービンエンジンの作動包絡線のグラフ
２１２：ｘ軸
２１４：ｙ軸
２１６：天然ガス制御バルブ最小ストローク曲線
２１８：最小ＦＮＰＲ曲線
２２０：約３０％の負荷を表すライン
２２２：作動領域
２２４：シンガス制御バルブ最小ストローク曲線
２２６：約１５％の負荷を表すライン
２２８：拡大作動領域
２４０：燃料制御システム
２４２：希釈剤ライン
２４４：第２の燃料ライン
２４６：第２の燃料混合気ライン
２４８：ＬＨＶセンサ
２５０：第１の燃料ライン
２５２：燃焼器燃料ノズル
２５４：ブロック
２５６：ブロック
２７０：スケジュールベースの制御を用いた燃料制御システム
２７２：希釈剤流量メーター
２７４：作動パラメータブロック
２７６：スケジュールからの希釈剤流量の同定ブロック
２７８：希釈剤流量設定点ブロック
２８０：希釈剤流量ブロック
２８２：希釈剤流量及び設定点の比較ブロック
２８４：バルブ設定点の維持ブロック
２８６：バルブ設定点の調整ブロック
３００：閉ループ制御の伝達関数を用いた燃料制御システム
３０２：伝達関数によるＦＮＰＲの算出ブロック
３０４：ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲを用いた算出ＦＮＰＲの比較ブロック
３０６：第１の燃料への移行ブロック
３０８：ｌｏｗＦＮＰＲを用いた算出ＦＮＰＲの比較ブロック
３１０：ＬＨＶ設定点の維持ブロック
３１２：ＬＨＶ設定点の低下ブロック
３１４：ＬＨＶ及びＬＨＶ設定点の比較ブロック
３１６：バルブ設定点の維持ブロック
３１８：バルブ設定点の調整ブロック
３３０：閉ループ制御のモデルを用いた燃料制御システム
３３２：リアルタイムモデルによるＦＮＰＲ予測ブロック
３３４：ｌｏｗ−ｌｏｗＦＮＰＲを用いた予測ＦＮＰＲの比較ブロック
３３６：ｌｏｗＦＮＰＲを用いた予測ＦＮＰＲの比較ブロック

Claims (10)

  1. 燃焼システム（１６６）の燃料ノズル（２５２）への第１の燃料（１６８）の第１の流れと、第２の燃料（１７２）の第２の流れとの間の燃料移行を制御するよう構成された燃料コントローラ（１８２）を備えるシステムであって、前記燃料コントローラ（１８２）が、第２の燃料（１７２）の第２の流れと組合せて希釈剤（１７６）の第３の流れを調整して、前記燃料ノズル（２５２）前後の圧力比を所定の作動圧力比を上回って維持するように構成されている、システム。
  2. 前記燃料コントローラ（１８２）が、前記希釈剤（１７６）の第３の流れの調整により前記燃料ノズル（２５２）前後の圧力比を制御し、逆火及び保炎を阻止するように構成されている、請求項１記載のシステム。
  3. 前記燃料コントローラ（１８２）が、前記希釈剤（１７６）の第３の流れを増大させ且つ第２の燃料（１７２）の第２の流れを減少させて、低装荷での前記燃焼システム（１６６）の作動を可能にするよう構成される、請求項１記載のシステム。
  4. 前記燃料コントローラ（１８２）が、複数のガス化装置（１０６）の内の少なくとも１つがオフラインである間、前記希釈剤（１７６）の第３の流れを増大させ且つ第２の燃料（１７２）の第２の流れを減少させるよう構成される、請求項３記載のシステム。
  5. 前記燃料コントローラ（１８２）が、前記燃焼システム（１６６）の始動又は運転停止中の燃料移行を制御するよう構成される、請求項１記載のシステム。
  6. 前記燃料コントローラ（１８２）が、圧力、温度、発熱量、流量、速度、負荷又はこれらの組合せのうちの少なくとも１つを示すフィードバック（１９８）に応答して前記燃料移行を制御するよう構成される、請求項１記載のシステム。
  7. 前記希釈剤（１７６）が、窒素、蒸気又はこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のシステム。
  8. 第１の燃料（１６８）が、天然ガス、蒸留油、液化石油ガス又はこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含み、第２の燃料（１７２）がシンガスを含む、請求項１記載のシステム。
  9. 前記燃料ノズル（２５２）を有する燃焼システム（１６６）がガスタービンエンジン（１１８）の燃焼器（１２０）内に配置される、請求項１記載のシステム。
  10. 燃焼システム（１６６）内の燃料ノズル（２５２）前後の圧力比を制御して逆火及び保炎を阻止するように構成された燃料コントローラ（１８２）を備えるシステムであって、前記燃料コントローラ（１８２）が、燃料（１７２）の第２の流れと組合せて希釈剤（１７６）の第１の流れを調整して、前記圧力比を所定の作動圧力比を上回って維持するように構成されている、システム。
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