JP2014070636A - Ｃｏ２の排出を管理するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンにおいて生成されるエネルギーの単位当たりの燃焼副産物の量を低減すること。
【解決手段】第１の燃料および第２の燃料ををガスタービンエンジンに供給するように構成された第１の燃料供給源および第２の燃料供給源を含み、第１の燃料は、第２の燃料より多くの炭素含有量を有する燃料供給組立体１６と、少なくとも１つの希釈剤４８をガスタービンエンジンに供給するように構成された少なくとも１つの希釈剤供給源を備える希釈剤供給組立体１８とを含むタービン流体供給システムと、第１の燃料供給源、第２の燃料供給源、または少なくとも１つの希釈剤供給源を管理することで、ガスタービンエンジンの燃焼器２２における炭素の割合を調節して、ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たりの排ガス中の炭素を含む排出物の比率を閾値比以下に維持するための指示を有する制御装置とを含むシステム。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、ガスタービンエンジンにおける排ガスの管理に関する。具体的には、それは、排ガスの監視、および生成されるエネルギーの単位当たりの特有の燃焼副産物の量を管理することに関する。

一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮された空気と燃料の混合体を燃焼させることで、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、１つまたは複数のタービン段を通って流れることで、負荷および／または圧縮器によって使用するための回転エネルギーを生成する。燃焼ガスは、種々の燃焼副産物を含む可能性があり、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、酸化窒素（ＮＯ_x）、二酸化炭素（ＣＯ₂）などである。このような副産物または排出物は一般に、規制を受けており、この規制は、ますます厳しいものになりつつある。

元々主張されている発明の範囲にふさわしい特定の実施形態を以下で概説する。このような実施形態は、主張される発明の範囲を限定することを意図しているのではなく、むしろこのような実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供することのみを意図している。当然のことながら、本発明は、以下に記載する実施形態と同様の、またはそれとは異なる可能性のある種々の形態を包含することができる。

米国特許出願公開第２０１２／００９０３２７号明細書

第１の実施形態において、システムは、第１の燃料をガスタービンエンジンに供給するように構成された第１の燃料供給源、および第２の燃料をガスタービンエンジンに供給するように構成された第２の燃料供給源を含み、この場合、第１の燃料が第２の燃料より多くの炭素含有量を有する燃料供給組立体と、少なくとも１つの希釈剤をガスタービンエンジンに供給するように構成された少なくとも１つの希釈剤供給源を備えた希釈剤供給組立体とを含むタービン流体供給システムと、第１の燃料供給源、第２の燃料供給源、または少なくとも１つの希釈剤供給源を管理することで、ガスタービンエンジンの燃焼器における炭素の割合を調節して、ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たりの排ガス中の炭素を含む排出物の比率を閾値比以下に維持するための指示を有する制御装置とを含む。

第２の実施形態において、システムは、第１の燃料供給源、第２の燃料供給源、または少なくとも１つの希釈剤供給源を管理することで、ガスタービンエンジンの燃焼器における炭素の割合を調節して、ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たりの排ガス中の炭素を含む排出物の比率を閾値比以下に維持するための指示を有する制御装置を含む。

第３の実施形態において、方法は、少なくとも１つのセンサからフィードバックを受信するステップと、このフィードバックに基づいて、ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たり形成される炭素を含む排出物の比率を監視するステップと、この比率が閾値比を超えるかどうか判定するステップと、第１の燃料供給源、第２の燃料供給源、または少なくとも１つの希釈剤供給源を管理することで、ガスタービンエンジンの燃焼器における炭素の割合を調節することでこの比率を閾値比以下に維持するステップとを含む。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な記載を添付の図面を参照して読むことでより適切に理解されると思われ、図面中では、同様の符号は、図面を通して同様の部品を表している。

生成されるエネルギーの単位当たり排出される二酸化炭素の比率を閾値以下に維持するように構成されたガスタービンシステムの線図である。 図１のガスタービンシステムの線図であり、制御装置が、燃料組立体および希釈剤組立体を管理することで、生成されるエネルギーの単位当たり形成される二酸化炭素ガスの比率を閾値比を下回るように維持する図である。 図２の制御装置の線図であり、燃料および希釈剤の燃料ノズルへの注入を管理する図である。 図１のガスタービンシステムにおいて生成されるエネルギーの単位当たり形成される二酸化炭素ガスの比率を管理するための方法のフローチャートである。

本発明の１つまたは複数の特定の実施形態を以下に記載する。これらの実施形態の簡潔な記載を提供しようとする中で、実際の実装形態の全ての機能が、明細書に記載されない場合がある。このようないずれの実際の実装形態の、何らかの設計または設計プロジェクトでの開発において、例えばシステム関連および商業関連の制約に準拠するなど、この開発者の特定の目的を達成するために多数の実装形態に固有の決定を行う必要があり、これは実装形態によって異なる可能性があることを理解されたい。さらにこのような開発の取り組みは、複雑で時間がかかるものではあるが、それでもやはり、本開示の恩恵を有する当業者にとって、設計、作製および製造を請け負うことは日常的であることを理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を取り上げる際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「前記」は、１つまたは複数の要素があることを意味することが意図されている。用語「備える」、「含む」および「有する」は、包括的であり、記載される要素以外の追加の要素が存在する可能性があることを意味することが意図されている。

以下で詳細に考察するように、開示される実施形態は、例えばガスタービンエンジンなどの燃焼システムの各々の燃料ノズルおよび／または燃焼器に供給される流体（例えば燃料および希釈剤）を管理することによって、生成されるエネルギーの単位当たり（例えばＭＷｈｒ）の炭素を含む排出物（例えばＣＯ₂排出物）を管理する排出物管理機能（例えば制御装置によって実行される指示）を含む。例えばガスタービンエンジンの制御装置は、燃料ノズルおよび／または燃焼器への１つまたは複数の希釈剤（例えば、蒸気、窒素または他の希釈剤）の流量を増加させることで、全体の流体混合体中の燃料に対する希釈剤の割合を増大させ、これによりガスタービンエンジンの出力を増大させ、全体の流体混合体（例えばガスおよび／または液体混合体）中の炭素の割合を抑えることで生成されるエネルギーの単位当たりの排ガス中の炭素を含む排出物（例えばＣＯ₂排出物）を減少させることができる。特定の実施形態において、ガスタービンエンジンの制御装置は、希釈剤の流量を増加させることで、低負荷条件、始動条件、停止条件、または生成されるエネルギーの単位当たりの炭素を含む排出物に関する閾値比に基づいた他の条件（例えば規制上の制限）における排ガス中の炭素を含む排出物（例えばＣＯ₂排出物）を減少させることができる。さらにガスタービンエンジンの制御装置は、高負荷条件、定常状態、または生成されるエネルギーの単位当たりの炭素を含む排出物に関する閾値比（例えば規制上の制限）に基づいた他の条件における希釈剤の流量を減少させることができる。例えばガスタービンエンジンの制御装置は一般に、燃料ノズルおよび／または燃焼器への希釈剤の流量を管理することで、ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たりの炭素を含む排出物（例えばＣＯ₂排出物）の比率を閾値比を下回るように維持することができる。

これに加えて、あるいは代替として、ガスタービンエンジンの制御装置は、燃料ノズルおよび／または燃焼器内に供給される燃料組成物（例えば２つ以上の異なる燃料の混合体）を選択式に管理することによって、燃料組成物および全体の流体混合体における炭素の割合を抑え、これにより生成されるエネルギーの単位当たりの排ガス中の炭素を含む排出物（例えばＣＯ₂排出物）を減少させることができる。例えばガスタービンエンジンの制御装置は選択式に、第１の燃料（例えば高炭素ベースの燃料）の流量を減少させるおよび／または第２の燃料（例えば低炭素燃料および／または炭素を含まない燃料）の流量を増加させることで、燃料ノズルおよび／または燃焼器内に低炭素の燃料組成物（例えば燃料混合体）を提供し、これにより、燃料組成物および全体の流体混合体における炭素の割合を抑えることで、生成されるエネルギーの単位当たりの排ガス中の炭素を含む排出物（例えばＣＯ₂排出物）を減少させることができる。特定の実施形態において、第１の燃料は天然ガスを含む場合があるのに対して、第２の燃料は水素を含む場合がある。水素は天然ガスを補う一方で、全体の燃料混合体中の炭素含有量を希釈する。特定の実施形態において、ガスタービンエンジンの制御装置は選択式に、第１の燃料（例えば高炭素ベースの燃料）の流量を減少させるおよび／または第２の燃料（例えば低炭素燃料および／または炭素を含まない燃料）の流量を増加させることで、低負荷条件、始動条件、停止条件、または生成されるエネルギーの単位当たりの炭素を含む排出物に関する閾値比に基づいた他の条件（例えば規制上の制限）における排ガス中の炭素を含む排出物（例えばＣＯ₂排出物）を減少させることができる。さらにガスタービンエンジンの制御装置は選択式に、高負荷条件、定常状態、または生成されるエネルギーの単位当たりの炭素を含む排出物に関する閾値比に基づいた他の条件（例えば規制上の制限）において、第１の燃料（例えば高炭素ベースの燃料）の流量を増加させるおよび／または第２の燃料（例えば低炭素燃料および／または炭素を含まない燃料）の流量を減少させることができる。

一般に、開示される実施形態は選択式に希釈剤および燃料組成物の使用を管理することで、種々のフィードバックに基づいて、生成されるエネルギーの単位当たりの炭素を含む排出物（例えばＣＯ₂排出物）の比率を管理することができるが、このようなフィードバックは、燃料組成物、排気組成物、電力出力および／または負荷、燃料および希釈剤の温度、ならびにガスタービンエンジンの種々の他の作動パラメータを示すセンサフィードバックである。開示される実施形態は恐らく、単純なサイクルのガスタービンシステムに特に有益であり、これは例えば結合式サイクルシステムの一部として蒸気タービンまたは二次サイクルのないスタンドアローンガスタービンエンジンなどである。さらに希釈剤は、例えば空気分離ユニット（ＡＳＵ）からの窒素ならびに／あるいはボイラーまたはガス化システムからの蒸気など種々の工場供給源から供給される場合もある。同様に燃料も種々の工場供給源、貯蔵タンクおよび／またはパイプラインから供給される場合もあり、例えばガス化システムからの合成ガス、貯蔵タンクからの水素および／またはガス処理システム（例えば燃料熱分解および／または合成ガスを利用した燃料改質）からの水素などである。

図１は、ガスタービンシステム１０の線図であり、これは、生成されたエネルギーの単位当たり形成される二酸化炭素ガスの比率を生成されるエネルギーの単位当たり排出されるＣＯ₂ガスの閾値比以下に維持するように構成されている。ガスタービンシステム１０は、ガスタービン１２と、制御装置組立体１４と、燃料供給組立体１６と、希釈剤供給組立体１８とを含むことができる。これらの組立体が協働して作用することで、ＣＯ₂排出／エネルギー比を閾値比以下に維持している。

示されるように、ガスタービン１２は、圧縮機２０と、燃焼器２２と、燃料ノズル２４と、タービン２６と排気部分２８とを含む。作動する際、ガスタービン１２は、空気３０を圧縮機２０へと引き込み、圧縮機がその後空気３０を圧縮し、それを燃焼器２２へと移動させる。燃焼器２２では、燃料ノズル２４が燃料を噴射し、この燃料が圧縮された空気と混ざり合って燃料と空気の混合体を形成する。燃料と空気の混合体が燃焼器２２内で燃焼し、高温の燃焼ガスを生成し、これはタービン２６へと下流に流れる。高温の燃焼ガスがタービン２６を通って移動する際、それがロータを回転させる。タービン２６内でロータが回転することによって、シャフト３２を回転させる。シャフト３２は負荷３４に接続しており、これは例えば、シャフト３２の回転エネルギーを利用して電気を生成する生成器などである。タービン２６内を通過した後、高温の燃焼ガスは、排ガス３６として排気部分２８を介して環境に排出される。排ガス３６は、例えば二酸化炭素（ＣＯ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、酸化窒素（ＮＯｘ）などの気体を含むことができる。このような副産物または排出物は一般に規制を受けており、この規制は次第に厳しくなってきている。例えば米国環境保護庁（ＥＰＡ）は、生成されるエネルギー単位当たりのＣＯ₂排出の有効な基準を有する場合がある。例えば開示される実施形態によって恐らく、結合式サイクルにおいて作動するガスタービンが、生成されるエネルギーのメガワット時当たりのＣＯ₂をおよそ１０００ポンド（１０００ｌｂｓ／ＭＷｈｒ）未満にすることが可能になる。

制御装置組立体１４が指示を実行することで燃料組立体１６および希釈剤組立体１８を制御して、生成されるエネルギー単位当たりのＣＯ₂排出が閾値比（例えばＥＰＡ基準）を下回るように維持する。制御装置組立体１４は、制御装置３７と、プロセッサ３８と、メモリ３９と、センサ４０、４２、４３および４４とを含む。制御装置３７は、センサ４０、４２、４３および４４からのデータを受信し、その後プロセッサ３８がメモリ３９に記憶された指示をセンサデータに基づいて実行することで、燃料組立体１６と、希釈剤組立体１８を制御する。センサ４０、４２、４３および４４は、制御装置３７に様々な種類のデータを提供しており、これには排ガス３６中のＣＯ₂レベル、燃料４６中の炭素含有量、燃料４６の温度、希釈剤４８の温度および負荷３４からの負荷データが含まれる。図示される実施形態では、４つの全てのタイプのセンサ４０、４２、４３および４４が制御装置３７によって使用される。他の実施形態では、制御装置３７は負荷センサ４０を単独で使用する、炭素含有量センサ４２と負荷センサ４０を併せて使用する、排気センサ４４を負荷センサ４０と併せて使用する、あるいは４つの全てのセンサを併せて使用することでシステム１０を閾値比以下に維持する場合がある。

センサ４０は、負荷３４の負荷および／または出力、例えば生成される電気を測定する。上記に説明したように、米国環境保護庁（ＥＰＡ）は、生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂の形成を例えば結合式サイクル用途に関してメガワット時当たりおよそ１０００ポンド（１０００ｌｂｓ／ＭＷｈｒ）に制限する有効な基準を有する。これを下回るエネルギー生成は、許容可能なＣＯ₂排出の量が減少することを意味する。制御装置３７は、センサ４０から負荷データ（すなわち生成されるエネルギー）を受信する。制御装置３７は、この負荷データをガスタービンシステム１０における既知の変数と組み合わせることで、ガスタービン１２が閾値比を超えて作動しているかどうかを判断することができる。例えば制御装置３７は、既知の値、計算式、モデルなどのデータベースを利用して、燃料４６および希釈剤４８がどの位の量が、どの種類が、およびどの温度が特定の負荷（すなわちＣＯ₂排出／エネルギー）における特定の量のＣＯ₂を生成するかを知ることができる。制御装置３７がガスタービンエンジン１２が閾値比を超えて作動していると予測した場合、このとき制御装置３７は指示を実行して、燃料組立体１６および／または希釈剤組立体１８を制御することでＣＯ₂排出／エネルギー比を変更するように制御する。したがって制御装置３７が指示を実行することで、センサ４０をセンサ４２および４４と併せてあるいはそれらを用いずに使用することで、ＣＯ₂排出／エネルギー比が閾値比以下になるまで燃料組立体１６および／または希釈剤組立体１８を自動的に調節することができる。

ガスタービンシステム１０はまた、炭素含有量センサ４２を負荷センサ４０と併せて使用することで、システム１０を閾値比以下に維持することもできる。一部の実施形態では、センサ４２は、燃料炭素含有量センサおよび燃料温度センサであってよい。さらに他の実施形態では、燃料に関する炭素含有量センサと、温度センサがある場合もある。具体的には制御装置３７は、炭素含有量センサ４２から燃料４６の中にどのくらいの量の炭素があるかと、その温度を示すデータを受信する。制御装置３７はこのとき、既知の値（すなわち燃料温度が上昇することは、システム中により多くのエネルギーが導入されることになり、結果として生成されるエネルギー単位当たりのＣＯ₂の排出が減ることになる）に基づいてＣＯ₂排出を予測することができる。制御装置３７がこの情報をセンサ４０からの負荷データと組み合わせたならば、このとき制御装置３７は、システム１０が閾値比以下で作動しているかどうかを判断することができる。具体的には制御装置３７が指示を実行することで、ガスタービンシステム１０が閾値比より多くのエネルギーの単位当たりのＣＯ₂を生成するかを予想することができる。この比率に基づいて制御装置３７が指示を実行することで、燃料ノズル２４に進入する燃料４６の量および／または組成を変えることができる。一部の実施形態では、制御装置３７は、ガスタービンシステム１０に進入する燃料４６を調節する（例えば燃料の種類および／または燃料の量を変える）および希釈剤４８を調節する（例えば希釈剤の種類および／または希釈剤の量を変える）ことによって、この比率を管理することができる。例えばＣＯ₂排出／エネルギーを減少させるには、制御装置は、燃料４６の消費を減らし、ガスタービンシステム１０において使用される希釈剤４８を増やす指示を実行することで、ＣＯ₂排出／エネルギー比を低下させることができる。示されるように、希釈剤４８は、様々な場所でガスタービン１２に進入することができ、これらの場所には、燃料ノズル２４、燃焼器２２および／またはタービン２６が含まれる。

センサ４４は、排気部分２８に接続しており、排ガス３６がガスタービンシステム１０を出るときのその中の二酸化炭素レベルを監視する。他の実施形態において、センサ４４は、ガスタービン１２の異なる場所に接続する場合もある。例えばセンサ４４は、タービン２６または燃焼器２２に接続し、その中のＣＯ₂レベルを測定する場合もある。さらに他の実施形態において、ＣＯ₂センサ４４は、燃焼器２２、タービン２６および排気部分２８に接続することで、重複するＣＯ₂ガス測定を行なう場合もある。制御装置３７はこのとき、ＣＯ₂センサ４４を負荷センサ４０と併せて使用することで、生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂ガスの比率を計算することができる。制御装置３７はその後、このＣＯ₂排出／エネルギー比を閾値比と比較することで、ガスタービンシステム１０が閾値比を超えているかどうかを判断する。ＣＯ₂排出／エネルギー比が閾値比を超えた場合、このとき制御装置３７は指示を実行することで、燃料組立体１６および希釈剤組立体１８によってガスタービン１２に進入する燃料４６および／または希釈剤４８の量または内容物を調節する。

図２は、図１のガスタービンシステム１０の線図であり、制御装置３７は、燃料供給組立体１６と、希釈剤供給組立体１８を制御することで、ガスタービンシステム１０の排出（例えばＣＯ₂排出）を減少させるおよび／または出力を増大させている。燃料組立体１６は、第１の燃料源７０と、第２の燃料源７２と、混合チャンバ７４と、第１の弁７６と、第２の弁７８とを含む。他の実施形態では、３つ以上の燃料源（例えば３つ、４つ、５つ、６つまたはそれ以上の燃料源）と、３つ以上の弁（例えば、３つ、４つ、５つ、６つまたはそれ以上の弁）と、２つ以上の混合チャンバ（例えば、２つ、３つ、４つ、５つまたはそれ以上の混合チャンバ）とが異なる構成で存在する場合もある。例えば、３つの燃料源と、それに対応する弁、ならびに異なる燃料を混ぜ合わせる単独の混合チャンバとが存在する場合もある。

作動中、制御装置３７が指示を実行することで、弁７６を制御することにより第１の燃料源７０から、および弁７８を利用して第２の燃料源７２から混合チャンバ７４に燃料を選択式に経由させる。燃料７０および７２は、混合チャンバ７４内に進入し、そこで混ざり合い、その後燃料ノズル２４へと流れ、そこでそれらは燃焼器２２の中で燃焼する。第１の燃料源７０は、化石燃料（例えば炭素ベースの燃料）を供給する一次燃料源であってよい。第２の燃料源７２は、低炭素または炭素を全く含まない燃料（例えば水素）を供給する二次燃料源であってよい。上記に説明したように、制御装置３７が指示を実行することで、センサ４０、センサ４０および４２、センサ４０および４４または全てのセンサ４０、４２、４３および４４に応答して、第１の燃料７０と、第２の燃料７２の量を調整する。具体的には、制御装置３７が指示を実行することで、弁７６および７８を開閉することによって燃料ノズル２４に進入する燃料の炭素含有量を調節し、これによって混合チャンバ７４内の燃料７０および７２の量を変える。この方法において、制御装置３７は、燃焼すべき燃料混合体の炭素含有量を変化させ、これにより生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂の比率を変えることができる。

例えばガスタービン１２が高い負荷（例えば電気利用のピーク時）に遭遇した際、これは、対応してエネルギー生成が増大する他により多くのＣＯ₂を排出する可能性がある。このような高負荷の状況では、システム１０が、生成されるエネルギー単位当たりの排出されるＣＯ₂の閾値レベルを超える可能性はない。よって制御装置３７は、指示を実行することで、弁７６を開放し、弁７８を閉鎖したまま維持することで、第１の燃料源７０が混合チャンバ７４を通って流れ、燃焼器２２内で燃焼する。対照的に低負荷の状況では、ガスタービンはそれ程効率的ではなく、現行の制御技術を利用せずには閾値比と比べて生成されるエネルギーの単位当たりより多くのＣＯ₂を排出する。それに応じて制御装置３７が指示を実行することで、弁７６および７８を制御し、燃料ノズル２４に進入する燃料混合体の炭素含有量を変えることができる。第２の燃料７２（例えば低炭素または炭素を含まない燃料）を増加させ、第１の燃料７０（例えば炭素ベースの燃料）を減少させることによって、制御装置３７は、燃料混合体および排ガス中の炭素含有量を低下させる（例えば排ガス中のＣＯ₂が少ない）。制御装置３７はまた、負荷が増大した場合、逆のことをする（すなわち第１の燃料７０を増加させ、第２の燃料７２を減少させる）ように指示を実行することができる。センサ４０、センサ４０および４２の組み合わせ、センサ４０および４４の組み合わせまたは全てのセンサ４０、４２、４３および４４からのフィードバックを併せることで有利には、制御装置３７が燃料混合体を変化させ、これにより生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂排出を減らすことで閾値比を下回るようにすることができる。

希釈剤組立体１８は、希釈剤源８０と、弁８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６および９８を含む。希釈剤源８０は、水素（Ｎ₂）源１００、蒸気源１０２および別の種類の希釈剤１０４を含む場合がある。他の実施形態では、４つ以上の希釈剤（例えば４つ、５つ、６つ、７つまたはそれ以上の希釈剤）が存在する場合もある。このような希釈剤源８０によって、出力を増大させる一方で、ガスタービン１２に対する燃料の要件を軽減することで、燃焼中の燃料の容積当たりの炭素含有量を減少させ、排ガス中のＣＯ₂排出を低下させることが可能である。よってシステム１０は有利には希釈剤源８０を利用することで、生成されるエネルギー単位当たりのＣＯ₂ガスの排出を閾値比を下回るように抑えることができる。さらにシステム１０は、センサ４３によって希釈剤の温度を監視することで、どのくらいの希釈剤を注入すべきかをより適切に予測することができる（すなわち希釈剤の温度が上昇することは、より多くのエネルギーがシステム１０内に導入されることを意味しており、これにより生成されるエネルギー単位当たりのＣＯ₂排出が減少することになる）。

制御装置３７が指示を実行することで、弁８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６および９８を介して希釈剤１００、１０２および１０４の放出を管理する。有利には制御装置３７が指示を実行することで、ガスタービン１２内での希釈剤の使用を選択的に管理することができる。具体的には、制御装置３７が指示を実行することで、任意の１つまたは複数の希釈剤を弁８２、８８および９８を制御することによって燃料ノズル２４に、弁８４、９０および９６を使用することによって燃焼器２２に、ならびに／あるいは弁８６、９２および９４を使用してタービン２６に注入することができる。したがって制御装置３７は、弁８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６および９８を介して希釈剤の使用をカスタマイズすることができる。例えば制御装置３７が指示を実行することで、弁８２によって燃料ノズル２４へ窒素１００を注入し、弁９０によって燃焼器２２に蒸気１０２を注入し、弁９４によって別の希釈剤１０４をタービン２６へと注入することができる。さらに他の実施形態において、３つの全ての希釈剤源１００、１０２および１０４が、燃料ノズル２４、燃焼器２２および／またはタービン２６に注入される場合もある。さらに他の実施形態において、システム１０は、センサ４３を使用して、希釈剤の温度に基づいてどの希釈剤が最も有利に注入されるかを判断することができる（すなわち温度の上昇は、より多くのエネルギーがシステム１０内に導入されることを意味しており、その結果生成されるエネルギー単位当たりのＣＯ₂排出が低下する）。

いくつかの実施形態において、システム１０は燃料組立体１６と、希釈剤組立体１８を併せて使用して、生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂排出の比率を閾値比を下回るように変更する。例えば低負荷の状況では、ガスタービン１２は効率が下がり、開示される制御技術を利用せずには閾値比と比べてより多くのＣＯ₂／エネルギーを排出する可能性がある。制御装置３７は、指示を実行して、希釈剤組立体１８によって出力増大希釈剤４８を注入し、同時に燃料組立体１６によって燃料を減少させるおよび／または燃料４６中の炭素含有量を減少させることによって応じることができる。協働して作用する２つの組立体１６および１８は有利には、ガスタービンシステム１０を閾値比を下回るように維持することができる。

図３は、図２の制御装置３７の線図であり、複数の燃料ノズル２４への燃料および希釈剤の注入を管理している。燃料ノズル２４は、個々の燃料ノズル１２０、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０を含む。本発明は、６つの燃料ノズルを含んでいるが、他の実施形態は、異なる数のノズル、例えば１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、９つ、１０個またはそれ以上のノズルを含む場合もある。このような燃料ノズル１２０、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０は、燃料、酸化剤（例えば空気）および／または希釈剤を燃焼器２２に注入することができる。本実施形態では、燃料と希釈剤は、各々の燃料マニフォルド１３２と希釈剤マニフォルド１３４を通って移動する。酸化剤（例えば空気）は、燃焼器２２（例えばヘッド側）および流れ調整器を介して各々の燃料ノズル１２０、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０に供給される場合もある。

マニフォルド１３２および１３４は、燃料と希釈剤を一部のまたは全ての個々のノズル１２０、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０に分配することができる。特定の実施形態において、制御装置３７が指示を実行することで、燃料マニフォルド１３２および希釈剤マニフォルド１３４の内部で弁を作動させ、どのノズル１２０、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０が特定の燃料、燃料混合体、酸化剤（例えば空気）、希釈剤および／または希釈剤混合体を受け取るかを管理することができる。制御装置３７が指示を実行することで、第１の燃料７０、第２の燃料７２または両方の燃料７０および７２（例えば混合体）、窒素１００、蒸気１０２、他の希釈剤ならびに／あるいは１つまたは希釈剤の混合体の流れが、１つまたは複数の燃料ノズル１２０、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０への１つまたは複数に均一にまたは異なる方法で流れることが可能になる。例えば燃料マニフォルド１３２は、燃料をノズル１２０、１２２、１２４、１２８および１３０に送るが、１２６には送ることはできない。他の実施形態において、燃料マニフォルド１３２は、第１の燃料源７０をノズル１２０、１２２および１２４に誘導し、第２の燃料源７２をノズル１２６、１２８および１３０に誘導する場合もある。希釈剤マニフォルド１３４も、同様のやり方で作動することができる。例えば希釈剤マニフォルド１３４は、源１００からノズル１２６に窒素を送るだけの場合がある。他の実施形態において、マニフォルド１３４は、３つの希釈剤源１００、１０２および１０４の混合体をノズル１２６に送る場合もある。さらに他の実施形態においてマニフォルド１３４は、源１００からノズル１２０に窒素を送り、源１０２からノズル１２８に蒸気を送り、源１０４からノズル１３０に別の希釈剤を送る場合もある。他の組み合わせも可能であり、異なるノズル１２０、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０が異なる燃料、燃料混合体、希釈剤および／または希釈剤混合体ならびに酸化剤（例えば空気）を受けとることも可能である。図３の実施形態によって、制御装置３７が、各々のノズル１２０、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０への所望される燃料または燃料混合体の流れ、ならびに所望される希釈剤または希釈剤混合体の流れを選択式に管理することが可能になる。したがって制御装置３７は、ノズル２４に進入する燃料および／または希釈剤の量を調整することによって、燃焼器２２において形成されるＣＯ₂ガスの量を調整することができる。この方法において、制御装置３７は、センサ４０、４２、４３および４４からのフィードバックによってシステム１０におけるＣＯ₂／エネルギーの比率を調節することができる。

図４は、図１のガスタービンシステム１０において生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂排出の比率を管理するための方法１５０のフローチャートである。最初に、ブロック１５２によって表されるように、センサ４０、４２、４３および／または４４が、ガスタービンシステム１０における特性を測定する。具体的にはセンサ４０は負荷を測定し、センサ４２は燃料４６中の炭素含有量と温度を測定し、センサ４３は希釈剤の温度を測定し、センサ４４は排ガス３６中のＣＯ₂レベルを測定する。センサ４０、４２、４３および／または４４は、ブロック１５４によって表されるように信号中の情報を制御装置３７に送信する。制御装置３７は、ブロック１５６によって表されるようにセンサ４０、４２、４３および／または４４から信号を受信する。制御装置３７はその後、ブロック１５８によって表されるようにセンサ４０、４２、４３および／または４４を監視することで、排ガス３６中の実際のまたは予測されるＣＯ₂レベルを判定する。上記に説明したように、制御装置３７は、センサ４０、４２、４３および４４から受信した情報によって燃料組立体１６および／または希釈剤組立体１８を使用して、指示を実行することでシステム１０において生成されるエネルギーの単位当たり形成されるＣＯ₂ガスの量を調節することができる。上記に説明したように、ガスタービンシステム１０の実施形態は、負荷センサ４０を単独で使用して；全てのセンサ４０、４２、４３および４４を使用して；センサ４０および４２を使用して；またはセンサ４０および４４を使用して排出管理指示を実行することで、ＣＯ₂排出／エネルギー比を判定し、この比率を閾値比を下回るように維持することができる。４つの全てのセンサ４０、４２、４３および４４を使用する実施形態は有利には、センサ４０、４２および４３を使用して予測される比率を判定し、センサ４０および４４を使用して実際の比率を判定することができる。センサフィードバックおよび比率の判定によって、重複する測定が実現し、ガスタービンシステム１０のＣＯ₂排出／エネルギー比が閾値比以下のままでいることが保証される。

方法１５０における次のステップは、判断ポイント１６０によって表されるように、ＣＯ₂レベルが閾値比を上回っているかを判定することである。上記に説明したように、閾値比は、生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂の量であり、例えばメガワット時当たりのＣＯ₂のポンド（ｌｂｓ／ＭＷｈｒ）である。ＣＯ₂排出／エネルギー比が閾値比より小さい場合、このとき方法は、ブロック１５２に戻り、センサによって特性を測定する。ＣＯ₂排出／エネルギー比が閾値比より大きい場合、このとき方法１５０は、ブロック１６２および／またはブロック１６４においてステップを続行することができる。ブロック１６２において、方法１５０は、システム１０における燃料を管理することでＣＯ₂排出を抑える。上記に説明したように、システム１０は、燃料組立体１６を使用することで燃料の組成または種類を変更することができ、例えば低炭素または炭素を含まない燃料を使用することでＣＯ₂ガスの生成を減らすことができる。方法１５０はまた、ブロック１６４に表されるように、システム１０における希釈剤４８の量を管理することで、燃料消費を減らし、これによりＣＯ₂ガスの形成も減らすことができる。具体的には希釈剤４８は、ガスタービンシステム１０における出力形成を増大させ、燃料要件を軽減し、対応するＣＯ₂ガス排出を抑える。したがってシステム１０は、生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂排出の比率を閾値比以下に維持することができる。

本発明の技術的効果には、ガスタービンエンジンに対する負荷を継続的に変えることによって生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂排出の比率を閾値比を下回るように維持することが可能なシステムおよび方法が含まれる。システムは、種々のセンサからのセンサフィードバックを受信することができる制御装置を含んでおり、これらのセンサは、負荷、燃料中の炭素含有量、燃料の温度、希釈剤の温度および排ガス中のＣＯ₂ガスのレベルを測定する。システムはこのとき、燃料を変更する、燃料の組成を変更する、燃料の量を変更する、および／または出力を増大させる希釈剤を加えることによって、センサからの入力に基づいてＣＯ₂排出／エネルギー比を調節することができる。

この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な態様を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかな相違点を有する等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

１０ ガスタービンシステム
１２ ガスタービン
１４ 制御装置組立体
１６ 燃料供給組立体
１８ 希釈剤供給組立体
２０ 圧縮機
２２ 燃焼器
２４ 燃料ノズル
２６ タービン
２８ 排気部分
３０ 空気
３２ シャフト
３４ 負荷
３６ 排ガス
３７ 制御装置
３８ プロセッサ
３９ メモリ
４０、４２、４３、４４ センサ
４６ 燃料
４８ 希釈剤
７０ 第１の燃料源
７２ 第２の燃料源
７４ 混合チャンバ
７６ 第１の弁
７８ 第２の弁
８０ 希釈剤源
８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８ 弁
１００ 窒素
１０２ 蒸気
１０４ 他の希釈剤
１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０ 個々の燃料ノズル
１３２ 燃料マニフォルド
１３４ 希釈剤マニフォルド
１５０ 方法
１５２ センサのよる特性の測定
１５４ センサからの信号の送信
１５６ センサからの信号の受信
１５８ センサ信号を使用して、生成されるエネルギーの単位当たりのＣＯ₂排出の比率を監視する
１６０ 比率が閾値比を超えているかを判定する
１６２ システムにおける燃料の管理
１６４ システムにおける希釈剤の管理

Claims (20)

1. 第１の燃料をガスタービンエンジンに供給するように構成された第１の燃料供給源、および
   第２の燃料をガスタービンエンジンに供給するように構成された第２の燃料供給源を含み、前記第１の燃料が、前記第２の燃料より多くの炭素含有量を有する燃料供給組立体と、
   少なくとも１つの希釈剤を前記ガスタービンエンジンに供給するように構成された少なくとも１つの希釈剤供給源を備える希釈剤供給組立体とを備えるタービン流体供給システムと、
   前記第１の燃料供給源、前記第２の燃料供給源、または前記少なくとも１つの希釈剤供給源を管理することで、前記ガスタービンエンジンの燃焼器における炭素の割合を調節して、前記ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たりの排ガス中の炭素を含む排出物の比率を閾値比以下に維持するための指示を有する制御装置とを備えるシステム。
2. 前記燃料供給組立体が、前記ガスタービンエンジンの前記燃焼器の上流に前記第１および第２の燃料を混ぜ合わせるように構成された混合チャンバを備える、請求項１記載のシステム。
3. 前記第１の燃料供給源が炭素を含む燃料供給源であり、前記第２の供給源が水素燃料供給源である、請求項１記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つの希釈剤供給源が、蒸気供給源、窒素供給源、またはその組み合わせである、請求項１記載のシステム。
5. 前記タービン流体供給システムを有する前記ガスタービンエンジンを備える、請求項１記載のシステム。
6. 前記制御装置が、燃料組成物、排気組成物、燃料の温度、希釈剤の温度、負荷または電力出力あるいはそれらの組み合わせを示すセンサフィードバックに応答して、前記燃焼器における前記炭素の割合を調節することで前記炭素を含む排出物を調節するための指示を有する、請求項１記載のシステム。
7. 前記制御装置が、前記燃焼器における前記炭素の割合を抑えることで、始動条件、停止条件または低負荷条件における前記炭素を含む排出物を減少させるための指示を有する、請求項１記載のシステム。
8. 前記制御装置が、定常条件または高負荷条件における前記燃焼器における前記炭素の割合を増大させるための指示を有する、請求項７記載のシステム。
9. 前記制御装置が、前記燃焼器における前記炭素の割合を調節することで、前記ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たり形成される二酸化炭素ガスの前記比率を前記閾値比以下に維持するための指示を有する、請求項１記載のシステム。
10. 前記制御装置が、前記第１の燃料、前記第２の燃料、または前記少なくとも１つの希釈剤の量を調節することで、前記比率を前記閾値比以下に維持するための指示を有する、請求項９記載のシステム。
11. 第１の燃料供給源、第２の燃料供給源、または少なくとも１つの希釈剤供給源を管理することで、ガスタービンエンジンの燃焼器における炭素の割合を調節して、前記ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たりの排ガス中の炭素を含む排出物の比率を閾値比以下に維持するための指示を有する制御装置を備えるシステム。
12. 前記制御装置が、前記第１の燃料供給源からの第１の燃料と、前記第２の燃料供給源からの第２の燃料の燃料混合体の炭素含有量を調節することで、前記比率を前記閾値比以下に維持するための指示を有する、請求項１１記載のシステム。
13. 前記制御装置が、前記少なくとも１つの希釈剤供給源から前記ガスタービンエンジンの前記燃焼器への少なくとも１つの希釈剤の流れを管理することで、前記比率を前記閾値比以下に維持するための指示を有する、請求項１１記載のシステム。
14. 前記制御装置が、燃料組成物、排気組成物、燃料の温度、希釈剤の温度、負荷または電力出力あるいはそれらの組み合わせを示すセンサフィードバックに応答して、前記燃焼器における前記炭素の割合を調節することで、前記炭素を含む排出物を調節するための指示を有する、請求項１１記載のシステム。
15. 前記制御装置が、始動条件、停止条件または低負荷条件における前記燃焼器における前記炭素の割合を抑えることで、前記炭素を含む排出物を減少させるための指示を有する、請求項１１記載のシステム。
16. 前記制御装置が、定常条件または高負荷条件における前記燃焼器における前記炭素の割合を増大させるための指示を有する、請求項１５記載のシステム。
17. 前記制御装置が、前記燃焼器における前記炭素の割合を調節することで、前記ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たり形成される二酸化炭素ガスの前記比率を前記閾値比以下に維持するための指示を有する、請求項１１記載のシステム。
18. 少なくとも１つのセンサからフィードバックを受信するステップと、
    前記フィードバックに基づいて、ガスタービンエンジンによって生成されるエネルギーの単位当たり形成される炭素を含む排出物の比率を監視するステップと、
    前記比率が閾値比より大きいかどうかを判定するステップと、
    第１の燃料供給源、第２の燃料供給源、または少なくとも１つの希釈剤供給源を管理することで、前記ガスタービンエンジンの燃焼器における炭素の割合を調節して、前記比率を閾値比以下に維持するステップとを含む方法。
19. 管理するステップが、前記第１の燃料供給源からの第１の燃料と、前記第２の燃料供給源からの第２の燃料の燃料混合体の炭素含有量を管理することで、前記比率を前記閾値比以下に維持するステップを含む、請求項１８記載の方法。
20. 管理するステップが、前記少なくとも１つの希釈剤供給源から前記ガスタービンエンジンの前記燃焼器への少なくとも１つの希釈剤の流れを管理することで、前記比率を前記閾値比以下に維持するステップを含む、請求項１８記載の方法。