JP2015536399A - ガスタービン燃焼器制御システム - Google Patents

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Abstract

１つの実施形態において、ガスタービンシステムは、タービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、タービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比を決定し、酸化剤流れ情報、目標当量比、及び量論的燃料−酸化剤比に基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、タービン燃焼器内での排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ように構成されたコントローラを含む。【選択図】 図５

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１３年１０月２９日出願の名称が「ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＣＯＭＢＵＳＴＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ」である米国特許本出願第１４／０６６，５５１号、２０１２年１２月２８日出願の名称が「ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＣＯＭＢＵＳＴＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ」である米国特許仮出願第６１／７４７，１９４号、２０１２年１１月２日出願の名称が「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＩＦＦＵＳＩＯＮ ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ ＩＮ Ａ ＳＴＯＩＣＨＩＯＭＥＴＲＩＣ ＥＸＨＡＵＳＴ ＧＡＳ ＲＥＣＩＲＣＵＬＡＴＩＯＮ ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＳＹＳＴＥＭ」である米国特許仮出願第６１／７２２，１１８号、２０１２年１１月２日出願の名称が「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＩＦＦＵＳＩＯＮ ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＦＵＥＬ−ＤＩＬＵＥＮＴ ＭＩＸＩＮＧ ＩＮ Ａ ＳＴＯＩＣＨＩＯＭＥＴＲＩＣ ＥＸＨＡＵＳＴ ＧＡＳ ＲＥＣＩＲＣＵＬＡＴＩＯＮ ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＳＹＳＴＥＭ」である米国特許仮出願第６１／７２２，１１５号、２０１２年１１月２日出願の名称が「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＩＦＦＵＳＩＯＮ ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＯＸＩＤＡＮＴ−ＤＩＬＵＥＮＴ ＭＩＸＩＮＧ ＩＮ Ａ ＳＴＯＩＣＨＩＯＭＥＴＲＩＣ ＥＸＨＡＵＳＴ ＧＡＳ ＲＥＣＩＲＣＵＬＡＴＩＯＮ ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＳＹＳＴＥＭ」である米国特許仮出願第６１／７２２，１１４号、及び２０１２年１１月２日出願の名称が「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＬＯＡＤ ＣＯＮＴＲＯＬ ＷＩＴＨ ＤＩＦＦＵＳＩＯＮ ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ ＩＮ Ａ ＳＴＯＩＣＨＩＯＭＥＴＲＩＣ ＥＸＨＡＵＳＴ ＧＡＳ ＲＥＣＩＲＣＵＬＡＴＩＯＮ ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＳＹＳＴＥＭである米国特許仮出願第６１／７２２，１１１号に対して優先権及び利益を主張し、これら特許出願の全ては、引用により全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書で開示される主題は、ガスタービンエンジンに関する。
ガスタービンエンジンは、発電、航空機、及び種々の機械装置など、幅広い種類の用途で使用されている。ガスタービンエンジンは、一般に、燃焼器セクションにおいて酸化剤（例えば、空気）と共に燃料を燃焼させて高温の燃焼生成物を発生し、これによりタービンセクションの１又は２以上のタービン段を駆動する。次いで、タービンセクションは、圧縮機セクションの１又は２以上の圧縮機段を駆動し、これにより燃料と共に燃焼器セクションに吸入するため酸化剤を圧縮する。この場合も同様に、燃料及び酸化剤は、燃焼器セクションにおいて混合され、次いで、燃焼して高温の燃焼生成物を生成する。一般に、燃焼生成物中の特定のガス（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び二酸化炭素（ＣＯ2））の相対的レベルのような燃焼生成物の性質は、燃焼プロセスにおいて使用される燃料対酸化剤の比の影響を受ける場合がある。残念ながら、この特定の比は、燃焼生成物中の過剰なレベルの酸素をもたらす場合があり、ガスタービンシステム及び下流側構成要素に好ましくない影響を及ぼす恐れがある。
最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本開示は、以下に記載した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。
１つの実施形態において、ガスタービンシステムは、１又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体と、１又は２以上の命令セットを実行して、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比（ＦＯＲST）を決定し、酸化剤流れ情報、目標当量比、及びＦＯＲSTに基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ように構成された１又は２以上のプロセッシングデバイスと、を有するコントローラを含む。
別の実施形態において、ガスタービンシステムは、排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比にて燃料及び酸化剤を燃焼させて燃焼生成物を生成するよう構成されたタービン燃焼器と、タービン燃焼器に酸化剤流量にて酸化剤を送給するよう構成された酸化剤流路と、タービン燃焼器に燃料流量にて燃料を送給するよう構成された燃料流路と、を備え、燃料流路が、１又は２以上の制御信号に応じて燃料流量を調整するよう構成された燃料流れ制御システムを含み、ガスタービンシステムが更に、流れ制御システムに通信可能に結合されたコントローラを備え、コントローラが、１又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体と、１又は２以上の命令セットを実行して、燃料流れ制御システムに１又は２以上の制御信号を提供するよう構成された１又は２以上のプロセッシングデバイスと、を含み、１又は２以上の制御信号が、燃焼器への燃料流量を制御して、目標当量比でのタービン燃焼器における燃焼を可能にし、１又は２以上の制御信号が、フィードバック成分及びフィードフォワード成分を含む。
別の実施形態において、１又は２以上のプロセッシングデバイスによって実行可能な１又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体が提供され、１又は２以上の命令セットは、１又は２以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比（ＦＯＲST）を決定し、ＦＯＲST及び目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比（ＦＯＲREF）を決定し、酸化剤流れ情報及びＦＯＲREFに基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、タービン燃焼器内で再循環された排気ガスの存在下で燃料と酸化剤との間の目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ようになっている。
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
炭化水素生成システムに結合されたタービンベースのサービスシステムを有するシステムの１つの実施形態の概略図である。 制御システム及び複合（コンバインド）サイクルシステムを更に示す、図１のシステムの１つの実施形態の概略図である。 ガスタービンエンジン、排気ガス供給システム、及び排気ガス処理システムの詳細を更に示す、図１及び２のシステムの１つの実施形態の概略図である。 図１〜３のシステムを作動させるプロセスの１つの実施形態のフローチャートである。 図１〜３のシステムのプロセスストリームに関する組成及び流れ情報を決定するよう構成された制御システム、燃料分析システム、及び種々のセンサの詳細を更に示す１つの実施形態の概略図。 図５の当量比制御システムを作動させるための制御入力を決定するプロセスの１つの実施形態のフローチャート。 図５の当量比制御システムを作動させるための制御入力を決定するプロセスの１つの実施形態のフローチャート。 図５の当量比制御システムを作動させるための制御入力を決定するプロセスの１つの実施形態のフローチャート。 図１〜３及び５のガスタービンシステムの作動中に発生する排気ガスに関する測定値とモデル化値の組み合わせを用いて測定当量比を決定するためのプロセスの１つの実施形態の図。
本発明の１又は２以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行う取り組みの一環として、本明細書では、実際の実施構成の全ての特徴については説明しない場合がある。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実施構成の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実施構成毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。その上、このような開発の取り組みは、複雑で多大な時間を必要とする場合があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
以下で詳細に検討されるように、開示される実施形態は、全体的に、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を備えたガスタービンシステムに関し、より詳細には、ＥＧＲを用いたガスタービンシステムの量論的作動に関する。例えば、ガスタービンシステムは、排気ガス再循環経路に沿って排気ガスを再循環させ、再循環された排気ガスの少なくとも一部と共に燃料及び酸化剤を量論的に燃焼させて、様々な目標システムにおいて使用するために排気ガスを取り込むよう構成することができる。加えて、燃料及び酸化剤の燃焼が実施される化学量論比は、フィードフォワード及びフィードバック機構の両方に基づいて制御することができる。特定の実施形態において、フィードフォワード機構は、燃料及び酸化剤の組成、ガスタービンシステムへの燃料及び／又は酸化剤の現在の流量、及び望ましい量論的燃空比に基づくことができる。一部の実施形態において、フィードバック機構は、再循環排気ガスの測定した組成に基づくことができる。制御システムは、フィードフォワード機構、フィードバック機構、又はこれらの組み合わせを利用して、排気ガス中の二酸化炭素（ＣＯ2）のより高いレベルを達成するなど、排出における望ましい組成を達成するようにガスタービンシステムへの燃料及び／又は酸化剤の流量を制御することができる。
燃料及び／又は酸化剤の流量を制御することに加えて、量論的燃焼と共に排気ガスを再循環することによって、排気ガス中の二酸化炭素（ＣＯ2）の濃度レベルを上昇させるのに役立ち、種々の目標システムで使用するためにＣＯ2及び窒素（Ｎ2）を分離及び精製するよう後処理することができる。ガスタービンシステムはまた、排気ガス再循環経路に沿って種々の排気ガスプロセス（例えば、熱回収、触媒反応、その他）を利用し、これによりＣＯ2の濃度レベルを上昇させ、他のエミッション（例えば、一酸化炭素、窒素酸化物、酸素、及び未燃炭化水素）の濃度レベルを低下させ、エネルギー回収（例えば、熱回収ユニットを用いて）を向上させることができる。
図１は、タービンベースのサービスシステム１４に関連する炭化水素生成システム１２を有するシステム１０の１つの実施形態の概略図である。以下でより詳細に検討するように、タービンベースのサービスシステム１４の種々の実施形態は、電力、機械出力、及び流体（例えば、排気ガス）などの種々のサービスを炭化水素生成システム１２に提供し、オイル及び／又はガスの生成又は取り出しを促進するよう構成される。図示の実施形態において、炭化水素生成システム１２は、オイル／ガス抽出システム１６及び原油二次回収（ＥＯＲ）システム１８を含み、これらは、地下リザーバ２０（例えば、オイル、ガス、又は炭化水素リザーバ）に結合される。オイル／ガス抽出システム１６は、オイル／ガス井戸２６に結合された様々な坑外設備（クリスマスツリー又は生成ツリー２４など）を含む。更に、井戸２６は、地中３２にある掘削ボア３０を通って地下リザーバ２０まで延びる１又は２以上の管体２８を含むことができる。ツリー２４は、地下リザーバ２０との間で圧力を調節し流れを制御する、１又は２以上のバルブ、チョーク、分離スリーブ、噴出防止装置、及び種々の流れ制御装置を含む。ツリー２４は、一般に、地下リザーバ２０の外への生産流体（例えば、オイル又はガス）の流れを制御するのに使用されるが、ＥＯＲシステム１８は、１又は２以上の流体を地下リザーバ２０内に注入することによりオイル又はガスの生産を増大させることができる。
従って、ＥＯＲシステム１８は、地中３２にあるボア３８を通って地下リザーバ２０内に延びる１又は２以上の管体３６を有する流体注入システム３４を含むことができる。例えば、ＥＯＲシステム１８は、１又は２以上の流体４０（ガス、蒸気、水、化学物質、又はこれらの何らかの組み合わせ）を流体注入システム３４に送ることができる。例えば、以下でより詳細に検討するように、ＥＯＲシステム１８は、タービンベースのサービスシステム１４に結合され、その結果、システム１４は、排気ガス４２（例えば、実質的に又は完全に酸素を伴わない）をＥＯＲシステム１８に送り、注入流体４０として用いることができるようになる。流体注入システム３４は、矢印４４で示されるように、流体４０（例えば、排気ガス４２）を、１又は２以上の管体３６を通して地下リザーバ２０に送る。注入流体４０は、オイル／ガス井戸２６の管体２８からオフセット距離４６だけ離れた管体３６を通って地下リザーバ２０に流入する。従って、注入流体４０は、地下リザーバ２０内に配置されたオイル／ガス４８を移動させ、矢印５０で示されるように、オイル／ガス４８を炭化水素生成システム１２の１又は２以上の管体２８を通って上方に送り出す。以下でより詳細に検討するように、注入流体４０は、炭化水素生成システム１２によって必要に応じて施設内で排気ガス４２を発生させることができるタービンベースのサービスシステム１４から生じた排気ガス４２を含むことができる。換言すると、タービンベースのシステム１４は、１又は２以上のサービス（例えば、電力、機械出力、蒸気、水（例えば、脱塩水）と、炭化水素生成システム１２が使用する排気ガス（例えば、実質的に酸素を伴わない）とを同時に発生させ、これによりこのようなサービスの外部供給源への依存を低減又は排除することができる。
図示の実施形態において、タービンベースのサービスシステム１４は、量論的排気ガス再循環（ＳＥＧＲ）ガスタービンシステム５２及び排気ガス（ＥＧ）プロセスシステム５４を含む。ガスタービンシステム５２は、燃料希薄制御モード又は燃料リッチ制御モードのような、量論的燃焼運転モード（例えば、量論的制御モード）及び非量論的燃焼運転モード（例えば、非量論的制御モード）で作動するよう構成することができる。量論的制御モードにおいては、燃焼は、全体的に、燃料及び酸化剤の実質的に化学量論比で生じ、これにより実質的に量論的燃焼を生じることになる。詳細には、量論的燃焼は、一般に、燃焼生成物が実質的に又は完全に未燃燃料及び酸化剤を含まないように、燃焼反応において燃料及び酸化剤の実質的に全てを消費することを伴う。量論的燃焼の１つの尺度は、当量比すなわちファイ（Φ）であり、量論的燃料／酸化剤比に対する実際の燃料／酸化剤比の割合である。１．０よりも大きい当量比は、燃料及び酸化剤の燃料リッチ燃焼をもたらし、他方、１．０よりも小さい当量比は、燃料及び酸化剤の燃料希薄燃焼をもたらす。対照的に、当量比１．０は、燃料リッチでもなく燃料希薄でもない燃焼をもたらし、従って、燃焼反応において燃料及び酸化剤の全てを実質的に消費する。開示された実施形態の文脈において、用語「量論的」又は「実質的に量論」とは、約０．９５〜約１．０５の当量比を指すことができる。しかしながら、開示された実施形態はまた、当量比１．０±０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５、又はそれ以上を含むことができる。この場合も同様に、タービンベースのサービスシステム１４における燃料及び酸化剤の量論的燃焼は、残存する未燃燃料又は酸化剤が実質的に存在しない燃焼生成物又は排気ガス（例えば、４２）をもたらすことができる。例えば、排気ガス４２は、１、２、３、４、又は５容積パーセント未満の酸化剤（例えば、酸素）、未燃燃料又は炭化水素（例えば、ＨＣ）、窒素酸化物（例えば、ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、硫黄酸化物（例えば、ＳＯｘ）、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。別の実施例によれば、排気ガス４２は、約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、２０００、３０００、４０００、又は５０００ｐｐｍｖ（百万分の１体積）未満の酸化剤（例えば、酸素）、未燃燃料又は炭化水素（例えば、ＨＣ）、窒素酸化物（例えば、ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、硫黄酸化物（例えば、ＳＯｘ）、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。しかしながら、開示された実施形態はまた、排気ガス４２中の他の範囲の残留燃料、酸化剤、及び他のエミッションレベルを生成する。本明細書で使用される場合、用語「エミッション」、「エミッションレベル」、及び「エミッション目標」は、特定の燃焼生成物（例えば、ＮＯｘ、ＣＯ、ＳＯｘ、Ｏ2、Ｎ2、Ｈ2、ＨＣｓ、その他）の濃度レベルを指すことができ、これらは、再循環されたガスストリーム、放出されたガスストリーム（例えば、大気中に排出された）、及び種々の目標システム（例えば、炭化水素生成システム１２）において使用されるガスストリーム中に存在することができる。
ＳＥＧＲガスタービンシステム５２及びＥＧプロセスシステム５４は、異なる実施形態において様々な構成要素を含むことができるが、図示のＥＧプロセスシステム５４は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５６及び排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム５８を含み、これらは、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２から生じた排気ガス６０を受け取って処理する。ＨＲＳＧ５６は、１又は２以上の熱交換器、凝縮器、及び種々の熱回収設備を含むことができ、これらはまとめて、排気ガス６０からの熱を水ストリームに伝達して蒸気６２を発生させるよう機能する。蒸気６２は、１又は２以上の蒸気タービン、ＥＯＲシステム１８、又は炭化水素生成システム１２の他の何れかの部分において用いることができる。例えば、ＨＲＳＧ５６は、低圧、中圧、及び／又は高圧の蒸気６２を生成することができ、これらは、低圧、中圧、及び高圧蒸気タービン段又はＥＯＲシステム１８の異なる用途に選択的に適用することができる。蒸気６２に加えて、脱塩水のような処理水６４は、ＨＲＳＧ５６、ＥＧＲシステム５８、及び／又はＥＧプロセスシステム５４又はＳＥＧＲガスタービンシステム５２の別の部分によって生成することができる。処理水６４（例えば、脱塩水）は、内陸又は砂漠地帯などの水不足の領域において特に有用とすることができる。処理水６４は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２内で燃料の燃焼を生じる大量の空気によって少なくとも部分的に生成することができる。蒸気６２及び水６４の施設内での生成は、多くの用途（炭化水素生成システム１２を含む）で有益であるが、排気ガス４２、６０の施設内での生成は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２から生成される低酸素含有、高圧及び熱に起因して、ＥＯＲシステム１８に特に有益とすることができる。従って、ＨＲＳＧ５６、ＥＧＲシステム５８、及び／又はＥＧプロセスシステム５４の別の部分は、排気ガス６６をＳＥＧＲガスタービンシステム５２に出力又は再循環できると同時に、排気ガス４２を炭化水素生成システム１２と共に使用するためにＥＯＲシステム１８に送ることができる。同様に、排気ガス４２は、炭化水素生成システム１２のＥＯＲシステム１８にて使用するためにＳＥＧＲガスタービンシステム５２から直接（すなわち、ＥＧプロセスシステム５４を通過することなく）抽出することができる。
排気ガス再循環は、ＥＧプロセスシステム５４のＥＧＲシステム５８により取扱われる。例えば、ＥＧＲシステム５８は、１又は２以上の導管、バルブ、ブロア、排気ガスプロセスシステム（例えば、フィルタ、粒子状物質除去ユニット、ガス分離ユニット、ガス精製ユニット、熱交換器、熱回収ユニット、除湿ユニット、触媒ユニット、化学物質注入ユニット、又はこれらの組み合わせ）、及び制御部を含み、排気ガス再循環経路に沿ってＳＥＧＲガスタービンシステム５２の出力（例えば、排出された排気ガス６０）から入力（例えば、吸入された排気ガス６６）まで排気ガスを再循環するようにする。図示の実施形態において、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、１又は２以上の圧縮機を有する圧縮機セクションに排気ガス６６を吸入させ、これにより排気ガス６６を圧縮して、酸化剤６８及び１又は２以上の燃料７０の吸入と共に燃焼器セクションにおいて使用する。酸化剤６８は、周囲空気、純酸素、酸素富化空気、貧酸素空気、酸素−窒素混合気、又は燃料７０の燃焼を促進する何らかの好適な酸化剤を含むことができる。燃料７０は、１又は２以上のガス燃料、液体燃料、又は何らかのこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、燃料７０は、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、シンガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ケロシン、ディーゼル燃料、エタノール、メタノール、バイオ燃料、又は何らかのこれらの組み合わせを含むことができる。
ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、燃焼器セクションにおいて排気ガス６６、酸化剤６８、及び燃料７０を混合して燃焼させ、これによりタービンセクションにおいて１又は２以上のタービン段を駆動する高温の燃焼ガス又は排気ガス６０を発生する。特定の実施形態において、燃焼器セクションにおける各燃焼器は、１又は２以上の予混合燃料ノズル、１又は２以上の拡散燃料ノズル、又は何らかのこれらの組み合わせを含む。例えば、各予混合燃料ノズルは、燃料ノズルの内部で、及び／又は燃料ノズルの部分的に上流側で酸化剤６８と燃料７０を混合し、これにより予混合燃焼（例えば、予混合火炎）のため酸化剤−燃料混合気を燃料ノズルから燃焼ゾーンに注入するよう構成することができる。別の実施例によれば、各拡散燃料ノズルは、酸化剤６８及び燃料７０の流れを燃料ノズル内で分離し、これにより拡散燃焼（例えば、拡散火炎）のため酸化剤６８及び燃料７０を燃料ノズルから燃焼ゾーンに別個に注入するよう構成することができる。詳細には、拡散燃料ノズルによって提供される拡散燃焼は、初期燃焼のポイントすなわち火炎領域まで酸化剤６８及び燃料７０の混合を遅延させる。拡散燃料ノズルを利用する実施形態において、拡散火炎は、一般に酸化剤６８及び燃料７０の別個のストリームの間（すなわち、酸化剤６８及び燃料７０が混合されるときに）の化学量論ポイントにて形成されるので、火炎安定性を向上させることができる。特定の実施形態において、１又は２以上の希釈剤（例えば、排気ガス６０、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス）は、拡散燃料ノズル又は予混合燃料ノズルの何れかにおいて酸化剤６８、燃料７０、又は両方と予混合することができる。加えて、１又は２以上の希釈剤（例えば、排気ガス６０、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス）は、各燃焼器内での燃焼ポイントにて又はその下流側にて燃焼器内に注入することができる。これらの希釈剤を使用することにより、火炎（例えば、予混合火炎又は拡散火炎）の調質を助け、これにより一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ2）などのＮＯｘエミッションの低減を助けることができる。火炎のタイプに関係なく、燃焼は、高温の燃焼ガス又は排気ガス６０を生成して、１又は２以上のタービン段を駆動する。各タービン段が排気ガス６０によって駆動されると、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、機械出力７２及び／又は電気出力７４（例えば、発電機を介して）を発生する。システム５２はまた、排気ガス６０を出力し、更に水６４を出力することができる。この場合も同様に、水６４は、脱塩水などの処理水とすることができ、これは、設備内又は設備外での様々な用途で有用とすることができる。
排気ガスの抽出は、また、１又は２以上の抽出ポイント７６を用いてＳＥＧＲガスタービンシステム５２により提供される。例えば、図示の実施形態は、抽出ポイント７６から排気ガス４２を受け取り、該排気ガス４２を処理して、次いで、種々の目標システムに排気ガス４２を供給又は分配する排気ガス（ＥＧ）抽出システム８０及び排気ガス（ＥＧ）処理システム８２を有する排気ガス（ＥＧ）供給システム７８を含む。目標システムは、ＥＯＲシステム１８、及び／又はパイプライン８６、貯蔵タンク８８、又は炭素隔離システム９０などの他のシステムを含むことができる。ＥＧ抽出システム８０は、１又は２以上の導管、バルブ、制御部、及び流れ分離装置を含むことができ、これらは、排気ガス４２を酸化剤６８、燃料７０、及び他の汚染物質から隔離すると同時に、抽出した排気ガス４２の温度、圧力、及び流量を制御するのを可能にする。ＥＧ処理システム８２は、１又は２以上の熱交換器（例えば、熱回収蒸気発生器などの熱回収ユニット、凝縮器、冷却器、又はヒーター）、触媒システム（例えば、酸化触媒システム）、粒子状物質及び／又は水除去システム（例えば、ガス脱水ユニット、慣性力選別装置、凝集フィルタ、水不透過性フィルタ、及び他のフィルタ）、化学物質注入システム、溶剤ベース処理システム（例えば、吸収器、フラッシュタンク、その他）、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び／又は溶剤ベース処理システム、排気ガス圧縮機、これらの何れかの組み合わせを含むことができる。ＥＧ処理システム８２のこれらのサブシステムにより、温度、圧力、流量、水分含有量（例えば、水分除去量）、粒子状物質含有量（例えば、粒子状物質除去量）、及びガス組成（例えば、ＣＯ2、Ｎ2、その他の割合）の制御が可能となる。
抽出した排気ガス４２は、目標システムに応じて、ＥＧ処理システム８２の１又は２以上のサブシステムにより処理される。例えば、ＥＧ処理システム８２は、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び／又は溶剤ベース処理システムを通じて排気ガス４２の一部又は全てを配向することができ、種々の目標システムで使用するために炭素含有ガス（例えば、二酸化炭素）９２及び／又は窒素（Ｎ2）を分離及び精製するよう制御される。例えば、ＥＧ処理システム８２の実施形態は、ガス分離及び精製を実施し、第１のストリーム９６、第２のストリーム９７、及び第３のストリーム９８のような排気ガス４２の複数の異なるストリーム９５を生成することができる。第１のストリーム９６は、二酸化炭素リッチ及び／又は窒素希薄（例えば、ＣＯ2リッチ・Ｎ2希薄ストリーム）である第１の組成を有することができる。第２のストリーム９７は、二酸化炭素及び／又は窒素の中間濃度レベル（例えば、中間濃度ＣＯ2・Ｎ2ストリーム）である第２の組成を有することができる。第３のストリーム９８は、二酸化炭素希薄及び／又は窒素リッチ（例えば、ＣＯ2希薄・Ｎ2リッチストリーム）である第３の組成を有することができる。各ストリーム９５（例えば、９６、９７、及び９８）は、目標システムへのストリーム９５の送出を促進するために、ガス脱水ユニット、フィルタ、ガス圧縮機、又はこれらの組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、ＣＯ2リッチ・Ｎ2希薄ストリーム９６は、約７０、７５、８０、８５、９０、９５、９６、９７、９８、又は９９容積パーセントよりも大きいＣＯ2純度又は濃度レベルと、約１、２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、又は３０容積パーセントよりも小さいＮ2純度又は濃度レベルとを有することができる。対照的に、ＣＯ2希薄・Ｎ2リッチストリーム９８は、約１、２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、又は３０容積パーセントよりも小さいＣＯ2純度又は濃度レベルと、約７０、７５、８０、８５、９０、９５、９６、９７、９８、又は９９容積パーセントよりも大きいＮ2純度又は濃度レベルとを有することができる。中間濃度ＣＯ2・Ｎ2ストリーム９７は、約３０〜７０、３５〜６５、４０〜６０、又は４５〜５５容積パーセントのＣＯ2純度又は濃度レベル及び／又はＮ2純度又は濃度レベルを有することができる。上述の範囲は、単に非限定的な実施例に過ぎず、ＣＯ2リッチ・Ｎ2希薄ストリーム９６及びＣＯ2希薄・Ｎ2リッチストリーム９８は、ＥＯＲシステム１８及び他のシステム８４と共に使用するのに特に好適とすることができる。しかしながら、これらのリッチ、希薄、又は中間の濃度のＣＯ2ストリーム９５の何れかは、単独で、又は様々な組み合わせでＥＯＲシステム１８及び他のシステム８４と共に使用することができる。例えば、ＥＯＲシステム１８及び他のシステム８４（例えば、パイプライン８６、貯蔵タンク８８、及び炭素隔離システム９０）は各々、１又は２以上のＣＯ2リッチ・Ｎ2希薄ストリーム９６、１又は２以上のＣＯ2希薄・Ｎ2リッチストリーム９８、１又は２以上の中間濃度ＣＯ2・Ｎ2ストリーム９７、及び１又は２以上の未処理排気ガス４２ストリーム（すなわち、ＥＧ処理システム８２をバイパスした）を受け取ることができる。
ＥＧ抽出システム８０は、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及び／又はタービンセクションに沿った１又は２以上の抽出ポイント７６にて排気ガス４２を抽出し、排気ガス４２が、好適な温度及び圧力でＥＯＲシステム１８及び他のシステム８４において使用できるようにする。ＥＧ抽出システム８０及び／又はＥＧ処理システム８２はまた、ＥＧプロセスシステム５４との間で流体流（例えば、排気ガス４２）を循環させることができる。例えば、ＥＧプロセスシステム５４を通過する排気ガス４２の一部は、ＥＯＲシステム１８及び他のシステム８４で使用するためにＥＧ抽出システム８０によって抽出することができる。特定の実施形態において、ＥＧ供給システム７８及びＥＧプロセスシステム５４は、独立しているか、又は互いに一体化することができ、従って、独立したサブシステム又は共通のサブシステムを用いることができる。例えば、ＥＧ処理システム８２は、ＥＧ供給システム７８及びＥＧプロセスシステム５４両方によって用いることができる。ＥＧプロセスシステム５４から抽出される排気ガス４２は、ＥＧプロセスシステム５４における１又は２以上のガス処理段及びその後に続くＥＧ処理システム８２における１又は２以上の追加のガス処理段のような、複数のガス処理段を受けることができる。
各抽出ポイント７６において、抽出した排気ガス４２には、ＥＧプロセスシステム５４において実質的に量論的燃焼及び／又はガス処理に起因して、実質的に酸化剤６８及び燃料７０（例えば、未燃燃料又は炭化水素）が存在しない場合がある。更に、目標システムに応じて、抽出した排気ガス４２は、ＥＧ供給システム７８のＥＧ処理システム８２において更なる処理を受け、これにより何らかの残留する酸化剤６８、燃料７０、又は他の望ましくない燃焼生成物を更に低減することができる。例えば、ＥＧ処理システム８２の処理の前又は後で、抽出した排気ガス４２は、１、２、３、４、又は５容積パーセントよりも少ない酸化剤（例えば、酸素）、未燃燃料又は炭化水素（例えば、ＨＣ）、窒素酸化物（例えば、ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、硫黄酸化物（例えば、ＳＯｘ）、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。別の実施例によれば、ＥＧ処理システム８２の処理の前又は後で、抽出した排気ガス４２は、約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、２０００、３０００、４０００、又は５０００ｐｐｍｖ（百万分の１体積）よりも少ない酸化剤（例えば、酸素）、未燃燃料又は炭化水素（例えば、ＨＣ）、窒素酸化物（例えば、ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、硫黄酸化物（例えば、ＳＯｘ）、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。従って、排気ガス４２は、ＥＯＲシステム１８と共に使用するのに特に好適である。
タービンシステム５２のＥＧＲ作動は、具体的には、複数の位置７６での排気ガス抽出を可能にする。例えば、システム５２の圧縮機セクションを用いて、いかなる酸化剤６８もなしに排気ガス６６を圧縮する（すなわち、排気ガス６６の圧縮のみ）ことができ、その結果、酸化剤６８及び燃料７０の流入前に圧縮機セクション及び／又は燃焼器セクションから実質的に酸素を含まない排気ガス４２を抽出することができるようになる。抽出ポイント７６は、隣接する圧縮機段の間の段間ポートにて、圧縮機排出ケーシングに沿ったポートにて、燃焼器セクションにおける各燃焼器に沿ったポートにて、又はこれらの組み合わせに位置付けることができる。特定の実施形態において、排気ガス６６は、燃焼器セクションにおける各燃焼器のヘッド端部部分及び／又は燃料ノズルに達するまでは、酸化剤６８及び燃料７０と混合しないようにすることができる。更に、１又は２以上の流れ分離器（例えば、壁、仕切り、バッフル、又は同様のもの）を用いて、酸化剤６８及び燃料７０を抽出ポイント７６から隔離することができる。これらの流れ分離器を用いると、抽出ポイント７６は、燃焼器セクションにおける各燃焼器の壁に沿って直接配置することができる。
排気ガス６６、酸化剤６８、及び燃料７０がヘッド端部部分を通って（例えば、燃料ノズルを通って）各燃焼器の燃焼部（例えば、燃焼室）に流入すると、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、排気ガス６６、酸化剤６８、及び燃料７０の実質的に量論的な燃焼をもたらすよう制御される。例えば、システム５２は、約０．９５〜約１．０５の当量比を維持することができる。結果として、各燃焼器における排気ガス６６、酸化剤６８、及び燃料７０の混合気の燃焼生成物は、実質的に酸素及び未燃燃料を含まない。従って、燃焼生成物（又は排気ガス）は、ＥＯＲシステム１８に送られる排気ガス４２として使用するためにＳＥＧＲガスタービンシステム５２のタービンセクションから抽出することができる。タービンセクションに沿って、抽出ポイント７６は、隣接するタービン段の間の段間ポートなどの何れかのタービン段に位置付けることができる。従って、上述の抽出ポイント７６の何れかを用いて、タービンベースのサービスシステム１４は、排気ガス４２を生成及び抽出し、炭化水素生成システム１２（例えば、ＥＯＲシステム１８）に送出して、地下リザーバ２０からのオイル／ガス４８の生成に用いることができる。
図２は、タービンベースのサービスシステム１４及び炭化水素生成システム１２に結合された制御システム１００を示した、図１のシステム１０の１つの実施形態の概略図である。図示の実施形態において、タービンベースのサービスシステム１４は、複合サイクルシステム１０２を含み、該複合サイクルシステム１０２は、トッピングサイクルとしてＳＥＧＲガスタービンシステム５２と、ボトミングサイクルとして蒸気タービン１０４と、排気ガス６０から熱を回収して蒸気タービン１０４を駆動するための蒸気６２を発生させるＨＲＳＧ５６と、を含む。この場合も同様に、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、排気ガス６６、酸化剤６８、及び燃料７０を受け取って混合し、量論的燃焼（例えば、予混合及び／又は拡散火炎）をして、これにより排気ガス６０機械出力７２電気出力７４、及び／又は水６４を生成する。例えば、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、発電機、酸化剤圧縮機（例えば、主空気圧縮機）、ギアボックス、ポンプ、炭化水素生成システム１２の設備、又はこれらの組み合わせなどの１又は２以上の負荷又は機械装置１０６を駆動することができる。一部の実施形態において、機械装置１０６は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２と縦一列に配列された、発電機又は蒸気タービン（例えば、蒸気タービン１０４）などの他の駆動装置を含むことができる。従って、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２（及び何らかの追加の駆動装置）によって駆動される機械装置１０６の出力は、機械出力７２及び電気出力７４を含むことができる。機械出力７２及び／又は電気出力７４は、炭化水素生成システム１２に動力を供給するために施設内で用いることができ、電気出力７４は、送電網又はこれらの組み合わせに配電することができる。機械装置１０６の出力はまた、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２の燃焼セクションに吸入するため、圧縮酸化剤６８（例えば、空気又は酸素）などの圧縮流体を含むことができる。これらの出力（例えば、排気ガス６０、機械出力７２、電気出力７４、及び／又は水６４）の各々は、タービンベースのサービスシステム１４の１つのサービスとみなすことができる。
ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、実質的に酸素を伴わない場合がある排気ガス４２、６０を生成し、該排気ガス４２、６０をＥＧプロセスシステム５４及び／又はＥＧ供給システム７８に送る。ＥＧ供給システム７８は、排気ガス４２（例えば、ストリーム９５）を処理して炭化水素生成システム１２及び／又は他のシステム８４に送給することができる。上記で検討したように、ＥＧプロセスシステム５４は、ＨＲＳＧ５６及びＥＧＲシステム５８を含むことができる。ＨＲＳＧ５６は、１又は２以上の熱交換器、凝縮器、及び種々の熱回収設備を含むことができ、これらを用いて排気ガス６０から熱を回収して水１０８に伝達し、蒸気タービン１０４を駆動するための蒸気６２を発生することができる。ＳＥＧＲガスタービンシステム５２と同様に、蒸気タービン１０４は、１又は２以上の負荷又は機械装置１０６を駆動し、これにより機械出力７２及び電気出力７４を生成することができる。図示の実施形態において、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２及び蒸気タービン１０４は、縦一列の形態で配列されて、同じ機械装置１０６を駆動する。しかしながら、他の実施形態において、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２及び蒸気タービン１０４は、異なる機械装置１０６を別個に駆動し、機械出力７２及び／又は電気出力７４を独立して生成することができる。蒸気タービン１０４がＨＲＳＧ５６からの蒸気６２により駆動されると、蒸気６２の温度及び圧力が漸次的に低下する。従って、蒸気タービン１０４は、使用した蒸気６２及び／又は水１０８をＨＲＳＧ５６に戻すよう再循環し、排気ガス６０からの熱回収を介して追加の蒸気を発生させる。蒸気発生に加えて、ＨＲＳＧ５６、ＥＧＲシステム５８、及び／又はＥＧプロセスシステム５４の別の部分は、水６４、及び炭化水素生成システム１２と共に用いるための排気ガス４２、並びにＳＥＧＲガスタービンシステム５２への入力として使用する排気ガス６６を生成することができる。例えば、水６４は、他の用途で使用するための脱塩水のような処理水６４とすることができる。脱塩水は、水の利用性が低い領域で特に有用とすることができる。排気ガス６０に関しては、ＥＧプロセスシステム５４の実施形態は、排気ガス６０をＨＲＳＧ５６に通過させるかどうかに関係なく、ＥＧＲシステム５８を通じて排気ガス６０を再循環するよう構成することができる。
図示の実施形態において、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、システム５２の排出出口から排出入口まで延びる排気ガス再循環経路１１０を有する。排気ガス６０は、経路１１０に沿って、図示の実施形態においてＨＲＳＧ５６及びＥＧＲシステム５８を含むＥＧプロセスシステム５４を通過する。ＥＧＲシステム５８は、経路１１０に沿って直列及び／又は並列配列で、１又は２以上の導管、バルブ、ブロア、ガス処理システム（例えば、フィルタ、粒子状物質除去ユニット、ガス分離ユニット、ガス精製ユニット、熱交換器、熱回収蒸気発生器などの熱回収ユニット、除湿ユニット、触媒ユニット、化学物質注入ユニット、又はこれらの組み合わせ）を含むことができる。換言すると、ＥＧＲシステム５８は、システム５２の排気ガス出口と排気ガス入口との間の排気ガス再循環経路１１０に沿って、何れかの流れ制御構成要素、圧力制御構成要素、温度制御構成要素、湿度制御構成要素、及びガス組成制御構成要素を含むことができる。従って、経路１１０に沿ってＨＲＳＧ５６を備えた実施形態において、ＨＲＳＧ５６は、ＥＧＲシステム５８の１つの構成要素とみなすことができる。しかしながら、特定の実施形態において、ＨＲＳＧ５６は、排気ガス再循環経路１１０とは独立して排気ガス経路に沿って配置することができる。ＨＲＳＧ５６がＥＧＲシステム５８と別個の経路に沿っているか、又は共通の経路に沿っているかに関係なく、ＨＲＳＧ５６及びＥＧＲシステム５８は、排気ガス６０を吸入して、再循環される排気ガス６０か、又はＥＧ供給システム７８（例えば、炭化水素生成システム１２及び／又は他のシステム８４のため）と共に使用するための排気ガス４２か、或いは別の出力の排気ガスを出力する。この場合も同様に、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、排気ガス６６、酸化剤６８、及び燃料７０（例えば、予混合火炎及び／又は拡散火炎）を吸入し、混合し、量論的燃焼して、ＥＧプロセスシステム５４、炭化水素生成システム１２、又は他のシステム８４に分配するために実質的に酸素及び燃料を含まない排気ガス６０を生成する。
図１を参照しながら上述したように、炭化水素生成システム１２は、地下リザーバ２０からオイル／ガス井戸２６を通るオイル／ガス４８の回収又は生成を促進する様々な設備を含むことができる。例えば、炭化水素生成システム１２は、流体注入システム３４を有するＥＯＲシステム１８を含むことができる。図示の実施形態において、流体注入システム３４は、排気ガス注入ＥＯＲシステム１１２及び蒸気注入ＥＯＲシステム１１４を含む。流体注入システム３４は、様々な供給源から流体を受け取ることができるが、図示の実施形態は、タービンベースのサービスシステム１４から排気ガス４２及び蒸気６２を受け取ることができる。タービンベースのサービスシステム１４により生成される排気ガス４２及び／又は蒸気６２はまた、他のオイル／ガスシステム１１６で使用するため炭化水素生成システム１２に送ることができる。
排気ガス４２及び蒸気６２の量、品質、及び流れは、制御システム１００により制御することができる。制御システム１００は、タービンベースのサービスシステム１４に完全に専用とすることができ、或いはまた、任意選択的に、炭化水素生成システム１２及び／又は他のシステム８４の制御を行うことができる。図示の実施形態において、制御システム１００は、プロセッサ１２０、メモリ１２２、蒸気タービン制御部１２４、ＳＥＧＲガスタービンシステム制御部１２６、及び機械制御部１２８を有するコントローラ１１８を含む。プロセッサ１２０は、タービンベースのサービスシステム１４を制御するために単一のプロセッサか、又はトリプル冗長プロセッサのような２又はそれ以上の冗長プロセッサを含むことができる。メモリ１２２は、揮発性及び／又は不揮発性メモリを含むことができる。例えば、メモリ１２２は、１又は２以上のハードドライブ、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、又はこれらの組み合わせを含むことができる。制御部１２４、１２６、及び１２８は、ソフトウェア及び／又はハードウェア制御部を含むことができる。例えば、制御部１２４、１２６、及び１２８は、メモリ１２２上に格納されてプロセッサ１２０により実行可能な種々の命令又はコードを含むことができる。制御部１２４は、蒸気タービン１０４の作動を制御するよう構成され、ＳＥＧＲガスタービンシステム制御部１２６は、システム５２を制御するよう構成され、機械制御部１２８は、機械装置１０６を制御するよう構成される。従って、コントローラ１１８（例えば、制御部１２４、１２６、及び１２８）は、タービンベースのサービスシステム１４の種々のサブシステムを協働させて、炭化水素生成システム１２に排気ガス４２の好適なストリームを提供するよう構成することができる。
制御システム１００の特定の実施形態において、図面において示され且つ本明細書で記載される各要素（例えば、システム、サブシステム、及び構成要素）は、（例えば、このような要素の直接内部に、上流側に、又は下流側に）センサ及び制御デバイスのような１又は２以上の工業用制御特徴要素を含み、これらは、コントローラ１１８と共に工業用制御ネットワークを介して互いに通信可能に結合される。例えば、各要素に関連する制御デバイスは、専用のデバイスコントローラ（例えば、プロセッサ、メモリ、及び制御命令を含む）、１又は２以上のアクチュエータ、バルブ、スイッチ、及び工業用制御機器を含むことができ、これらは、センサフィードバック１３０、コントローラ１１８からの制御信号、ユーザからの制御信号、又はこれらの組み合わせに基づいて制御を可能にする。従って、本明細書で記載される制御機能の何れも、コントローラ１１８、 各要素に関連する専用のデバイスコントローラ、又はこれらの組み合わせにより格納され及び／又は実行可能な制御命令を用いて実施することができる。
このような制御機能を可能にするために、制御システム１００は、種々の制御部（例えば、制御部１２４、１２６、及び１２８）の実行の際に使用するセンサフィードバック１３０を得るために、システム１０全体にわたって配置された１又は２以上のセンサを含む。例えば、センサフィードバック１３０は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２、機械装置１０６、ＥＧプロセスシステム５４、蒸気タービン１０４、炭化水素生成システム１２、或いは、タービンベースのサービスシステム１４又は炭化水素生成システム１２にわたる他の何れかの構成要素にわたって配置されたセンサから取得することができる。例えば、センサフィードバック１３０は、温度フィードバック、圧力フィードバック、流量フィードバック、火炎温度フィードバック、燃焼ダイナミックスフィードバック、吸入酸化剤組成フィードバック、吸入燃料組成フィードバック、排気ガス組成フィードバック、機械出力７２の出力レベル、電気出力７４の出力レベル、排気ガス４２、６０の出力量、水６４の出力量又は品質、或いはこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、センサフィードバック１３０は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２において量論的燃焼を可能にする排気ガス４２、６０の組成を含むことができる。例えば、センサフィードバック１３０は、酸化剤６８の酸化剤供給経路に沿った１又は２以上の吸入酸化剤センサ、燃料７０の燃料供給経路に沿った１又は２以上の吸入燃料センサ、及び排気ガス再循環経路１１０に沿って配置され及び／又はＳＥＧＲガスタービンシステム５２内部に配置された１又は２以上の排出エミッションセンサからのフィードバックを含むことができる。吸入酸化剤センサ、吸入燃料センサ、及び排出エミッションセンサは、温度センサ、圧力センサ、流量センサ、及び組成センサを含むことができる。エミッションセンサは、窒素酸化物（例えば、ＮＯｘセンサ）、炭素酸化物（例えば、ＣＯセンサ及びＣＯ2センサ）、硫黄酸化物（例えば、ＳＯｘセンサ）、水素（例えば、Ｈ2センサ）、酸素（例えば、Ｏ2センサ）、未燃炭化水素（例えば、ＨＣセンサ）、又は他の不完全燃焼生成物、或いはこれらの組み合わせに対するセンサを含むことができる。
このフィードバック１３０を用いて、制御システム１００は、当量比を好適な範囲内、例えば、例えば、約０．９５〜約１．０５、約０．９５〜約１．０、約１．０〜約１．０５、又は実質的に１．０に維持するよう、（他の作動パラメータの中でも特に）ＳＥＧＲガスタービンシステム５２への排気ガス６６、酸化剤６８、及び／又は燃料７０の吸入流を調整（例えば、増大、減少、又は維持）することができる。例えば、制御システム１００は、フィードバック１３０を分析して、排出エミッション（例えば、窒素酸化物、ＣＯ及びＣＯ2などの炭素酸化物、硫黄酸化物、水素、酸素、未燃炭化水素、及び他の不完全燃焼生成物の濃度レベル）を監視し及び／又は当量比を決定し、次いで、１又は２以上の構成要素を制御して、排出エミッション（例えば、排気ガス４２の濃度レベル）及び／又は当量比を調整することができる。制御される構成要素は、限定ではないが、酸化剤６８、燃料７０、及び排気ガス６６のための供給経路に沿ったバルブ；ＥＧプロセスシステム５４における酸化剤圧縮機、燃料ポンプ、又は何れかの構成要素；ＳＥＧＲガスタービンシステム５２の何れかの構成要素；又はこれらの組み合わせを含む、例示され図面を参照して説明された構成要素の何れかを含むことができる。制御される構成要素は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２内で燃焼をする酸化剤６８、燃料７０、及び排気ガス６６の流量、温度、圧力、又はパーセンテージ（例えば、当量比）を調整（例えば、増大、減少、又は維持）することができる。制御される構成要素はまた、触媒ユニット（例えば、酸化触媒ユニット）、触媒ユニットのための供給源（例えば、酸化燃料、熱、電気、その他）、ガス精製及び／又は分離ユニット（例えば、溶剤ベース分離器、吸収器、フラッシュタンク、その他）、及び濾過ユニットなど、１又は２以上のガス処理システムを含むことができる。ガス処理システムは、排気ガス再循環経路１１０、通気経路（例えば、大気中に排出された）、又はＥＧ供給システム７８への抽出経路に沿った種々の排出エミッションの低減を助けることができる。
特定の実施形態において、制御システム１００は、フィードバック１３０を分析して、約１０、２０、３０、４０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、又は１００００ｐｐｍｖ（百万分の１体積）未満のように、エミッションレベル（例えば、排気ガス４２の濃度レベル、６０、９５）を目標範囲に維持又は低減するよう１又は２以上の構成要素を制御することができる。これらの目標範囲は、排出エミッション（例えば、窒素酸化物、一酸化炭素、硫黄酸化物、水素、酸素、未燃炭化水素、及び他の不完全燃焼生成物の濃度レベル）の各々に対して同じ又は異なることができる。例えば、当量比に応じて、制御システム１００は、酸化剤（例えば、酸素）の排出エミッション（例えば、濃度レベル）を約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２５０、５００、７５０、又は１０００ｐｐｍｖ未満の目標範囲内に、一酸化炭素（ＣＯ）の排出エミッション（例えば、濃度レベル）を約２０、５０、１００、２００、５００、１０００、２５００、又は５０００ｐｐｍｖ未満の目標範囲内に、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出エミッション（例えば、濃度レベル）を約５０、１００、２００、３００、４００、又は５００ｐｐｍｖ未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。実質的に量論的当量比で作動する特定の実施形態において、制御システム１００は、酸化剤（例えば、酸素）の排出エミッション（例えば、濃度レベル）を約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は１００ｐｐｍｖ未満の目標範囲内に、及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出エミッションを約５００、１０００、２０００、３０００、４０００、又は５０００ｐｐｍｖ未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。燃料希薄当量比（例えば、約０．９５〜１．０）で作動する特定の実施形態において、制御システム１００は、酸化剤（例えば、酸素）の排出エミッション（例えば、濃度レベル）を約５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、又は１５００ｐｐｍｖ未満の目標範囲内に、一酸化炭素（ＣＯ）の排出エミッションを約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、又は２００ｐｐｍｖの目標範囲内に、及び窒素酸化物（例えば、ＮＯｘ）の排出エミッションを約５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、又は４００ｐｐｍｖ未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。上述の目標範囲は、単に実施例に過ぎず、開示された実施形態の範囲を限定するものではない。
制御システム１００はまた、ローカルインタフェース１３２及びリモートインタフェース１３４に結合することができる。例えば、ローカルインタフェース１３２は、タービンベースのサービスシステム１４及び／又は炭化水素生成システム１２にて施設内に配置されたコンピュータワークステーションを含むことができる。対照的に、リモートインタフェース１３４は、インターネット接続を通じてなど、タービンベースのサービスシステム１４及び炭化水素生成システム１２の施設外に配置されたコンピュータワークステーションを含むことができる。これらのインタフェース１３２及び１３４は、センサフィードバック１３０、作動パラメータ及びその他の１又は２以上のグラフィック表示を通じてなど、タービンベースのサービスシステム１４の監視及び制御を可能にする。
この場合も同様に、上述のように、コントローラ１１８は、タービンベースのサービスシステム１４の制御を可能にする様々な制御部１２４、１２６、及び１２８を含む。蒸気タービン制御部１２４は、センサフィードバック１３０を受け取り、蒸気タービン１０４の作動を可能にする制御コマンドを出力することができる。例えば、蒸気タービン制御部１２４は、ＨＲＳＧ５６、機械装置１０６、蒸気６２の経路に沿った温度及び圧力センサ、水１０８の経路に沿った温度及び圧力センサ、及び機械出力７２及び電気出力７４を示す種々のセンサからセンサフィードバック１３０を受け取ることができる。同様に、ＳＥＧＲガスタービンシステム制御部１２６は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２、機械装置１０６、ＥＧプロセスシステム５４、又はこれらの組み合わせに沿って配置された１又は２以上のセンサからセンサフィードバック１３０を受け取ることができる。例えば、センサフィードバック１３０は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２の内部又は外部に配置された、温度センサ、圧力センサ、クリアランスセンサ、振動センサ、火炎センサ、燃料組成センサ、排気ガス組成センサ、又はこれらの組み合わせから得ることができる。最後に、機械制御部１２８は、機械出力７２及び電気出力７４に関連する種々のセンサ並びに機械装置１０６内に配置されたセンサからセンサフィードバック１３０を受け取ることができる。これら制御部１２４、１２６、及び１２８の各々は、センサフィードバック１３０を用いて、タービンベースのサービスシステム１４の作動を改善する。
図示の実施形態において、ＳＥＧＲガスタービンシステム制御部１２６は、ＥＧプロセスシステム５４、ＥＧ供給システム７８、炭化水素生成システム１２、及び／又は他のシステム８４における排気ガス４２、６０、９５の量及び品質を制御する命令を実行することができる。例えば、ＳＥＧＲガスタービンシステム制御部１２６は、排気ガス６０中の酸化剤（例えば、酸素）及び／又は未燃燃料のレベルを排気ガス注入ＥＯＲシステム１１２と共に使用するのに好適な閾値未満に維持することができる。特定の実施形態において、この閾値レベルは、排気ガス４２、６０の容積で酸化剤（例えば、酸素）及び／又は未燃燃料が１、２、３、４、又は５パーセント未満とすることができ、或いは、酸化剤（例えば、酸素）及び／又は未燃燃料（及び他の排出エミッション）の閾値レベルが、排気ガス４２、６０中に約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、２０００、３０００、４０００、又は５０００ｐｐｍｖ（百万分の１体積）未満とすることができる。別の実施例によれば、酸化剤（例えば、酸素）及び／又は未燃燃料のこれらの低いレベルを達成するために、ＳＥＧＲガスタービンシステム制御部１２６は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２における燃焼において約０．９５〜約１．０５の当量比を維持することができる。ＳＥＧＲガスタービンシステム制御部１２６はまた、排気ガス４２、６０、９５の温度、圧力、流量、及びガス組成を排気ガス注入ＥＯＲシステム１１２、パイプライン８６、貯蔵タンク８８、及び炭素隔離システム９０に好適な範囲内に維持するよう、ＥＧ抽出システム８０及びＥＧ処理システム８２を制御することができる。上記で検討したように、ＥＧ処理システム８２は、ＣＯ2リッチ・Ｎ2希薄ストリーム９６、中間濃度ＣＯ2・Ｎ2ストリーム９７、及びＣＯ2希薄・Ｎ2リッチストリーム９８のような１又は２以上のガスストリーム９５内への排気ガス４２を精製及び／又は分離するよう制御することができる。排気ガス４２、６０、及び９５の制御に加えて、制御部１２４、１２６、及び１２８は、機械出力７２を好適な出力範囲内に維持し、又は電気出力７４を好適な周波数及び出力範囲内に維持するよう１又は２以上の命令を実行することができる。
図３は、炭化水素生成システム１２及び／又は他のシステム８４と共に使用するためのＳＥＧＲガスタービンシステム５２の詳細を更に例示した、システム１０の実施形態の概略図である。図示の実施形態において、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、ＥＧプロセスシステム５４に結合されたガスタービンエンジン１５０を含む。図示のガスタービンエンジン１５０は、圧縮機セクション１５２、燃焼器セクション１５４、及び膨張器セクション又はタービンセクション１５６を含む。圧縮機セクション１５２は、直列配列で配置された回転圧縮機ブレードの１〜２０段のような１又は２以上の排気ガス圧縮機又は圧縮機段１５８を含む。同様に、燃焼器セクション１５４は、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２の回転軸線１６２の周りで円周方向に配置された１〜２０の燃焼器１６０のような１又は２以上の燃焼器１６０を含む。更に、各燃焼器１６０は、排気ガス６６、酸化剤６８、及び／又は燃料７０を注入するよう構成された１又は２以上の燃料ノズル１６４を含むことができる。例えば、各燃焼器１６０のヘッド端部部分１６６は、１、２、３、４、５、６、又はそれ以上の燃料ノズル１６４を収容することができ、該燃料ノズルは、排気ガス６６、酸化剤６８、及び／又は燃料７０のストリーム又は混合気を燃焼器１６０の燃焼部分１６８（例えば、燃焼室）に注入することができる。
燃料ノズル１６４は、予混合燃料ノズル１６４（例えば、酸化剤／燃料予混合火炎の生成のため酸化剤６８及び燃料７０を予混合するよう構成された）及び／又は拡散燃料ノズル１６４（例えば、酸化剤／燃料拡散火炎の生成のため酸化剤６８及び燃料７０の別個の流れを注入するよう構成された）のあらゆる組み合わせを含むことができる。予混合燃料ノズル１６４の実施形態は、燃焼室１６８における注入及び燃焼の前に、ノズル１６４内で酸化剤６８及び燃料７０を内部で混同するためのスワールベーン、混合チャンバ、又は他の特徴要素を含むことができる。予混合燃料ノズル１６４はまた、少なくとも一部が部分的に混合された酸化剤６８及び燃料７０を受け取ることができる。特定の実施形態において、各拡散燃料ノズル１６４は、注入ポイントまで酸化剤６８及び燃料７０の流れを隔離すると同時に、注入ポイントまで１又は２以上の希釈剤（例えば、排気ガス６６、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス）の流れも隔離することができる。他の実施形態において、各拡散燃料ノズル１６４は、注入ポイントまで酸化剤６８及び燃料７０の流れを隔離するが、注入ポイントの前に１又は２以上の希釈剤（例えば、排気ガス６６、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス）を酸化剤６８及び／又は燃料７０と部分的に混合することができる。加えて、１又は２以上の希釈剤（例えば、排気ガス６６、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス）は、燃焼ゾーンにて又はその下流側で燃焼器内（例えば、高温の燃焼生成物内）に注入され、これにより高温の燃焼生成物の温度を低下させ、ＮＯｘ（例えば、ＮＯ及びＮＯ2）のエミッションを低減するのを助けることができる。燃料ノズル１６４のタイプに関係なく、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、酸化剤６８及び燃料７０の実質的に量論的燃焼を提供するよう制御することができる。
拡散燃料ノズル１６４を用いた拡散燃焼の実施形態において、燃料７０及び酸化剤６８は一般に、拡散火炎の上流側では混合せず、むしろ、燃料７０及び酸化剤６８は、火炎表面にて直接混合及び反応し、及び／又は火炎表面が燃料７０及び酸化剤６８間の混合位置に存在する。詳細には、燃料７０及び酸化剤６８は、火炎表面（又は拡散境界／界面）に別個に接近し、次いで、火炎表面（又は拡散境界／界面）に沿って拡散（例えば、分子及び粘性拡散を介して）し、拡散火炎を発生する。燃料７０及び酸化剤６８は、この火炎表面（又は拡散境界／界面）に沿って実質的に量論比にあるものとすることができる点は注目すべきであり、その結果、この火炎表面に沿ってより高い火炎温度（例えば、ピーク火炎温度）を生じることができる。量論的燃料／酸化剤比は一般に、燃料希薄又は燃料リッチの燃料／酸化剤比と比べて、高い火炎温度（例えば、ピーク火炎温度）をもたらす。結果として、拡散火炎は、予混合火炎よりも実質的により安定することができ、これは、燃料７０及び酸化剤６８の拡散が、火炎表面に沿った量論比（及びより高温）を維持するのを助けることに起因する。火炎温度がより高いほど、ＮＯｘエミッションのような排出エミッションをより多く生じる可能性があるが、開示の実施形態では、１又は２以上の希釈剤を用いて、燃料７０及び酸化剤６８のあらゆる予混合を依然として回避しながら、温度及びエミッションを制御することができる。例えば、開示された実施形態は、燃料７０及び酸化剤６８とは別個に（例えば、燃焼ポイントの後及び／又は拡散火炎から下流側で）１又は２以上の希釈剤を導入することができ、これにより、温度を低下させ、拡散火炎により生じたエミッションを低減するのを助けることができる。
作動時には、図示のように、圧縮機セクション１５２は、ＥＧプロセスシステム５４からの排気ガス６６を受け取って圧縮し、次いで、圧縮した排気ガス１７０を燃焼器セクション１５４における燃焼器１６０の各々に出力する。各燃焼器１６０内で燃料７０、酸化剤６８、及び排気ガス１７０が燃焼すると、追加の排気ガス又は燃焼生成物１７２（すなわち、燃焼ガス）がタービンセクション１５６に送られる。圧縮機セクション１５２と同様に、タービンセクション１５６は、一連の回転タービンブレードを有することができる１又は２以上のタービン又はタービン段１７４を含む。ここで、これらのタービンブレードは、燃焼器セクション１５４において発生した燃焼生成物１７２により駆動され、これにより機械装置１０６に結合されたシャフト１７６の回転を駆動する。この場合も同様に、機械装置１０６は、タービンセクション１５６に結合された機械装置１０６、１７８及び／又は圧縮機セクション１５２に結合された機械装置１０６、１８０など、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２の何れかの端部に結合された様々な機器を含むことができる。特定の実施形態において、機械装置１０６、１７８、１８０は、１又は２以上の発電機、酸化剤６８用の酸化剤圧縮機、燃料７０用の燃料ポンプ、ギアボックス、又はＳＥＧＲガスタービンシステム５２ に結合された追加の駆動装置（例えば、蒸気タービン１０４、電気モータ、その他）を含むことができる。以下では、表１を参照しながら、非限定的な実施例を更に詳細に検討する。図示のように、タービンセクション１５６は、排気ガス６０を出力して、排気ガス再循環経路１１０に沿ってタービンセクション１５６の排気ガス出口１８２から排気ガス入口１８４に再循環して圧縮機セクション１５２内に入る。排気ガス再循環経路１１０に沿って、排気ガス６０は、上記で詳細に検討したようにＥＧプロセスシステム５４（例えば、ＨＲＳＧ５６及び／又はＥＧＲシステム５８）を通過する。
この場合も同様に、燃焼器セクション１５４における各燃焼器１６０は、加圧排気ガス１７０、酸化剤６８、及び燃料７０を受け取って混合して、量論的に燃焼し、追加の排気ガス又は燃焼生成物１７２を生成して、タービンセクション１５６を駆動する。特定の実施形態において、酸化剤６８は、１又は２以上の酸化剤圧縮機（ＭＯＣ）を有する主酸化剤圧縮（ＭＯＣ）システム（例えば、主空気圧縮（ＭＡＣ）システム）のような酸化剤圧縮システム１８６により圧縮される。酸化剤圧縮システム１８６は、駆動装置１９０に結合された酸化剤圧縮機１８８を含む。例えば、駆動装置１９０は、電気モータ、燃焼エンジン、又はこれらの組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、駆動装置１９０は、ガスタービンエンジン１５０のようなタービンエンジンとすることができる。従って、酸化剤圧縮システム１８６は、機械装置１０６の一体化部分とすることができる。換言すると、圧縮機１８８は、ガスタービンエンジン１５０のシャフト１７６により供給される機械出力７２によって直接的又は間接的に駆動することができる。このような実施形態においては、圧縮機１８８は、タービンエンジン１５０からの出力に依存するので、駆動装置１９０は除外してもよい。しかしながら、１つよりも多い酸化剤圧縮機を利用する特定の実施形態において、第１の酸化剤圧縮機（例えば、低圧（ＬＰ）酸化剤圧縮機）は、駆動装置１９０により駆動することができるが、シャフト１７６は、第２の酸化剤圧縮機（例えば、高圧（ＨＰ）酸化剤圧縮機）を駆動し、或いは、その逆もまた可能である。例えば、別の実施形態において、ＨＰ ＭＯＣは、駆動装置１９０により駆動され、ＬＰ酸化剤圧縮機は、シャフト１７６により駆動される。図示の実施形態において、酸化剤圧縮システム１８６は、機械装置１０６から分離されている。これらの実施形態の各々において、圧縮システム１８６は、酸化剤６８を圧縮して燃料ノズル１６４及び燃焼器１６０に供給する。従って、機械装置１０６、１７８、１８０の一部又は全ては、圧縮システム１８６（例えば、圧縮機１８８及び／又は追加の圧縮機）の作動効率を向上させるように構成することができる。
要素符号１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ、１０６Ｄ、１０６Ｅ、及び１０６Ｆで示される機械装置１０６の様々な構成要素は、１又は２以上の直列配列、並列配列、又は直列配列と並列配列の何らかの組み合わせで、シャフト１７６の軸線に沿って及び／又はシャフト１７６の軸線に平行に配置することができる。例えば、機械装置１０６、１７８、１８０（例えば、１０６Ａから１０６Ｆ）は、任意の順序で、１又は２以上のギアボックス（例えば、平行シャフト、遊星ギアボックス）、１又は２以上の圧縮機（例えば、酸化剤圧縮機、ＥＧブースタ圧縮機のようなブースタ圧縮機）、１又は２以上の発電ユニット（例えば、発電機）、１又は２以上の駆動装置（例えば、蒸気タービンエンジン、電気モータ）、熱交換ユニット（例えば、直接式又は間接式熱交換器）、クラッチ、又はこれらの組み合わせの何らかの直列及び／又は並列配列を含むことができる。圧縮機は、軸方向圧縮機、半径方向又は遠心式圧縮機、又はこれらの組み合わせを含むことができ、各々が１又は２以上の圧縮段を有する。熱交換器に関しては、直接式熱交換器は、ガス流を直接冷却するためにガス流（例えば、酸化剤流）に液体噴霧を注入する噴霧冷却器（例えば、噴霧中間冷却器）を含むことができる。間接式熱交換器は、冷却剤流（例えば、水、空気、冷媒、又は他の何れかの液体又は気体冷却剤）から流体流（例えば、酸化剤流）を分離するような、第１及び第２の流れを分離する少なくとも１つの壁（例えば、シェル及び管体熱交換器）を含むことができ、ここで冷却剤流は、どのような直接接触もなく流体流から熱を伝達する。間接式熱交換器の実施例は、中間冷却器熱交換器、及び熱回収蒸気発生器のような熱回収ユニットを含む。熱交換器はまた、ヒーターを含むことができる。以下でより詳細に検討するように、これらの機械構成要素の各々は、表１に記載される非限定的な実施例によって示される様々な組み合わせで用いることができる。
一般に、機械装置１０６、１７８、１８０は、例えば、システム１８６における１又は２以上の酸化剤圧縮機の作動速度を調整し、冷却を通じて酸化剤６８の圧縮を促進させ、及び／又は余剰出力を抽出することによって、圧縮システム１８６の効率を向上させるよう構成することができる。開示された実施形態は、直列及び並列配列の機械装置１０６、１７８、１８０における上述の構成要素のあらゆる並び換えを含むことを意図しており、構成要素の１つ、２つ以上、又は全てがシャフト１７６から出力を引き出しており、或いは全て引き出していない。以下で示すように、表１は、圧縮機及びタービンセクション１５２、１５６に近接して配置及び／又は結合された機械装置１０６、１７８、１８０の配列の幾つかの非限定的な実施例を示している。
表１
Figure 2015536399
表１において上記したように、冷却ユニットはＣＬＲで表され、クラッチはＣＬＵで表され、駆動装置はＤＲＶで表され、ギアボックスはＧＢＸで表され、発電機はＧＥＮで表され、加熱ユニットはＨＴＲで表され、主酸化剤圧縮機ユニットはＭＯＣで表され、低圧及び高圧変形形態はそれぞれＬＰ ＭＯＣ及びＨＰ ＭＯＣで表され、蒸気発生器ユニットはＳＴＧＮで表されている。表１は、圧縮機セクション１５２又はタービンセクション１５６に向かって機械装置１０６、１７８、１８０を順次的に示しているが、表１はまた、逆順の機械装置１０６、１７８、１８０も包含することを意図している。表１において、２又はそれ以上の構成要素を含むあらゆる欄（セル）は、構成要素の並列配列を包含することを意図している。表１は、機械装置１０６、１７８、１８０の図示していない何らかの並び換えを排除することを意図するものではない。機械装置１０６、１７８、１８０のこれらの構成要素は、ガスタービンエンジン１５０に送られる温度、圧力、及び流量のフィードバック制御を可能にすることができる。以下でより詳細に検討するように、酸化剤６８及び燃料７０は、加圧排気ガス１７０の品質を劣化させる何らかの酸化剤６８又は燃料７０無しで、排気ガス１７０の分離及び抽出を可能にするよう特別に選択された位置においてガスタービンエンジン１５０に供給することができる。
図３に示すように、ＥＧ供給システム７８は、ガスタービンエンジン１５０と目標システム（例えば、炭化水素生成システム１２及び他のシステム８４）との間に配置される。詳細には、ＥＧ供給システム７８（例えば、ＥＧ抽出システム（ＥＧＥＳ）８０）は、圧縮機セクション１５２、燃焼器セクション１５４、及び／又はタービンセクション１５６に沿った１又は２以上の抽出ポイント７６にてガスタービンエンジン１５０に結合することができる。例えば、抽出ポイント７６は、圧縮機段の間の２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０の段間抽出ポイント７６のように、隣接する圧縮機段の間に配置することができる。これらの段間抽出ポイント７６の各々は、異なる温度及び圧力の抽出排気ガス４２を提供する。同様に、抽出ポイント７６は、タービン段の間の圧縮機段の間の２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０の段間抽出ポイント７６のように、隣接するタービン段の間に配置することができる。これらの段間抽出ポイント７６の各々は、異なる温度及び圧力の抽出排気ガス４２を提供する。別の実施例によれば、抽出ポイント７６は、燃焼器セクション１５４全体にわたって多数の位置に配置することができ、これらは、異なる温度、圧力、流量、及びガス組成を提供することができる。これらの抽出ポイント７６の各々は、ＥＧ抽出導管、１又は２以上のバルブ、センサ、及び制御部を含むことができ、これらは、ＥＧ供給システム７８への抽出排気ガス４２の流れを選択的に制御するのに用いることができる。
ＥＧ供給システム７８によって分配される抽出した排気ガス４２は、目標システム（例えば、炭化水素生成システム１２及び他のシステム８４）に好適な制御された組成を有する。例えば、これらの抽出ポイント７６の各々において、排気ガス１７０は、酸化剤６８及び燃料７０の注入ポイント（又は流れ）から実質的に隔離することができる。換言すると、ＥＧ供給システム７８は、どのような酸化剤６８又は燃料７０の追加も無しに排気ガス１７０をガスタービンエンジン１５０から抽出するよう特別に設計することができる。更に、燃焼器１６０の各々における量論的燃焼の観点で、抽出した排気ガス４２は、実質的に酸素及び燃料を含まないものとすることができる。ＥＧ供給システム７８は、原油二次回収、炭素隔離、貯蔵、又は施設外の場所への輸送など、種々のプロセスで使用するために抽出した排気ガス４２を炭化水素生成システム１２及び／又は他のシステム８４に直接的又は間接的に送ることができる。しかしながら、特定の実施形態において、ＥＧ供給システム７８は、目標システムと共に使用する前に、排気ガス４２を更に処理するためにＥＧ処理システム（ＥＧＴＳ）８２を含む。例えば、ＥＧ処理システム８２は、ＣＯ2リッチ・Ｎ2希薄ストリーム９６、中間濃度ＣＯ2・Ｎ2ストリーム９７、及びＣＯ2希薄・Ｎ2リッチストリーム９８などの１又は２以上のストリーム９５への排気ガス４２を精製及び／又は分離することができる。これらの処理された排気ガスストリーム９５は、炭化水素生成システム１２及び他のシステム８４（例えば、パイプライン８６、貯蔵タンク８８、及び炭素隔離システム９０）とは個別に又は何らかの組み合わせで用いることができる。
ＥＧ供給システム７８において実施された排気ガスの処理と同様に、ＥＧプロセスシステム５４は、要素番号１９４、１９６、１９８、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、及び２１０により示されるような、複数の排気ガス（ＥＧ）処理構成要素１９２を含むことができる。これらのＥＧ処理構成要素１９２（例えば、１９４〜２１０）は、１又は２以上の直列配列、並列配列、又は直列配列と並列配列の何らかの組み合わせで排気ガス再循環経路１１０に沿って配置することができる。例えば、ＥＧ処理構成要素１９２（例えば、１９４〜２１０）は、任意の順序で、１又は２以上の熱交換器（例えば、熱回収蒸気発生器などの熱回収ユニット、凝縮器、冷却器、又はヒーター）、触媒システム（例えば、酸化触媒システム）、粒子状物質及び／又は水除去システム（例えば、慣性力選別装置、凝集フィルタ、水不透過性フィルタ、及び他のフィルタ）、化学物質注入システム、溶剤ベース処理システム（例えば、吸収器、フラッシュタンク、その他）、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び／又は溶剤ベース処理システム、又はこれらの何れかの組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、触媒システムは、酸化触媒、一酸化炭素還元触媒、窒素酸化物還元触媒、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、シリコーン酸化物、チタン酸化物、プラチナ酸化物、パラジウム酸化物、コバルト酸化物、又は混合金属酸化物、或いはこれらの組み合わせを含むことができる。開示された実施形態は、直列及び並列配列の上述の構成要素１９２のあらゆる並び換えを含むことを意図している。以下に示すように、表２は、排気ガス再循環経路１１０に沿った構成要素１９２の配列の幾つかの非限定的な実施例を示している。
表２
Figure 2015536399
表２において上記したように、触媒ユニットはＣＵで表され、酸化触媒ユニットはＯＣＵで表され、ブースタブロアはＢＢで表され、熱交換器はＨＸで表され、熱回収ユニットはＨＲＵで表され、熱回収蒸気発生器はＨＲＳＧで表され、凝縮器はＣＯＮＤで表され、蒸気タービンはＳＴで表され、粒子状物質除去ユニットはＰＲＵで表され、除湿ユニットはＭＲＵで表され、フィルタはＦＩＬで表され、凝集フィルタはＣＦＩＬで表され、水不透過性フィルタはＷＦＩＬで表され、慣性力選別装置はＩＮＥＲで表され、希釈剤供給システム（例えば、蒸気、窒素、又は他の不活性ガス）はＤＩＬで表される。表２は、タービンセクション１５６の排気ガス出口１８２から圧縮機セクション１５２の排気ガス入口１８４に向かって構成要素１９２を順次的に示しているが、図示の構成要素１９２の逆順も包含することを意図している。表２において、２又はそれ以上の構成要素を含むあらゆる欄（セル）は、構成要素を備えた一体的ユニット、構成要素の並列配列、又はこれらの組み合わせを包含することを意図している。更に、表２において、ＨＲＵ、ＨＲＳＧ、及びＣＯＮＤはＨＥの実施例であり、ＨＲＳＧは、ＨＲＵの実施例であり、ＣＯＮＤ、ＷＦＩＬ、及びＣＦＩＬはＷＲＵの実施例であり、ＩＮＥＲ、ＦＩＬ、ＷＦＩＬ、及びＣＦＩＬはＰＲＵの実施例であり、ＷＦＩＬ及びＣＦＩＬは、ＦＩＬの実施例である。この場合も同様に、表２は、構成要素１９２の図示していない何らかの並び換えを排除することを意図するものではない。特定の実施形態において、図示の構成要素１９２（例えば、１９４〜２１０）は、ＨＲＳＧ５６、ＥＧＲシステム５８、又はこれらの組み合わせ内で部分的に又は完全に一体化することができる。これらのＥＧ処理構成要素１９２は、温度、圧力、流量及びガス組成のフィードバック制御を可能にすると同時に、排気ガス６０から水分及び粒子状物質を除去することができる。更に、処理された排気ガス６０は、ＥＧ供給システム７８で使用するために１又は２以上の抽出ポイント７６にて抽出され、及び／又は圧縮機セクション１５２の排気ガス入口１８４に再循環することができる。
処理された再循環排気ガス６６が圧縮機セクション１５２を通過すると、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、１又は２以上の管路２１２（例えば、ブリード導管又はバイパス導管）に沿って加圧排気ガスの一部を抜き取ることができる。各管路２１２は、排気ガスを１又は２以上の熱交換器２１４（例えば、冷却ユニット）に送り、これによりＳＥＧＲガスタービンシステム５２への再循環のために排気ガスを冷却することができる。例えば、熱交換器２１４を通過した後、冷却された排気ガスの一部は、タービンケーシング、タービンシュラウド、軸受、及び他の構成要素の冷却及び／又はシールのため管路２１２に沿ってタービンセクション１５６に送ることができる。このような実施形態において、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、冷却及び／又はシール目的でタービンセクション１５６を通って何らかの酸化剤６８（又は他の可能性のある汚染物質）を送らず、従って、冷却された排気ガスの何らかの漏洩が、タービンセクション１５６のタービン段を流動し駆動する高温の燃焼生成物（例えば、作動排気ガス）を汚染することはない。別の実施例によれば、熱交換器２１４を通過した後、冷却された排気ガスの一部は、管路２１６（例えば、戻り導管）に沿って圧縮機セクション１５２の上流側圧縮機段に送られ、これにより圧縮機セクション１５２による圧縮効率を向上させることができる。このような実施形態において、熱交換器２１４は、圧縮機セクション１５２における段間冷却ユニットとして構成することができる。このようにして、冷却された排気ガスは、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２の作動効率を向上させるのを助けると同時に、排気ガスの純度（例えば、実質的に酸化剤及び燃料を含まない）を維持するのを助ける。
図４は、図１〜３に示したシステム１０の動作プロセス２２０の１つの実施形態のフローチャートである。特定の実施形態において、プロセス２２０は、コンピュータに実装されたプロセスとすることができ、メモリ１２２上に格納された１又は２以上の命令にアクセスして、図２に示すコントローラ１１８のプロセッサ１２０上で命令を実行する。例えば、プロセス２２０の各ステップは、図２を参照して説明された制御システム１００のコントローラ１１８によって実行可能な命令を含むことができる。
プロセス２２０は、ブロック２２２で示されるように、図１〜３のＳＥＧＲガスタービンシステム５２の始動モードを開始するステップで始まることができる。例えば、始動モードは、熱勾配、振動、及びクリアランス（例えば、回転部品と固定部品間の）を許容可能閾値内に維持するよう、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２の漸次的な立ち上がりを含むことができる。例えば、始動モード２２２の間、プロセス２２０は、ブロック２２４で示されるように、加圧された酸化剤６８を燃焼器セクション１５４の燃焼器１６０及び燃料ノズル１６４に供給するのを開始することができる。特定の実施形態において、圧縮された酸化剤は、圧縮空気、酸素、酸素富化空気、貧酸素空気、酸素−窒素混合気、又はこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、酸化剤６８は、図３に示す酸化剤圧縮システム１８６により圧縮することができる。プロセス２２０はまた、ブロック２２６で示されるように、始動モード２２２の間、燃焼器１６０及び燃料ノズル１６４に燃料を供給するのを開始することができる。始動モード２２２の間、プロセス２２０はまた、ブロック２２８で示されるように、燃焼器１６０及び燃料ノズル１６４に排気ガス（利用可能な）供給するのを開始することができる。例えば、燃料ノズル１６４は、１又は２以上の拡散火炎、予混合火炎、又は拡散火炎と予混合火炎の組み合わせを生成することができる。始動モード２２２の間、ガスタービンエンジン１５６により生成される排気ガス６０は、量及び／又は品質が不十分又は不安定になる可能性がある。従って、始動モードの間、プロセス２２０は、１又は２以上の貯蔵ユニット（例えば、貯蔵タンク８８）、パイプライン８６、他のＳＥＧＲガスタービンシステム５２、又は他の排気ガス供給源から排気ガス６６を供給することができる。
次いで、プロセス２２０は、ブロック２３０で示されるように、燃焼器１６０において圧縮された酸化剤、燃料、及び排気ガスの混合気を燃焼させて高温燃焼ガス１７２を生成することができる。詳細には、プロセス２２０は、燃焼器セクション１５４の燃焼器１６０において混合気の量論的燃焼（例えば、量論的拡散燃焼、予混合燃焼、又は両方）を可能にするよう、図２の制御システム１００により制御することができる。しかしながら、始動モード２２２の間、混合気の量論的燃焼を維持することが特に困難となる可能性がある（及びひいては低レベルの酸化剤及び未燃燃料が高温燃焼ガス１７２中に存在する可能性がある）。結果として、始動モード２２２において、高温燃焼ガス１７２は、以下で更に詳細に検討するように、定常状態モード中よりも多くの量の残留酸化剤６８及び燃料７０を有する可能性がある。このため、プロセス２２０は、始動モードの間に高温燃焼ガス１７２中の残留酸化剤６８及び燃料７０を低減又は排除するよう１又は２以上の制御命令を実行することができる。
次いで、プロセス２２０は、ブロック２３２で示されるように、高温燃焼ガス１７２を用いてタービンセクション１５６を駆動する。例えば、高温燃焼ガス１７２は、タービンセクション１５６内に配置された１又は２以上のタービン段１７４を駆動することができる。タービンセクション１５６の下流側では、プロセス２２０は、ブロック２３４で示されるように、最終タービン段１７４からの排気ガス６０を処理することができる。例えば、排気ガス処理ステップ２３４は、濾過、何らかの残留酸化剤６８及び／又は燃料７０の触媒反応、化学的処理、ＨＲＳＧ５６を用いた熱回収、及びその他を含むことができる。プロセス２２０はまた、ブロック２３６で示されるように、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２の圧縮機セクション１５２に排気ガス６０の少なくとも一部を再循環することができる。例えば、排気ガスの再循環ステップ２３６は、図１〜３に示すように、ＥＧプロセスシステム５４を有する排気ガス再循環経路１１０の通過を含むことができる。
次いで、再循環された排気ガス６６は、ブロック２３８で示されるように、圧縮機セクション１５２において圧縮することができる。例えば、ＳＥＧＲガスタービンシステム５２は、圧縮機セクション１５２の１又は２以上の圧縮機段１５８において再循環された排気ガス６６を順次的に圧縮することができる。続いて、加圧排気ガス１７０は、ブロック２２８で示されるように、燃焼器１６０及び燃料ノズル１６４に供給することができる。次いで、ブロック２４０で示されるように、プロセス２２０が最終的に定常状態モードに移行するまで、ステップ２３０、２３２、２３４、２３６、及び２３８を繰り返すことができる。移行ステップ２４０になると、プロセス２２０は、引き続きステップ２２４〜２３８を実施することができるが、更に、ブロック２４２で示されるように、ＥＧ供給システム７８を介して排気ガス４２の抽出を開始することができる。例えば、排気ガス４２は、図３に示すように、圧縮機セクション１５２、燃焼器セクション１５４、及びタービンセクション１５６に沿った１又は２以上の抽出ポイント７６から抽出することができる。次いで、プロセス２２０は、ブロック２４４で示されるように、抽出した排気ガス４２をＥＧ供給システム７８から炭化水素生成システム１２に供給することができる。次に、炭化水素生成システム１２は、ブロック２４６で示されるように、原油二次回収のために排気ガス４２を地中３２に注入することができる。例えば、抽出した排気ガス４２は、図１〜３に示されるＥＯＲシステム１８の排気ガス注入ＥＯＲシステム１１２によって用いることができる。
上述のように、燃料７０と酸化剤６８との間の量論的燃焼（又は所定化学量論比での燃焼）を維持することは特に困難となる可能性がある。例えば、燃料７０及び酸化剤６８の組成の変動、燃料７０及び酸化剤６８の流量の変動、又はこのような他の変動は、非量論的燃焼、すなわち、設定値から逸脱した化学量論比での燃焼につながる可能性がある。この場合も同様に、これは、高温燃焼ガス１７２中に残留酸化剤６８及び／又は燃料を生じる可能性があり、特定の下流側プロセスにおいては望ましくない場合がある。
本発明の実施形態によれば、上記に記載したように、制御システム１００は、プロセス２２０を実施する際に、燃焼器１６０において所望の燃料／酸化剤化学量論比での燃焼を可能にする１又は２以上の制御ルーチンを実行することができる。１つの制御ルーチンにおいて、制御システム１００は、酸化剤６８及び／又は燃料７０の流量及び／又は組成に関連する情報を受け取ることができ、また、この情報の全て又は一部に基づいてフィードフォワード制御を利用して、燃焼器１６０への燃料７０及び／又は酸化剤６８の流れを調整することができる。
別の制御ルーチンにおいて、制御システム１００は、排気ガス６０、６６の流量及び／又は組成に関連する情報を受け取ることができ、また、この情報の全て又は一部に基づいてフィードバック制御を利用して、燃焼器１６０への燃料７０及び／又は酸化剤６８の流れを調整することができる。これらの実施形態のうちの幾つかにおいて、制御システム１００は、モデルベース解析を利用して、フィードバック制御を決定することができる。
上述の制御ルーチンは、共に用いることができる。すなわち、特定の実施形態において、制御システム１００は、フィードフォワード制御及びフィードバック制御の両方を利用することができる。図５には、このようなルーチンを実施するのに好適な制御システム１００の１つの実施形態及び関連解析の実施例がダイアグラムで示されている。詳細には、図５は、ガスタービンエンジン１５０と、ＥＧ供給システム７８と、ＥＧプロセスシステム５４と、コントローラ１１８及び複数の検知特徴要素を有する当量比制御システム２６０と、を備えたタービンベースのサービスシステム１４の１つの実施形態を描いている。
一般に、当量比制御システム２６０は、量論的燃焼、又は実質的に量論的燃焼を提供する燃焼器１６０における酸化剤６８及び燃料７０の所定の当量比（例えば、約０．９５〜１．０５又は約１．０）での燃焼を可能にするように、酸化剤６８及び燃料７０の流れを制御するよう構成される。例えば、当量比制御システム２６０は、燃料７０の流れ、酸化剤６８の流れ、及び燃焼器１６０内の作動条件に関連する情報に応答して、燃料供給経路２６２に沿った燃料７０の流れ、酸化剤供給経路２６４に沿った酸化剤６８の流れ、又はこれらの組み合わせを調整することができる。作動条件に関連する情報は、燃焼器１６０内の燃焼の実際の燃料−酸化剤比など、燃焼器１６０内の燃焼ダイナミックスを示すデータを含むことができる。この情報に応答して、当量比制御システム２６０、及びより詳細にはコントローラ１１８は、それぞれの供給経路２６２、２６４に沿って燃料７０及び／又は酸化剤６８の流れの一方又は両方を調整し、設定ポイントとして用いることができる所定の当量比又は燃料−酸化剤比に向けてダイナミックスを移動させることができる。この場合も同様に、コントローラ１１８によって実施されるルーチンは、フィードフォワード機構又はフィードバック機構の何れか又は両方を含むことができる。両方の機構が制御に利用される実施形態において、制御部は、フィードバック成分及びフィードフォワード成分を有するとみなすことができる。フィードフォワード成分を利用して、燃料供給経路２６２に沿った燃料７０のベースライン又は粗い流量を確立することができると共に、フィードバック成分を利用して、ドリフト又は他の流れ変動を考慮することで燃料７０の流量を改善することができる。加えて、又は代替として、酸化剤６８の流量は、これらの機構に従って調整することができる。
本開示によれば、コントローラ１１８によって実施される制御のフィードフォワード成分は、少なくとも燃料組成及び酸化剤組成、並びに特定の実施形態においては、組成情報に加えて、燃料７０及び酸化剤６８の流量、周囲温度、湿度、及びその他などの分析により可能となり、これらは、断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的にコントローラ１１８に提供することができる。従って、図示のように、当量比制御システム２６０は、燃料供給経路２６２に沿って流れる燃料７０の流量を測定又は決定するよう構成された燃料流量計２６６を含む。燃料流量計２６６は、図示のように燃料供給経路２６２に沿って位置付けることができ、或いは、燃料供給経路２６２に沿って流れる燃料７０の典型的なものである燃料７０のスリップストリームを受け取ることができる。同様に、当量比制御システム２６０は、酸化剤供給経路２６４に沿って流れる酸化剤６８の流量を測定又は決定するよう構成された酸化剤流量計２６８を含む。酸化剤流量計２６８は、図示のように酸化剤供給経路２６４に沿って位置付けることができ、或いは、酸化剤供給経路２６４に沿って流れる酸化剤６８のスリップストリームを受け取ることができる。
燃料流量計２６６及び酸化剤流量計２６８は、限定ではないが、熱式質量流量計、コリオリ質量流量計、質量流量コントローラ、ロータリーピストン流量計、ベンチェリ計、オリフィスプレート計、ドール管流量計、ピトー管流量計、多孔圧力プローブ計、コーン流量計、光学式流量計、電磁式流量計、又は超音波流量計を含む、何れかの好適なタイプの流れ分析デバイスのうちの１又は２以上を独立して含むことができる。燃料流量計２６６及び酸化剤流量計２６８は、図示のように、コントローラ１１８に通信可能に結合され、燃料７０及び酸化剤６８のそれぞれの流量を表すフィードバックを断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的に提供することができ、又は、実際の流量値を提供することができる。例えば、燃料流量計２６６及び酸化剤流量計２６８が圧力ベースの流量計である実施形態において、コントローラ１１８は、圧力データを受け取ることができ、受け取った圧力データに基づいて流量を決定することができる。従って、特定の実施形態において、コントローラ１１８は、生データに対して計算を実施して関連する流量を決定するためメモリ１２２に記憶されたコードを含むことができる。他の実施形態において、コントローラ１１８は、燃料流量計２６６及び／又は酸化剤流量計２６８から実際の流量を受け取ることができ、以下で検討するアルゴリズム／ルーチンに従ってこのデータを用いることができる。
上述のように、コントローラ１１８はまた、組成情報を利用して、フィードフォワード成分を生成することができる。１つの実施形態によれば、燃料分析システム２７０は、燃料７０に関する組成情報を決定することができる。例えば、燃料分析システム２７０は、燃料７０中の、限定ではないがＣＯ、Ｈ2、及びメタン（ＣＨ4）を含むことができる可燃性成分の濃度又は相対量を決定することができる。従って、燃料分析システム２７０は、このような成分を分離、検出、及び／又は分析できる１又は２以上の分析特徴要素を含むことができる。例えば、燃料分析システム２７０は、ガスクロマトグラフ、赤外分光計、紫外／可視分光計、蛍光光度計、質量分析計、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計のうちの何れか１つ又はこれらの組み合わせを含むことができる。一部の実施形態において、燃料分析システム２７０は、ＣＯセンサ、Ｈ2センサ、ＣＨ4センサ、Ｈ2、又は同様のセンサを含むことができる。
燃料分析システム２７０は、図示の実施形態において燃料供給経路２６２に沿った何れかのポイントに好適に位置付けることができるが、燃料分析システム２７０は、燃料供給経路２６２から燃料７０のスリップストリーム２７２を受け取るように構成される。すなわち、図示の実施形態において、スリップストリーム２７２は、燃料供給経路２６２から燃料分析システム２７０に分岐する経路に沿って提供される。作動中、燃料分析システム２７０は、ＣＯ、Ｈ2、及びＣＨ4濃度など燃料７０を分析し、燃料組成情報を断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的にコントローラ１１８に送信する。他の実施形態において、燃料分析システム２７０は、生データ（例えば、検出器信号）を、データを解析するコードを含むことができるコントローラ１１８に断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的に提供することができる。
コントローラ１１８はまた、フィードフォワード成分を決定するため酸化剤組成情報を利用する。上述のように、酸化剤６８は、一般に、加圧周囲空気、加圧酸素富化空気、加圧低酸素空気、酸素、又は同様の酸化剤流れを含むことになる。燃焼プロセス中に一般的に利用される酸化剤は酸素（Ｏ2）を含むので、図示の当量比制御システム２７０は、酸化剤供給経路２６４に沿って配置された酸素センサ２７４を含む。酸素センサ２７４は、酸化剤６８の流れにおける酸素量を測定／検出できる何れかの好適なセンサを含むことができる。このようなセンサは、限定ではないが、ジルコニアベース、電気化学ベース、赤外ベース、超音波ベース、及びレーザベースのセンサを含む。酸素センサ２７４は、コントローラ１１８に通信可能に結合され、酸化剤供給経路２６４を通って流れる酸化剤６８中のＯ2の量を示すフィードバックを断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的に提供する。特定の実施形態において、酸化剤６８中のＯ2の量は、酸化剤６８供給源（例えば、周囲空気、酸素富化又は低酸素空気）に応じて想定又は推定される量で想定又は推定することができる。
１つの燃料分析システム２７０及び１つの酸素センサ２７４のみを有するように図示されているが、当量比制御システム２６０は、各々が２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれ以上など、各々が１つよりも多く有することができる。実際に、現在ではこのようなセンサのあらゆる数が企図される。更に、燃料分析システム２７０及び酸素センサ２７４の位置付けは、これらの例示した位置に限定されない。例えば、燃料分析システム２７０は、燃料供給経路２６２に沿った何れかのポイントに位置付けることができ、酸素センサ２７４は、酸化剤供給経路２６４に沿った何れかのポイントに位置付けることができる。更に、上述のように、特定の実施形態において、酸素センサ２７４は、酸化剤供給経路２６４に沿って位置付けられていなくてもよく、分析のため酸化剤６８のスリップストリームを受け取ることができる。
この場合も同様に、コントローラ１１８により実施される制御動作のフィードフォワード成分は、燃料供給経路２６２に沿った燃料７０の流量の調整及び／又は酸化剤供給経路２６４に沿った酸化剤６８の流量の調整をもたらすことができる。従って、上記で検討した検知特徴要素に加えて、コントローラ１１８は、燃料流れ制御システム２７６及び酸化剤流れ制御システム２７８に通信可能に結合される。燃料流れ制御システム２７６は、図示のように、少なくとも、燃料流れ制御バルブ２８０及び燃料流れ制御バルブアクチュエータ２８２を含む。燃料流れ制御バルブ２８０は、燃料供給経路２６２に沿って配置され、燃料供給経路２６２に対する位置に応じて、燃料供給経路２６２に沿った燃料７０の流れを停止、開始、低減、又は増大させるよう構成される。燃料流れ制御バルブ２８０の位置は、サーボモータ又は同様の駆動装置（例えば、ステッピングモータ）とすることができる燃料流れ制御バルブアクチュエータ２８２により調整される。このような実施形態において、燃料流れ制御バルブアクチュエータ２８２は、コントローラ１１８からの制御信号を受け取るよう構成されたローカル処理装置のようなサーボ位置決めシステムを含み、制御信号の結果として、これに応じて燃料流れ制御バルブアクチュエータ２８２が燃料流れ制御バルブ２８０を作動させるようにすることができる。燃料流れ制御システム２７６がデータを処理せず、又は制御信号に基づいた適切なサーボ位置決めを決定しない場合のような他の実施形態において、コントローラ１１８は、適切なサーボ位置決めを決定することができ、また、適切な制御信号を流れ制御バルブアクチュエータ２８２に送って、その位置を調整することができる。実際に、特定の実施形態において、コントローラ１１８は、本明細書で開示される流れ制御システムに適切な信号を提供して所望の流れレベルを得るようにそれぞれの位置を調整するよう各々構成された１又は２以上のサーボ位置決めモジュールを含むことができる。
同様に、酸化剤流れ制御システム２７８は、図示のように、酸化剤流れ制御バルブ２８４及び酸化剤流れ制御バルブアクチュエータ２８６を含む。酸化剤流れ制御バルブ２８４は、酸化剤供給経路２６４に沿って配置され、酸化剤供給経路２６４に対する位置に応じて、酸化剤供給経路２６４に沿った酸化剤６８の流れを調整するよう構成される。酸化剤流れ制御バルブ２８４の位置は、サーボモータ又は同様の駆動装置とすることができる酸化剤流れ制御バルブアクチュエータ２８６により調整される。このような実施形態において、酸化剤流れ制御バルブアクチュエータ２８６は、コントローラ１１８からの制御信号を受け取るよう構成されたローカル処理装置のようなサーボ位置決めシステムを含み、制御信号の結果として、これに応じて酸化剤流れ制御バルブアクチュエータ２８６が酸化剤流れ制御バルブ２８６を作動させるようにすることができる。酸化剤流れ制御システム２７８がデータを処理せず、又は制御信号に基づいた適切なサーボ位置決めを決定しない場合のような他の実施形態において、コントローラ１１８は、適切なサーボ位置決めを決定することができ、また、酸化剤制御バルブアクチュエータ２８６に適切な制御信号を送ってその位置を調整することができる。
この場合も同様に、コントローラ１１８は、燃料組成及び流れ情報、酸化剤組成及び流れ情報、周囲条件（例えば、温度、湿度）、燃料７０及び／又は酸化剤６８に関する温度情報、或いはこれらの組み合わせを含む上述の情報を（例えば、断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的に）受け取り、制御のフィードフォワード成分を生成して、燃焼器１６０に対する燃料７０及び／又は酸化剤６８の流れを調整する。例えば、燃料組成が変化した（例えば、燃料を生成するのに使用される燃料供給原料の変動に起因して）場合、又は酸化剤の流れが変化した（例えば、主酸化剤圧縮機の作動変動に起因して）場合、又は同様の場合、コントローラ１１８は、燃料流れ制御システム２７６及び酸化剤流れ制御システム２７８の何れか又は両方に制御信号を送り、燃料７０及び酸化剤６８の流れを調整することができる。しかしながら、上述したように、このようなフィードフォワード制御に加えて、コントローラ１１８はまた、フィードバック制御も実施することができ、ここで、コントローラ１１８は、燃焼器１６０内で生じる燃焼プロセスを示すフィードバックの結果として、燃焼器１６０への燃料及び／又は酸化剤の流れの何れか又は両方を調整する。
例えば、図示のように、当量比制御システム２６０はまた、排気ガス再循環経路１１０に沿って配置された排気ガス酸素センサ２８８を含み、該排気ガス再循環経路は、圧縮機セクション１５２、燃焼器セクション１５４、タービンセクション１５６（図３）、及びＥＧプロセスシステム５４を通る流路を含むことができる。排気ガス酸素センサ２８８は、排気ガス６０内の酸素の量（例えば、質量、容積、及び／又はモル単位の濃度）を決定するよう構成され、コントローラ１１８に通信可能に結合されて、この組成情報をコントローラ１１８に提供するようにする。排気ガス酸素センサ２８８又は別の排気ガス酸素センサは、排気ガス再循環経路１１０に沿って配置されるように図示されているが、排気ガス再循環経路１１０に沿って配置されていなくてもよく、但し、排気ガス６０中の酸素の量を決定するために排気ガス再循環経路１１０から排気ガス６０のスリップストリームを受け取ることは可能である。更に、抽出ポイント７６（図３）のうちの１又は２以上に１又は２以上の排気ガス酸素センサを位置付けることができる。実際に、一部の実施形態において、排気ガス６０の組成は、燃焼ダイナミックス及び燃焼生成物に影響を及ぼす可能性があるので、圧縮機セクション１５２に提供される排気ガス６０の組成を検知することが望ましいとすることができる。
排気ガス６０に関する組成情報は、排気ガス６０の酸素含有量に限定されない。むしろ、排気ガス６０に関する組成情報は、排気ガス６０内のＣＯ、Ｈ2、ＣＨ4、ＮＯｘ、水、又は他の成分に関する情報を含むことができる。従って、当量比制御システム２６０は、Ｏ2、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2、ＣＨ4、水、ＮＯｘ、又は同様の燃焼／部分燃焼生成物を検出できるセンサのうちの何れか１つ又はこれらの組み合わせを含むことができる。加えて、これらの可能性のある燃焼生成物に関する正確な情報を提供できることが望ましいので、センサ（例えば、排気ガス酸素センサ２８８）は、特定の成分（例えば、ＣＯ、Ｈ2、Ｏ2、ＮＯｘ）を排気ガス６０から除去できる触媒処理を排気ガス６０が通過する前のように、タービンセクション１５６とＥＧプロセスシステム５４との間の排気ガス再循環経路１１０に沿って位置付けることができる。
以下で詳細に検討するように、コントローラ１１８は、排気ガス６０に関して得られた組成情報を利用することができ、また、適切な場合には燃料供給経路２６２を通る燃料７０の流れ、及び／又は酸化剤供給経路２６４に沿った酸化剤６８の流れを調整して燃料７０と酸化剤６８の比を調整し、例えば、量論的燃焼を達成するよう制御部のフィードバック成分を生成することができる。これに加えて又は代替として、コントローラ１１８は、モデルベースの制御を利用し、ここでは、センサの出力がコントローラ１１８用の入力を生成するモデルへの入力として使用される。例示的なモデルは、物理ベースのモデル、数値流体力学（ＣＦＤ）モデル、又は有限要素解析（ＦＥＡ）モデルを含む。モデルはまた、エキスパートシステム（例えば、前向き連鎖エキスパートシステム、後ろ向き連鎖エキスパートシステム）、ニューラルネットワーク、ファジー論理システム、状態ベクトルマシン（ＳＶＭ）、帰納推理システム、ベイズ推論システム、又はこれらの組み合わせなどの人工知能（ＡＩ）モデルを含むことができる。
特定の実施形態において、コントローラ１１８は、量論的燃焼を達成しないが、ガスタービンエンジン１５０にかかる負荷を制御するために酸化剤流れを所定流量に維持することができる。他方、コントローラ１１８は、所望の当量比を維持するよう燃料７０の流れを調整することができる。例えば、酸化剤の流れは、種々の圧縮機構成要素（例えば、入口ガイドベーン）を変えることによって制御することができるので、酸化剤の流れの変化に対するかかる構成要素による応答は、比較的緩慢（例えば、３〜５秒の間）になる可能性がある。このことは、組成の迅速な変化に応答するのには好適ではない場合がある。しかしながら、燃料７０の流れは、以下で詳細に検討される方式で流れ制御バルブを移動させることによってより迅速に調整することができる。実際に、燃料７０の流れを調整することにより、酸化剤６８及び／又は燃料７０の組成の種々の変化、及び／又は酸化剤６８の流れの変化に迅速に対処できるようになる。量論的燃焼を維持するために燃料７０の流れのみを変化させることは、少なくともこれらの理由で望ましいとすることができるが、本開示は、このような動作に限定されない。換言すると、燃料の流れを調整することに加えて、或いはその代わりに、酸化剤６８の流れを変化させ、量論的燃焼又は目標当量比での燃焼を維持することができる。
上述のように、コントローラ１１８は、フィードフォワード制御成分、フィードバック制御成分、又はこれらの組み合わせを用いて、燃料供給経路２６２及び／又は酸化剤供給経路２６４それぞれに沿って燃料７０及び／又は酸化剤６８の流れを制御するよう構成される。詳細には、コントローラ１１８は、図２に関して検討したように、プロセッサ１２０及びメモリ１２２を含み、ここでプロセッサ１２０は、１又は２以上のプロセッシングデバイスを含むことができ、メモリ１２２は、本明細書で記載される分析及び制御動作を実施するためにプロセッサ１２０によって実行可能な命令をまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体を含むことができる。１つの実施形態において、１又は２以上の命令セットは、フィードフォワード制御成分、フィードバック制御成分、又はこれらの組み合わせを生成するよう実施することができる。
図６は、燃料及び酸化剤組成及び／又は流量情報を用いて燃料供給経路２６２（図５）に沿った燃料７０の流れが制御されるフィードフォワード制御アルゴリズム３２０の１つの実施形態のフロー図を示す。具体的には、図示のように、フィードフォワード制御アルゴリズム３２０は、燃料組成入力３２２及び酸化剤組成入力３２４から始まる。燃料組成入力３２２は、燃料７０の種々の可燃性成分（例えば、ＣＯ、Ｈ2、ＣＨ4）の濃度のような情報を含むことができ、図５に関して上記で検討したように、燃料分析システム２７０によりコントローラ１１８に提供することができる。
酸素センサ２７４は、酸化剤組成入力３２４をコントローラ１１８に供給することができ、或いは、ユーザが、ローカル又はリモートインタフェース１３２、１３４（図２）を介して酸化剤６８（例えば、周囲空気、酸素富化空気、低酸素空気、又は酸素）の供給源をコントローラ１１８に入力することができる。従って、１つの実施形態において、酸素組成入力３２４は、酸化剤６８中のＯ2濃度、酸化剤６８中のＯ2の分圧、酸化剤供給経路２６４に沿ったＯ2の流量、又はこれらの組み合わせ、もしくは酸化剤６８中のＯ2の同様の測定値を含むことができる。本明細書で検討される濃度情報はまた、単位体積当たりの質量、単位流量当たりの質量、モル濃度（単位体積当たりのモル）、又は他の同様の測定基準に関しても提供することができる。
燃料及び酸化剤組成入力３２２、３２４を用いると、プロセッサ１２０は、１又は２以上の命令セットを実行し、図６においてＣＡＬＣ−１で示された第１の計算３２６を実施して第１の出力３２８を求める。第１の出力３２８は、所与の燃料供給源（例えば、燃料７０の組成に影響を及ぼす燃料７０の特定の供給源）における量論的燃焼に好適な燃料−酸化剤比、或いは、燃料７０及び酸化剤６８の組成並びに燃料７０及び酸化剤６８の流量に基づいた当量比とすることができる。第１の出力３２８が燃料７０の量論的燃焼に好適な燃料−酸化剤比である実施形態において、これは、本明細書ではＦＯＲSTとして示される。
フィードフォワード制御アルゴリズム３２０はまた、セットポイントの当量比を表す入力当量比３３０（ΦREFとして表記される）を利用する。換言すると、ΦREF３３０は、コントローラ１１８の目標を表す。従って、量論的燃焼が望ましい実施形態において、ΦREF３３０は、約０．９５〜１．０５の間とすることができ、この場合、コントローラ１１８の目標は、燃焼器１６０内で生成される燃焼生成物にＯ2が実質的に存在せず、ＥＧプロセスシステム５４（図２）において１又は２以上の触媒を用いて残留量が他の形態に変換（例えば、還元）されるようなものである。
ΦREF３３０及び第１の出力３２８（ＦＯＲST）は、第２の出力３３４が求められる第２の計算３３２（ＣＡＬＣ−２として表記）を受ける。１つの実施形態において、プロセッサ１２０は、１又は２以上の命令セットを実行し、例えば、乗算ΦREF３３０×ＦＯＲSTによって第２の出力３３４を求めることができる。従って、第２の出力３２８は、所望の、目標の、又は基準の燃料−酸化剤比（ＦＯＲREFで表記）とすることができる。換言すると、ＣＡＬＣ−２ ３３２は、一部の実施形態において、乗法ステップとすることができる。
第２の出力３３４及び酸化剤流動値３３６（例えば、図５の酸化剤流量計２７４から得られる酸化剤６８の流量）を用いると、コントローラは、燃料流れ基準値３４０（例えば、所望の又は基準燃料流れ）を求めるために、フィードフォワード計算とすることができる第３の計算（ＣＡＬＣ−３で表記）を実施する。１つの実施形態において、第３の計算３３８は、量論的燃焼又は所望の当量比（ΦREF３３０により決定される）での燃焼を行う適切な燃料流動値（例えば、燃料７０の流量）を決定するため、酸化剤流動値３３６と第２の出力３３４（ＦＯＲREF）を乗算することを含むことができる。
図６に示すように、燃料流れ基準値３４０は、燃料システム３４２に提供され、燃料流れ制御バルブ２８０（図５）の適切な位置付けを決定する。燃料システム３４２のこの決定は、コントローラ１１８のサーボ位置制御モジュールによって実施することができ、或いは、燃料流れ制御システム２７６（図５の燃料流れ制御バルブアクチュエータ２８２上に実装される）の一部とすることができる。
本発明の実施形態によれば、フィードフォワード制御アルゴリズム３２０は、アルゴリズム３２０が制御しようとしているプロセスに関連していない入力に基づいて燃料の流れが制御される点でフィードフォワード制御機構とみなすことができる。換言すると、アルゴリズム３２０は、燃焼器１６０内の燃焼が所望の当量比にあるか否かを示すフィードバックを受け取らない。むしろ、アルゴリズム３２０は、単に、燃焼プロセスとは関係のない情報に基づいて燃料流れ基準値３４０を決定する。この場合も同様に、このようなフィードフォワード制御を利用して、燃料供給経路２６２に沿った燃料７０のベースライン流れ又は粗い流れを確立することができる。
上述のように、フィードフォワード制御を利用して、このような流れを確立することができるが、フィードバック制御を利用して燃料７０の流れを微細化し、燃料７０及び／又は酸化剤６８のそれぞれの流れの測定欠陥、又はドリフト又は他の変動を考慮に入れることができる。従って、本発明の実施形態はまた、図７の概略図に示すように、複合制御アルゴリズム３６０の１つの実施形態を提供し、ここではフィードフォワード制御がフィードバック制御と組み合わされている（但し、何れか又は両方を用いることができる。
上述のような複合制御アルゴリズム３６０は、フィードフォワードアルゴリズム部３６２と、フィードバックアルゴリズム部３６４とを含む。図示のように、フィードフォワードアルゴリズム部３６２は、第３の計算３３８によって生成される燃料流れ基準値３４０がフィードフォワード成分３６６と呼ばれることを除いては、図６に示したフィードフォワードアルゴリズム３２０にほぼ一致する。フィードフォワード成分３６６は、一部の実施形態において、第１のゲイン３６７を受けることができ、ここで第１のゲインは、フィードフォワード成分３６６を０〜１倍に調整することができる（すなわち、第１のゲイン３６７は、フィードフォワード成分３６６を０〜１の間の何れかの値で乗算することができる）。このようにして、アルゴリズム３６０の全体出力を求める際に、フィードフォワード成分３６６の完全値を利用することができ（ゲイン値１で）、又はフィードフォワード成分３６６を全く利用しない（ゲイン値０で）場合もある。
複合制御アルゴリズム３６０のフィードバック部３６４は、ΦREF３３０の使用を含み、該ΦREF３３０は、上述のように、コントローラ１１８に予めプログラミングされた、又はユーザによりコントローラ１１８に入力される目標値とみなすことができる。フィードバック部３６４はまた、図７においてΦMで示される測定当量比３６８を使用し、排気ガス酸素センサ２８８及び／又は他のセンサ（例えば、ＣＯセンサ、ＣＨ4センサ、Ｈ2センサ）により得られるＯ2濃度情報に基づいて生成することができる。特定の実施形態において、ΦM３６８は、これらのセンサのうちの何れか１つ又はこれらの組み合わせからのセンサ出力に基づいてコントローラ１１８により計算することができる。例えば、コントローラ１１８は、排気ガス６０中のＯ2の検出量と、当該量に関連する相関燃料−酸化剤比／当量比との間のテーブル関係を利用して、ΦM３６８を求めることができる。図８に関して以下で詳細に検討する他の実施形態において、コントローラ１１８は、適切な燃料−酸化剤比及び／又は適切な当量比に測定したＯ2レベルを関連付けるモデルのような１又は２以上のエミッションモデルを利用して、ΦM３６８を求めることができる。更に他の実施形態において、Ｏ2センサ２８８の出力は、排気ガス４２の処理に使用される１又は２以上の触媒にて又はその近傍に位置する温度センサの１又は２以上の出力と置き換えるか、又はこれらに加えて使用することができる。例えば、１又は２以上の温度センサは、ＥＧプロセスシステム５４内のＣＯ触媒と関連付けることができ、検出された温度の上昇は、排気ガス４２中のＣＯレベルの増加（触媒活性の増加に起因した）と関連付けることができる。従って、触媒処理の温度は、排気ガス４２中のＣＯレベルと相関関係があり、これを用いて燃料−空気比及び／又はΦM３６８を決定することができる。
より詳細には、フィードバック部３６４は、偏差３７２又は誤差の判定を含む、フィードバック演算３７０を実施する。偏差３７２は、ΦREF３３０（例えば、当量比のセットポイント値）とΦM（例えば、当量比のプロセス値）との間の差違にほぼ一致することができる。換言すると、フィードバック演算３７０は、プロセスの結果が所定又は所望の結果と異なる程度を決定する。１つの実施形態において、フィードバック演算３７０は、ΦREFからΦMの減算を含むことができ、ここで偏差３７２の負の値は、プロセス（例えば、燃焼の）がリッチ（燃料７０で）状態にあることを示し、偏差３７２の負の値は、プロセスがリーン状態であることを示すことができる。従って、以下で詳細に検討するように、偏差３７２の負の値は負のフィードバック入力をもたらすことができ、この場合燃料７０の流れが減少し、偏差３７２の正の値は、正のフィードバック入力をもたらすことができ、この場合燃料７０の流れが増大する。
偏差３７２を用いると、複数のフィードバック制御演算を実施することができる。例えば、図示のように、偏差３７２は、フィードバック制御成分３７６（例えば、フィードバック部３６４から生じる流動値）を生成するために比例積分（ＰＩ）制御又は規制計算３７４の入力として使用される。制御又は規制計算は、ＰＩ制御又は規制計算を含むものとして図示されているが、限定ではなく比例積分微分（ＰＩＤ）制御計算を含む他のこのような計算を用いてもよい。ＰＩ又はＰＩＤ制御計算は、一般に、偏差３７２に比例する成分、ある時間にわたる偏差３７２の積分である成分、及び特定の実施形態において、ある時間にわたる偏差３７２の微分である成分を有する燃料流動値をもたらす。従って、偏差３７２は、離散間隔又は時間期間にて計算することができ、ここでΦM３６８は、ある時間にわたって偏差３７２を積分／微分できるように実質的に連続して、又は断続的に、或いは一定間隔で計算／決定／測定される点は理解されたい。
一般性を失うことなく、ブロック３７０、３７２、３７４は、限定ではないが、自動調整ＰＩＤアルゴリズム、状態変数又は状態フィードバックコントローラ、状態観測器又は推定器、カルマンフィルタ、位相平面、速示及びスイッチング又はバングバングコントローラを含む、フィードバック制御アルゴリズムの他の実施形態を表す他の計算と置き換えることができる点に留意されたい。
上記で検討した方式でフィードバック成分３７６及びフィードフォワード成分３６６の両方を決定すると、プロセッサ１２０は、１又は２以上の命令セットを実行して、フィードフォワード成分３６６及びフィードバック成分３７６が組み合わされる組み合わせ演算３７８を実施する。組み合わせ演算３７８は、フィードフォワード成分３６６及びフィードバック成分３７６を用いて、乗算、除算、加算、減算、平均、又は他の何れかの数学演算を含むことができる。上述のように、第１のゲイン３６７は、完全値と無値の間（すなわち、アルゴリズム３６０の出力に対して全寄与とアルゴリズム３６０の出力に対して無寄与の間の全ての値）でフィードフォワード成分３６６をスケール調整するのに利用することができる。同様に、フィードバック成分３７６は、第２のゲイン３７７によりスケール調整することができ、該第２のゲインは、フィードバック成分３７６を０〜１倍に調整する（すなわち、第２のゲイン３７７は、フィードフォワード成分３６６を０〜１の間の何れかの値で乗算することができる）よう構成される。このようにして、アルゴリズム３６０の全体出力を求める際に、フィードバック成分３７６の完全値を利用することができ（ゲイン値１で）、又はフィードバック成分３７６を全く利用しない（ゲイン値０で）場合もある。すなわち、組み合わせ演算３７８は、一部の実施形態において、フィードフォワード成分３６６とフィードバック成分３７６のスケール調整された混合に相当することができる。これら２つの成分を混合するあらゆる方式を用いることができる。従って、一部の実施形態において、アルゴリズム３６０は、フィードフォワード制御のみ、フィードバック制御のみ、又はこれらの組み合わせの使用を可能にする。
１つの実施形態において、組み合わせ演算３７８は、フィードフォワード成分３６６及びフィードバック成分３７６（又は第１及び第２のゲイン３６７、３７７それぞれにより生成されるスケール調整された値）の加算を含むことができる。非限定的な実施例として、フィードフォワード成分３６６が燃料流れの増加を示す大きな正値（例えば、燃料７０中のＣＯ濃度が低いことに起因した）であるが、フィードバック成分３７６が燃料流れの減少を示す小さな負値（例えば、燃焼ダイナミックスの流れの僅かな変動に起因した）である実施形態において、組み合わせ演算３７８にて生成される燃料流れ基準値３８０（例えば、制御信号）が燃料７０及び酸化剤６８の流量及び流れ組成を考慮し、また、測定欠陥、プロセス変動、実際の燃焼ダイナミックス、その他を考慮するように、フィードバック成分３７６は、フィードフォワード成分３６６を調整することができる。燃料流れ基準値３８０が決定された後、燃料供給経路２６２に沿った燃料７０の流れの適切な制御のため上述のように燃料システム３４２に提供される。
上記で開示された実施形態は、一般に、燃料７０の制御に関するものであるが、これらの実施形態は、酸化剤６８にも同様に適用できる点に留意されたい。例えば、特定の実施形態において、上述の実施形態に対する同様の動作は、燃料７０の流れを実質的に一定の流量に保持しながら、又は量論的燃焼に関連しない他のプロセス目標に従って燃料７０の流れを調整しながら、酸化剤６８に提供することができる。従って、特定の実施形態において、フィードフォワード成分３６６は、酸化剤供給経路２６４に沿って酸化剤６８のベースライン流量を確立することができ、フィードバック成分３７６は、酸化剤の流れを改善し、流れのドリフト又は他の変動、組成、或いは同様の要因に対して流量を修正する。
更に、フィードバック部３６４は、１又は２以上のセンサからの組み合わせ制御アルゴリズム３６０への入力としてΦM３６８を示しているが、他の実施形態では、ΦM３６８は、図８に示すように、１又は２以上のモデルベースのプログラムの使用によって生成することができる。詳細には、図８は、組み合わせ制御アルゴリズム３６０の１つの実施形態を示すプロセス図であり、ここで、フィードバック部３６４は、ラムダセンサ（排気経路に沿って配置された酸素センサ）を用いてラムダセンサ出力３９２（例えば、排気ガス酸素センサ２８８の出力）を生成し、また、排気ガス再循環経路１１０（図２、５）に沿って位置付けることができる種々のエミッションセンサの１又は２以上の出力３９４を生成する。この場合も同様に、このようなエミッションセンサは、追加の酸素センサ、ＣＯセンサ、Ｈ2センサ、又は同様のセンサを含むことができる。上述のように、図７に関して、他の実施形態では、エミッションセンサ出力３９４及び／又はラムダセンサ出力３９２は、排気ガス４２の処理に使用される１又は２以上の触媒にて又はその近傍に位置する温度センサの１又は２以上の出力と置き換えるか、又はこれらに加えて使用することができる。例えば、１又は２以上の温度センサは、ＥＧプロセスシステム５４内のＣＯ触媒と関連付けることができ、検出温度の上昇は、排気ガス４２中のＣＯレベルの増加と関連付けることができる。従って、触媒処理の温度は、排気ガス４２中のＣＯレベルと相関関係があり、これを用いて、以下で説明されるプロセスに従ってΦM３６８を決定することができる。
図示のように、排気ガス４２中のＣＯ、Ｈ2、Ｏ2、又は他のエミッションの量を示すセンサデータとすることができるエミッションセンサ出力３９４は、１又は２以上のエミッションモデル３９６に提供される。エミッションモデル３９６は、一般的には、ＣＯ、Ｈ2、Ｏ2の検出量に関するデータを組み合わせてΦ（すなわち、現在の又は測定した当量比）を求めることができ、これにより、より広い帯域の検知を可能にし、また、特定の実施形態においては、Ｏ2、ＣＯ及び／又はＨ2センサ単独での使用に比べて、Φをより正確に決定することが可能となる。エミッションモデル３９６は、コントローラ１１８のメモリ１２２上に格納されたコードとして実装することができ、ここでプロセッサ１２０が、１又は２以上の命令セットを有するモデル化モジュールを含むことができる格納されたコードを実行して、本明細書で開示されるモデル化を行う。
本発明の実施形態によれば、１又は２以上のエミッションモデル３９６は、エミッションセンサ出力３９４をΦに相関付けることができる何れかの好適なタイプのモデルとすることができる。非限定的な実施例として、エミッションモデル３９６は、物理ベースモデル、数値流体力学（ＣＦＤ）モデル、又は有限要素解析（ＦＥＡ）モデルを含むことができる。モデルはまた、エキスパートシステム（例えば、前向き連鎖エキスパートシステム、後ろ向き連鎖エキスパートシステム）、ニューラルネットワーク、ファジー論理システム、状態ベクトルマシン（ＳＶＭ）、帰納推理システム、ベイズ推論システム、又はこれらの組み合わせなどの人工知能（ＡＩ）モデルを含むことができる。
エミッションモデル３９６はまた、これに加えて又は代替として、回帰分析モデルのような数学モデル、データマイニングモデル（例えば、クラスタリングモデル、分類モデル、アソシエーションモデル）、及び同様のものを含むことができる。例えば、クラスタリング技法は、何らかの形で「類似」しているデータのグループ又は構造を見つけ出すことができる。分類法は、例えば、Φが所望の値よりも大きいか又は小さいとすることができる指標を提示するセンサ出力のような、特定のグループのメンバとしてデータポイントを分類することができる。回帰分析は、一定の誤差範囲内にある将来動向をモデル化することができる関数を見つけるのに用いることができる。アソシエーション法は、変数間の関係を見つけるのに用いることができる。実際に、このようなモデルの何れか又は全ては本発明で企図され、本開示の範囲内にある。
１又は２以上のエミッションモデル３９６は、１つの実施形態において、エミッションモデル３９６及びエミッションセンサ出力３９４に基づいてΦの推定（モデル）値、推定燃料−酸化剤比、又はこれら両方を含むことができるモデル出力３９８を提供することができる。他の実施形態において、モデル出力３９８は、種々のエミッションセンサによって出力されたデータを修正するよう構成された重み付け係数又は他の修正要素を提供することができ、これらは、コントローラ１１８がΦMを決定するのに使用する。例えば、このような実施形態において、モデル出力３９８は、ＣＯ濃度、Ｈ2濃度、又は同様のものなどの他の検知される変数を考慮に入れるようラムダセンサ出力３９２（例えば、排気ガス４２中のＯ2濃度を示すセンサ出力）を重み付けする重み付け係数とすることができる。更に別の実施形態において、モデル出力３９８は、燃料−酸化剤比、ΦM又はその両方の可能性のある値のテーブルを含むことができ、コントローラ１１８は、ラムダセンサ出力３９２に基づいて燃料−酸化剤比及び／又はΦMの適切な値を選択することができる。
従って、コントローラ１１８のプロセッサ１２０は、メモリ１２２上に格納された１又は２以上の命令セットを実行し、選択ロジック４００を実施することができる。選択ロジック４００は、ラムダセンサ出力３９２及びモデル出力３９８に基づいてΦMの種々の値（例えば、ΦMのテーブル）から選択することができ、又は、エミッションモデル３９６によって出力されたΦMの値及びラムダセンサ出力３９２の分析によって生成されたΦMの値から選択することができる。何れの場合においても、選択ロジック４００は、ΦM３６８について適切な値を選択し、この値は、フィードバック成分３７６を生成するため、図７のアルゴリズム３６０に関して検討したのと同様にアルゴリズム３９０において使用される。
図９は、選択ロジック４００によるΦM３６８の適切な値の選択を修正又は影響を及ぼすようエミッションモデル３９６がエミッションセンサ出力３９４を利用する方法に関する１つの実施形態を示した概略図である。詳細には、図示のように、１又は２以上のエミッションモデル３９６は、ＣＯエミッションセンサ出力４１０及びＯ2センサ出力４１２を受け取る。図示の実施形態において、エミッションモデル３９６は、グラフ挿入図で示されるように、出力４１０、４１２をΦの特定の値と相関付ける。挿入図４１４で示されるように、エミッションモデル３９６は、排気ガス４２内のＣＯに関する濃度又は他の値４１６を修正することができ、また、排気ガス４２内のＯ2に関する濃度又は他の値４１８を修正することができる。エミッションモデル３９６はまた、特定の値４１６、４１８をΦの値と関連付けることができ、これは、挿入図４１４において線４２０として示される。挿入図４１４に示されるように、値４１６、４１８は、互いに依存関係にある。すなわち、Ｏ2値４１８が増大すると、ＣＯ値４１６は減少し、その逆もまた同様である。従って、エミッションモデル３９６は、ΦMの好適な値を識別するのに１つ（Ｏ2、ＣＯ、又はＨ2）の値、２つ（Ｏ2とＣＯ、Ｏ2とＨ2、又はＣＯとＨ2）の値、３つ（Ｏ2、ＣＯ、及びＨ2）の値、又はそれ以上を用いることができる。この場合も同様に、上記で検討したように、エミッションモデル３９６は、選択ロジック４００にモデル出力３９８を提供し、選択ロジック４００は、モデル出力３９８及びラムダセンサ出力３９２から選択することができ、モデル出力３９８に基づいてラムダセンサ出力３９２を修正することができ、或いは、ラムダセンサ出力３９２に基づいてモデル出力３９８を修正し、ΦM３６８について適切な値を決定することができる。
本明細書で検討した全ての制御アルゴリズムは、酸化剤供給経路２６４に沿った酸化剤６８の流れを制御するのに同様に利用することができる点に留意されたい。酸化剤の流れが制御される一部の実施形態において、燃料−酸化剤比ではなく、空気−燃料比（ＡＦＲ）を用いることができ、燃料−空気当量比（Φ）ではなく、空気−燃料当量比（λ）を用いることができ、ここでΦ＝λ-1である。
（補足説明）
本発明の実施形態は、排気ガス再循環ガスタービンエンジンにおいて所定の比での燃焼（例えば、量論的燃焼）のための酸化剤及び／又は燃料の流れを制御するシステム及び方法を提供する。上記で記載された特徴の何れか又はその組み合わせは、好適なあらゆる組み合わせで利用することができる点に留意されたい。当然ながら、このような組み合わせの全ての並び換えも本発明において企図される。例証として、以下の条項は、本開示の更なる説明として提供されるものである。
実施形態１． ガスタービンシステムであって、
１又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体と、
１又は２以上の命令セットを実行して、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比（ＦＯＲST）を決定し、酸化剤流れ情報、目標当量比、及びＦＯＲSTに基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ように構成された１又は２以上のプロセッシングデバイスと、
を含むコントローラを備えた、ガスタービンシステム。
実施形態２． タービン燃焼器に酸化剤の流れを送給するよう構成された酸化剤流路と、
酸化剤流路に沿って配置された酸素センサと、
を備え、酸素センサが、コントローラに通信可能に結合され、酸素センサが、酸化剤組成情報を決定するよう構成されている、実施形態１に記載のガスタービンシステム。
実施形態３． 酸化剤組成情報が、酸化剤中の酸素濃度を含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態４． 酸化剤流路に沿って配置された酸化剤流量計を備え、酸化剤流量計が、コントローラに通信可能に結合され、酸化剤流量計が、酸化剤流れ情報を決定するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態５． 酸化剤流れ情報が、タービン燃焼器への酸化剤の流れの流量を含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態６． タービン燃焼器に燃料の流れを送給するよう構成された燃料流路と、
燃料流路から燃料のスリップストリームを受け取るよう構成された燃料分析システムと、
を備え、燃料分析システムが、コントローラに通信可能に結合され、燃料分析システムが、燃料組成情報を決定するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態７． 燃料分析システムが、ガスクロマトグラフ、燃料分析器、赤外分光計、紫外／可視分光計、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態８． １又は２以上のプロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、ＦＯＲST及び目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比（ＦＯＲREF）を決定し、ＦＯＲREFを使用してフィードフォワード成分を生成するよう構成されており、フィードフォワード成分が、燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態９． フィードフォワード成分が、タービン燃焼器への燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１０． フィードフォワード成分が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、酸化剤流れ情報とＦＯＲＲＥＦを乗算することによって生成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１１． 燃料流れ制御システムを備え、燃料流れ制御システムが、燃料流路に沿って配置され、該燃料流れ制御システムが、少なくとも１つの酸化剤流れ制御バルブを含み、該少なくとも１つの酸化剤流れ制御バルブが、制御信号に応答して該バルブの位置を調整するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１２． タービン燃焼器内での燃料及び酸化剤の燃焼によって生成される燃焼生成物から生じる排気ガスを流すよう構成された排気ガス流路を備え、
排気ガス流路が、
燃焼生成物から仕事を抽出してガスタービンシステムのシャフトを駆動し且つ排気ガスを発生させるよう構成されたタービンと、
ガスタービンシステムのシャフトによって駆動され、タービンからの排気ガスを加圧してタービン燃焼器内で使用する排気ガス希釈剤を生成する排気ガス圧縮機と、
タービンと排気ガス圧縮機との間で排気ガス流路に沿って配置され、コントローラに通信可能に結合されて排気ガスに関する排気ガス組成情報を決定するよう構成されている１又は２以上の排気ガスセンサと、
を含み、プロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、排気ガス組成情報及び目標当量比を用いてフィードバック成分を生成するよう構成され、フィードバック成分が、燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１３． 排気ガス組成情報が、排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、当量比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１４． フィードバック制御成分が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、設定ポイントとして目標当量比とプロセス値として排気ガスの測定当量比とを用いて、比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズム又は比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムを実施することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１５． 排気ガスの測定当量比が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと排気ガス組成情報を比較することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１６． フィードバック成分が、タービン燃焼器への燃料の流量のドリフト及び変動を考慮するようにタービン燃焼器への燃料の流れを調整するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１７． １又は２以上の排気ガスセンサが、ラムダセンサ、一酸化炭素センサ、水素センサ、湿度センサ、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１８． 目標当量比が、酸化剤中に１．０±０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、又は０．０５の燃料／酸素である、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態１９． タービン燃焼器が、酸化剤の流れ、燃料の流れ、及び排気ガス希釈剤の流れを受け取るように構成されており、ガスタービンシステムが更に、タービン燃焼器に結合され、排気ガス希釈剤の少なくとも一部を抽出した排気ガスとしてタービン燃焼器から下流側プロセスに流すように構成された排気ガス抽出流路を備える、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態２０． 下流側プロセスが、原油二次回収（ＥＯＲ）システムを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態２１． １又は２以上のプロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、酸化剤の流れに応じて燃料の流れを制御し、目標当量比での燃焼を可能にするよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態２２． ガスタービンシステムであって、
排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比にて燃料及び酸化剤を燃焼させて燃焼生成物を生成するよう構成されたタービン燃焼器と、
タービン燃焼器に酸化剤流量にて酸化剤を送給するよう構成された酸化剤流路と、
タービン燃焼器に燃料流量にて燃料を送給するよう構成された燃料流路と、
を備え、燃料流路が、１又は２以上の制御信号に応じて燃料流量を調整するよう構成された燃料流れ制御システムを含み、
ガスタービンシステムが更に、
流れ制御システムに通信可能に結合されたコントローラを備え、
コントローラが、
１又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体と、
１又は２以上の命令セットを実行して、燃料流れ制御システムに１又は２以上の制御信号を提供するよう構成された１又は２以上のプロセッシングデバイスと、
を含み、１又は２以上の制御信号が、燃焼器への燃料流量を制御して、目標当量比でのタービン燃焼器における燃焼を可能にし、１又は２以上の制御信号が、フィードバック成分及びフィードフォワード成分を含む、ガスタービンシステム。
実施形態２３． １又は２以上のプロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、燃料の組成、酸化剤の組成、及び酸化剤の流量に少なくとも基づいてフィードフォワード成分を決定するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態２４． １又は２以上のプロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、
酸化剤に関する酸化剤組成情報及び燃料に関する燃料組成情報に基づいて量論的燃料−酸化剤比（ＦＯＲST）を決定し、
ＦＯＲST及び目標当量比に基づいて基準燃料−酸化剤比（ＦＯＲREF）を決定し、
ＦＯＲREF及び酸化剤流量を用いてフィードフォワード成分を生成する、
ことによってフィードフォワード成分を生成するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態２５． フィードフォワード成分が、タービン燃焼器への燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態２６． 燃料流路から燃料のスリップストリームを受け取るよう構成された燃料分析システムを備え、燃料分析システムが、燃料組成情報を決定するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態２７． 燃料分析システムが、ガスクロマトグラフ、燃料分析器、赤外分光計、紫外／可視分光計、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態２８． １又は２以上のプロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、
排気ガス希釈剤の目標当量比及び測定した当量比に基づいて偏差を決定し、
偏差を入力として用いて比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズム又は比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムを実施することによりフィードバック成分を生成する、
ことによってフィードバック成分を決定するよう構成されている、実施形態２３に記載のガスタービンシステム。
実施形態２９． タービン燃焼器内で生成される燃焼生成物から生じる排気ガスを流すよう構成された排気ガス流路を備え、
排気ガス流路が、
燃焼生成物から仕事を抽出してガスタービンシステムのシャフトを駆動し且つ排気ガスを発生させるよう構成されたタービンと、
ガスタービンシステムのシャフトによって駆動され、タービンからの排気ガスを加圧して排気ガス希釈剤を生成する排気ガス圧縮機と、
タービンと排気ガス圧縮機との間で排気ガス流路に沿って配置され、コントローラに通信可能に結合されて排気ガスに関する排気ガス組成情報を決定するよう構成されている１又は２以上の排気ガスセンサと、
を含み、１又は２以上のプロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、排気ガス組成情報から排気ガスの測定した当量比を決定する、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３０． 排気ガス組成情報が、排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３１． 排気ガス希釈剤の測定当量比が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと排気ガス組成情報を比較することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３２． フィードバック成分が、燃料流量のドリフト及び変動を考慮するようにタービン燃焼器への燃料の流れを調整するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３３． １又は２以上の排気ガスセンサが、ラムダセンサ、一酸化炭素センサ、水素センサ、湿度センサ、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３４． 目標当量比が、酸化剤中に１．０±０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、又は０．０５の燃料／酸素である、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３５． タービン燃焼器に結合され、排気ガス希釈剤の少なくとも一部を抽出した排気ガスとしてタービン燃焼器から下流側プロセスに流すように構成された排気ガス抽出流路を備える、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３６． 下流側プロセスが、原油二次回収（ＥＯＲ）システムを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３７． １又は２以上のプロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、酸化剤の流れに応じて燃料の流れを制御し、目標当量比での燃焼を可能にするよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態３８． １又は２以上のプロセッシングデバイスによって実行可能な１又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体であって、１又は２以上の命令セットは、１又は２以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、
ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、
ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、
タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、
燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比（ＦＯＲST）を決定し、
ＦＯＲST及び目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比（ＦＯＲREF）を決定し、
酸化剤流れ情報及びＦＯＲREFに基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、タービン燃焼器内で再循環された排気ガスの存在下で燃料と酸化剤との間の目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、
ようになっている、１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体。
実施形態３９． 酸化剤組成情報が、酸化剤中の酸素濃度を含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４０． 酸化剤流れ情報が、タービン燃焼器への酸化剤の流れの流量を含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４１． １又は２以上の命令セットが、１又は２以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、酸化剤流れ情報及びＦＯＲREFを用いてフィードフォワード成分を生成するようになっており、フィードフォワード成分が、燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４２． フィードフォワード成分が、タービン燃焼器への燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４３． フィードフォワード成分が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、酸化剤流れ情報とＦＯＲＲＥＦを乗算することによって生成される、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４４． １又は２以上のプロセッシングデバイスが、１又は２以上の命令セットを実行して、再循環排気ガス及び目標当量比に関する排気ガス組成情報を用いてフィードバック成分を生成するよう構成されており、フィードバック成分が、燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４５． 排気ガス組成情報が、排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、当量比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４６． フィードバック制御成分が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、設定ポイントとして目標当量比とプロセス値として再循環排気ガスの測定当量比とを用いて、比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズム又は比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムを実施することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４７． 再循環排気ガスの測定当量比が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと排気ガス組成情報を比較することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４８． フィードバック成分が、タービン燃焼器への燃料の流量のドリフト及び変動を考慮するようにタービン燃焼器への燃料の流れを調整するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
実施形態４９． 目標当量比が、酸化剤中に１．０±０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、又は０．０５の燃料／酸素である、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
実施形態５０． タービン燃焼器における燃焼から生じる燃焼生成物には、未燃燃料又は酸化剤が残留していない、前述の何れかの実施形態の媒体又はシステム。
実施形態５１． タービン燃焼器における燃焼から生じる燃焼生成物が、約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、２０００、３０００、４０００、又は５０００ｐｐｍｖ（百万分の１体積）未満の酸化剤、未燃燃料、窒素酸化物（例えば、ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、硫黄酸化物（例えば、ＳＯｘ）、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有する、前述の何れかの実施形態の媒体システム。
本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。

Claims (51)

  1. ガスタービンシステムであって、
    １又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体と、
    １又は２以上のプロセッシングデバイスであって、前記１又は２以上の命令セットを実行して、
    前記ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、
    前記ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、
    前記タービン燃焼器への前記酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、
    少なくとも前記燃料組成情報及び前記酸化剤組成情報に基づいて量論的燃料−酸化剤比（ＦＯＲST）を決定し、
    前記酸化剤流れ情報、目標当量比、及びＦＯＲSTを用いて前記タービン燃焼器への燃料の流れを制御して、排気ガス希釈剤の存在下で前記目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ように構成された１又は２以上のプロセッシングデバイスと、を有するコントローラを備えた、
    ことを特徴とするガスタービンシステム。
  2. 前記タービン燃焼器に前記酸化剤の流れを送給するよう構成された酸化剤流路と、
    前記酸化剤流路に沿って配置された酸素センサと、を備え、
    前記酸素センサが、前記コントローラに通信可能に結合され、前記酸素センサが、前記酸化剤組成情報を決定するよう構成されている、
    請求項１に記載のガスタービンシステム。
  3. 前記酸化剤組成情報が、前記酸化剤中の酸素濃度を含む、
    請求項２に記載のガスタービンシステム。
  4. 前記酸化剤流路に沿って配置された酸化剤流量計を備え、前記酸化剤流量計が、前記コントローラに通信可能に結合され、前記酸化剤流量計が、前記酸化剤流れ情報を決定するよう構成されている、
    請求項２に記載のガスタービンシステム。
  5. 前記酸化剤流れ情報が、前記タービン燃焼器への前記酸化剤の流れの流量を含む、
    請求項４に記載のガスタービンシステム。
  6. 前記タービン燃焼器に前記燃料の流れを送給するよう構成された燃料流路と、
    前記燃料流路から前記燃料のスリップストリームを受け取るよう構成された燃料分析システムと、を備え、
    前記燃料分析システムが、前記コントローラに通信可能に結合され、前記燃料分析システムが、前記燃料組成情報を決定するよう構成されている、
    請求項１に記載のガスタービンシステム。
  7. 前記燃料分析システムが、ガスクロマトグラフ、燃料分析器、赤外分光計、紫外／可視分光計、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
    請求項６に記載のガスタービンシステム。
  8. 前記１又は２以上のプロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、前記ＦＯＲST及び前記目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比（ＦＯＲREF）を決定し、前記ＦＯＲREFを使用してフィードフォワード成分を生成するよう構成されており、前記フィードフォワード成分が、前記燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、
    請求項６に記載のガスタービンシステム。
  9. 前記フィードフォワード成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、
    請求項８に記載のガスタービンシステム。
  10. 前記フィードフォワード成分が、前記１又は２以上の命令セットの実行を介して、前記酸化剤流れ情報とＦＯＲREFを乗算することによって生成される、
    請求項８に記載のガスタービンシステム。
  11. 燃料流れ制御システムを備え、前記燃料流れ制御部が少なくとも１つの酸化剤流れ制御バルブを含み、該少なくとも１つの酸化剤流れ制御バルブが、前記制御信号に応答して該バルブの位置を調整するよう構成されている、
    請求項８に記載のガスタービンシステム。
  12. 前記タービン燃焼器内での前記燃料及び酸化剤の燃焼によって生成される燃焼生成物から生じる排気ガスを流すよう構成された排気ガス流路を備え、
    前記排気ガス流路が、
    前記燃焼生成物から仕事を抽出して前記ガスタービンシステムのシャフトを駆動し且つ前記排気ガスを発生させるよう構成されたタービンと、
    前記ガスタービンシステムのシャフトによって駆動され、前記タービンからの前記排気ガスを加圧して前記タービン燃焼器内で使用する排気ガス希釈剤を生成する排気ガス圧縮機と、
    前記タービンと前記排気ガス圧縮機との間で前記排気ガス流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合されて前記排気ガスに関する排気ガス組成情報を決定するよう構成されている１又は２以上の排気ガスセンサと、を有し、
    前記プロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、前記排気ガス組成情報及び前記目標当量比を用いてフィードバック成分を生成するよう構成され、前記フィードバック成分が、前記燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、
    請求項１に記載のガスタービンシステム。
  13. 前記排気ガス組成情報が、前記排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、当量比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
    請求項１２に記載のガスタービンシステム。
  14. 前記フィードバック制御成分が、前記１又は２以上の命令セットの実行を介して、設定ポイントとして前記目標当量比とプロセス値として前記排気ガスの測定当量比とを用いて、比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズム又は比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムを実施することにより生成される、
    請求項１２に記載のガスタービンシステム。
  15. 前記排気ガスの測定当量比が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと前記排気ガス組成情報を比較することにより生成される、
    請求項１２に記載のガスタービンシステム。
  16. 前記フィードバック成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流量のドリフト及び変動を考慮するように前記タービン燃焼器への前記燃料の流れを調整するよう構成されている、
    請求項１２に記載のガスタービンシステム。
  17. 前記１又は２以上の排気ガスセンサが、ラムダセンサ、一酸化炭素センサ、水素センサ、湿度センサ、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
    請求項１２に記載のガスタービンシステム。
  18. 前記目標当量比が、約０．９５〜約１．０５の燃料／酸化剤である、
    請求項１に記載のガスタービンシステム。
  19. 前記タービン燃焼器が、前記酸化剤の流れ、前記燃料の流れ、及び排気ガス希釈剤の流れを受け取るように構成されており、前記ガスタービンシステムが更に、前記タービン燃焼器に結合され、前記排気ガス希釈剤の少なくとも一部を抽出した排気ガスとして前記タービン燃焼器から下流側プロセスに流すように構成された排気ガス抽出流路を備える、
    請求項１に記載のガスタービンシステム。
  20. 前記下流側プロセスが、原油二次回収（ＥＯＲ）システムを含む、
    請求項１９に記載のガスタービンシステム。
  21. 前記排気ガス抽出流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合され、前記タービン燃焼器から抽出された排気ガス希釈剤に関する流れ情報を決定するよう構成された排気ガス抽出流量計と、
    前記排気ガス抽出流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合され、前記タービン燃焼器から抽出された排気ガス希釈剤の量を少なくとも部分的に調整するよう構成された排気ガス抽出流れ制御バルブと、を備えている、
    請求項１９に記載のガスタービンシステム。
  22. 前記１又は２以上のプロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、前記酸化剤の流れに応じて前記燃料の流れを制御し、前記目標当量比での燃焼を可能にするよう構成されている、
    請求項１に記載のガスタービンシステム。
  23. ガスタービンシステムであって、
    排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比にて燃料及び酸化剤を燃焼させて燃焼生成物を生成するよう構成されたタービン燃焼器と、
    前記タービン燃焼器に酸化剤流量にて前記酸化剤を送給するよう構成された酸化剤流路と、
    前記タービン燃焼器に燃料流量にて前記燃料を送給するよう構成された燃料流路と、を備え、
    前記燃料流路が、１又は２以上の制御信号に応じて前記燃料流量を調整するよう構成された燃料流れ制御システムを含み、
    前記ガスタービンシステムが更に、
    前記流れ制御システムに通信可能に結合されたコントローラを備え、
    前記コントローラが、
    １又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体と、
    前記１又は２以上の命令セットを実行して、前記燃料流れ制御システムに前記１又は２以上の制御信号を提供するよう構成された１又は２以上のプロセッシングデバイスと、を有し、前記１又は２以上の制御信号が、前記燃焼器への燃料流量を制御して、前記目標当量比での前記タービン燃焼器における燃焼を可能にし、前記１又は２以上の制御信号が、フィードバック成分及びフィードフォワード成分を含む、
    ことを特徴とするガスタービンシステム。
  24. 前記１又は２以上のプロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、前記燃料の組成、前記酸化剤の組成、及び前記酸化剤の流量に少なくとも基づいて前記フィードフォワード成分を決定するよう構成されている、
    請求項２３に記載のガスタービンシステム。
  25. 前記１又は２以上のプロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、
    前記酸化剤に関する酸化剤組成情報及び前記燃料に関する燃料組成情報に基づいて量論的燃料−酸化剤比（ＦＯＲST）を決定し、
    前記ＦＯＲST及び前記目標当量比に基づいて基準燃料−酸化剤比（ＦＯＲREF）を決定し、
    前記ＦＯＲREF及び前記酸化剤流量を用いて前記フィードフォワード成分を生成する、
    ことによって前記フィードフォワード成分を生成するよう構成されている、
    請求項２４に記載のガスタービンシステム。
  26. 前記フィードフォワード成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、
    請求項２５に記載のガスタービンシステム。
  27. 前記燃料流路から前記燃料のスリップストリームを受け取るよう構成された燃料分析システムを備え、前記燃料分析システムが、前記燃料組成情報を決定するよう構成されている、
    請求項２５に記載のガスタービンシステム。
  28. 前記燃料分析システムが、ガスクロマトグラフ、燃料分析器、赤外分光計、紫外／可視分光計、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
    請求項２７に記載のガスタービンシステム。
  29. 前記１又は２以上のプロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、
    前記排気ガス希釈剤の目標当量比及び測定した当量比に基づいて偏差を決定し、
    前記偏差を入力として用いて比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズム又は比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムを実施することにより前記フィードバック成分を生成する、
    ことによって前記フィードバック成分を決定するよう構成されている、
    請求項２３に記載のガスタービンシステム。
  30. 前記タービン燃焼器内で生成される燃焼生成物から生じる排気ガスを流すよう構成された排気ガス流路を備え、
    前記排気ガス流路が、
    前記燃焼生成物から仕事を抽出して前記ガスタービンシステムのシャフトを駆動し且つ前記排気ガスを発生させるよう構成されたタービンと、
    前記ガスタービンシステムのシャフトによって駆動され、前記タービンからの前記排気ガスを加圧して排気ガス希釈剤を生成する排気ガス圧縮機と、
    前記タービンと前記排気ガス圧縮機との間で前記排気ガス流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合されて前記排気ガスに関する排気ガス組成情報を決定するよう構成されている１又は２以上の排気ガスセンサと、を有し、
    前記１又は２以上のプロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、前記排気ガス組成情報から前記排気ガスの測定した当量比を決定する、
    請求項２９に記載のガスタービンシステム。
  31. 前記排気ガス組成情報が、前記排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
    請求項３０に記載のガスタービンシステム。
  32. 前記排気ガス希釈剤の測定当量比が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと前記排気ガス組成情報を比較することにより生成される、
    請求項３０に記載のガスタービンシステム。
  33. 前記フィードバック成分が、前記燃料流量のドリフト及び変動を考慮するように前記タービン燃焼器への前記燃料の流れを調整するよう構成されている、
    請求項３０に記載のガスタービンシステム。
  34. 前記１又は２以上の排気ガスセンサが、ラムダセンサ、一酸化炭素センサ、水素センサ、湿度センサ、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
    請求項３０に記載のガスタービンシステム。
  35. 前記目標当量比が、約０．９５〜約１．０５の燃料／酸化剤である、
    請求項２３に記載のガスタービンシステム。
  36. 前記タービン燃焼器に結合され、前記排気ガス希釈剤の少なくとも一部を抽出した排気ガスとして前記タービン燃焼器から下流側プロセスに流すように構成された排気ガス抽出流路を備える、
    請求項２３に記載のガスタービンシステム。
  37. 前記下流側プロセスが、原油二次回収（ＥＯＲ）システムを含む、
    請求項３６に記載のガスタービンシステム。
  38. 前記排気ガス抽出流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合され、前記タービン燃焼器から抽出された排気ガス希釈剤に関する流れ情報を決定するよう構成された排気ガス抽出流量計と、
    前記排気ガス抽出流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合され、前記タービン燃焼器から抽出された排気ガス希釈剤の量を少なくとも部分的に調整するよう構成された排気ガス抽出流れ制御バルブと、を備えている、
    請求項３６に記載のガスタービンシステム。
  39. 前記１又は２以上のプロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、前記酸化剤の流れに応じて前記燃料の流れを制御し、前記目標当量比での燃焼を可能にするよう構成されている、
    請求項２３に記載のガスタービンシステム。
  40. １又は２以上のプロセッシングデバイスによって実行可能な１又は２以上の命令セットをまとめて格納する１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体であって、前記１又は２以上の命令セットは、前記１又は２以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、
    前記ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、
    前記ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、
    前記タービン燃焼器への前記酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、
    前記燃料組成情報及び前記酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比（ＦＯＲST）を決定し、
    前記ＦＯＲST及び前記目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比（ＦＯＲREF）を決定し、
    前記酸化剤流れ情報及びＦＯＲREFに基づいて前記タービン燃焼器への燃料の流れを制御して、前記タービン燃焼器内で再循環された排気ガスの存在下で前記燃料と前記酸化剤との間の前記目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ようになっている、
    ことを特徴とする１又は２以上の有形の非一時的機械可読媒体。
  41. 前記酸化剤組成情報が、前記酸化剤中の酸素濃度を含む、
    請求項４０に記載の媒体。
  42. 前記酸化剤流れ情報が、前記タービン燃焼器への前記酸化剤の流れの流量を含む、
    請求項４０に記載の媒体。
  43. 前記１又は２以上の命令セットが、前記１又は２以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、前記酸化剤流れ情報及びＦＯＲREFを用いてフィードフォワード成分を生成するようになっており、前記フィードフォワード成分が、前記燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、
    請求項４０に記載の媒体。
  44. 前記フィードフォワード成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、
    請求項４３に記載の媒体。
  45. 前記フィードフォワード成分が、前記１又は２以上の命令セットの実行を介して、前記酸化剤流れ情報とＦＯＲＲＥＦを乗算することによって生成される、
    請求項４３に記載の媒体。
  46. 前記１又は２以上のプロセッシングデバイスが、前記１又は２以上の命令セットを実行して、前記再循環排気ガス及び前記目標当量比に関する排気ガス組成情報を用いてフィードバック成分を生成するよう構成されており、前記フィードバック成分が、前記燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、
    請求項４０に記載の媒体。
  47. 前記排気ガス組成情報が、前記再循環排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、当量比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
    請求項４６に記載の媒体。
  48. 前記フィードバック制御成分が、前記１又は２以上の命令セットの実行を介して、設定ポイントとして前記目標当量比とプロセス値として前記再循環排気ガスの測定当量比とを用いて、比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズム又は比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムを実施することにより生成される、
    請求項４６に記載の媒体。
  49. 前記再循環排気ガスの測定当量比が、１又は２以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと前記排気ガス組成情報を比較することにより生成される、
    請求項４８に記載の媒体。
  50. 前記フィードバック成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流量のドリフト及び変動を考慮するように前記タービン燃焼器への前記燃料の流れを調整するよう構成されている、
    請求項４６に記載の媒体。
  51. 前記目標当量比が、約０．９５〜約１．０５の燃料／酸化剤である、
    請求項４０に記載の媒体。
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