JP2016094937A - ガスタービンシステムにおけるエミッション制御システム及びその方法 - Google Patents

ガスタービンシステムにおけるエミッション制御システム及びその方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ガスタービンシステムにおけるエミッションの制御を改善する。【解決手段】システムは、エミッション制御システムを含む。エミッション制御システムは、SCRシステムに対する1又はそれ以上の選択的触媒還元(SCR)作動条件を受け取るようにプログラムされたプロセッサを含む。SCRシステムは、排気ストリームのため後処理システムに含まれる。プロセッサはまた、ガスタービンエンジンのための1又はそれ以上のガスタービン作動条件を受けるようプログラムされる。プロセッサは更に、SCRモデル及び1又はそれ以上のSCR作動条件に基づいてSCRシステムへのNH3流を導出し、NO/NOx比を導出し、及びNH3流、NO/NOx比、又はこれらの組み合わせに基づいてガスタービンエンジンのための燃料スプリットを導出するようプログラムされる。【選択図】 図1

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、ガスタービンシステムにおけるエミッションの制御を改善するためのシステム及び方法に関する。
発電プラントにおいて動力を提供するガスタービンのようなガスタービンシステムは通常、圧縮機、燃焼器システム及びタービンを有する少なくとも1つのガスタービンエンジンを含む。燃焼器システムは、燃料と圧縮空気の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生し、該燃焼ガスがタービンのブレードを駆動して、例えば、回転動力を生成する。ガスタービンエンジンによって生成される排気ガスは、窒素酸化物(NO及びNOを含むNO)、硫黄酸化物(SO)、炭素酸化物(CO)、及び未燃炭化水素などの特定の副生成物を含む場合がある。排気ガスに流体結合された後処理システムは、排気ガス中のこのような副生成物の量を低減するのに用いることができる。例えば、NOエミッションを低減するために、選択的触媒還元(SCR)システムを後処理システムに含めることができる。エミッション制御を改善することが有利となる。
本開示の範囲内にある一部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、請求項の範囲を限定することを意図するものではなく、単に特定の実施形態の概要を提供することを目的としている。実際に、本開示の実施形態は、以下で記載される実施形態と同様又は異な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、システムは、エミッション制御システムを含む。エミッション制御システムは、SCRシステムに対する1又はそれ以上の選択的触媒還元(SCR)作動条件を受け取るようにプログラムされたプロセッサを含む。SCRシステムは、排気ストリームのため後処理システムに含まれる。プロセッサはまた、ガスタービンエンジンのための1又はそれ以上のガスタービン作動条件を受けるようプログラムされる。ガスタービンエンジンは、排気ストリームを後処理システムに配向するよう構成される。プロセッサは更に、SCRモデル及び1又はそれ以上のSCR作動条件に基づいてSCRシステムへのNH流を導出し、NO/NO比を導出し、及びNH流、NO/NO比、又はこれらの組み合わせに基づいてガスタービンエンジンのための燃料スプリットを導出するようプログラムされる。
別の実施形態において、方法は、選択的触媒還元(SCR)システムに対する1又はそれ以上のSCRシステムの作動条件を受け取るステップを含む。SCRシステムは、排気ストリームのための後処理システムに含められる。本方法はまた、ガスタービンエンジンのための1又はそれ以上のガスタービン作動条件を受け取るステップを含む。本方法は更に、SCRモデル及び1又はそれ以上のSCR作動条件に基づいてSCRシステムへのNH流を導出するステップと、NO/NO比を導出するステップと、NH流、NO/NO比又はこれらの組み合わせに基づいてガスタービンエンジンに対する燃料スプリットを導出ステップと、を含む。
別の実施形態において、システムは、燃料を燃焼して第1の出力を生成するよう構成されたガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンに流体結合され、ガスタービンエンジンの排気ストリームを受け取って第2の出力を生成するよう構成されたボトミングサイクルと、ボトミングサイクルに配置され、排気ストリームを受け取って該排気ストリームからNOを除去するよう構成された選択的触媒還元(SCR)システムと、プロセッサを含むコントローラと、を含む。プロセッサは、1又はそれ以上のSCRシステム作動条件を受け取り、1又はそれ以上のガスタービン作動条件を受け取り、SCRモデル及び1又はそれ以上のSCR作動条件に基づいてSCRシステムへのNH流を導出し、NO/NO比を導出し、NH流、NO/NO比又はこれらの組み合わせに基づいてガスタービンエンジンに対する燃料スプリットを導出する、ようにプログラムされている。
本開示のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。
本開示の実施形態による、ガスタービンシステムのエミッションを制御するためのエミッションコントローラを含むガスタービンシステムのブロック図。 SCRシステム内に流入する排気ガスの温度とNO/NO比の関数としての選択的触媒還元(SCR)システムのDeNO効率のグラフ。 本開示の1つの実施形態による、ガスタービンシステムのエミッションを制御するためエミッションコントローラによって使用することができる制御プロセスのブロック図。 本開示の1つの実施形態による、ガスタービンシステムのエミッションを制御するためエミッションコントローラによって使用することができる別の制御プロセスのブロック図。 本開示の1つの実施形態による、ガスタービンシステムのエミッションを制御するためエミッションコントローラによって使用することができる更に別の制御プロセスのブロック図。 図5の制御プロセスのより詳細な例示のブロック図。 本開示によるガスタービンシステムのエミッションを制御するプロセスのフロー図。
本開示の1つ又はそれ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ために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。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、多数の実施時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、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。
本明細書では、ガスタービンシステムのエミッション、より具体的にはNOエミッションを制御する技術が提供される。ガスタービンシステムにおいて、1又はそれ以上のガスタービンエンジンは、燃料を燃焼させて、燃焼ガスを生成して、複数のブレードを各々有する1又はそれ以上のタービン段を駆動することができる。燃焼する燃料のタイプに応じて、燃焼プロセスから生じる排気エミッションには、窒素酸化物(NO及びNOを含むNO)、硫黄酸化物(SO)、炭素酸化物(CO)、及び未燃炭化水素が挙げられる。多くの場合、ガスタービン発電プラントのようなガスタービンシステムにより放出される排気ガスの組成は、法的規制要件に従ったものである。例証として、法規制は、大気に放出される排気ガスのNOの組成が閾値レベル(10ppm(百万分の1)など)を超えないことを要求する場合がある。
排気ガスストリーム中のNOの量を排除又は低減する1つの技術は、SCRシステムを使用するものである。SCRシステムにおいて、アンモニア(NH)又は尿素などの還元剤が排気ガスストリーム内に注入され、1又はそれ以上の触媒の存在下でNOと反応して、窒素(N)及び水(HO)を生成する。SCRシステムの有効性(例えば、DeNO効率)は、排気ガスストリーム中に注入される還元剤の量に少なくとも部分的に依存することができる。しかしながら、還元剤が排気ガスストリーム中に過度に注入されたときには、過剰の還元剤がNOと反応しない可能性がある。結果として、所定量の還元剤が、「スリップ」する、すなわち未反応でSCRシステムを通過する場合がある。SCRシステムの有効性(例えば、DeNO効率)は、SCRシステムの入口におけるSCRシステムの作動温度並びにNOのガス組成(例えば、NO/NO比)に少なくとも部分的に依存することができる。
排気ガスストリーム中のNO(又は他のエミッション化合物)の量を除去又は低減する別の技術は、ガスタービンエンジンの作動を調整することに基づいている。例えば、ガスタービンエンジンの燃焼器における燃空比は、燃焼器内で火炎温度を低く維持してNOエミッションを低減するよう調整することができる。別の実施例として、ガスタービンエンジンが複数の燃料回路を含むことができる場合、該燃料回路の各々が、ガスタービンエンジンの作動条件に応じて1又はそれ以上の燃料ノズルでの燃料流量を制御し、NOエミッションを低減するよう燃料スプリット(例えば、複数の燃料回路内の燃料の分割)を調整することができる。しかしながら、排気ガスストリーム中のNOの量を除去又は低減することを目的として、ガスタービンエンジンにより利用される特定の燃料スプリット方式は、SCRシステムに最適ではないNO(例えば、NO/NO比)のガス組成を有する排気ガスを生成し、これによりガスタービンシステムのエミッション制御の全体の有効性に影響を及ぼす可能性がある。
従って、本開示の実施形態によれば、ガスタービンエンジン及び下流側SCRシステムを含むガスタービンシステムは、ガスタービンエンジン及び下流側SCRシステムのエミッション制御を調整及び協働して、ガスタービンシステムにより生成される所望の全体エミッションを得るように構成された制御システムを含むことができる。この技術は、ガスタービンシステムの始動時に特に有用である。例えば、以下でより詳細に検討するように、制御システムは、ガスタービンエンジンの燃焼器における燃料スプリットを調整して、排気ガスの組成(例えば、ガスタービンエンジンによって生成されて、その後後処理のためSCRシステムに送られる排気ガス)、特にNO/NO比を変化させて下流側SCRシステムのDeNO効率を改善し、これによりガスタービンシステム(例えば、ガスタービンエンジン及び下流側SCRシステム)におけるNOエミッション制御の全体の有効性を改善することができる。
本開示の実施形態によれば、ガスタービンシステムの制御システムは、ガスタービンエンジンにより生成される排気ストリームを処理するための後処理システムに含まれるSCRシステムの1又はそれ以上のSCR作動条件(例えば、アンモニア流量、作動温度、入口NO濃度、その他)を受け取るように構成される。制御システムはまた、ガスタービンエンジンの1又はそれ以上のガスタービン作動条件(例えば、燃料スプリット、燃焼温度、出口ガス流量、その他)を受け取るように構成される。SCRモデル及び受け取った1又はそれ以上のSCR作動条件に基づいて、制御システムは、SCRシステムへのNHの流れを導出することができる。このようにして、ガスタービンエンジンからの全体のNOエミッションを効果的に除去又は低減することができる。
更に、本開示によれば、一部の実施形態は、SCRモデルのパラメータ(例えば、触媒経年係数)を推定するためにモデルベースの推定器(例えば、拡張カルマンフィルタ)を含む。推定器は、モデル予測をNO及びNHスリップに関する実際のSCRシステム測定結果と適合するようにパラメータをリアルタイムで調整することによって、SCRモデルをオンラインで較正することができる。このような技法を用いて、異なる触媒特性についてのSCRモデルを調整することができ、その結果、SCRモデルのより柔軟な実施構成(例えば、異なるSCRシステムに対する)及びSCRモデルを利用したより正確で堅牢なエミッション制御が得られる。
上記のことを考慮して、図1は、本開示による、タービンシステム10のエミッションを制御するためのエミッションコントローラ12を含むガスタービンシステム10のブロック図である。ガスタービンシステム10は、ガスタービンエンジン14と、後処理システム18を含むボトミングサイクル16とを含む。ガスタービンエンジン14は、限定ではないが、単純サイクル高出力ガスタービンシステム又は航空機エンジン転用の燃焼システムを含むことができる。後処理システム18は、ガスタービンエンジンからのNOエミッションを低減するSCRシステム20を含むことができる。ボトミングサイクル16は、ガスタービンエンジン14により発生した熱(例えば、排気ガスからの廃熱)を利用して電力を生成するよう構成され、廃熱回収ボイラー及び蒸気タービンなどの他の構成要素を含むことができる。
ガスタービンエンジン14は、圧縮機22、燃焼器24、及びタービン26を含む。タービン燃焼器24は、ディーゼル、天然ガス又はシンガスなどの液体燃料及び/又は気体燃料をタービン燃焼器24に送る燃料ノズル28を含む。図示のように、タービン燃焼器24は、複数の燃料ノズル28を有することができる。より具体的には、タービン燃焼器24は、1次燃料ノズル30を有する1次燃料噴射システムと、2次燃料ノズル32を有する2次燃料噴射システムとを含むことができる。燃料は、何らかの好適なスプリット比で1次燃料ノズル30と2次燃料ノズル32との間で送給することができる。以下でより詳細に検討するように、エミッションコントローラ12は、ガスタービンシステム10のNOエミッション制御のため燃料スプリットを調整及び調節することができる。例示の実施形態において、ガスタービンエンジン14は1つのタービン燃焼器24を含んでいるが、ガスタービンエンジン14は、あらゆる数のタービン燃焼器24を含むことができる点に留意されたい。加えて、各タービン燃焼器24は、必要に応じて何らかの好適な燃料スプリットを備えた2つよりも多い燃料噴射システムを含むことができる点に留意されたい。ガスタービンエンジン14が1つよりも多いタービン燃焼器24を含む実施形態において、燃料スプリットはまた、各タービン燃焼器24に対する燃料ノズル間に加えて、複数のタービン燃焼器24間での燃料送給を含む。
タービン燃焼器24は、空気燃料混合気を点火及び燃焼し、次いで、高温の加圧燃焼ガス34をタービン26に送る。タービン26のタービンブレードは、シャフト36に結合され、シャフト36はまた、ガスタービンエンジン14全体にわたって他の複数の構成要素に結合される。燃焼ガス34がタービン26のタービンブレードを通過すると、タービン26が回転駆動され、これによりシャフト36の回転が生じる。最終的に、燃焼ガス34は、排気ガスストリーム38としてガスタービンエンジン14から流出する。更に、シャフト36は、負荷40に結合することができ、該負荷は、シャフト36の回転により動力が供給される。例えば、負荷40は、発電機、航空機のプロペラ、その他など、ガスタービンエンジン14の回転出力により動力を発生することができる何らかの装置とすることができる。
圧縮機ブレードは、圧縮機22の構成要素として含まれる。圧縮機ブレードは、シャフト36に結合され、上述のようにシャフト36がタービン26により回転駆動されるときに回転することになる。圧縮機22内での圧縮機ブレードの回転により、吸気口42からの空気が圧縮されて加圧空気44になる。次いで、加圧空気44は、タービン燃焼器24の燃料ノズル28内に送給される。燃料ノズル28は、加圧空気44と燃料を混合して、廃燃料又は過剰なエミッションが生じないように、燃焼に好適な混合比(例えば、燃料がより完全燃焼をするような燃焼)を生成する。
排気ガスストリーム38は、タービン26から流出すると、引き続き下流側方向にボトミングサイクル16(例えば、後処理システム18)に向かって流れることができる。上述のように、燃焼プロセスの結果として、排気ガスストリーム38は、窒素酸化物(NO及びNOを含むNO)、硫黄酸化物(SO)、炭素酸化物(CO)、及び未燃炭化水素などの特定の副生成物を含む可能性がある。特定の法的規制要件の理由から、後処理システム18を利用して、排気ガスストリーム38を大気中に放出する前にこのような副生成物の濃度を低減することができる。例示するように、後処理システム18は、NOエミッションを排気ガスストリーム38から低減又は除去するためにSCRシステム20を含むことができる。
SCRシステム20は、触媒50、入口52、及び出口54を有するSCR反応器48を含む。SCRシステム20はまた、SCR反応器48の入口52から上流側に位置付けられて、還元剤(例えば、アンモニア[NH])が触媒50の表面上で吸収されるように還元剤をSCR反応器48内に注入する噴射装置56を含む。NOを含有する排気ガスストリーム38は、入口52を通じてSCR反応器48内に流入し、触媒50の表面上で吸収された還元剤と反応することができる。このNO還元反応を介して、NOは、窒素(N)と水(HO)に変換され、従って、排気ガスストリーム38中のNOレベルを低減することができる。
触媒50は、SCRプロセスを介したNO還元反応に好適な何らかの触媒とすることができる。例えば、触媒50は、担体及び活性触媒成分から作製することができる。担体は、チタン酸化物のような種々のセラミック材料を含むことができる。活性触媒成分は、例えば、ベース金属、バナジウム、及びタングステンの酸化物を含むことができる。活性触媒成分はまた、鉄及び銅交換のゼオライトのようなゼオライトを含むことができる。活性触媒成分は更に、金、銀、及びプラチナなどの貴金属を含むことができる。
NO還元反応は、ガス(例えば、排気ガスストリーム38及び還元剤)がSCR反応器48を通過したときに起こる。還元剤は、SCR反応器48に入る前に、噴射装置56によって注入されて排気ガスストリーム38と混合される。還元剤は、無水アンモニア、アンモニア水、尿素又はこれらの何れかの組み合わせを含むことができる。それでも尚、未反応の還元剤がアンモニアスリップ58としてSCR反応器48の出口54から放出される。
SCR反応器48における望ましい反応は、約225°C〜445°C、好ましくは355°C〜445°Cの最適温度範囲を有する。アンモニアスリップ58は、SCR反応器48の温度が反応に対する最適範囲にない場合、又は、過剰な還元剤がSCR反応器48に注入された場合に起こる可能性がある。
本明細書で開示される実施形態は、1つのSCRシステム20の使用に限定されず、複数のSCRシステム20を含むこともできる点は理解されたい。また、他の温度で反応が起こり得ることは理解される。加えて、例示の実施形態において、SCRシステム20は後処理システム18に含まれて、一般に排気ガスストリーム38からのNOの処理及び除去に集中させているが、他の実施形態は、硫黄酸化物(SO)、炭素酸化物(CO)、及び未燃炭化水素など、排気ガスストリーム38中の他の燃焼副生成物の除去を可能にすることができる。これらの実施形態において、SCRシステム20は、排気ガスストリーム38から除去されている組成物に応じて幾何形状及び/又は化学的組成が変化することができる触媒50を含むことができる。代替として、又はこれに加えて、後処理システム18は、複数のSCRシステム20を含むことができ、その各々は、排気ガスストリーム38中の1又はそれ以上の燃焼副生成物の処理及び除去に集中させることができる。
後処理システム18により排気ガスストリーム38のエミッション(例えば、排気ガスストリーム38中のNO)レベルを低減した後、処理された排気ガスストリーム60が後処理システム18から流出することができる。処理された排気ガスストリーム60は、依然としてNO、SO、CO、及び未燃炭化水素などの一部の燃焼副生成物を含む場合がある。上述のように、場合によっては、処理された排気ガスストリーム60は、アンモニアスリップ58を含む可能性がある。次いで、処理された排気ガスストリーム60は、更なる処理及び/又は使用のためボトミングサイクル16の他の構成要素に送給することができる。例えば、ボトミングサイクル16は、熱回収蒸気発生器(HRSG)及び蒸気タービンを含むことができる。HRSGは、処理された排気ガスストリーム60中に残存する熱を用いて蒸気タービンを駆動して追加の出力を生成し、これによりガスタービンシステム10の効率を向上させることができる。処理された排気ガス60は、ボトミングサイクル16の他の構成要素を通過した後、加工された排気ガス61(例えば、大気に放出された)としてボトミングサイクル16から流出することができる。ガスタービンシステム10の全体のNOエミッションレベルは、(以下で使用されるような)処理された排気ストリーム60中のNOの量、又は処理された排気ストリーム60がボトミングサイクル16の他の構成要素によって更に処理を受ける実施形態では加工された排気ガス61中のNOの量とみなすことができる点に留意されたい。
上述のように、ガスタービンシステム10は、ガスタービンシステム10の作動を制御して、ガスタービンシステム10の(例えば、処理された排気ガスストリーム60中の)全体エミッション(例えば、NO、SO、CO、その他)を低減するのに用いることができるエミッションコントローラ12を含む。具体的に、エミッションコントローラ12は、ガスタービンコントローラ62及び後処理コントローラ64を含み、これらが共に動作してガスタービンシステム10からのエミッション(例えば、NO)の処理及び除去を協働することができる。例えば、以下で詳細に説明するように、エミッションコントローラ12は、ガスタービンエンジン14及び/又はSCRシステム20の1又はそれ以上の作動パラメータを調整して、排気ガス38及び処理された排気ガス60両方におけるNO低減の相対量を制御することができる。換言すると、ガスタービンシステム10のNOエミッション全体を低減するために、ガスタービンエンジン14から流出する排気ガス38中のNOの量がより多量になることが可能にされ、SCRシステム20におけるNOエミッションの低減を増大させることができる。
図示のように、エミッションコントローラ12は、プロセッサ66及びメモリ68を含む。プロセッサ66は、何らかの汎用又は特定用途向けプロセッサとすることができる。メモリ68は、本明細書で記載される方法及び制御動作を実施するためプロセッサ66により実行可能な命令を全体として格納する1又はそれ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。例えば、メモリ68は、RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD−ROM、フラッシュメモリ、又は他の光学ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、もしくは他の磁気記憶装置を含むことができる。エミッションコントローラ12は更に、エミッションコントローラ12に対する様々なアナログ入力を処理する1又はそれ以上のアナログ−デジタル(A/D)コンバータを含むことができる。
エミッションコントローラ12は、ガスタービンシステム10に位置付けられた1又はそれ以上のセンサからの1又はそれ以上の入力を監視することができる。センサは、例えば、圧力センサ、レベルセンサ、温度センサ、流量センサ、組成センサ、濃度センサ、ステータス及び位置インジケータ(例えば、リミットスイッチ、ホール効果スイッチ、音響近接スイッチ、線形可変差動変圧器、位置トランスデューサ)、及び同様のものを含むことができる。センサは、差動情報を得るためにガスタービンシステム10の種々の構成要素に結合され、又は種々の構成要素にもしくはその周辺に配置され、或いは、種々の構成要素と流体連通することができる。例えば、タービン出口センサ70は、タービン26の出口にて動作可能に結合され、NO(NO及び/又はNOを含む)の温度、ガス流量、濃度、及び他の燃焼副生成物(SO、CO、その他を含む)の濃度を含む情報を得ることができる。SCR入口センサ72は、SCR反応器48の入口52にて動作可能に結合され、NO(NO及び/又はNOを含む)の温度、ガス流量、濃度、他の燃焼副生成物(SO、CO、その他を含む)の濃度、並びにSCR反応器48の入口52から上流側又は直ぐ上流側のアンモニア濃度を含む情報を得ることができる。触媒センサ74は、SCR反応器48における触媒50に動作可能に結合され、NO(NO及び/又はNOを含む)の温度、ガス流量、濃度、他の燃焼副生成物(SO、CO、その他を含む)の濃度、並びにSCR反応器48における触媒50にて又はその付近でのアンモニア濃度を含む情報を得ることができる。SCR出口センサ76は、SCR反応器48の出口54にて動作可能に結合され、NO(NO及び/又はNOを含む)の温度、ガス流量、濃度、他の燃焼副生成物(SO、CO、その他を含む)の濃度、並びにアンモニアスリップ58の量を含む情報を得ることができる。圧縮機出口センサ78は、圧縮機22の出口に動作可能に結合され、燃焼器24内に流入する空気の温度、ガス流量、及び圧力を含む情報を得ることができる。1又はそれ以上の1次燃料センサ80及び1又はそれ以上の2次燃料センサ82は、1次燃料ノズル及び2次燃料ノズルにそれぞれ動作可能に結合され、燃焼器24内に流入する燃料の温度、ガス流量、及び圧力を含む情報を得ることができる。燃料センサ80及び82の組み合わせは、燃料スプリットに関する情報を提供することができる。燃料センサ80及び82と圧縮機出口センサ78との組み合わせは、燃焼器24における燃空比に関する情報を提供することができる。ガスタービンシステム10は上記で検討したセンサを含むが、エミッションコントローラ12は、限定ではないが、吸気口42、燃焼器24、負荷40、及びボトミングサイクル16を含む、ガスタービンシステム10の他の種々の箇所に位置付けられた1又はそれ以上のセンサからの入力を監視することができる点に留意されたい。
加えて、エミッションコントローラ12は、ガスタービンシステム10の種々の構成要素に動作可能に結合され、ガスタービンシステム10の動作を制御することができる。例えば、エミッションコントローラ12は、ガスタービンシステム10の種々の構成要素に結合されて該構成要素を移動又は制御するよう構成された1又はそれ以上のアクチュエータ(例えば、スイッチ、バルブ、モータ、ソレノイド、ポジショナー、又は同様のもの)の動作を制御することができる。別の実施例として、エミッションコントローラ12は、流量、温度、圧力、及び同様のものを含む吸気口の調整を行うよう、吸気口42(例えば、入口ガイドベーンアクチュエータなどのアクチュエータ84を介して)及び/又は圧縮機22(例えば、アクチュエータ86を介して)の動作を制御することができる。エミッションコントローラ12は、流量、温度、圧力、燃料スプリット(例えば、ノズル30,32の各々を介して送給される燃料の量)及び同様のものを含む、燃焼器24内に流入する燃料の調整を行うよう、1次燃料ノズル(例えば、1又はそれ以上のアクチュエータ88を介して)及び2次燃料ノズル(例えば、1又はそれ以上のアクチュエータ90を介して)の動作を制御することができる。エミッションコントローラ12は、流量、温度、圧力、及び同様のものを含む、SCR反応器48内への還元剤の注入の調整を行うよう、噴射装置56(例えば、アクチュエータ92を介して)の動作を制御することができる。
エミッションコントローラ12は、測定フィードバック(例えば、センサからの入力)に基づいてガスタービンシステム10の種々の構成要素の動作を制御することができる。例えば、エミッションコントローラ12(例えば、ガスタービンコントローラ62)は、タービン出口センサ70により測定されたNOエミッションのフィードバックに基づいて特定の燃空比で空気−燃料混合気を送給するよう、圧縮機22及び燃料ノズル30,32を制御することができる。エミッションコントローラ12(例えば、後処理コントローラ64)は、SCR出口センサ76によって測定されたアンモニアスリップ58のフィードバックに基づいて、特定の流量でSCR反応器48内に還元剤を注入するよう、噴射装置92を制御することができる。以下で詳細に検討するように、エミッションコントローラ12は、1又はそれ以上のセンサから測定されたフィードバック(例えば、SCR出口センサ76によるアンモニアスリップ58)に基づいてガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを低減するようにガスタービンシステム10の種々の構成要素の調整(例えば、燃料ノズル30,32及び噴射装置56からの燃料スプリット)を行うようにする1又はそれ以上の制御プロセスを実施することができる。一部の実施形態において、エミッションコントローラ12は、例えば、排気ガス38からの熱の一部をボトミングサイクル16(例えば、HRSG)の他の構成要素に配向することによって、SCR入口センサ72からのフィードバックに基づいてSCR反応器48の動作温度を制御することができる。
更に、エミッションコントローラ12は、ユーザ入力94を受け取り、該ユーザ入力94に基づいてガスタービンシステム10の動作及びNOエミッションを制御することができる。例えば、ユーザ入力94は、排気ガスNO設定点、所望の出力(例えば、メガワット)、所望の燃料割合、還元剤価格、電気料金、電力需要、燃料価格、燃焼器停止期間、NOクレジット、他の金融情報、及び/又はタービンシステム10の動作に関連する他の情報を含むことができる。ユーザ入力94の情報は更に、排気ガス38及び/又は処理された排気ガス60中のNO低減の制御(例えば、ガスタービンエンジン14内のNO制御)及び/又は処理された排気ガス60中のNO低減の制御(例えば、SCRシステム20内のNO制御)に組み込むことができる。特定の実施形態において、エミッションコントローラ12により別の制約条件又は制御パラメータを用いることもできる。例えば、追加の制約条件は、環境法規制又は他の動作制約条件に基づいて許容可能な還元剤スリップを含むことができる。
上述のように、SCRシステム20において、噴射装置56から排気ガスストリーム38中に注入される還元剤(アンモニア(NH)など)は、触媒50の存在下でNOと反応して窒素(N)及び水(HO)を生成し、これにより排気ガスストリーム38中のNOの量を低減することができる。SCRシステム20の有効性(例えば、DeNO効率)は、SCR反応器48の出口54でのNOの量とSCR反応器48の入口52におけるNOの量の比で表すことができる。DeNO効率は、反応器48における反応温度、SCR反応器48の入口52におけるNOの組成(例えば、NO/NO比、NO/NO比、NO/NO比)、排気ガス38中のNOの量、排気ガス38のガス流流量、SCR反応器48の入口52における排気ガス38中の温度、排気ガスストリーム38内に注入される還元剤(例えば、アンモニア)の量、NO以外の排気ガス38の組成(例えば、SO、CO)、SCR還元反応の他の反応物質及び/又は生成物(例えば、水(HO)、酸素(O))の量、触媒50の特徴(例えば、タイプ、量、経年、及び同様のもの)を含む、複数の要因に少なくとも部分的に依存することができる。例えば、図2は、他の要因が実質的に一定のままであるときに、SCR反応器48の入口52における排気ガス38の温度及びNO/NO比の関数としてのSCRシステム20のDeNO効率の例示的なグラフ100である。
図2に示すように、第1の曲線102は、SCR反応器48の入口52における排気ガスストリーム38の高温TでのNO/NO比の関数としてのSCRシステム20のDeNO効率を示している。第1のポイント104から第2のポイント106までの第1の曲線102はほぼ上昇傾向を示し、NO/NO比の増大(又はNOとNOの相対量の増大)に伴って、SCRシステム20のDeNO効率が上昇することを意味する。第2のポイント106から第3のポイント108までの第1の曲線102は、僅かに下降傾向を示すが、以前として幾分安定した状態を保っており、NO/NO比の増大に伴って、SCRシステム20のDeNO効率が僅かに減少することを意味する。従って、SCRシステム20は、例示のグラフ100のポイント106付近で最大DeNO効率を有するが、DeNO効率は、一般に、ポイント106を通過するとNO/NO比の増大に反応しなくなる。
図2はまた、SCR反応器48の入口52における排気ガスストリーム38の低い温度T2(例えば、T2>T1)でのNO/NO比の関数としてのSCRシステム20のDeNO効率を示している。第1のポイント112から第2のポイント114までの第2の曲線110はほぼ上昇傾向を示し、NO/NO比の増大(又はNOとNOの相対量の増大)に伴って、SCRシステム20のDeNO効率が上昇することを意味する。第2のポイント114から第3のポイント116までの第2の曲線110は、下降傾向を示し(106からポイント108までの第1の曲線102よりも顕著である)、NO/NO比の増大に伴って、SCRシステム20のDeNO効率が減少することを意味する。SCRシステム20は、ポイント114付近で最大DeNO効率を有する。加えて、図2に示すように、第1の曲線102は、ほぼ第2の曲線110を上回っており、SCR反応器48の入口52において実質的に同じNO/NO比であるときに、SCRシステム20は、一般に、より高温で排気ガス38のDeNO効率がより高いことを意味する。
従って、図2に例示するように、SCRシステム20のDeNO効率は、SCR反応器48の入口52における排気ガス38のNO/NO比(又はNO/NO比、又はNO/NO比)に少なくとも部分的に依存する。その結果、排気ガス38のNO/NO比は、ガスタービンエンジン14の燃料スプリットに少なくとも部分的に依存する。このため、燃料スプリットは、SCRシステム20におけるDeNO効率の上昇をもたらすことができる、排気ガスストリーム38中の所望のNO/NO比を提供するよう制御することができる。従って、ガスタービンシステム10に対する全体のDeNO効率が上昇することができる。一部の実施形態において、排気ガスストリーム38中のNO/NO比は、ボトミングサイクル16の性能に実質的に影響を与えることなく変更することができる。例えば、ガスタービンエンジン14の燃焼温度及びガスタービンエンジン14から流出する排気ガス38の流量は、排気ガスストリーム38中のNO/NO比の変化の影響を実質的に受けない。このため、本開示によれば、ガスタービンシステム10の全体のDeNO効率は、ボトミングサイクル16の性能に実質的に影響を及ぼすことなく上昇させることができる。
本開示によれば、エミッションコントローラ12は、種々の制御プロセス又は方式を利用して、ガスタービンエンジン14及びSCRシステム20を調整及び協働させて、ガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを低減することができる。図3〜5は、本開示による、ガスタービンシステム10のエミッションを制御するエミッションコントローラ12によって用いることができる特定の制御プロセスの様々な実施形態を示している。図3は、ガスタービンシステム10のエミッションを制御するためエミッションコントローラ12によって使用される分散的制御プロセス120の1つの実施形態のブロック図である。本明細書で使用される「分散的」とは、コントローラ62を介した幾分別個のガスタービン制御及びコントローラ64を介した後処理制御を意味し、前者は、ガスタービンエンジン14の作動の制御に集中しており、後者は、SCRシステム20の作動の制御に集中している。しかしながら、ガスタービンコントローラ62及び後処理コントローラ64は、エミッションコントローラ12の構成要素であり、互いに通信状態にある点は留意されたい。従って、1つの実施形態において、単一のコントローラを用いてガスタービンエンジン14とSCRシステム20の両方を制御してもよい。以下において図3〜5に関して説明する制御プロセスは、SCRシステム20から流出する処理された排気ガス60中のNOエミッションレベルの低減に関する。しかしながら、処理された排気ガス60がボトミングサイクル16の他の構成要素によって更に処理される実施形態では、図3〜5に関する上述のプロセスは、ボトミングサイクル16から流出する加工された排出ガス61中のNOエミッションレベルの低減に同様に適用できる点に留意されたい。
後処理コントローラ64は、噴射装置56の作動を調整するための制御信号、例えば、SCRシステム20の噴射装置56におけるアンモニアの流量の値を出力として生成するよう構成される。図3に例示するように、アンモニアスリップ設定点(NHスリップSP)及び例えばSCR出口センサ76によって測定されたアンモニアスリップ58(NHスリップ)の量を取り込む。NHスリップSPは、SCR反応器48から流出するアンモニアスリップ58の目標値又は要求値であり、例えば、ユーザ入力94を介してユーザにより設定することができ、或いは、例えば、メモリ68内に格納された履歴値からエミッションコントローラ12によって直接生成することができる。第1の比例積分(PI)コントローラ122は、NHスリップSP及びNHスリップを入力として取り込み、アンモニア流設定点(NH流SP)を生成する。NH流SPは、噴射装置56により排気ガスストリーム38に注入されるアンモニアの目標値又は要求値である。第1のPIコントローラ122は、SCRシステム20に対するSCRモデル124に基づいてNH流SPを生成することができる。
SCRシステム20に対するSCRモデル124は、SCR反応器48において起こる化学反応を記述するための化学モデルである。上述のように、SCRシステム20において、アンモニアが噴射装置56から排気ガスストリーム38内に注入され、触媒50の存在下でNOと反応して、窒素(N)及び水(HO)を生成することができる。このSCRプロセスは、触媒50とのアンモニア吸収及び脱離反応、アンモニア酸化反応、標準的SCR反応、高速SCR反応、NOSCR反応、及びNO酸化反応を含む、一連の反応を含むことができる。SCRモデル124は、個々の反応の特性()を記述する包括的反応スキーム(例えば、反応速度式を介して)である。SCRモデル124に関わるパラメータは、各化学反応物又は生成物の化学組成及び濃度、並びに触媒50上へのアンモニアの被覆率を含むことができる。触媒50上へのアンモニアの被覆率は更に、化学組成、触媒基材、物理的幾何形状、及び使用時間などの触媒50の特徴に少なくとも部分的に依存することができる。
後処理コントローラ64の第2のPIコントローラ126は、第1のPIコントローラ122の出力としてのNH流SPを取り込み、入力としてアンモニア流量(NH流)を取り込んで、アンモニア流制御値を生成する。NH流は、例えば、SCR入口センサ72によって得られた、噴射装置56におけるアンモニアの流量の測定値である。後処理コントローラ64の出力としてのNH流制御値は、噴射装置56に伝達されて噴射装置56の作動を調整することができる。例えば、噴射装置56に結合されたアクチュエータ92は、噴射装置56を開閉して特定の流量(例えば、NH流制御値)でアンモニアを注入するよう調整することができる。
次いで、NH流制御値を含むSCR作動条件は、ガスタービンコントローラ62によって入力として用いることができる。SCR作動条件は、限定ではないが、NH流制御値、反応器48における反応温度、SCR反応器48の入口52におけるNOの組成(例えば、NO/NO比、NO/NO比、又はNO/NO比)、排気ガス38中のNOの量、SCR反応器48の入口52における排気ガス38の温度、NO以外の排気ガス38の他の成分の組成及び量(例えば、SO、CO)、SCR還元反応の他の反応物及び/又は生成物の量(例えば、水(HO)、酸素(O))、及び触媒50の特徴(例えば、タイプ、量、経年、及び同様のもの)を含むSCRシステム20の種々の構成要素の何れかの作動パラメータを含むことができる。上述のように、SCR作動条件は、SCRシステム20の種々の構成要素に結合された1又はそれ以上のセンサにより得ることができる。
ガスタービンコントローラ62は、SCR作動条件を入力として取り込んでNO/NO比設定点(NO/NO比SP)を生成するSCRマップ128を含む。SCRマップ128は、SCRシステム20の作動マップであり、製造試験結果、同様のSCRシステム、又はコンピュータプログラムによる予測に基づくことができる。SCRマップ128は、種々のSCR作動条件でのSCRシステム20のDeNO効率をプロット又はリストするプロット、図、又はテーブル(表)とすることができる。例えば、SCRマップ128は、NH流制御値、SCR反応器48の入口52におけるNOの組成(例えば、NO/NO比、NO/NO比、又はNO/NO比)、SCR反応器48の入口52における排気ガス38の温度、及び触媒50の特徴(例えば、タイプ、量、経年、及び同様のもの)などの上述のパラメータに関する1又はそれ以上のDeNO効率曲線を含むことができる。このため、NO/NO比設定点は、他のSCR作動条件及びSCRシステム20のDeNO効率が既知であるときに、SCRマップ128から得ることができる。上述のように、これら他のSCR条件は、SCRシステム20の種々の箇所に結合された1又はそれ以上のセンサ(例えば、SCR入口センサ72、触媒センサ74、及びSCR出口センサ76)によって得ることができ、DeNO効率は、出口54及びSCR反応器48の入口52でのNOレベルを(例えば、SCR出口センサ76及び入口センサ72それぞれを介して)測定して、出口54での測定したNOレベルと入口52での測定したNOレベルの比をとることにより得ることができる。従って、SCRマップ128は、出力としてNO/NO比(又はNO/NO、NO/NO比)設定点を提供することができ、これは、ガスタービンシステム10の望ましい全体のDeNO効率に相当することができる。
次いで、得られたNO/NO比設定点は、ガスタービン作動条件と共に、入力としてガスタービン(GT)モデル130に提供されて、出力として燃料スプリット設定点(燃料スプリットSP)を生成する。ガスタービン作動条件は、限定ではないが、排気ガスストリーム38の温度及び流量、燃焼器24に流れる燃料−空気混合気の燃空比、及び測定した燃料スプリットを含む、ガスタービンエンジン14の何らかの作動パラメータを含むことができる。GTモデル130は、燃焼器24を含むガスタービンエンジン14の作動を記述する何らかの好適なモデルとすることができる。例えば、GTモデル130は、物理特性ベース型(例えば、ガスタービンエンジン14の熱伝達及び圧縮性流れ現象を捉えた1次元空気−熱数学的モデル)、データ駆動型(例えば、経験的)モデル、又は何らかの組み合わせとすることができる。GTモデル130は、定常状態モデル又は動的モデルとすることができる。GTモデル130は、ガスタービン作動条件の一連のセットでガスタービンエンジン14の作動を記述する。従って、燃料スプリット設定点は、1又はそれ以上の作動条件が既知であるときにGTモデル130から得ることができる。例えば、上述のように、燃焼器24内に流入する空気及び燃料のパラメータは、圧縮機出口センサ78及び燃料センサ80,82により得ることができる。排気ガスストリーム38の温度及び流量は、タービン出口センサ70により得ることができる。従って、GTモデル130は、出力として燃料スプリット設定点を提供することができ、これは、ガスタービンシステム10の望ましい全体のDeNO効率に相当することができる。その結果、エミッションコントローラ12は、ガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを低減することを目標とした得られた燃料スプリット設定点に基づいて燃料を送給するよう、関連の構成要素(例えば、1次燃料ノズル30及び2次燃料ノズル32)を調整することができる。また、コントローラ122,126は、PIコントローラとして図示されているが、他の実施形態では、PIDコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)、カスタムコントローラ、その他を用いてもよい点に留意されたい。
図4は、ガスタービンシステム10のエミッションを制御するためエミッションコントローラ12によって使用することができる分散的制御プロセス140の別の実施形態のブロック図である。図4に示される制御プロセス140は、図3に示された制御プロセス120と同様の要素を含むので、図3及び4で同じ要素には同じ参照符号が使用され、図4は、図3と同様に説明されることになる。
図4に示す後処理コントローラ64は、同様に、噴射装置56の作動を調整するための制御信号、例えば、SCRシステム20の噴射装置56におけるアンモニアの流量の値を出力として生成するよう構成される。しかしながら、図4に示す後処理コントローラ64の第1のPIコントローラ122は、アンモニアスリップ設定点(NHスリップSP)及びSCRモデル124を含む入力を取り込む。上記で検討したように、SCRモデル124は、各化学反応物又は生成物(例えば、SCR反応器48に注入されたアンモニア及びアンモニアスリップ58の量)の濃度及び触媒50の特徴などのパラメータを用いてSCR反応器48において起こる化学反応を記述する。従って、第1のPIコントローラは、NHスリップSP及びSCRモデル124から直接NH流SPを生成することができる。
NH流SPが生成されると、制御プロセス140の残りの部分は、制御プロセス120と同じである。例えば、第2のPIコントローラ126は、入力としてNH流SP及び測定されたアンモニア流量(NH流)を取り込み、NH流制御値を生成する。次いで、NH流制御値は、他のSCR作動条件と共にガスタービンコントローラ62によって入力として使用され、SCRマップ128を用いてNO/NO比SPを生成することができる。次に、GTモデル130は、NO/NO比SP及びガスタービン作動条件を入力として用いて、燃料スプリット設定点を生成することができ、これは、ガスタービンシステム10の望ましい全体のDeNO効率に相当することができる。従って、エミッションコントローラ12は、ガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを低減することを目標とした得られた燃料スプリット設定点に基づいて燃料を送給するよう、関連の構成要素(例えば、1次燃料ノズル30及び2次燃料ノズル32)を調整することができる。
図5は、ガスタービンシステム10のエミッションを制御するためエミッションコントローラ12によって使用される分散的制御プロセス150の1つの実施形態のブロック図である。最初にNH流SPが後処理コントローラ64を用いて生成されて、次に燃料スプリットがガスタービンコントローラ62を用いて生成される、図3及び4に示された分散的制御プロセス120,140とは異なって、図5に示される分散的制御方式150では、NH流SPと燃料スプリットSPがエミッションコントローラ12により実質的に同時に生成される。
エミッションコントローラ12は、SCR作動条件及びガスタービン作動条件を入力として取り込んで、オプティマイザ152を用いてNH流SP及び燃料スプリットSPを生成する。オプティマイザ152は、ガスタービンシステム10の1又はそれ以上の作動パラメータを制御又は調整して、ガスタービンエンジン14及びSCRシステム20におけるNO低減を協働(例えば、その相対量を最適化)するように構成することができる。例えば、オプティマイザ152は、排気ガス38及び処理された排気ガス60におけるNO低減を制御するためメモリ68内に格納された多変数モデル154を用いることができる。オプティマイザ152は、SCR出口センサ76及びタービン出口センサ70などの1又はそれ以上のセンサからの測定フィードバックに基づいてガスタービンシステム10の種々の構成要素を制御又は調整することができる。特定の実施形態において、オプティマイザ152は、更なる制約条件又は制御パラメータを用いることができる。例えば、追加の制約条件は、NHスリップSPのような、環境法的規制に基づいた許容可能な還元剤スリップを含むことができる。例示の実施形態において、オプティマイザ152は、ガスタービンコントローラ62及び後処理コントローラ64を介してガスタービンシステム10を調整又は制御することができる。一部の実施形態において、オプティマイザ152は、ガスタービンシステム10を直接(例えば、ガスタービンコントローラ62及び後処理コントローラ64なしで)調整又は制御することができる。
上述のように、オプティマイザ152は、ガスタービンシステム10の作動を調整して、ガスタービンシステム10内の全体のNO低減を制御するよう構成される。例えば、1つの実施形態において、排気ガス38中のNOレベルの変動をスケジューリング(例えば、プリセット)することができ、SCRシステム20は、処理された排気ガス60中の許容NOレベルを達成するよう制御することができる。別の実施形態において、還元剤スリップ(例えば、アンモニアスリップ58)及び処理された排気ガス60中のNOレベルは、処理された排気ガス60中のNOの許容レベルを達成するよう同時に制御することができる。このような実施形態において、燃焼器24内への燃料スプリットのような、ガスタービンエンジン14の1又はそれ以上の作動条件は、排気ガス38中の望ましいNO/NO比を提供するよう調整することができ、その結果、SCRシステム20の望ましいDeNO効率を提供することができる。このようにして、全体のNOエミッション(例えば、処理された排気ガス60中のNOレベル)を低減することができると共に、ガスタービンエンジン14から流出する排気ガス38中のNOレベル増大又は減少させることができる(NO/NO比ほど重要ではない)。
上述のように、オプティマイザ152は、ガスタービンシステム10に沿って配置されたセンサからの測定フィードバックに基づいてSCRシステム20及びガスタービンエンジン14の作動を調整及び協働することにより、ガスタービンシステム10の全体のDeNO効率を目標設定する。オプティマイザ152(又はエミッションコントローラ12)は、NH流SP及び燃料スプリットSPなどの出力を生成することができる。生成したNH流SP及び燃料スプリットSPに基づいて、エミッションコントローラ12は、ガスタービンシステム10の種々の構成要素、例えば、噴射装置56(例えば、排気ガスストリーム38内に注入されるアンモニアの流量を制御するため)及び燃料ノズル20,32(例えば、燃焼器24内への燃料スプリットを制御するため)を調整又は制御することができる。オプティマイザ152によって使用される多変数モデル154は、ガスタービンエンジン14及びSCRシステム20の作動パラメータを組み込み、排気ガス38中のNO/NO比(又はNO/NO比、NO/NO比)を利用して下流側SCRシステム20のDeNO効率を決定する何らかの好適なモデルとすることができる。例えば、多変数モデル154は、SCRシステム20における化学反応を記述するためのSCRモデル124、及びガスタービンエンジン14の作動を記述するGTモデル130を含むことができる。多変数モデル154は、単純予測モデル、線形2次モデル、又はHinfinityモデル、もしくはこれらの組み合わせとすることができる。
上述のように、図3〜5に関して上記で説明された制御プロセスは、SCRシステム20から流出する処理された排気ガス60中のNOエミッションレベルを低減することを目的としており、ボトミングサイクル16から流出する加工された排気ガス61中のNOエミッションレベルの低減にも同様に適用することができる。例えば、図3及び4に関して、コントローラ12は、SCRシステム20及び他の種々の構成要素を含むボトミングサイクル16において起こる化学的及び物理的反応を記述するボトミングサイクルモデルを含むことができる。ボトミングサイクルモデルは、SCRモデル124、SCRシステム20に流入する前に排気ストリーム38に対して起こる反応及び/又はプロセスを記述する事前SCRモデル(例えば、排気ストリーム38からの熱の一部をボトミングサイクル16の他の構成要素に配向する)、及びボトミングサイクル16から流出する前に処理された排気ストリーム60に対して起こる反応及び/又はプロセスを記述する事後SCRモデル(例えば、排気ストリーム38からの熱の一部をHRSGが利用する)を含むことができる。同様に、図3及び4に関して、コントローラ12は、種々の作動条件でのボトミングサイクル16(例えば、SCRシステム20及びボトミングサイクル16の他の構成要素を含む)のDeNO効率をプロット又はリストするプロット、図、又はテーブル(表)であるボトミングサイクルマップを含むことができる。同様に、図5に関して、多変数モデル154は、ガスタービンエンジン14及びボトミングサイクル16の作動パラメータを組み込んで、排気ガス38中のNO/NO比(又はNO/NO比、NO/NO比)を利用して下流側ボトミングサイクル16のDeNO効率を決定する何らかの好適なモデルとすることができる。例えば、多変数モデル154は、SCRモデル124、事前SCRモデル、事後SCRモデル及びGTモデル130を含むことができる。従って、コントローラ12は、ボトミングサイクル16の出口にて測定された(例えば、排気ストリーム61中の)NHスリップのようなガスタービンシステム10の測定フィードバック及びボトミングサイクル16の作動条件を入力として取り込んで、ガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを制御することができる。更に、オプティマイザ152は、ガスタービンシステム10に沿って配置されたセンサからの測定フィードバックに基づいてボトミングサイクル16(例えば、SCRシステム20及び他の構成要素を含む)の作動を調整及び協働することにより、ガスタービンシステム10の全体のDeNO効率を目標設定することができる。
図6は、ガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを制御するための図5のエミッション制御プロセス150のより詳細な図である。上述のように、エミッションコントローラ12は、ガスタービンシステム10に沿って配置されたセンサの測定フィードバックに基づいてガスタービンシステム10の作動を制御又は調整して、全体のNOエミッションを低減するよう構成することができる。例えば、図示のように、測定フィードバックは、処理された排気ガス60中(又は加工された排出ガス61中)のNO及びアンモニアスリップ58の量を含むことができる。エミッションコントローラ12は、ガスタービンエンジン14及びSCRシステム20のNOエミッションを調整及び協働してガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを低減するため、多変数モデル154に基づいたオプティマイザ152を含むことができる。例えば、エミッションコントローラ12は、NH流SP、NO/NO比SP、燃料スプリットSP、及びガスタービンエンジン14から流出する排気ガス38の温度の設定点のような他の設定点など、ガスタービンシステム10の種々の構成要素についての設定点を生成することができる。
上述のように、エミッションコントローラ12のオプティマイザ152は、ガスタービンエンジン14及びSCRシステム20の作動に関連する種々のパラメータを含むことができる多変数モデル154に基づくことができる。これらのパラメータの多くは、時間の経過に伴って変化する可能性がある。例えば、多変数モデル154は、SCRシステム20における化学反応を記述するSCRモデル124を含むことができる。SCRモデル124によって使用されるパラメータのうちの1つは、触媒50上での還元剤(例えば、アンモニア)の被覆率であり、これは更に、化学組成、触媒基剤、物理的幾何形状、及び使用時間などの触媒50の特徴に少なくとも部分的に依存することができる。触媒50の特徴は、SCRシステム20の種々の実施形態に対して、又は時間(例えば、時間の経過に伴う触媒劣化)に対して、或いはこれらの組み合わせに対して様々とすることができる。このため、SCRモデル124において使用される触媒50上への還元剤の被覆率は、SCRシステム20の様々な実施形態及び/又は経過時間に合わせて調整又は較正することができる。従って、エミッションコントローラ12は、触媒50上への還元剤の被覆率のようなSCRモデル124において使用されるパラメータを推定するよう構成された推定器156を含み、SCRモデル124におけるパラメータの変化する(例えば、SCRシステム20の実施形態及び/又は経過時間に関して)特徴に適応させることができる。SCRモデル124における触媒50上への還元剤の被覆率は、推定器156の動作を例示するための実施例としてここでは使用されており、推定器156は、多変数モデル154及びSCRモデル124で使用される何らかの好適なパラメータを推定するために適用することができる点に留意されたい。
推定器156は、カルマンフィルタリング、追跡フィルタリング、回帰マッピング、ニューラルマッピング、逆モデリング法、又はこれらの組み合わせなど、何らかの好適なパラメータ同定法を利用することができる。フィルタリングは、修正カルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、又は他のフィルタリングアルゴリズムによって実施することができ、或いは代替として、フィルタリングは、比例積分レギュレータ、又は他の形態の方形(n入力、n出力)又は非方形(n入力、m出力)レギュレータにより実施することができる。図6に示すように、推定器156は、多変数モデル154においてパラメータを推定するよう構成された拡張カルマンフィルタ158を含む。拡張カルマンフィルタ158は、多変数モデル154においてパラメータ(例えば、触媒50上への還元剤の被覆率、SCR反応器48における各反応物の反応速度係数、その他)を定数としてモデル化し、次いで、モデル予測と測定フィードバック(例えば、ガスタービンシステム10の種々の構成要素に結合された1又はそれ以上のセンサを介した)を確率的手法で比較することによりパラメータを推定することができる。例えば、拡張カルマンフィルタ158を含む推定器156は、オンラインで(例えば、ガスタービンシステム10と一体化されて、ガスタービンシステム10が作動状態にあるときに機能する)実施することができ、拡張カルマンフィルタ158は、NH、NO、及びNOに対する反応速度に対する乗算器によりこれらの反応速度全体を適合させることによって、反応活性(例えば、還元剤被覆率)を較正又は更新することができる。乗算器は、NH、NO、及びNOに関しての触媒50の活性を示すことができる。推定器156は、ここでは制御方式150に関して説明されているが、推定器156は、図3及び4それぞれに示される制御プロセス120,140を含む、本開示による様々な制御プロセスに同様に適用できる点に留意されたい。従って、システム10動作からのフィードバックを用いて、1又はそれ以上のモデル(例えば、モデル154)を更新し、制御精度を改善することができる。
図7は、本開示による、ガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを制御するプロセス170を示す。本方法170は、SCR作動条件を受け取るステップ(ブロック172)から始まる。一部の実施形態において、ボトミングサイクル作動条件は、ボトミングサイクル16のSCRシステム20及び他の構成要素の作動条件を含む。本方法170はまた、エミッションコントローラ12(例えば、プロセッサ66)によりガスタービン作動条件を受け取るステップ(ブロック174)を含む。上記で検討したように、SCR作動条件は、限定ではないが、NH流制御値、反応器48における反応温度、SCR反応器48の入口52におけるNOの組成(例えば、NO/NO比、NO/NO比、又はNO/NO比)、排気ガス38中のNOの量、SCR反応器48の入口52における排気ガス38の温度、NO以外の排気ガス38の他の成分の組成及び量(例えば、SO、CO)、SCR還元反応の他の反応物及び/又は生成物の量(例えば、水(HO)、酸素(O))、及び触媒50の特徴(例えば、タイプ、量、経年、及び同様のもの)を含む、SCRシステム20の種々の構成要素の何らかの作動パラメータを含むことができる。ガスタービン作動条件は、限定ではないが、排気ガスストリーム38の温度及び流量、燃焼温度、燃焼器24に流れる燃料−空気混合気の燃空比、及び燃料スプリットを含む、ガスタービンエンジン14の何らかの作動パラメータを含むことができる。SCR作動条件及びガスタービン作動条件は、ガスタービンシステム10の種々の構成要素に結合された1又はそれ以上のセンサ(例えば、SCR入口センサ72、触媒センサ74、SCR出口センサ76、圧縮機出口センサ78及び燃料センサ80,82)により得ることができる。図7は、ガスタービン作動条件を受け取るステップの前にSCR作動条件を受け取るステップを示しているが、一部の実施形態において、エミッションコントローラ12は、SCR作動条件を受け取る前に又は実質的に同時にガスタービン作動条件を受け取るように構成される点は理解されたい。
受け取ったSCR作動条件及びガスタービン条件に基づいて、エミッションコントローラ12は次に、1又はそれ以上の後処理制御信号(例えば、NH流制御値のようなSCRシステム20の制御信号)を導出することができる(ブロック176)。上記で検討したように、1又はそれ以上の後処理制御信号は、SCRモデル124又は多変数モデル154に基づいてエミッションコントローラ12(又は後処理コントローラ64)によって導出することができる。導出された後処理制御信号に基づいて、エミッションコントローラ12は、対応する構成要素を制御又は調整することができる。例えば、エミッションコントローラ12は、固定流量(例えば、導出されたNH流制御値)で排気ガス38にアンモニアを注入するよう噴射装置56(例えば、アクチュエータ92を介して)を調整又は制御することができる(ブロック178)。
エミッションコントローラ12は更に、例えば、SCRマップ128又は多変数モデル154に基づいて排気ガス38におけるNO/NO比(又はNO/NO比化10>/NO比、又はNO/NO比)設定点を導出することができる(ブロック180)。上記で検討したように、導出したNO/NO比は、ガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを低減することを目標としている。排気ガス38における導出したNO/NO比に基づいて、エミッションコントローラは更に、1又はそれ以上のガスタービン制御信号(ブロック182)を導出することができる。例えば、GTモデル130又は多変数モデル154に基づいて、エミッションコントローラ12は、排気ガス38における導出したNO/NO比に相当する燃料スプリットを導出することができる。従って、エミッションコントローラ12は、導出したガスタービン制御要素に基づいてガスタービンエンジン14の1又はそれ以上の構成要素を制御又は調整することができる。例えば、エミッションコントローラ12は、特定の燃料スプリット(例えば、導出された燃料スプリットSP)で燃焼器24に燃料を送給するよう燃料ノズル30,32を(例えば、燃料ノズルアクチュエータ88,90を介して)調整又は制御することができる(ブロック184)。
コントローラ12が燃料スプリットSPに基づいてガスタービンエンジン14を調整又は制御した後、コントローラ12は、ガスタービンシステム10の作動を監視又は観測することができる(ブロック186)。例えば、コントローラ12は、1又はそれ以上のセンサ(例えば、SCR出口センサ76)を介してガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを測定することができる。測定フィードバック(例えば、全体のNOエミッション)に基づいて、コントローラは、例えば、推定器156を用いて、プロセスの制御に使用されたモデル(例えば、SCRモデル124、GTモデル130、多変数モデル154)の1又はそれ以上のパラメータを調整又は更新することができる(ブロック188)。その後、方法170は、再度最初から開始することができる(例えば、ブロック172から)。
本開示の技術的作用は、エミッション制御システム(例えば、エミッションコントローラ12)を用いて、ガスタービンエンジン14から流出する排気ガス38中のNO/NO比に基づいてガスタービンエンジン14及び後処理システム18(例えば、SCRシステム20)のNOエミッションを協働及び調整することによりガスタービンシステム10の全体のNOエミッションを低減することを含む。これにより、ガスタービンシステム10がNOエミッション要件に適合可能にすることができる。本開示はまた、エミッションコントローラによって使用されるモデルパラメータを推定できるモデルベースの推定システム(例えば、推定器156)を含み、これにより異なる後処理システム18を利用でき異なる作業場所でのパラメータ及び/又は時間に関してパラメータを更新することができる。従って、推定システムは、より正確なモデル性能をもたらし、堅牢なモデルベース制御方式の適用を可能にすることができる。
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
10 ガスタービンシステム
12 エミッションコントローラ
14 ガスタービンエンジン
16 ボトミングサイクル
18 後処理システム
20 SCRシステム
22 圧縮機
24 燃焼器
26 タービン
28 燃料ノズル
38 排気ガス
48 SCR反応器
50 触媒
52 入口
56 噴射装置
58 アンモニアスリップ
60 排気ストリーム
62 ガスタービンコントローラ
64 後処理コントローラ
66 プロセッサ
76 SCR出口センサ
124 SCRモデル
130 GTモデル
152 オプティマイザ
154 多変数モデル
156 推定器

Claims (20)

  1. プロセッサ(66)を含むエミッション制御システム(12)を備えたシステム(10)であって、前記プロセッサが、
    排気ストリーム(60)のための後処理システム(18)に含められる選択的触媒還元(SCR)システム(20)に対する1又はそれ以上のSCR作動条件を受け取り、
    前記排気ストリームを前記後処理システム内に配向するよう構成されたガスタービンエンジン(14)のための1又はそれ以上のガスタービン作動条件を受け取り、
    SCRモデル(124)及び前記1又はそれ以上のSCR作動条件に基づいて前記SCRシステムへのNH流を導出し、
    NO/NO比を導出し、
    前記NH流、前記NO/NO比又はこれらの組み合わせに基づいて前記ガスタービンエンジンに対する燃料スプリットを導出する、
    ようにプログラムされている、システム。
  2. 前記プロセッサが、SCRマップ(128)を実行することにより前記NO/NO比を導出するようプログラムされる、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記プロセッサが、NHスリップ設定点及び前記SCRモデルを入力として用いることによりNH流を導出するようプログラムされる、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記プロセッサが、NHスリップ設定点及び測定されたNHスリップを入力として用いることによりNH流を導出するようプログラムされる、請求項1に記載のシステム。
  5. 前記プロセッサが、前記後処理システムの1又はそれ以上の測定出力に基づいて前記SCRモデルを更新するよう構成された推定器(156)システムを実行するようプログラムされている、請求項1に記載のシステム。
  6. 前記プロセッサが、前記SCRモデルの1又はそれ以上のパラメータを更新することにより前記SCRモデルを更新するようプログラムされている、請求項5に記載のシステム。
  7. 前記1又はそれ以上のパラメータが、前記SCRシステムにおいて使用される触媒(50)の特徴を含む、請求項6に記載のシステム。
  8. 前記排気ストリームを受け取り、該排気ストリームを機械的又は電気的出力に変換するよう構成されたボトミングサイクル(16)を備え、前記後処理システムが、該ボトミングサイクルに含まれる、請求項1に記載のシステム。
  9. 前記エミッション制御システムが、後処理コントローラ(64)及びガスタービンコントローラ(62)を含み、前記後処理コントローラが、1又はそれ以上の前記SCRシステム作動条件を受け取り、前記SCRへのNH流を導出し、及び前記ガスタービンエンジンのための燃料スプリットを導出するよう構成されている、請求項1に記載のシステム。
  10. 排気ストリーム(60)のための後処理システム(18)に含められる選択的触媒還元(SCR)システム(20)に対する1又はそれ以上のSCRシステムの作動条件を受け取るステップと、
    前記排気ストリームを前記後処理システム内に提供するよう構成されたガスタービンエンジン(14)のための1又はそれ以上のガスタービン作動条件を受け取るステップと、
    SCRモデル(124)及び前記1又はそれ以上のSCR作動条件に基づいて前記SCRシステムへのNH流を導出するステップと、
    NO/NO比を導出するステップと、
    前記NH流、前記NO/NO比又はこれらの組み合わせに基づいて前記ガスタービンエンジンに対する燃料スプリットを導出ステップと、
    を含む、方法。
  11. 前記NO/NO比を導出するステップが、SCRマップ(128)を実行することにより前記NO/NO比を導出するステップを含む、請求項10に記載の方法。
  12. 前記NH流を導出するステップが、NHスリップ設定点及び前記SCRモデルを入力として用いることによりNH流を導出するステップを含む、請求項10に記載の方法。
  13. 前記NH流を導出するステップが、NHスリップ設定点及び測定されたNHスリップを入力として用いることによりNH流を導出するステップを含む、請求項10に記載の方法。
  14. 推定器(156)システムを実行して、前記後処理システムの1又はそれ以上の測定出力に基づいて前記SCRモデルを更新するステップを更に含む、請求項10に記載の方法。
  15. 前記推定器システムを実行して前記SCRモデルを更新するステップが、前記推定器システムを実行して前記SCRモデルの1又はそれ以上のパラメータを更新するステップを含む、請求項14に記載の方法。
  16. システム(10)であって、
    燃料を燃焼して第1の出力を生成するよう構成されたガスタービンエンジン(14)と、
    前記ガスタービンエンジンに流体結合され、前記ガスタービンエンジンの排気ストリーム(38)を受け取って第2の出力を生成するよう構成されたボトミングサイクル(16)と、
    前記ボトミングサイクルに配置され、前記排気ストリームを受け取って該排気ストリームからNOを除去するよう構成された選択的触媒還元(SCR)システム(20)と、
    プロセッサ(66)を含むコントローラ(12)と、
    を備え、前記プロセッサが、
    1又はそれ以上のSCRシステム作動条件を受け取り、
    1又はそれ以上のガスタービン作動条件を受け取り、
    SCRモデル(124)及び前記1又はそれ以上のSCR作動条件に基づいて前記SCRシステムへのNH流を導出し、
    NO/NO比を導出し、
    前記NH流、前記NO/NO比又はこれらの組み合わせに基づいて前記ガスタービンエンジンに対する燃料スプリットを導出する、
    ようにプログラムされている、システム。
  17. 前記プロセッサが、NHスリップ設定点及び前記SCRモデルを入力として用いることによりNH流を導出するようプログラムされる、請求項16に記載のシステム。
  18. 前記プロセッサが、NHスリップ設定点及び測定されたNHスリップを入力として用いることによりNH流を導出するようプログラムされる、請求項16に記載のシステム。
  19. 前記プロセッサが、前記SCRシステムの1又はそれ以上の測定出力に基づいて前記SCRモデルを更新するよう構成された推定器(156)システムを実行するようプログラムされている、請求項16に記載のシステム。
  20. 前記コントローラが、処理コントローラ(64)及びガスタービンコントローラ(62)を含み、前記後処理コントローラが、1又はそれ以上の前記SCRシステム作動条件を受け取り、前記SCRシステムへのNH流を導出するように構成され、前記ガスタービンコントローラが1又はそれ以上のガスタービン作動条件を受け取るように構成されており、前記後処理コントローラが更に、前記NO/NO比を導出し、及び前記ガスタービンエンジンのための燃料スプリットを導出するよう構成されている、請求項16に記載のシステム。
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