JP5129839B2 - 燃料の熱エネルギ量を制御するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、燃料の熱エネルギ量を制御するシステム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、熱エネルギ量の異なる複数の燃料を組み合わせて、所要熱エネルギ量を有する加工混合燃料を生成するものである。

燃焼機関は、安定した燃料供給に依拠して、必要な燃焼速度を惹起及び維持している。例えば、ガスタービンの燃焼器は、燃料に点火して、高温、高圧、且つ高速の燃焼ガスを生成する。燃料噴射システムは、火炎による点火のために、燃焼器に燃料を供給する。低出力レベルにおいて、燃料噴射システムは、燃焼を維持するため、且つ火炎の「立ち消え」を回避するために、比較的高い熱エネルギ量を有する燃料を供給しなければならない。逆に、高出力レベルでは、「立ち消え」はそれほど問題にはならず、より低い熱エネルギ量を有する燃料の方が経済的である。

工業用燃焼機関で利用可能な燃料には、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、及びプロパン等がある。熱エネルギ量は、これらの燃料においてそれぞれ異なる。また、ある特定の燃料の熱エネルギ量は、燃料の供給元、及び純度、温度、圧力等のその特定の燃料の物理的特性によって変動する可能性がある。例えば、高炉ガス及びコークス炉ガスは、鉄鋼産業におけるコークスの燃焼からの副産物であるのに対し、天然ガス及びプロパンは、自然に発生するメタン及び石油の地下堆積物から加工される。転換ガス又はＬＤガスとしても知られる高炉ガスの熱エネルギ量は、７００ｋＣａｌ／ｍ^３から９５０ｋＣａｌ／ｍ^３の間で変動し得る。コークス炉ガスの熱エネルギ量は、３９００ｋＣａｌ／ｍ^３から４４００ｋＣａｌ／ｍ^３の間で変動し得る。天然ガス及び石油の熱エネルギ量は、４１００ｋＣａｌ／ｍ^３を超えることが多い。

燃料の単位原価は、一般に、燃料の熱エネルギ量が大きくなるにつれて増加する。従って、価格が安く熱エネルギ量の低い燃料と、価格が高く熱エネルギ量の高い燃料とを混合して必要な熱エネルギ量を有する混合ガスを得ることによって、燃料のコストを抑制する各種のシステム及び方法が存在する。

例えば、米国特許第７，３９６，２２８号には、熱エネルギ量が異なる複数の燃料を混合して、所要熱エネルギ量を有する混合ガスを得る、燃料ガスの熱量制御方法及び装置が記載されている。このシステム及び方法は、構成燃料について測定された流速及び熱エネルギ量に基づいて、混合燃料に結果的に得られる熱エネルギ量を計算及び予測する。

混合燃料が結果的に得る熱エネルギ量の予測に用いられる計算の精度には、各種の要因が影響し得る。例えば、正確な流量測定は、供給される燃料の圧力に依存し、供給される燃料の圧力は、時間の経過に伴って変化する可能性がある。また、構成燃料は、大容積で低圧力の配管を通って供給されることが多く、このことも各種流量測定の精度に更に影響する。

システムのプロセスは、混合燃料の実際の熱エネルギ量又は必要とされる熱エネルギ量のいずれかを更に変化させ得る。例えば、燃焼機関内に導入する前に、混合燃料を加圧して、混合燃料の熱エネルギ量を変えることができる。また、混合燃料の最適な、又は必要な熱エネルギ量は、燃焼機関の動作レベルの変化に応じて変わり得る。

米国特許第７，３９６，２２８号

従って、構成燃料の流量についての正確な測定値に頼らずに、所要熱エネルギ量を有する混合燃料を生成する燃料制御システムが求められている。また、混合後に、混合燃料の後の処理によって生じる熱エネルギ量の変化を考慮して、混合燃料の熱エネルギ量を調整できる燃料制御システムについての要望もある。最後に、燃焼機関に供給される加工混合燃料の所要熱エネルギ量を、燃焼機関の動作レベルの変化に基づいて調整できる燃料制御システムについての要望も存在する。

本発明の態様及び利点は、下記の説明に記載されているか、その説明から明らであるか、又は本発明を実施することで把握され得る。

本発明の一実施形態は、一連の動作レベルの範囲で、所要熱エネルギ量を有する燃料を燃焼機関に供給するシステムである。システムは、第１燃料を収容する第１燃料供給パイプを含む。第２燃料を収容する第２燃料供給パイプは、混合ポイントにおいて、第１燃料が第２燃料と混合して、第１熱エネルギ量を有する混合燃料を生成するように、第１燃料供給パイプに連結される。制御弁は、混合ポイントの上流で第２燃料供給パイプ内に配置される。混合ポイントの下流の処理システムは、混合燃料を処理して、第２熱エネルギ量を有する加工混合燃料を生成する。第１制御信号には、混合燃料の第１熱エネルギ量が反映される。第２制御信号には、加工混合燃料の第２熱エネルギ量が反映される。第３制御信号には、燃焼機関の動作レベルが反映される。制御弁に接続された制御装置は、第１、第２、及び第３制御信号に基づいて制御弁を駆動する。

本発明の他の実施形態は、一連の動作レベルの範囲で、所要熱エネルギ量を有する燃料を燃焼機関に供給するシステムである。この実施形態において、システムは、第１燃料を収容する第１燃料供給パイプを含む。第２燃料を収容する第２燃料供給パイプは、混合ポイントにおいて、第１燃料が第２燃料と混合して、第１熱エネルギ量を有する混合燃料を生成するように、第１燃料供給パイプに連結される。制御弁は、混合ポイントの上流で第２燃料供給パイプ内に配置される。混合ポイントの下流の処理システムは、混合燃料を処理して、第２熱エネルギ量を有する加工混合燃料を生成する。処理システムより下流のトリム熱量計は、加工混合燃料の第２熱エネルギ量が反映されたトリム制御信号を生成する。制御弁に接続された制御装置は、トリム熱量計からのトリム制御信号に基づいて制御弁を調整する。

本発明の他の実施形態は、一連の動作レベルの範囲で、所要熱エネルギ量を有する燃料を燃焼機関に供給する方法である。この方法は、燃料の所要熱エネルギ量を決定するステップと、第１流量の燃料と第２流量の燃料とを混合して、第１熱エネルギ量を有する混合燃料を生成するステップとを含む。本方法は、更に、混合燃料の第１熱エネルギ量を測定するステップと、混合燃料を処理して、第２熱エネルギ量を有する加工混合燃料を生成するステップとを含む。また、本方法は、加工混合燃料の第２熱エネルギ量を測定し、所望熱エネルギ量、混合燃料の第１熱エネルギ量、及び加工混合燃料の第２熱エネルギ量に基づいて、燃料の第２流量を調整する。

当業者は、本明細書を検討することで、前述した実施形態及び他の実施形態の特徴及び態様をより適切に理解されるであろう。

本発明の最良の形態を含む、当業者に対する本発明についての完全且つ実現可能な開示は、付属の図面への参照を含む明細書の残りの部分に、より具体的に記載されている。図面は次のとおりである。

本発明の一実施形態に係る燃料制御システムを示す簡略図である。 本発明の一実施形態に係る燃料流制御装置を示すブロック図である。

一つ以上の例が付属の図面に示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、数字及び文字の符号を用いて、図面内の特徴物を示す。図面及び説明の中では、類似又は同一の符号を用いて、本発明の類似又は同一の要素を表す。

各例は、本発明の説明のために提供されるものであり、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲又は精神から外れることなく、本発明を修正及び変形できることは、当業者には明らかであろう。例えば、一つの実施形態の一部として図示及び説明される特徴を他の実施形態に用いて、更に他の実施形態を構築することができる。従って、本発明は、このような修正物及び変形物も、付随する請求の範囲及びその等価物の範囲に入るものとして包含することが意図されている。

図１に、本発明の一実施形態に係る燃料制御システム１０の簡略図を示す。図示するように、燃料制御システム１０は、概して、複数の燃料源１２、燃焼機関１６に複数の燃料源１２を接続する配管１４、及び複数の燃料源１２を必要な比率で混合して、所要熱エネルギ量を有する燃料を生成する計測制御装置を含む。

複数の燃料源１２は、図１の左側に図示されている。これらの燃料源は、燃焼機関１６で利用できる、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、天然ガス（ＮＧ）、及びプロパン（Ｐ）等の任意の燃料を含む。遮断弁１８を用いて、各燃料源を配管１４に接続しても良い。遮断弁１８を使用することにより、各燃料の利用可能度に応じて、特定の燃料源を選択して利用したり、又は燃料制御システム１０から特定の燃料源を切り離したりできる。

各燃料源は、燃料の相対熱エネルギ量に従って並べられる。安価な低エネルギ燃料（例えば、ＢＦＧ）は、低エネルギ供給ライン２０によって配管に連結される。高価な高エネルギ燃料（例えば、ＣＯＧ，ＮＧ、及びＰ）は、高エネルギ供給ライン２２に連結される。個別の低エネルギ供給ライン２０及び高エネルギ供給ライン２２を利用することにより、燃料制御システム１０は、燃料の利用可能度に基づいて、低エネルギ及び高エネルギ両方の燃料の複数の供給源を選択又は収容することができる。

燃焼機関１６に複数の燃料源１２を接続する配管１４は、燃料源から目的地に燃料を搬送する各種の方式の管路、ライン、又は送出手段であって良い。図１に示す実施形態では、燃焼機関１６に複数の燃料源１２を接続する配管１４の中に流量測定装置は含まれていないが、代替の実施形態では、このような装置を必要に応じて含むことができる。

制御弁２４は、混合ポイント２６において、高エネルギ供給ライン２２と低エネルギ供給ライン２０とを接続して、高エネルギ燃料と低エネルギ燃料とを混合し、混合燃料を生成する。混合ポイント２６は、タンク、簡単には、低エネルギ供給ラインと高エネルギ供給ラインとを結合する配管等、低エネルギ燃料と高エネルギ燃料とを混合する各種の構造を含む。制御弁２４は、流量可変オリフィス、絞り弁、調整弁、又は可変の流量を調整する各種の同等の構造であって良い。制御弁２４は、通常、より圧力の高い燃料を搬送する供給ラインに配置され、この供給ラインは、図１では高エネルギ供給ラインである。従って、制御弁２４のポジションは、低エネルギ燃料と混合されて混合燃料の熱エネルギ量を変化させる、高エネルギ燃料の量を決定する。例えば、制御弁２４を開くと、混合燃料に追加される高エネルギ燃料の量が増加するため、混合燃料の熱エネルギ量が上昇する。

混合燃料センサ２８が混合ポイント２６の下流に配置され、混合燃料をサンプリングし、その混合燃料の熱エネルギ量が反映された混合燃料制御信号３０を提供する。混合燃料センサ２８は、混合燃料の迅速な測定と、それに相応して高速の、燃料需要の過渡変化への応答とを実現するために合理的に実施できるように、混合ポイント２６に近接して配置される。また、燃料制御システム１０は、混合ポイントの下流の方が相対的によりクリーンであるため、混合ポイント２６の下流に混合燃料センサ２８を配置することで、混合燃料センサ２８の維持管理が容易になる。

混合燃料センサ２８は、高速熱量計、質量分析計、クロマトグラフ、又は混合燃料の熱エネルギ量、水素レベル、低位発熱量（ＬＨＶ）、ウォッベ指数、又は他の各種パラメータを測定して、混合燃料の熱エネルギ量が反映された混合燃料制御信号３０を供給できる任意の同様の測定器である。また、複数の混合燃料センサ２８を利用して、単独のセンサが故障した際の冗長性を提供することができる。複数の混合燃料センサ２８を使用する場合は、追加の回路２９を用いて、混合燃料制御信号３０を生成する平均、高位、又は低位センサを選択する。

混合燃料は、一般に、燃焼機関１６に到達する前に、加工混合燃料を生成する一つ以上のシステムプロセスを通過する。これらのシステムプロセスは、混合燃料の各種の物理特性又は組成を変化させる各種の構成要素、例えば加湿器、減湿器、コンプレッサ、熱交換器、及び／又は化学剤追加ステーション等を含む。図１に示すように、混合燃料は、例えば、混合燃料の圧力及び／又は温度を調整するために、コンプレッサ３２及び／又は熱交換器３４を通る。混合燃料の圧力及び／又は温度が変化することで、体積に基づいて、加工混合燃料の熱エネルギ量に相応の変化が生じる。また、混合燃料に対する不燃性の気体及び液体の追加又は除去も、加工混合燃料の熱エネルギ量を体積に応じて変化させ得る。

システムプロセスの下流側に設けられるトリムセンサ３６は、加工混合燃料のサンプリングを行う。トリムセンサ３６は、加工混合燃料の熱エネルギ量が反映されたトリム制御信号３８を提供する。トリムセンサ３６は、燃焼機関１６内に進入する直前で加工混合燃料を合理的に測定できるように、燃焼機関１６に近接して配置される。トリムセンサ３６は、高速熱量計、質量分析計、クロマトグラフ、又は加工混合燃料の熱エネルギ量、水素レベル、低位発熱量（ＬＨＶ）、ウォッベ指数、又は他の各種パラメータを測定して、加工混合燃料の熱エネルギ量が反映されたトリム制御信号３８を供給できる任意の同様の測定器である。また、複数のセンサを利用して、単独のセンサが故障した際の冗長性を提供することができる。複数のセンサを使用する場合は、追加の回路を用いて、トリム制御信号３８を生成する平均、高位、又は低位センサを選択する。

制御装置４０は、制御弁２４のポジションを決定する。制御装置４０に、制御弁２４のポジションを正確に設定させて、燃料の所要熱エネルギ量を得られるようにする多数の等価のアルゴリズムを利用できる。図２に、本発明の一実施形態に係るアルゴリズムの一つを示すブロック図を提示する。

図２に示すように、制御装置４０は、混合燃料センサ２８からの第１制御信号４２、トリムセンサ３６からの第２制御信号４４、及び燃焼機関１６からの第３制御信号４６を受け取る。混合燃料センサ２８からの第１制御信号４２は、混合燃料の熱エネルギ量が反映された混合燃料制御信号３０である。トリムセンサ３６からの第２制御信号４４は、加工混合燃料の熱エネルギ量が反映されたトリム制御信号３８である。燃焼機関１６からの第３制御信号４６は、燃焼機関１６のメガワット負荷、発火温度、又は動作レベルを表す他の信号である。

ブロック４８において、制御装置４０は、第１（混合燃料）制御信号４２と、第２（トリム）制御信号４４とを比較して、トリム値５０を決定する。トリム値５０は、混合燃料と加工混合燃料の間の熱エネルギ量の変化である。制御装置４０は、図２のＬＡＧブロックに示されるように、混合燃料センサ２８からトリムセンサ３６までの混合燃料の移動時間を考慮して、第１（混合燃料）制御信号を調整する。これにより、制御装置４０は、混合燃料センサ２８における混合燃料の熱エネルギ量と、トリムセンサ３６に到達した後のその同じ混合燃料の、加工混合燃料としての熱エネルギ量とをより正確に比較できるようになる。

ブロック５２において、制御装置４０は、燃焼機関１６の動作レベルが反映されている第３制御信号４６に基づいて、所要熱エネルギ量５４を決定する。一部の実施形態では、所要熱エネルギ量５４は、燃焼機関１６の一連の動作レベルの範囲で、一定に維持されても良い。他の実施形態では、所要熱エネルギ量５４は、燃焼機関１６の動作レベルの範囲において、具体的な設計考慮事項に応じて変化しても良い。

ブロック５６において、制御装置４０は、所要熱エネルギ量５４と、トリム値５０とを比較して、調整所要熱エネルギ量５８を決定する。

ブロック６０において、制御装置は、調整熱エネルギ量５８と、第１（混合燃料）制御信号４２とを比較して、制御弁２４の動作を制御する。調整熱エネルギ量５８が、第１（混合燃料）制御信号４２よりも大きい場合、制御装置４０は、制御弁２４を開いて高エネルギ燃料の流量を増やすことで、結果的に得られる、システム１０によって生成される燃料の熱エネルギ量を増加させる。逆に、調整熱エネルギ量５８が、第１（混合燃料）制御信号４２よりも少ない場合、制御装置４０は、制御弁２４を閉じて、高エネルギ燃料の流量を減らすことで、結果的に得られる、システム１０によって生成される燃料の熱エネルギ量を低下させる。

本明細書に記載した本発明の実施形態は、付属の請求項に記載した本発明及びその等価物の範囲及び精神から外れることなく、修正及び変更できることは当業者には理解されよう。

１０ 燃料制御システム
１２ 複数の燃料源
１４ 配管
１６ 燃焼機関
１８ 遮断弁
２０ 低エネルギ供給ライン
２２ 高エネルギ供給ライン
２４ 制御弁
２６ 混合ポイント
２８ 混合燃料センサ
２９ 追加の回路
３０ 混合燃料制御信号
３２ コンプレッサ
３４ 熱交換器
３６ トリムセンサ
３８ トリム制御信号
４０ 制御装置
４２ 第１制御信号
４４ 第２制御信号
４６ 第３制御信号
４８ 混合−トリムのブロック
５０ トリム値
５２ 動作レベル−所要熱エネルギ量のブロック
５４ 所要熱エネルギ量
５６ 所要熱エネルギ量−トリム値のブロック
５８ 調整熱エネルギ量

Claims (9)

1. 一連の動作レベルの範囲で、所要熱エネルギ量（５４）を有する燃料を燃焼機関（１６）に供給するシステム（１０）であって、
   第１燃料を収容する第１燃料供給パイプ（２０）と、
   第２燃料を収容し、混合ポイント（２６）において、前記第１燃料が前記第２燃料と混合して、第１熱エネルギ量を有する混合燃料を生成するように、前記第１燃料供給パイプ（２０）に接続される第２燃料供給パイプ（２２）と、
   前記混合ポイント（２６）より上流の前記第２燃料供給パイプ（２２）内の制御弁（２４）と、
   前記混合ポイント（２６）の下流で、前記混合燃料を処理して第２熱エネルギ量を有する処理済み混合燃料を生成する、処理システムと、
   前記混合燃料の前記第１熱エネルギ量が反映された第１制御信号（４２）と、
   前記処理済み混合燃料の前記第２熱エネルギ量が反映された第２制御信号（４４）と、
   前記燃料機関（１６）の動作レベルが反映された第３制御信号（４６）と、
   前記制御弁（２４）に接続されて、前記第１制御信号（４２）、第２制御信号（４４）、及び第３制御信号（４６）に基づいて、前記制御弁（２４）を駆動する制御装置（４０）とを含むシステム。
2. 前記混合ポイント（２６）の下流に、前記第１制御信号（４２）を生成する混合燃料熱量計（２８）を更に含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記処理システムの下流に、前記第２制御信号（４４）を生成するトリム熱量計（３６）を更に含む、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記トリム熱量計（３６）は、前記燃焼機関（１６）に近接している、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第３制御信号（４６）は、前記燃焼機関（１６）の一連の動作レベルの範囲で変動する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記所要熱エネルギ量（５４）は、前記燃焼機関（１６）の動作レベルが上昇するにつれて低下する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 一連の動作レベルの範囲で、所要熱エネルギ量（５４）を有する燃料を燃焼機関（１６）に供給する方法であって、
   前記燃料の前記所要熱エネルギ量（５４）を決定するステップと、
   第１流量の燃料（２０）と、第２流量の燃料（２２）とを混合して、第１熱エネルギ量を有する混合燃料を生成するステップと、
   前記混合燃料の前記第１熱エネルギ量を測定するステップと、
   前記混合燃料を処理して、第２熱エネルギ量を有する処理済み混合燃料を生成するステップと、
   前記処理済み混合燃料の前記第２熱エネルギ量を測定するステップと、
   前記所要熱エネルギ量と、前記混合燃料の前記第１熱エネルギ量と、前記処理済み混合燃料の前記第２熱エネルギ量とに基づいて、前記燃料の前記第２流量を調整するステップとを含む方法。
8. 前記燃焼機関（１６）の動作レベルに基づいて、前記所要熱エネルギ量（５４）を決定するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記燃焼機関（１６）の動作レベルの変化に応じて、前記所要熱エネルギ量（５４）を変化させるステップを更に含む、請求項７に記載の方法。